Способ гамма-спектрометрии

 

Изобретение относится к области прикладной ядерной геофизики и может быть использовано в геологии, геохимии и металлургии. Способ заключается в регистрации естественного или индуцированного γ-излучения детекторами, определении интенсивностей спектральных потоков в заданных энергетических интервалах каждого спектра, границы которых определяют по положению реперной γ-линии в спектре первого детектора. Первый детектор окружают экраном, поглощающим γ-излучение и высвечивающим рентгеновское излучение (РИ). γ-Спектры от каждого из детекторов регистрируют одновременно в двух энергетических диапазонах, для чего осуществляют пороговую селекцию и усиление сигналов с коэффициентами K₁ и K₂, затем в полых γ-спектрах находят номера каналов пиков γ-излучения естественно-радиоактивных нуклидов, по положению номера канала, максимума пика РИ n₁ и величине его энергии E₁ рассчитывают в первом приближении энергетические масштабы γ-спектра первого детектора по определенным формулам. В основном высокоэнергетическом спектре находят пик с минимальной погрешностью измерения и, используя значение энергетического масштаба, рассчитывают приблизительные значения энергии по определенной формуле. Идентифицируют энергии пика с минимальной погрешностью измерений E_i^min, используя определенные соотношения. По найденным энергии и номеру канала пика E_i^min и n_i^min и положению максимума РИ (E₁, n₁) рассчитывают второе приближение для энергетического масштаба и калибровочное уравнение по определенным выражениям, идентифицируют значение энергии для всех других пиков в спектре жесткой компоненты первого детектора, по найденным E_i и n_i для всех пиков спектра жесткой компоненты первого детектора рассчитывают истинный масштаб, для чего методом наименьших квадратов (н.к) находят калибровочное уравнение. Определяют энергетические масштабы для остальных детекторов в первом приближении по положению в них пика E_i^min и n_i^min, после чего для каждого детектора находят калибровочные уравнения, рассчитывают приближенные значения энергии для остальных пиков каждого спектра, идентифицируют их и по методу н. к. устанавливают окончательный вид калибровочных уравнений и масштабы детекторов, затем корректируют коэффициенты усиления в определенное число раз. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Способ гамма-спектрометрии относится к прикладной ядерной геофизике, а более конкретно к группе методов, основанных на регистрации спектральных распределений гамма-излучения естественного или искусственного происхождения, и может быть использован в геологии, геофизике, геохимии, горной, нефтяной, газовой промышленности, металлургии и других областях народного хозяйства.

Известен способ исследования спектрального состава гамма-излучения, основанный на последовательном измерении вначале спектра среды известного состава или спектра реперных источников с известными энергиями гамма-линий, а затем измерении спектра среды с неизвестным составом изотопов-излучателей. По первому спектру осуществляют градуировку аппаратуры в единицах энергии, используя которую определяют энергию и интенсивность потоков в заданных энергетических интервалах от исследуемой среды (1-ый аналог. Сцинтилляционный метод в радиометрии. В.О.Вяземский и др. - Госатомиздат, 1961).

Недостатком способа является необходимость выполнения 2-х операций, приводящих к снижению производительности и невозможности его реализации при дистанционных исследованиях.

Второй известный способ заключается в одновременной регистрации одним и тем же детектором реперного и информационного гамма-излучения, причем положение реперного фотопика на шкале спектрометра автоматически корректируется по заданному алгоритму с помощью системы автоматического регулирования усиления (АРУ). Располагая априорной градуировочной зависимостью в требуемом диапазоне энергий и спектром от исследуемой среды с фотопиками реперного гамма-излучения, легко осуществляется градуировка шкалы спектрометра в единицах энергии и соответственно определение энергии и интенсивности излучений в любом интервале аппаратурного спектра (2-ой аналог. Бухало О.П. Повышение стабильности каротажных гамма-спектрометрических систем. //АН УССР. Физико-механический институт им. Г.В.Карпенко, г.Львов. - 1985. - С. 58).

Основным недостатком способа является "загрязнение" исследуемого информационного спектра излучением реперного гамма-источника, что резко снижает статистическую точность измерений спектральных потоков в области энергий слева от гамма-линии реперного источника. Вторым недостатком является трудность его реализации при использовании многодетекторных систем регистрации (2-10), так как это сопровождается кратным увеличением числа реперных изотопов, требующихся для организации измерений по 2-му аналогу.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ стабилизации энергетической шкалы многодетекторной спектрометрической системы по а.с. СССР N 1589228 от 01.05.1990 г., МКИ G 01 T 1/40.

Сущность способа состоит в измерении спектральных потоков в n фиксированных интервалах (каналах), причем для калибровки одного из спектров (первого) используется реперный фотопик, положение которого во время измерений стабилизируется системой АРУ. Для других детекторов стабилизация спектров осуществляется по величине спектральных интенсивностей, регистрируемых i-ым детектором излучений (N_i) и первым детектором излучения (N₁) в характерных энергетических областях спектра.

Основным недостатком способа является необходимость использования реперного источника с энергией, превышающей среднюю энергию спектра. В противном случае из-за смещения энергетической шкалы, всегда имеющей место при измерениях, точность градуировки снижается и соответственно погрешности определения интенсивностей спектральных потоков и энергии гамма-квантов возрастают. Другим недостатком является "загрязнение" информационного спектра первого детектора фоновым излучением источника. И наконец, способ трудно реализуем, если используются детекторы с разной эффективностью регистрации гамма-квантов, например, детекторы разных типов (NaI, CsI, BgO и др.) или размеров. В этом случае из-за различий формы спектров способ практически оказывается неработоспособным.

