Радиометрическое устройство для измерения низкоэнергетических ионизирующих излучений

 

Использование: атомная промышленность в области измерения ядерных излучений. Сущность изобретения: в радиометрическом устройстве, содержащем кювету с измеряемым образцом, измерительную камеру с щелевой диафрагмой, образуемой двумя призмами, фотоэлектронные умножители, дополнительно содержатся в вершинах призм измерительной камеры неподвижно установленные охлаждаемые металлические элементы в виде проточных полостей, которые одновременно служат для снятия электростатических зарядов, возникающих при перемещении кюветы в измерительной камере. Технический результат - создание устройства для измерения низкоэнергетических ионизирующих излучений, обеспечивающего повышение чувствительности, уменьшение нестабильности путем стабильности температурного режима, увеличение производительности, расширение области применения. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области измерений ядерных излучений и может быть использовано в высокочувствительных сцинтилляционных счетчиках, предназначенных для определения низкоэнергетических бета-излучателей, например углерода-14, трития.

Для измерения активности низкоэнергетических бета-излучателей известны два типа сцинтилляционных счетчиков - одноканальные и двухканальные - счетчики совпадений (установки).

В работе Голенецкого С.П. (см. книгу Рублевский В.П. и др. Радиоактивный углерод в биосфере. М.: Атомиздат, 1979. - 149 с.) активность углерода-14 определяют способом толстослойных дисперсных сцинтилляторов (ТДС) на одноканальном сцинтилляционном счетчике с одним фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) на уровне, близком к естественному содержанию углерода-14 в объектах окружающей среды. Недостатками при определении углерода-14 способом ТДС на одноканальном сцинтилляционном счетчике являются следующие: 1. большая трудоемкость подготовки проб; 2. применение одноканального сцинтилляционного счетчика со специально изготовленным малошумящим и стабильным фотоэлектронным умножителем, температура охлаждения которого должна поддерживаться высокостабилизированнной системой с точностью 1^oC; 3. использование кюветы с плоским дном - поверхностью, прилегающей к окну ФЭУ.

Эти недостатки и не позволяют способом Голенецкого С.П. проводить массовое определение углерода-14 на естественном уровне ≈ 250 Бк/кг углерода.

Поэтому с целью устранения этих недостатков в патенте Антоненко Г.И. и Савиной B.C. (см. Патент SU 1434977, Российская федерация. Способ измерения концентрации углерода-14 на естественном уровне) предложен усовершенствованный способ определения углерода-14 методом ТДС. По этому способу карбонат кальция, содержащий исследуемый углерод-14, смешивают с легкоплавким сцинтиллятором и размещают в цилиндрической кювете из фторопласта. Затем кювету вращают в горизонтальной плоскости при температуре ниже температуры плавления сцинтиллятора, тем самым добиваясь равномерного распределения частиц карбоната в сцинтилляторе. После застывания полученной массы концентрацию карбоната определяют на бета-радиометре с двумя оппозитно расположенными ФЭУ - двухканальной установке.

Известна двухканальная жидкостная сцинтилляционная установка, включающая рабочие фотоэлектронные умножители и измерительную цилиндрическую камеру между ними (см. "Медицинская радиология", 1960, 12, с. 51.; А.с. 133533, СССР. Кювета для жидкостных сцинтилляционных счетчиков / В.В. Артемьев (СССР). - N 656941/26, заявлена 01.03.60: 1960, Бюл. N 24).

Известна также двухканальная установка с фотоэлектронными умножителями для детектирования радиоактивности, содержащая поляризационные фильтры, расположенные между фотокатодами ФЭУ, служащие для уменьшения значения фона (Франция, МКИ G 01 T 1/100, публ. 1972 г., заявка N 2117748).

