Работа 3. Эталонирование радиометрической аппаратуры

Для обнаружения и измерения интенсивности ядерных излучений при­меняются приборы, называемые радиометрами. Радиометры подразделяются:

1. Интегральные – измеряют суммарную интенсивность γ -излучения вне зави­си­мости от их энергии.

2. Спектрометрические – измеряют распределение γ -квантов по их энергиям.

Все полевые радиометры состоят из двух блоков: блока детектирования и блока регистратора. На рисунке показан полевой интегральный радиометр СРП-97: наверху – блок регистрации, внизу – блок детектирования. В блоке детектиро­вания расположены: детектор излучения, высоковольтный блок пита­ния детек­тора, предварительный усилитель сигналов детектора. В блоке регист­ра­ции нахо­дятся основной блок питания прибора (батареи); электронные схемы обра­ботки электрических импульсов, поступающих из блока детектирования; индикаторы (стрелочные приборы или цифровые индикаторы).

Важным элементом радиометра, определяющим его характеристики, яв­­ля­ется детектор. В настоящее время в полевых радиометрах наиболее широ­ко используются сцинтилляционные детекторы, В сцинтилляционном счетчике регис­тра­ция заряженной ча­стицы происходит за счет возбуждения атомов и мо­лекул вдоль ее траектории. Возбужденные атомы, живущие короткое время, пере­ходят в основное состояние, испуская электромагнитное излу­чение. У ряда прозрачных веществ (люминофоров) часть спектра этого излучения приходи­тся на световую область. Прохождение заря­женной части­цы через такое веще­ство вызывает вспышку света. Для увеличения выхода света и умень­шения его поглощения в люминофор добавляют активаторы. Вид активатора указывают в скобках после обозначения люминофора. Так, например, крис­талл NaI, активированный таллием, обозначают NaI (T1).

Регистрация γ -квантов в сцинтилляционном счетчике проис­ходит бла­го­даря вторичным электронам и позитронам, образу­ющимся при по­гло­щении γ -квантов люминофором. Поскольку люминофоры обладают хорошей опти­чес­кой прозрачностью, то для регистрации γ -квантов применя­ют люмино­фо­ры большой тол­щины. Это обеспечивает высокую эффектив­ность регистра­ции γ -квантов сцинтилляционным счетчиком.

У сцинтилляционных детекторов имеются некоторые особенности при спектрометрии γ -излучения. При попада­нии в сцинтилляционный детектор моно­энер­ге­тиче­с­кого γ -излучения, на выходе счетчика возникает распределение импуль­сов, называемое аппаратурной линией:

1. При фотоэффекте энергия вторичного элек­трона равна энергии γ -кванта Е₀. Пункти­р­ной линией показано реальное распреде­ле­ние импульсов на выходе ФЭУ вследст­вие энергетического раз­ре­шения детектора.

2. При комптоновском рассеянии втори­ч­­но­му электрону передается лишь часть эне­ргии кванта. При комптон-эффекте, в за­висимо­сти от угла рассеяния γ -кванта, эне­ргия вторичного электрона может меня­ться в широких пре­делах.

3. При рождении электронно-позитронной пары (РЭП) кинетическая энергия пары на 1, 02 Мэв меньше, чем энергия γ -кванта. Появление дополнитель­ных линий Е₀ -0, 51 Мэв и Е₀при РЭП обуслов­лено тем, что в ряде случа­ев один или даже оба γ -кванта с энергией 0, 51 Мэв, образующихся при анни­гиляции позитрона, поглощаются в сцинтилляторе в результате фото­эф­­фекта, и вспышка от этих фотоэлектронов сливается с вспыш­кой от первичной пары электрон - позитрон. Необходимо помнить, что РЭП является пороговой реакцией Е_пор = 1.02 Мэв.

В результате реальный спектр от моноэнергетического γ -излучения будет являться суммой всех трех составляющих.

Ниже приводится аппара­тур­ный спектр изотопа ²⁴Na (E₀= 1, 38 и 2, 76 Мэв). Для линии 1, 38 Мэв вклад эффекта образо­вания пар ничтожен и соответст­вую­щие пики почти незаметны; образует­ся лишь пик в 1, 38 Мэв, обуслов­ленный фотоэф­фектом, а также менее чет­кий комптоновский пик с энер­ги­ей 1, 17 Мэв. Для линии 2, 76 МэВ на­блю­даются три пика с энергиями 1, 74, 2, 25 и 2, 76 Мэв. Пики с энергиями 1, 74 и 2, 25 Мэв обязаны эффекту образо­вания пар (РЭП). Пик 2, 76 Мэв обусловлен тремя процессами: фотоэффектом; эффек­том образования пар, сопровождающемуся поглощением обоих γ -кван­тов аннигиляции; комптон-эффектом, когда рассеян­ный γ -квант также поглощается люминофором в результате фотоэф­фекта. Во всех трех про­цес­сах в световую энергию превращается вся энергия γ -кванта. Поэтому этот пик называют пиком полного поглощения. Форма пика полного пог­ло­­­щения близка к гауссовой кривой.