Повышение точности измерений энергии и спектральных потоков гамма-квантов естественного происхождения, регистрируемых многодетекторными системами, может быть достигнуто за счет регистрации естественного гамма-излучения "D" детекторами, определении спектральных потоков N_i в заданных энергетических интервалах спектров каждого из "D" детекторов, границы которых определяют по положению реперной гамма-линии в спектре первого детектора, для чего создают по крайней мере в спектре первого детектора фотопик известной энергии. Способ отличается тем, что регистрацию естественного гамма-излучения каждым из "D" детекторов осуществляют в форме полных гамма-спектров "S_i", первый из "D" детекторов окружают защитным свинцовым экраном толщиной 0,1-0,2 мм, поглощающим мягкую компоненту рассеянного гамма-излучения и высвечивающего характеристическое рентгеновское излучение с энергией 75 кэВ, регистрацию гамма-спектров от каждого из "D" детекторов осуществляют одновременно в двух неперекрывающихся энергетических диапазонах 0-300 и 300-3000 кэВ, для чего осуществляют пороговую селекцию при энергии E_н = 250-350 кэВ и последующее усиление сигналов с коэффициентами, соответственно равными K₁ и K₂, причем K₁/K₂ выбирают приблизительно равными E_в/E_н, где E_в, E_н - верхняя и нижняя энергетические границы диапазонов, соответственно, низкоэнергетической и высокоэнергетической компонент спектров, затем в полных гамма-спектрах естественной радиоактивности находят номера каналов n_i, соответствующие локальным фотопикам гамма-излучения естественно-радиоактивных элементов урана, тория и калия, по положению номера канала n₁, соответствующего максимуму фотопика рентгеновского излучения от свинцового экрана и величине его энергии E₁, рассчитывают в первом приближении энергетический масштаб гамма-спектра первого детектора для низкоэнергетического диапазона m₁₁ = E₁/n₁ и высокоэнергетического диапазона m₁₂ = E₁/n₁·K₁/K₂. В высокоэнергетическом диапазоне спектра первого детектора находят фотопик с минимальной погрешностью измерения и, используя значение m₁₂, рассчитывают приблизительное значение энергии фотопика с минимальной погрешностью измерения по формуле E_i^min = m₁₂·n_i^min и осуществляют идентификацию энергии фотопика с минимальной погрешностью измерений, используя нижеследующие логические соотношения: E_i^min = 0,609 МэВ при 0,4 ≅ E_i^min ≅ 0,80; E_i^min = 1,46 МэВ при 1,20 ≅ E_i^min ≅ 1,6; E_i^min = 1,76 МэВ при 1,60 ≅ E_i^min ≅ 2,00; E_i^min = 2,614 при 2,30 ≅ E_i^min ≅ 2,9, по найденным энергии E_i^min и номеру канала n_i^min фотопика с минимальной погрешностью и положению максимума характеристического рентгеновского излучения от свинцового экрана с координатами E₁ и n₁ рассчитывают второе приближение для энергетического масштаба m₂ = (E_i^min - E₁)/(n_i^min - n₁·K₂/K₁) и калибровочное уравнение вида E_i = E₀ + [(E_i^min - E₁)/(n_i^min - n_i·K₂/K₁)]·n_i, где E₀ - ордината при n = 0, идентифицируют значение энергии для всех других фотопиков в спектре высокоэнергетической компоненты первого детектора, для чего используют нижеследующие логические соотношения E_i = 0,609 МэВ при 0,55 ≅ E_i ≅ 0,65; E_i = 0,923 МэВ при 0,83 ≅ E_i ≅ 1,0; E_i = 1,12 МэВ при 1,01 ≅ E_i ≅ 1,25; E_i = 1,46 МэВ при 1,30 ≅ E_i ≅ 1,53; E_i = 1,6 МэВ при 1,54 ≅ E_i ≅ 1,65; E_i = 1,76 МэВ при 1,66 ≅ E_i ≅ 1,95; E_i = 2,1 МэВ при 2,0 ≅ E_i ≅ 2,14; E_i = 2,20 МэВ при 2,15 ≅ E_i ≅ 2,30; E_i = 2,45 МэВ при 2,31 ≅ E_i ≅ 2,50; E_i = 2,614 МэВ при 2,51 ≅ E_i ≅ 2,8, по найденным значениям координат E_i и n_i для всех локальных фотопиков спектра высокоэнергетической компоненты первого детектора рассчитывают истинные значения энергетического масштаба m₃, для чего методом наименьших квадратов находят уравнение E_i = E₀ + m₃·n₁.