Недостатком этих установок при определении низких концентраций углерода-14 в объектах окружающей среды, начиная от естественного уровня ≈ 250 Бк/кг углерода, предложенным способом по Патенту SU 1434977 является отсутствие охлаждения блока детектирования. Это приводит к плавлению при температуре выше ≈ 25^oC и переходу в жидкое состояние толстослойного дисперсного сцинтиллятора (ТДС), а следовательно, осаждению мелкодисперсной взвеси карбоната кальция, в составе которого содержится измеряемый углерод-14, на дно кюветы. Это приводит к нестабильности выполненных измерений и в конечном счете уменьшению чувствительности.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является установка для определения углерода-14 на естественном уровне, предложенная Антоненко Г.И. (см. "Приборы и техника эксперимента", 1992, N 4, с. 173-175). Массовое определение углерода-14 на низком уровне заключается в измерении концентрации углерода-14 в карбонате кальция в составе твердой сцинтиллирующей смеси, помещенной в цилиндрическую измерительную кювету определенной толщины, на двухканальной сцинтилляционной установке с двумя ФЭУ, расположенными напротив друг друга и включенными по схеме совпадений. Особенностью конструкции блока детектирования является применение фторопластовой измерительной камеры с щелевой диафрагмой, образуемой двумя фторопластовыми призмами, с помощью которой удалось значительно уменьшить значение фона (см. "Приборы и техника эксперимента", 1989, N 2, с. 85-86). В конструкции измерительной камеры предусмотрено устройство съема заряда, представляющее собой заземленные медные электроды, расположенные на ребрах треугольных фторопластовых призм щелевой диафрагмы. В этой установке с целью повышения стабильности, а следовательно, чувствительности при определении углерода-14 предусмотрено охлаждение всего блока детектирования проточной водопроводной водой с температурой ниже точки плавления легкоплавкого толстослойного дисперсного сцинтиллятора.

Недостатком этой установки является охлаждение всего блока детектирования вместе с пассивной защитой, выполненного в виде полого стального цилиндра и засыпанного свинцовой дробью значительной толщины - 10 см. Охлаждение массивного блока детектирования при определенных климатических условиях приводит также к некоторой нестабильности, а следовательно, снижению чувствительности.

Такие негативные явления происходят, например, при повышении температуры и влажности воздуха в неотапливаемый сезон в помещении, где находится установка. Повышение влажности воздуха внутри блока детектирования, где расположен узел ФЭУ, приводит к ее конденсации на деталях делителей ФЭУ и в том числе на анодной нагрузке. Эти нежелательные явления приводят к флуктуациям увеличенных токов утечки, а следовательно, к определенной нестабильности и уменьшению чувствительности установки.

Технической задачей изобретения является повышение чувствительности, уменьшение нестабильности путем стабилизации температурного режима.

Поставленная задача достигается тем, что в радиометрическом устройстве для измерения низкоэнергетических ионизирующих излучений, содержащем кювету с измеряемым образцом, два фотоэлектронных умножителя, между которыми размещена измерительная камера с щелевой диафрагмой, образуемой двумя призмами, дополнительно содержатся в вершинах призм измерительной камеры неподвижно установленные, охлаждаемые металлические элементы в виде проточных полостей, которые одновременно служат для снятия электростатических зарядов, возникающих при перемещении кюветы в измерительной камере.

При исследовании отличительных признаков описываемого радиометрического устройства не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся использования традиционной конструкции радиометрического устройства при реализации процесса стабилизации температурного режима путем установки охлаждаемых металлических элементов в виде проточных полостей, одновременно служащих для снятия электростатических зарядов, которые позволяют осуществить повышение чувствительности.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного устройства, позволили установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного устройства. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, которые изложены в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное устройство соответствует условию "новизна".

Заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное устройство не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного устройства преобразований на достижение технического результата. Описываемое изобретение не основано на изменении количественных признаков, представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении их вида.

Следовательно, заявленное устройство соответствует условию "изобретательский уровень".

Отличительной особенностью предлагаемого технического решения является то, что происходит охлаждение только внутреннего объема измерительной камеры, в которой во время измерения расположена цилиндрическая кювета со смесью карбоната кальция и легкоплавким твердым сцинтиллятором. В то же время резисторы делителя ФЭУ находятся при температуре, равной температуре воздуха в помещении. Поэтому на деталях делителей ФЭУ, находящихся под напряжением, не происходит конденсации влаги и, следовательно, нет флуктуации и увеличения токов утечки между электродами, что и приводит к стабильной работе устройства. Следует также заметить, что при применении металлических охлаждающих элементов последние выполняют функцию снятия зарядов, возникающих во время установки кюветы с образцом в измерительную камеру.

Общий вид устройства показан на фиг. 1, фиг.2, фиг.3.

На фиг.1 изображена измерительная камера, вид сверху, разрез А-А.

На фиг.2 изображена измерительная камера, вид спереди, разрез Б-Б.

