Устройство для определения концентрации радиоактивных веществ

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборам для непрерывного определения концентрации радиоактивных веществ в жидких и газообразных средах. Устройство состоит из набора сцинтилляторов-световодов, равномерно распределенных в сосуде с исследуемой средой, каждый сцинтиллятор-световод соединен с двух концов световодом с двумя времяпозиционно-чувствительными фотодетекторами, соединенными с блоком совпадений, соединенным с блоком анализа и обработки сигнала, соединенным с гамма-детектором. Технический результат: повышение достоверности измерения концентрации, упрощение устройства, расширение его функциональных возможностей. 14 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к приборам для непрерывного определения концентрации радиоактивных веществ в жидких и газообразных средах, например Sr-90, Ra-222 или Cs-137.

Измерение концентрации Sr-90 в жидких средах основано на предварительной подготовке образца с последующим лабораторным исследованием. Описан метод определения концентрации Sr-90 в молоке (Патент России 2139534, НКИ G 01 N 33/04, опуб. 10.10.1999). В молоко добавляют соляную кислоту, сорбент. После фильтрации осадок промывают и измеряют его активность/концентрацию в лабораторных условиях. Недостатком метода являются: 1) необходимость предварительной подготовки исследуемого объекта, 2) длительное время измерения, 3) лабораторные измерения.

Известны устройства для определения концентрации Ra-222 в газах (патент США 4920270, НКИ 250/364, опуб. 24.04.90; патент США 4975575, НКИ 250/255, опуб. 04.12.90; патент США 4812648, НКИ 250/255, опуб. 14.03.89). В основе лежит способность Rn-222 адсорбироваться, например, активированным древесным углем. После экспозиции радиоактивность адсорбата определяется в лабораторных условиях. Как и в предыдущем примере, общим недостатком устройств является необходимость предварительной подготовки исследуемого вещества и лабораторные измерения.

Известно устройство для непрерывного определения концентрации Ra-222 в газах (патент США 4894535, НКИ 250/255, опуб. 16.01.90). Детектор состоит из светонепроницаемого корпуса, разделенного прозрачной перегородкой на две части. Через первую полость с помощью насоса непрерывно проходит исследуемый воздух. Во второй полости находятся фокусирующая линза и фотодетектор. На прозрачную перегородку со стороны объема с исследуемым воздухом нанесено фосфоресцирующее покрытие типа цинкового сульфида. Под воздействием исходящего из первого объема излучения происходит световая вспышка на поверхности прозрачной перегородки. Свет фокусируется с помощью линзы на фотодетектор. Электрический сигнал поступает на вход электронного блока для анализа и отображения. Этот блок позволяет выделить три группы сигналов в зависимости от амплитуды. Недостатком прибора является: 1) слабый анализ сигналов от фотодетектора, т. к. анализируются только три интервала амплитуд, 2) простой плоский конвертор излучения в свет не позволяет эффективно сепарировать сигналы альфа, бета и гамма-лучей.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения концентрации радиоактивных веществ, представляющее собой набор соприкасающихся друг с другом пластин-световодов (до 10), каждая пластина состоит из набора соприкасающихся цилиндрических сцинтилляторов. Каждая из пластин-световодов с двух сторон соединена с множеством фотодетекторов. Выходы фотодетекторов с каждой пластины объединены и соединены с блоком анализа сигнала и его визуализации (патент США 5442180, НКИ 250/367, опуб.15.08.95).

Это устройство не позволяет эффективно отделять сигналы гамма-излучения от сигналов других типов излучения, что не позволяет достоверно определять концентрацию радиоактивных веществ.

Задачей, на которое направлено изобретение, является повышение достоверности измерения концентрации за счет исключения шумов, упрощение устройства, расширение его функциональных возможностей, создание устройства для непрерывного мониторинга среды.