Определение энергетических масштабов регистрации спектров для остальных (D-1) детекторов осуществляют в первом приближении по положению в них фотопика с минимальной погрешностью измерений, значения энергии E_i^min и E₀ для которых принимаются равными спектру первого детектора, после чего по координатам E_i^min, n_i^min и E₀, n = 0 для каждого (D-1)-ого детектора по уравнению вида E_i = E₀ + [(E_i^min - E₀)/n_i^min]·n_i, рассчитывают приближенные значения энергии для остальных фотопиков каждого из (S-1)-ого спектра, осуществляют их идентификацию по приведенным выше соотношениям и аналогичным образом по методу наименьших квадратов устанавливают окончательный вид калибровочных уравнений E_i = E₀ + m₃·n_i и энергетические масштабы регистрации m₃ для каждого из (D-1)-ого детектора, после чего находят отношения r(S_i) = m₃(S_i)/m₀(S_i), где m₀(S_i) - заданный масштаб регистрации S_i-ого гамма-спектра для D_i-ого детектора, и изменяют коэффициенты усиления спектрометрических трактов в r(S_i) раз, например, путем изменения высокого напряжения питания соответствующего сцинтилляционного гамма-детектора.

Для корректного расчета координат фотопика с минимальной погрешностью E_i^min и n_i^min в S_i-спектрах результаты измерений суммируют по M реализациям или циклам измерений и приводят к одной экспозиции или к одному интервалу исследований.

Способ отличается также тем, что определение соотношения коэффициентов усиления K₁/K₂ = (n_k-1 + I_k/I_k-1)/(n_н + I_н/I_н+1), осуществляют по отношению полного числа заполненных информацией каналов в спектре низкоэнергетического диапазона (n_k-1 + I_k/I_k-1) к числу первых незанятых информацией каналов в спектре высокоэнергетического диапазона (n_н + I_н/I_н+1), при этом дробная часть каналов в низкоэнергетическом диапазоне определяется по соотношению I_k/I_k-1, а в высокоэнергетическом диапазоне по отношению I_н/I_н+1, где I_k и I_k-1 - число импульсов, записанных в последний и предпоследний информационные каналы низкоэнергетического диапазона, I_н и I_н+1 - число импульсов, записанных в ближайшем и последующем информационных каналах высокоэнергетического диапазона.

Указанные отличительные признаки не встречены в известных технических решениях, поэтому способ характеризуется новыми, ранее неизвестными технологическими признаками и особенностями, совокупность которых обеспечивает повышение точности гамма-спектрометрических измерений.

Сущность способа может быть понята из анализа гамма-спектров урановой, ториевой и калиевой руды и устройства для гамма-спектрометрии, представленных соответственно на фиг. 1, 2 и данных таблицы. На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1 - аппаратурные гамма-спектры урана (U), тория (Th) и калия (K) при отсутствии защитного экрана (алюминиевый корпус толщиной 4 мм) в энергетических диапазонах 0-300 и 300-3000 кэВ.

2 - то же при наличии свинцового экрана толщиной 0,1 мм. Энергия основных гамма-линий и их выход показаны соответственно стрелками на фиг. 1 и в таблице.

Анализ приведенных гамма-спектров свидетельствует, что независимо от спектрального состава при наличии свинцового экрана толщиной 0,1 мм во всех спектрах четко прослеживаются фотопик с энергией 75 кэВ, обусловленный рентгеновским излучением свинца в следствии возбуждения его атомов мягкой компонентой рассеянного излучения.

Благодаря этому возможно по положению максимума рентгеновского излучения свинца 75,0 кэВ осуществлять энергетическое масштабирование спектра. Однако реальная точность определения энергетического масштаба составляет ±4-10%, что совершенно не отвечает решению практических задач. Столь невысокая точность градуирования по низкоэнергетическому реперу общеизвестна и объясняется двумя основными факторами: нелинейностью световыхода детектора от энергии гамма-квантов в диапазоне 0-300 кэВ и влиянием смещения нулевого уровня входных сигналов. В частности, даже если предположить что шкала спектрометра абсолютно линейна в диапазоне от 0 до E_max, а фотопик свинца находится в 10-ом канале, что соответствует энергетическому масштабу 7,5 кэВ/канал, то смещение нулевого уровня всего на 1 канал приводит к изменению энергетического масштаба на ±10,4%. Для снижения погрешности расчета энергетического масштаба низкоэнергетическая компонента спектра должна регистрироваться с шириной окна 2-2,5 кэВ. В этом случае фотопик свинца будет находиться в 25-35 каналах. Смещение его положения на один канал будет соответствовать погрешности расчета энергетического масштаба в пределах 3-4% относительных. Приведенные цифры характеризуют предельную точность градуировки энергетической шкалы спектрометра по низкоэнергетическому фотопику рентгеновского излучения свинца и соответственно свидетельствует о возможности только грубой оценки энергии гамма-квантов, но достаточной для однозначной идентификации фотопиков с минимальной погрешностью.

При ширине окна ΔE = 2,5 кэВ/канал для регистрации полного спектра естественного гамма-излучения в диапазоне от 0 до 3000 кэВ необходим спектрометр с числом каналов n = 3000:2,5 = 1200 каналов, например, типа АИ-1024. В случае использования сцинтилляционных детекторов с энергетическим разрешением 12-18% по гамма-линии 662 кэВ изотопа Cs-137, такой спектрометр является избыточным при регистрации высокоэнергетической компоненты спектра (300-3000 кэВ) и оптимальным для регистрации низкоэнергетической компоненты спектра (0-300 кэВ). Поэтому для практической реализации способа регистрацию спектра целесообразно осуществлять при двух разных коэффициентах усиления K₁ и K₂ с помощью одновременного амплитудного анализа низкоэнергетической и высокоэнергетической компонент путем пороговой селекции излучения, при заданном энергетическом уровне. Функциональная схема такой спектрометрической системы представлена на фиг. 2. Она включает в себя сцинтилляционный блок детектирования на основе монокристалла NaJ(Tl) размером, например, 50х250 мм с ФЭУ-151 (3), окруженного свинцовым экраном толщиной 0,1-0,2 мм (4), предварительный усилитель (5), компаратор (6), линию задержки (7), два линейно пропускающих ключа (8 и 9), дополнительный линейный усилитель (10), многоканальный анализатор импульсов с возможностью независимой регистрации 2-х и более гамма-спектров (11).