У любого детектора есть энер­ге­тическое разрешение, в сцин­тилляционном детекторе оно со­ставляет 8 – 10% при энергии γ -излучения 1 Мэв. Под энерге­ти­ческим разрешением детекто­ра понимают способность детек­то­ра раздельно регистрировать близ­кие по энергетическому спектру линии. Чи­с­ленно энергетическое разреше­ние, выраженное в процентах, характери­зуют отношением ширины пика от моноэнергетического источника на поло­ви­не высоты к энергии источника:

A = (DE/E₀)*100%

Энергетическое разрешение уменьшается с ростом энергии излучения как (E)^-0.5. Кроме процессов, происходящих в самом сцинтилляционном детекторе, искажение реальных спектров γ -излучения, обусловлено также наличием аппаратурного разрешения – уширения пиков за счет процессов в электронных схемах прибора. В результате аппаратурное разрешение спектрометра с сцин­тилляционным детектором со­ставляет 10 – 14 % при энергии γ -излучения 1 Мэв.

Следствием аппаратурного разрешения спектрометра является то, что пики, близко расположенных по энергии, не всегда разрешаются.

Показания ра­ди­ометров зависят не только от интенсивности излучения, но и от инди­видуальных особенностей радиометра (типа счетчика, геометрии изме­рений и т. д.).

Для интегральных радиометров, для перехода от измеренной интенсивности (в имп/мин или делениях шкалы) к истинной интенсивности (точнее к дозе) γ -излучения (в мкР/ч), необходимо установить характер зависимости между ними, назы­ваемый эталонировочной характеристикой или эталонировочным графиком. Эталонировочный гра­фик позволяет учитывать и чувствительность радио­мет­ров, и нелинейность зависимости показаний от интенсивности излучения, обусловленную просчетами импульсов счетной схемой.

Для эталонирования интегральных полевых радиометров выбирают участок 10 на 15 м с минимальной активностью пород и вдали от соору­жений и предме­тов, могущих создавать помехи за счет рассеяния излучения от эталон­но­го источника. На расстоянии 6—10 м друг от друга устанавливаются два столба высотой приблизительно 2 м, между которыми натягивается трос или провод. В верхней части одного из столбов устанавливается радио­метр. Ось радио­метра должна находиться на вертикальной плоскости, проходящей через трос, на 8—10 см ниже последнего. На тросе подве­ши­вается эталонный радиевый источник известной активности. Его центр располагается на одной высоте с центром детектора. Устанавливая источ­ник на различных расстояниях от детектора, создают раз­личную интен­сивность из­лучений. При этом интен­сивность излучения (в мкР/ч) рас­считывают по формуле:

I_γ эт =840a / r²

где: а – активность радиевого источника в мКи; r – расстояние между источником и детектором, м; 840 мкР/ч – доза облучения от 1 мг радия на расстоянии 1 м.

По результатам измерений при различных значениях I_γ эт строят эталонировочный график. Экстраполируя этот график до нулевых показаний прибора, на оси абсцисс от­счи­тывают интенсивность фона I_ф на пункте эталонирования, а сместив шкалу на оси абсцисс на вели­чину I_ф, получают окон­чательную шкалу I_γ эталонировочного графика (нижняя шкала).

Для спектрометрической аппара­туры, кроме того, эталонируют энер­гетическую шкалу, т. е. определяют связь между энергией излуче­ния и амплитудой им­пульсов на входе дискриминаторов (или иначе но­мером канала амплитудного анализатора). Для изучения этой зави­симости обычно проводят исследование спектра от нескольких исто­чников с различной энергией излучения и строят график связи между уровнем дискриминации в вольтах (номером канала) и энергией излу­чения. Для эталонирования энергетической шкалы используют источ­ники из Cs¹³⁷ (энергия излучения 0, 662 МэВ), Со⁶⁰ (энергия излучения 1, 17 и 1, 33 МэВ) или других источников с известными энергиями гамма - квантов.