Для достижения поставленной цели предложено устройство для определения концентрации радиоактивных веществ, состоящее из набора сцинтилляторов-световодов, соединенных с фотодатчиками, которые соединены с блоком анализа и обработки сигнала и блоком хранения и визуализации информации, при этом сцинтилляторы-световоды равномерно распределены в сосуде с исследуемой средой, каждый сцинтиллятор-световод соединен с двух концов световодом с двумя времяпозиционно-чувствительными фотодетекторами (ВПЧФД), соединенными с блоком совпадений, соединенным с блоком анализа и обработки сигнала, соединенным с гамма-детектором.

Кроме того, гамма-детектор может быть установлен внутри сосуда с исследуемой средой.

Гамма-детектор может быть установлен вне сосуда с исследуемой средой.

Между каждым сцинтиллятором-световодом и световодом может быть установлен фокон.

Между световодами и ВПЧФД может быть установлен фокон.

Диаметр сцинтилляторов-световодов выбирают в диапазоне 0,5-8,0 мм.

Расстояние между центрами сцинтилляторов-световодов выбирают в диапазоне 1-100 мм.

Сцинтилляторы-световоды могут быть расположены в оболочке, выполненной из поглощающего излучение материала.

Сцинтилляторы-световоды могут быть расположены в оболочке, выполненной из материала, повышающего концентрацию исследуемого радиоактивного вещества вблизи сцинтиллятор-световодов.

Сцинтилляторы-световоды могут быть расположены в оболочке, выполненной из материала, повышающего коэффициент отражения света.

Кроме того, ВПЧФД может быть выполнен в виде позиционно-чувствительного фотоэлектронного умножителя на основе микроканального усилителя и многоканального, например, квадрантного анода.

Кроме того, ВПЧФД может быть выполнен в виде электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с ПЗС камерой.

Кроме того, ВПЧФД может быть выполнен в виде нескольких фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), каждый из которых соединен с группой равномерно распределенных по объему сцинтилляторов-световодов.

Кроме того, ВПЧФД может быть выполнен в виде нескольких полупроводниковых фотодиодов, каждый из которых соединен с группой равномерно распределенных по объему сцинтилляторов-световодов.

Кроме того, сцинтилляторы-световоды могут быть выполнены из пластмассы с добавлением сцинтиллятора (например, РТР, РОРОР и т.д.).

Такое выполнение устройства позволит за счет равномерного заполнения всего исследуемого объема непрерывно протекающей среды множеством отдельных сцинтилляторов-световодов эффективно независимо определять концентрацию различных радиоактивных изотопов в газообразной и жидкой средах, при этом отпадает необходимость в большом числе фотодатчиков.

На фиг.1 показана схема выполнения устройства, где 1 - сцинтилляторы-световоды, 2 - ВПЧФД, 3 - схема совпадений, 4 - блок анализа и обработки сигнала, 5 - блок визуализации и хранения информации, 6 - сосуд с исследуемой средой, 7 - световоды, 8 - гамма-детектор, 9 - фокон,
10 - блок определения типа излучателя,
11 - блок памяти для хранения образцов сигналов от различных типов излучателей,
12 - блок определения концентрации излучателя,
13 - блок для хранения данных калибровки,
14 - волоконный фокон.

На фиг. 2 показана схема соединения ВПЧФД с световодом и световода с сцинтиллятором-световодом с помощью фоконов. Для простоты показан только один сцинтиллятор-световод.

На фиг. 3 показана схема соединения сцинтилляторов-световодов с ВПЧФД, выполненном в виде нескольких ФЭУ или полупроводниковых фотодиодов, где
15 - ФЭУ или полупроводниковый фотодиод.

Каждый из фотодетекторов соединен с группой равномерно распределенных в исследуемой среде сцинтилляторов-световодов.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемая среда с находящимися в ней радиоактивными веществами непрерывно поступает в сосуд 6 через входной патрубок, внутри сосуда расположены сцинтилляторы-световоды 1, заполняющие весь исследуемый объем. Сцинтилляторы-световоды 1 соединены световодами 7 либо непосредственно с ВПЧФД 2, либо через фоконы 9, 14.