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии на выходе компаратора (6) логический ноль, линейно-пропускающий ключ 8 открыт, а ключ 9 закрыт. На второй вход компаратора (6) подано опорное напряжение U_оп, соответствующее амплитуде гамма-кванта с энергией порядка 300 кэВ. С выхода сцинтилляционного детектора (3) информационный сигнал с амплитудой пропорциональной энергии гамма-кванта усиливается предварительным усилителем (5) и поступает одновременно на входы линии задержки на 0,5-1,0 мкс и прямой вход компаратора 6. В том случае, если амплитуда сигнала превышает опорное напряжение компаратора на его выходе формируется сигнал логической единицы, открывающий ключ 9 и закрывающий ключ 8 на время, несколько превышающее длительность входного импульса. Благодаря этому задержанный информационный сигнал с выхода элемента 7 через ключ 9 поступает на второй вход многоканального анализатора импульсов, где записывается в соответствующий канал. На первый вход АИ информационный сигнал естественно не проходит. В том случае, если амплитуда информационного сигнала ниже опорного напряжения компаратора (6) с выхода линии задержки (7) сигнал проходит через линейно-пропускающий ключ (8) и после дополнительного усиления (10) поступает на первый вход многоканального анализатора импульсов, где также регистрируется по своему адресу. Таким образом, исходный спектр делится на две компоненты, каждая из которых регистрируется независимо, но с разными коэффициентами усиления. Высокоэнергетическая компонента усиливается только предварительным усилителем 5 с коэффициентом K₂, низкоэнергетическая компонента усиливается линейными усилителями 5 и 10 с коэффициентом усиления K₁. При уровне компарации равном примерно 300 кэВ и диапазонах регистрации для низкоэнергетической компоненты 0-300 кэВ (0-E_н), а высокоэнергетической 300-3000 кэВ (E_н-E_в), соотношение в коэффициентах усиления выбирается K₁/K₂ ≈ E_в/E_н. В этом случае каждая из компонент регистрируется в равном количестве каналов АИ, например, 128. Пример регистрации двух компонент спектра с описываемым спектрометрическим устройством показан на фиг. 1. В данном случае низкоэнергетическая компонента занимает в первом спектре полных 84 канала. В последнем n_к канале информация регистрируется при ширине канала, меньшей шага квантования амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) из-за произвольного выбора U_оп компаратора. Точная ширина последнего канала равна разности между опорным напряжением компоратора (U_оп) и уровнем опорного сигнала АЦП АИ для (n_к-1) канала: ΔU·(n_к-1), где ΔU - ширина младшего разряда квантования сигнала по амплитуде. Дробную часть ширины последнего канала легко определить по соотношению числа импульсов (I) в последнем I(n_к) и предпоследнем I(n_к-1) информационных каналах, считая, что скорости счета в смежных каналах примерно одинаковыми. Тогда ширина последнего информационного канала составит ΔU(n_к) = I(n_к)/I(n_к-1). Следовательно, в низкоэнергетической области спектра информацией заполняются n_к-1 + I(n_к)/I(n_к-1) каналов, где n_к-1 и n_к - соответственно предпоследний и последний каналы, заполненные информацией. Первый информационный канал в спектре высокоэнергетической компоненты также оказывается частично заполненным из-за уменьшения шага квантования. Реальная ширина первого информационного канала может быть найдена по отношению числа импульсов I(n_н) и I(n_н+1) (фиг. 1) в ближайшем и последующем информационных каналах. В итоге полное число незаполненных начальных каналов при регистрации высокоэнергетической компоненты спектра составит: n_н + I(n_н)/I(n_н+1), где n_н и n_н+1 - номера каналов, соответственно последнего незаполненного и последующего частично заполненного информацией в спектре высокоэнергетической компоненты гамма-излучения. С учетом отмеченного легко найти соотношение в коэффициентах усиления низкоэнергетической и высокоэнергетической компонент спектра, которое определяется формулой: K₁/K₂ = [(n_к-1 + I(n_к)/I(n_к-1)]/[n_н + I(n_н)/I(n_н+1)]. (1) В выражении (1) числитель отражает полное количество каналов в спектре низкоэнергетической компоненты, заполненных информацией, в знаменателе - количество каналов в спектре высокоэнергетической компоненты, наоборот, незаполненных информацией (импульсами).

При известном соотношении коэффициентов усиления двух компонент спектра по положению фотопика характеристического излучения свинца в низкоэнергетической области нетрудно рассчитать энергетические масштабы как для низкоэнергетического (m₁₁), так и высокоэнергетического (m₁₂) диапазонов гамма-спектров. Очевидно для низкоэнергетической (m₁₁) и высокоэнергетической (m₁₂) компонент энергетические масштабы могут быть найдены из следующих соотношений:
m₁₁ = E₁/n₁ и m₁₂ = E₁/(n₁·K₂/K₁), (2)
где n₁ - номер канала фотопика рентгеновского гамма-излучения от свинца в спектре низкоэнергетической компоненты первого детектора. Однако, как отмечалось выше, точность определения энергетического масштаба m₁₂ даже при таком способе измерений составляет не выше ±5%. Дальнейшее повышение точности определения энергетического масштаба может быть обеспечено за счет дополнительного использования информационных гамма-линий, проявляющихся в гамма-спектрах в виде локальных фотопиков.