На фиг.3 изображена измерительная камера, вид сбоку, разрез В-В.

Радиометрическое устройство состоит из двух соосно расположенных фотоэлектронных умножителей 1, между которыми размещается измерительная камера 2, в которой находится кювета 3 с измеряемым образцом. На вершинах призм 4 щелевой диафрагмы 5 измерительной камеры 2 размещены неподвижно установленные охлаждаемые металлические элементы 6 в виде проточных полостей.

Измерительная камера 2 предназначена для размещения кюветы с измеряемым образцом 3 при оптимальном сборе квантов света, испускаемых кюветой 3. Особенностью конструкции блока детектирования является применение фторопластовой измерительной камеры 2 со щелевой диафрагмой 5, образуемой двумя фторопластовыми призмами 4, с помощью которой удалось значительно уменьшить значение фона.

Устройство работает следующим образом.

При взаимодействии низкоэнергетического бета-излучения, испускаемого радионуклидом, находящемся в составе карбоната кальция со смешанным толстослойным сцинтиллятором, помещенным в кювету 3, возникают кванты света, которые регистрируются двумя соосно расположенными фотоэлектронными умножителями 1. Чувствительность (минимально измеряемая активность) устройства определяется в основном значением фона, эффективностью регистрации и стабильностью измерения. Чем ниже значение фона, выше эффективность регистрации и лучше стабильность, тем лучше чувствительность и тем меньшую активность можно определить. Для снижения значения фона, обусловленного вкладом оптического взаимодействия ФЭУ, служит щелевая диафрагма 5, ограничивающая поперечное сечение потока квантов света, возникающего при оптическом взаимодействии ФЭУ.

Для повышения чувствительности в этом устройстве стабильность повышена за счет местного охлаждения внутреннего объема измерительной фторопластовой камеры 2, достигаемого применением охлаждаемых металлических элементов 6, например медных трубок, через которые проходит водопроводная вода. Охлаждаемые элементы 6 в данном случае являются и зарядосъемными стержнями, снимающими электростатические заряды, которые возникают при движении кюветы внутри измерительной камеры. Местное охлаждение внутреннего объема измерительной камеры позволяет избежать флуктуации и увеличения токов утечки ФЭУ. Эти два фактора и приводят в конечном итоге к повышению стабильности, а следовательно, и чувствительности устройства.

Использование предлагаемого устройства по сравнению с прототипом позволяет повысить стабильность измерений и повысить чувствительность установки ниже 200 Бк/кг углерода.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий.

Средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области измерений ядерных излучений, и может быть использовано в высокочувствительных сцинтилляционных счетчиках, предназначенных для определения низкоэнергетических бета-излучателей.

Преимущество изобретения состоит в том, что возможность местного охлаждения внутреннего объема измерительной камеры с помощью охлаждающих металлических элементов, которые одновременно являются и зарядосъемными стержнями, которые снимают электростатические заряды, возникающие при движении кюветы внутри измерительной камеры, значительно расширяет область применения радиометрического устройства, существенно повышает стабильность измерений и чувствительность устройства. Кроме того, производительность радиометрического устройства повышается на 4-5% за счет уменьшения числа отбракованных результатов измерений.

Следовательно, заявленное устройство соответствует условию "промышленная применимость".

Результаты экспериментальной проверки представлены в таблице.

В течение 7 ч после установления рабочего режима работы радиометрического устройства проводили 20 измерений скорости счета фонового источника по 1000 с, 20 измерений скорости счета рабочего источника активностью 3,6 Бк по 300 с, 20 измерений скорости счета исследуемого источника активностью 0,28 Бк по 1000 с.

Уменьшение нестабильности устройства характеризуется уменьшением суммарного относительного среднеквадратического отклонения результата измерения фонового, рабочего и исследуемых источников.

Формула изобретения

Радиометрическое устройство для измерения низкоэнергетических ионизирующих излучений, содержащее кювету с измеряемым образцом, два соосно расположенных фотоэлектронных умножителя, между которыми размещена измерительная камера с щелевой диафрагмой, образуемой двумя призмами, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит в вершинах призм измерительной камеры неподвижно установленные охлаждаемые металлические элементы в виде проточных полостей, которые одновременно служат для снятия электростатических зарядов, возникающих при перемещении кюветы в измерительной камере.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4