В результате прохождения кванта альфа, бета или гамма-излучения внутри сосуда 6 в сцинтилляторах-световодах 1 образуется одна или несколько изотропных световых вспышек. Сцинтилляторы-световоды могут быть изготовлены из прозрачной пластмассы с добавлением сцинтиллирующего вещества, например РОРОР. Стенки сцинтилляторов-световодов 1 для повышения коэффициента отражения могут быть покрыты отражающим свет материалом, например алюминием. Фотоны распространяются сначала внутри сцинтиллятора-световода 1, световода 7, затем попадают на входные поверхности двух ВПЧФД 2, где определяется координата(ы) события. Сцинтиллятор-световод 1 соединяется со световодом 7 с помощью простого фокона. Пучок световодов соединен с входной поверхностью волоконного фокона 14, состоящего из множества отдельных соприкасающихся волокон-минифоконов. Входная площадь волоконного фокона равна сумме площадей сечений световодов, выходная совпадает с входной площадью ВПЧФД.

Фоконы 9 требуются, если диаметр световода 7 меньше диаметра сцинтиллятора-световода 1. Волоконные фоконы 14 используются, если площадь входного окна ВПЧФД 2 меньше суммарной площади подводящих к нему свет световодов 7.

Световая вспышка происходит в одном или нескольких соседних сцинтилляторах-световодах в зависимости от типа излучения. Альфа частица дает точечную вспышку только в одном сцинтилляторе-световоде 1. Характерный диаметр вспышки равен нескольким десяткам микрон. Максимальный пробег бета частицы в пластике или воде равен 5-8 мм. Следовательно, световая вспышка может быть в одном или нескольких соседних сцинтилляторах-световодах в зависимости от исследуемой среды и расстояния между сцинтилляторами-световодами 1. После прохождения гамма-излучение в детекторе образуется в результате ряда комптоновских взаимодействий и фотоэффекта нескольких электронов, каждый из которых, подобно бета электрону, образует в одном или нескольких соседних сцинтилляторах-световодах световую вспышку. Важно, что эти электроны образуются и дают свет в разных частях сосуда 6. Кроме того, яркость вспышек зависит от энергии излучения. Естественно, масса используемого сцинтиллятора должна быть достаточно большой для того, чтобы эффективно фиксировать весь процесс поглощения гамма-излучения. Таким образом, различные типы излучений создают уникальное распределение свечения в детекторе, что и позволяет в дальнейшем разделить сигналы, соответствующие разным излучателям (радиоизотопам). Гамма-детектор 8 дает дополнительную информацию (интенсивность и энергия) о гамма-излучении, что повышает эффективность идентификации радиоизотопов. Для увеличения эффективности регистрации гамма-излучения от исследуемой среды гамма-детектор может быть помещен внутри сосуда 6 или внутри отдельного сосуда, через который протекает исследуемая среда.

Сигналы с ВПЧФД поступают на блок совпадений 3. Дальнейшая обработка разрешается, если имеются совпадающие во времени сигналы с двух сторон хотя бы одного сцинтиллятора-световода. Такая обработка сильно уменьшает влияние собственных шумов ВПЧФД. Далее сигналы поступают в блок анализа и обработки сигнала 4, в состав которого входят, например, блок определения типа излучателя 10, блок памяти для хранения образцов сигналов от различных типов излучателей 11, блок определения концентрации излучателя 12, блок для хранения данных калибровки 13. В блоке определения типа излучателя 10 анализируются координаты, форма и амплитуда сигналов из ВПЧФД 2, происходит их сравнение с читаемыми из блока 11 образцами сигналов, определяется наиболее вероятный тип излучателя. Время прохождения света от разных вспышек до ВПКЧД 2 конечное и разное, поэтому форма сигнала зависит от энергии и типа излучения. При определении типа излучателя следует учитывать частоту и амплитуду поступающих с гамма-детектора 8 импульсов. В блоке определения концентрации излучателя 12 на основании калибровочных данных из блока 13 определяется концентрация регистрируемых излучателей. При этом также учитывается скорость счета и амплитуда импульсов от гамма-детектора 8. Скорость счета от внешнего гамма-фона предлагаемого и гамма-детектора взаимосвязаны. При изменении внешнего фона, анализируя скорость счета гамма-детектора, можно учесть изменение фонового счета предлагаемого детектора. Далее информация о концентрации веществ поступает в блок 5, где хранится и отображается в удобном для пользователя виде.