Из таблицы следует, что спектры урановых, ториевых, калиевых и смешанных руд образуются за счет излучения по крайней мере 2-х десятков гамма-линий основных изотопов, а также пиков комптовского рассеяния и образования пар. Например, в рудах ториевой природы от гамма-линии 2,614 МэВ образуются очень контрастные полупарные и парные пики с энергиями, соответственно равными 2,614-0,51 = 2,104 МэВ и 2,614-1,02 = 1,594 МэВ. От гамма-линий урана с энергией 2,2 и 1,76 МэВ в урановых рудах могут рождаться парные и полупарные линии с энергией 1,18; 1,70 МэВ и 1,24; 0,74 МэВ. В чисто калиевых рудах (калийные соли) может образоваться пик, обусловленный обратным отражением (на 180^o) из детектора гамма-квантов с энергией 1,24 МэВ и т.д. Некоторые из гамма-линий, образованные вследствие вторичных эффектов, интерферируют с основными, другие могут четко выделяться в спектре. В итоге в реальных спектрах, как правило, проявляются следующие десять основных линий: 0,609 кэВ (уран), 0,923 кэВ (торий), 1,12 МэВ (уран), 1,46 МэВ (калий), 1,6 МэВ (торий), 1,76 МэВ (уран), 2.1 МэВ (торий), 2,2 МэВ (уран), 2,45 МэВ (уран), 2,614 МэВ (торий). Эти гамма-линии могут проявляться в любых сочетаниях, что исключает идентификацию их энергии по соотношению номеров каналов, в которых зафиксированы фотопики, и чрезвычайно затрудняют однозначное определение их энергии по энергетическому масштабу, определенному по низкоэнергетическому фотопику рентгеновского гамма-излучения от экрана. Исходя из приведенного выше ряда основных гамма-линий для однозначной их идентификации относительная погрешность определения энергии должна быть менее половины разности энергии наиболее близких гамма-линий, отнесенной к их суммарной энергии, т. е. для гамма-линий 1,46 и 1,6 МэВ δ ≅ (1,60-1,46):(1,46+1,6)·100% ≅6,7%, для гамма-линий 1,6 и 1,76 МэВ, ε ≅ (1,76-1,60):(1,60+1,76)·100% ≅ 7,1%, для гамма-линий 1,12 и 1,24 МэВ, δ ≅ 5,1%, для гамма-линий 2,1 и 2,2 МэВ, δ ≅ 2,3%. Т.е. погрешность определения энергии по низкоэнергетическому фотопику рентгеновского излучения не должна быть более 5%, а в случае раздельной идентификации гамма-линий 2,1 и 2,2 МэВ, δ ≅ 2,0%. В противном случае в ториевой руде фотопик с энергией 2,1 МэВ может быть отнесен к гамма-линии урана с энергией 2,2 МэВ и наоборот. В связи с этим и опираясь на опыт работ, а также исходя из квантового выхода естественно радиоактивных изотопов и эффективности сцинтилляционных детекторов для снижения требований и точности определения энергии фотопиков предлагается введение дополнительного признака - погрешности измерения фотопика с энергией E_i при наличии фона Ф. Последняя определяется соотношением величины фона и площади анализируемого фотопика (Σ):

Анализ таблицы 1 и реальных спектров от сцинтилляционных детекторов показывает, что в рудах любого состава минимальные погрешности измерений отмечаются для фотопиков с энергиями 0,609 МэВ (уран), 1,46 МэВ (калий), 1,76 МэВ (уран) и 2,614 МэВ (торий). Все остальные гамма-линии при любых условиях измерений регистрируются с погрешностью, превышающей погрешность хотя бы одного из выделенных четырех фотопиков. Благодаря этому представляется возможным примерно в 2 раза снизить требования к допустимой точности определения энергетического масштаба по низкоэнергетическому гамма-реперу. Легко показать, что для указанного ряда основных линий допустимая погрешность идентификации по наиболее сближенным линиям урана и калия может оставлять δ ≅ (1,46-1,76)/(1,46+1,76)·100% ≅ ±9,3%. Энергетический масштаб при такой допустимой погрешности определения энергии основных гамма-линий может быть рассчитан по энергии и положению (номеру канала) фотопика рентгеновского излучения свинца в спектре первого детектора экранированного листовым свинцом толщиной 0,1-0,2 мм. Используя значение m₁₂ можно найти первое приближение энергии фотопика с минимальной погрешностью измерения E_i^min по формуле
E_i^min = m₁₂·n_i^min, (4)
где E_i^min и n_i^min - энергия и номер канала фотопика с минимальной погрешностью измерения.

Дальнейшая идентификация энергии фотопиков осуществляется путем использования нижеследующих логических соотношений: E_i^min = 0,609 МэВ, если 0,5 ≅ E_i^min ≅ 0,7 МэВ; E_i^min = 1,46 МэВ, если 1,30 ≅ E_i^min ≅ 1,60 МэВ; E_i^min = 1,76 МэВ, если 1,61 ≅ E_i^min ≅ 2,00 МэВ; E_i^min = 2,614 МэВ, если 2,35 ≅ E_i^min ≅ 2,8 МэВ.

Таким образом, точное определение энергии фотопика с минимальной погрешностью измерения достигается при грубой оценке энергетического масштаба по энергии и номеру канала, соответствующим фотопику рентгеновского излучения в спектре низкоэнергетической компоненты первого детектора. После идентификации и точного определения значения энергии и номера канала фотопика с минимальной погрешностью измерений (E_i^min, n_i^min) для спектра первого детектора рассчитывается второй приближенный энергетический масштаб
m₂ = (E_i^min - E₁)/(n_i^min - n₁·K₂/K₁) (5)
и составляется уравнение для приближенного расчета энергии других локальных фотопиков в спектре
E₁ = E₀ + [(E_i^min - E₁)/(n_i^min - n₁·K₂/K₁)]·n_i (6)
Уравнение (6) обеспечивает точность определения энергии любых фотопиков в интервале от E₁ до E_i^min с погрешностью ±1,5-2,0%. Благодаря этому однозначное определение энергии выделенных выше десяти фотопиков может быть обеспечено исходя из следующих условий: E_i = 0,609 МэВ, если 0,55 ≅ E_i ≅ 0,67 МэВ; E_i = 0,923 МэВ если 0,83 ≅ E_i ≅ 1,0 МэВ; E_i = 1,12 МэВ, если 1,01 ≅ E_i ≅ 1,19 МэВ; E_i = 1,24 МэВ, если 1,20 ≅ E_i ≅ 1,29 МэВ; E_i = 1,46 МэВ, если 1,30 ≅ E_i ≅ 1,53 МэВ; E_i = 1,6 МэВ, если 1,54 ≅ E_i ≅ 1,65 МэВ; E_i = 1,76 МэВ, если 1,66 ≅ E_i ≅ 1,95 МэВ; E_i = 2,1 МэВ, если 2,0 ≅ E_i ≅ 2,14 МэВ; E_i = 2,20 МэВ, если 2,15 ≅ E_i ≅ 2,30 МэВ; E_i = 2,45 МэВ, если 2,31 ≅ E_i ≅ 2,50 МэВ; E_i = 2,614 МэВ, если 2,51 ≅ E_i ≅ 2,8 МэВ. Далее по найденным координатам (E_i, n_i) локальных фотопиков спектра первого экранированного детектора легко рассчитать истинное значение энергетического масштаба m₃ и градуировочную зависимость E_i = f(n_i) для определения границ энергетических интервалов, энергии гамма-квантов и их интенсивности в любом участке спектра. Наиболее точные результаты обеспечиваются методом наименьших квадратов, минимизирующего погрешности измерений, допускаемые при определении номеров каналов, соответствующих i-ым фотопикам. Окончательная градуировочная зависимость имеет вид
E_i = E₀ = m₃·n_i, (7)
где E₀ и m₃ - ордината при n_i = 0 и истинный энергетический масштаб регистрации спектра.

Определение энергетических масштабов для спектров других (D-1) детекторов, в том числе неэкранированных и не имеющих низкоэнергетических рентгеновских гамма-реперов в многодетекторной системе базируется на следующих принципах. Все детекторы системы регистрируют гамма-кванты в идентичных условиях, т. е. от одного и того же объекта исследований и при одинаковых параметрах окружающей среды (температуре, геометрии измерений). Тогда энергия фотопика с минимальной погрешностью в информационных спектрах каждого из (D-1)-ого детектора будет соответствовать энергии фотопика с минимальной погрешностью в спектре экранированного детектора. Следовательно, отыскав положение всех фотопиков в информационном спектре (D-1)-ого детектора и определив их погрешность измерений (δ_i), по минимуму погрешности сразу идентифицируется значение энергии одной из основных гамма-линий, имеющей координаты (E_i^min, n_i^min). E₀ также можно принять равным значению энергии при n_i = 0 для первого экранированного детектора из формулы (7), поскольку все детекторы имеют идентичные схемы и работают в одних и тех же условиях окружающей среды.

Тогда для расчета энергии остальных фотопиков во втором приближении с точностью ±1,5-2,0% будет справедливо соотношение:
E₁ = [(E_i^min - E₀)/n_i^min]·n_i + E₀. (8)
Дальнейшая идентификации энергии гамма-линий спектра (D-1)-ого детектора осуществляется аналогично, как для 10-ти локальных фотопиков экранированного детектора, используя вышеприведенные неравенства.