В качестве ВКЧФД 2 можно использовать позиционно-чувствительный фотоэлектронный умножитель 15 на основе микроканального усилителя и многоканального, например, квадрантного анода.

В качестве ВКЧФД 2 можно использовать электронно-оптический преобразователь (ЭОП) с детектором изображения на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС-камерой). ЭОП служит для предварительного усиления светового сигнала, а ПЗС-камера для последующего его детектирования. Сигнал о форме и амплитуде снимается с микроканального усилителя.

Можно использовать упрощенную схему соединения сцинтилляторов-световодов 1 с ВПЧФД 2. (Фиг.3) Общее число сцинтилляторов-световодов 1 разделено на целое число групп, соответствующее числу каналов ВПЧФД 2. Сцинтилляторы-световоды 1, принадлежащие одной группе, равномерно распределены внутри исследуемой среды и подсоединены к одному каналу ВКЧФД 2. ВПЧФД 2 может быть выполнен в виде нескольких фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) или полупроводниковых фотодиодов 15. Если существуют материалы, которые "притягивают" к своей поверхности исследуемое радиоактивное вещество, то следует использовать оболочку для сцинтиллятора-световода из такого материала с развитой поверхностью, например активированный древесный уголь для Rn-222.

Такой метод существенно увеличивает эффективность регистрации данного радиоактивного вещества.

Предлагаемое устройство позволяет эффективно регистрировать и отличать альфа, бета и гамма-активности исследуемого вещества, учитывать внешний космический и гамма-фон. Устройство может измерять парциальную концентрацию различных веществ, например стронция-90 в жидкости или радона-222 в газе.

Покажем возможность определения концентрации этих веществ.

Наиболее важным является контроль концентрации Стронция-90 в питьевой воде. Бета радиоактивный Стронций-90 распадается на Итрий-90 и электрон с энергией 0.546 МэВ, что соответствует максимальной энергии электрона, так как часть энергии распада уносит нейтрино. Период полураспада равен 27.7 лет. Итрий-90 также бета радиоактивен. Он распадается с выделением электрона, максимальная энергия которого равна 2.27 МэВ. Период полураспада равен 64.0 часа. Равновесие наступает примерно через две недели. Одному акту распада Стронций-90 соответствуют два разделенных во времени электрона с максимальными энергиями 0,546 МэВ и 2,27 МэВ. На детектировании этих электронов и основан предлагаемый метод определения концентрации Стронция-90 в воде. Заметим, что бета распады Стронция-90 и Итрия-90 протекают без гамма-излучения.

Для регистрации бета частиц следует использовать спинтилляторы-световоды диаметром около 5 мм. Расстояние между волокнами должно быть около 10 мм.

Предложенное устройство позволяет не только эффективно регистрировать электроны Стронция-90, но и существенно уменьшить вклад собственных шумов фотодатчиков и внешнего гамма и космического фонов.

Рассмотрим последовательно различные составляющие фона и методы уменьшения их влияния.

1. Шум фотодетектора эффективно уменьшается посредством использования блока совпадения координат и времени 3.

2. Внешний космический фон. Частицы, образованные космическим излучением в атмосфере Земли, имеют большую энергию и пронизывают сцинтилляторы-световоды детектора насквозь. Они вызывают световые вспышки в нескольких сцинтилляторах-световодах. Вспышка от электрона Стронция-90 имеет локальный характер, потому космический фон легко выделить в блоке 10.

3. Внешний гамма-фон. Относящиеся к пункту 2 рассуждения можно отнести и к гамма-сигналам. Гамма-излучение оставляет свою энергию в объеме детектора посредством нескольких разделенных в пространстве актов взаимодействия - световых вспышек.