При известных координатах локальных фотопиков (E_i, n_i) также по методу наименьших квадратов устанавливается окончательный вид уравнений E_i = E₀ + m₃·n_i и энергетические масштабы регистрации m₃ для каждого из (D-1)-ого детектора. Затем для каждого из D-детекторов определяется величина отношения r(S_i) = m₃(S_i)/m₀(S_i), характеризующая уход энергетических спектров S_i детекторов от заданного энергетического масштаба m₀(S_i). Коррекция работы аппаратуры достигается обычным путем - изменением коэффициента усиления спектрометрического тракта D-ого детектора. При передаче информации от D детекторов по единому спектрометрическому тракту корректировка усиления достигается изменением высокого напряжения питания соответствующего детектора. В связи с большим объемом вычислительных операций, требующихся для практической реализации способа, он особенно эффективен при использовании для обработки данных бортовых микроЭВМ типа IBM-PC/AT. В этом случае обработка спектров от D-детекторов реализуется в реальном масштабе времени, что позволяет своевременно корректировать коэффициенты усиления по любому детектору. Для реализации способа измерения спектров от D детекторов приводятся к единым условиям: одному интервалу исследований, или времени измерений. При невысоких активностях исследуемых сред для более точного определения градуировочных зависимостей и энергетических масштабов каждого из S_i детекторов данные могут суммироваться или определяться по нескольким реализациям с записью промежуточных результатов на дисковод или другой накопитель информации. В этом случае градуировочные зависимости E_i = f(n_i) и энергетические масштабы для промежуточных спектров принимаются равными параметрам суммарного или осредненного спектра. Поиск положения (номера канала) фотопиков в информационных спектрах, в том числе фотопика рентгеновского излучения при машинной обработке проводится исходя из следующего логического неравенства < N_ф-2 < N_ф-1 < N_ф > N_ф+1 > N_ф+2, где N_ф, N_ф-1 и N_ф-2, N_ф+1 и N_ф+2 - соответственно интенсивности спектральных потоков в максимуме фотопика, первом и втором каналах, располагающихся слева и справа от фотопика по шкале спектрометра. Для исключения ложных фотопиков, обусловленных статистикой отсчетов, налагаются дополнительные условия: разность в скоростях счета в любых смежных каналах должна превышать абсолютную статистическую погрешность измерений (N_i - N_i+1) > . Для расчета погрешности измерения i-ого фотопика используется формула (3).

В отличии от известных технических решений предложенный способ характеризуется высокой точностью определения энергетического масштаба. В свою очередь это позволяет достичь предельно возможной точности определения энергии регистрируемых гамма-квантов во всем диапазоне спектральных распределений без использования реперного гамма-источника.

В прототипе решение задачи осуществляется параметрически по величине отношения потоков излучения в характерных областях спектров без учета смещения уровня сигналов (E₀) и фактически по значению энергии одной только реперной гамма-линии. Вследствие этого точность стабилизации энергетической шкалы оказывается ниже по сравнению с предложенным способом.

Практическая реализация способа может быть осуществлена с любой спектрометрической аппаратурой, в комплект которой входит микроЭВМ, например с анализатором импульсов АИ-1024 или 4096, комплектуемые микроЭВМ ЕС-1841 (совмещенной с IBM-PC/AT). Регистрация спектров от D детекторов в АИ-4096 возможна в различные области ОЗУ с минимальным числом каналов 512. Прилагаемое к микроЭВМ ЕС-1841 программное обеспечение позволяет реализовать поиск фотопиков и расчет энергетических масштабов регистрации спектров одновременно от 8-ми детекторов. Для практической реализации предложенного способа дополнительно были разработаны программы, реализующие весь вычислительный процесс с индикацией на дисплее энергетических масштабов по каждому спектру. Изменение коэффициентов усиления по каждому детектору осуществлялось путем изменения высокого напряжения питания соответствующих фотоэлектронных умножителей. При такой регулировке представилось возможным обеспечить точность энергетических масштабов по 4-ем детекторам, три из которых неэкранированы, а один помещен в экран из с листового свинца толщиной 0,1 мм, на уровне 0,5-1% при изменении температуры окружающей среды в диапазоне от 20 до 80^oC. По базовому способу (прототипу) точность измерения спектра энергии гамма-квантов при температуре более 50^oC снижалась до 2-2,5% из-за смещения нулевого уровня сигналов.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает высокоточную коррекцию энергетической шкалы и позволяет существенно расширить методические возможности гамма-спектрометрии за счет безфоновой регистрации низкоэнергетической компоненты естественного гамма-излучения.

Возможности способа неизмеримо возрастают благодаря разработке программно-управляемой многодетекторной системы, работающей в диалоговом режиме с бортовой микроЭВМ.