4. Внутренний гамма-фон. Основным источником внутреннего гамма-фона является Калий-40 (1.46 МэВ). Критерий отбраковки ложных событий тот же, что и в пункте 2.

5. Фон других бета активных изотопов. Исследуемая жидкость может быть загрязнена также и другими бета активными радиоактивными изотопами. Устройство позволит выделить ложные события. Например, низкоэнергетичные электроны можно исключить посредством использования сцинтилляторов-световодов в оболочке, например, из титана. Дополнительную информацию о концентрации и типе изотопа дает гамма-детектор 8.

Установлено, что основной вклад (60-90%) в дозу облучения населения Земли вносят естественные источники радиоактивных излучений, к которым относятся космическое излучение и природные (естественные) радионуклиды (ЕРН). При этом вклад ЕРН существенно превышает вклад космического излучения. По оценке НКДАР (Научный комитет по действию атомной радиации ООН), воздействие радона и его дочерних продуктов распада (ДПР) обусловливает от 50 до 75% годовой индивидуальной эквивалентной дозы облучения, получаемой населением от естественных источников ионизирующего излучения. В радиоактивных рядах ²³⁸U, ²³²T4h образуются альфа-активные радиоизотопы инертного газа радона: ²²²Rn (радон), ²²⁰Rn (торон). Энергия альфа частиц ²²²Rn, ²²⁰Rn равна 5.49 МэВ, 6.29 МэВ. Альфа частица дает в единственном сцинтилляторе-световоде детектора яркую локальную вспышку, которую легко отделить от световых вспышек фона и других видов излучателей. Диаметр волокна должен быть равен примерно 1-2 мм. Расстояние между волокнами должно быть 50-100 мм.

Таким образом, изобретение позволит с высокой степенью достоверности непрерывно измерять концентрацию различных радиоактивных веществ в жидких и газообразных средах, причем устройство достаточно простое и не требует сложной и громоздкой аппаратуры.

Формула изобретения

1. Устройство для определения концентрации радиоактивных веществ, состоящее из набора сцинтилляторов-световодов, блока анализа и обработки сигнала, блока хранения и визуализации информации, отличающееся тем, что сцинтилляторы-световоды выполнены в виде множества отдельных сцинтилляторов-световодов и равномерно распределены внутри сосуда с исследуемой средой, каждый сцинтиллятор-световод соединен с двух концов световодом с двумя время-позиционночувствительными фотодетекторами (ВПЧФД), каждый из которых соединен с блоком совпадений, сигналы с которого поступают в блок анализа и обработки сигнала, соединенного с гамма-детектором.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что гамма-детектор установлен внутри сосуда с исследуемой средой.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что гамма-детектор установлен вне сосуда с исследуемой средой.

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что между каждым сцинтиллятором-световодом и световодом установлен фокон.

5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что между световодами и ВПЧФД установлен фокон.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметр сцинтилляторов-световодов выбирают в диапазоне 0,5-8,0 мм.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между центрами сцинтилляторов-световодов выбирают в диапазоне 1-100 мм.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сцинтилляторы-световоды расположены в оболочке, выполненной из поглощающего излучение материала.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сцинтилляторы-световоды расположены в оболочке, выполненной из материала, повышающего концентрацию исследуемого радиоактивного вещества.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сцинтилляторы-световоды расположены в оболочке, выполненной из материала, повышающего коэффициент отражения света, например, алюминия.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ВПЧФД выполнен в виде позиционночувствительного фотоэлектронного умножителя на основе микроканального усилителя и многоканального, например, квадрантного анода.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ВПЧФД выполнен в виде ЭОП с ПЗС камерой.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ВПЧФД выполнен в виде нескольких ФЭУ, каждый из которых соединен с группой равномерно распределенных по объему сцинтилляторов-световодов.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ВПЧФД выполнен в виде нескольких полупроводниковых фотодиодов, каждый из которых соединен с группой равномерно распределенных по объему сцинтилляторов-световодов.

15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сцинтилляторы-световоды выполнены из пластмассы с добавлением сцинтиллятора (например, РТР, РОРОР и т.д.).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3