Формула изобретения

1. Способ гамма-спектрометрии, заключающийся в регистрации естественного гамма-излучения D детекторами, определении спектральных потоков N_i в заданных энергетических интервалах спектров каждого из D детекторов, границы которых определяют по положению реперной гамма-линии в спектре первого детектора, для чего создают по крайней мере в спектре первого детектора фотопик известной энергии, отличающийся тем, что регистрацию естественного гамма-излучения каждого из D детекторов осуществляют в форме полных гамма-спектров (S_i), первый из D детекторов окружают защитным свинцовым экраном толщиной 0,1 - 0,2 мм, поглощающим мягкую компоненту рассеянного гамма-излучения и высвечивающим характеристическое рентгеновское излучение с энергией 75 кэВ, регистрацию гамма-спектров от каждого из D детекторов осуществляют одновременно в двух неперекрывающихся энергетических диапазонах 0 - 300 и 300 - 3000 кэВ, для чего осуществляют пороговую селекцию при энергии Е_н = 250 - 350 кэВ и последующее усиление сигналов с коэффициентами усиления соответственно равными К₁ и К₂, причем К₁/К₂ выбирают приблизительно равным Е_в/Е_н, где Е_в и Е_н - верхняя и нижняя энергетические границы диапазонов соответственно низкоэнергетической и высокоэнергетической компонент спектров, затем в полных гамма-спектрах естественной радиоактивности находят номера каналов n_i, соответствующие локальным фотопикам гамма-излучения естественно радиоактивных элементов урана, тория, калия, по положению номера канала n₁, соответствующего максимуму фотопика рентгеновского излучения от свинцового экрана и величине его энергии E₁, рассчитывают в первом приближении энергетический масштаб гамма-спектра первого детектора для низкоэнергетического диапазона m₁₁ = E₁/n₁ и высокоэнергетического диапазона m₁₂ = (E₁/n₁) · (К₁/К₂), в высокоэнергетическом диапазоне спектра первого детектора находят фотопик с минимальной погрешностью измерения E_i^min, используя значение m₁₂, рассчитывают приблизительные значения энергии фотопика с минимальной погрешностью измерений по формуле E_i^min = m₁₂ · n_i^min и осуществляют идентификацию энергии фотопика с минимальной погрешностью измерений, используя нижеследующие логические соотношения: E_i^min = 0,609 МэВ при 0,4 ≅ E_i ≅ 0,80; E_i^min = 1,46 МэВ при 1,20 ≅ E_i ≅ 1,6; E_i^min = 1,76 МэВ, при 1,60 ≅ E_i ≅ 2,00; и E_i^min = 2,614 при 2,30 ≅ E_i ≅ 2,9, по найденным энергии E_i^min и номер канала n_i^min фотопика с минимальной погрешностью и положению максимума характеристического рентгеновского излучения от свинцового экрана с координатами E₁, n₁ рассчитывают второе приближение для энергетического масштаба
m₂ = E_i^min - E₁) / (n_i^min - n₁ · К₂/К₁)
и калибровочное уравнение вида
E_i = E₀ + [(E_i^min - E₁) / (n_i^min - n₁ · К₂/К₁)] · n_i,
где Е₀ - значение энергии при n = 0, идентифицируют значения энергий для всех других фотопиков в спектре высокоэнергетической компоненты первого детектора, для чего используют нижеследующие логические соотношения: E_i = 0,609 МэВ при 0,55 ≅ E_i ≅ 65; E_i = 0,923 МэВ при 0,83 ≅ E_i ≅ 1,0; E_i = 1,12 МэВ при 1,01 ≅ E_i ≅ 1,25; E_i = 1,46 МэВ при 1,30 ≅ E_i ≅ 1,53; E_i = 1,6 МэВ при 1,54 ≅ E_i ≅ 1,65; E_i = 1,76 МэВ при 1,66 ≅ E_i ≅ 1,95; E_i = 2,1 МэВ при 2,0 ≅ E_i ≅ 2,14; E_i = 2,20 МэВ при 2,15 ≅ E_i ≅ 2,30; E_i = 2,45 МэВ при 2,31 ≅ E_i ≅ 2,50; E_i = 2,614 МэВ при 2,5 ≅ E_i ≅ 2,8, по найденным значениям координат E_i, n_i для всех локальных фотопиков спектра высокоэнергетической компоненты первого детектора рассчитывают истинное значение энергетического масштаба m₃, для чего методом наименьших квадратов находят уравнение E_i = E₀ + m₃ · n_i, определение энергетических масштабов регистрации для спектров остальных D-1 детекторов осуществляют в первом приближении по положению в них фотопиков с минимальной погрешностью измерений, значение энергии E_i^min и E₀ для которых принимаются равными спектру первого детектора, после чего по координатам E_i^min, n_i^min и E₀, n = 0 для каждого (D-1)-го детектора по уравнению вида
E_i = [(E_i^min - E₀)/n_i^min] n_i + E₀
рассчитывают приближенные значения энергии для всех фотопиков каждого из (S - 1)-го спектра, осуществляют их идентификацию по приведенным выше соотношениям и аналогичным способом по методу наименьших квадратов устанавливают окончательный вид калибровочных уравнений
E_i = E₀ + m₃ · n_i
и энергетические масштабы регистрации m₃ для каждого из (D-1)-го детектора, после чего находят отношение
r (S_i) = m₃ (S_i) / m₀ (S_i),
где m₀ (S_i) - заданный масштаб регистрации S_i гамма-спектра D-1-го детектора и корректируют коэффициенты усиления спектрометрических трактов в r (S_i) раз, например, путем изменения высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя соответствующего сцинтилляционного гамма-детектора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для корректного расчета координат фотопика с минимальной погрешностью E_i^min, n_i^min в S_i - спектрах результаты измерений суммируют по М циклам измерений и приводят к одной экспозиции или к единому интервалу исследований.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение соотношения коэффициентов усиления осуществляют по отношению полного числа заполненных информацией каналов в спектре низкоэнергетического диапазона [n_к-1 + I (n_к) / I (n_к-1)] к числу первых незанятых информацией каналов в спектре высокоэнергетического диапазона [n_н + I (n_н) / I (n_н+1)] по формуле
K₁ / K₂ = [n_к-1 + I (n_к) / I (n_к-1)] / [n_н + I (n_н) / I (n_н+1)],
при этом дробная часть каналов в низкоэнергетическом диапазоне определяется по отношению I (n_k) / I (n_к-1), высокоэнергетического диапазона по соотношению I (n_н) / I (n_н+1), где I (n_к) и I (n_к-1) - число импульсов, записанных в последний и предпоследний информационные каналы низкоэнергетического диапазона I (n_н) и I (n_н+1) - число импульсов, записанных в ближайшем и последующем информационном каналах высокоэнергетического диапазона.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4