Способ регистрации гамма-поля

Предложенное изобретение относится к области мониторинга радиоактивного загрязнения окружающей среды и может быть использовано для регистрации и измерений величины гамма-поля. Технический результат от реализации данного изобретения заключается в том, что оно позволяет регистрировать гамма-поля высоких уровней, повышает надежность регистрации и снижает ее стоимость. Способ регистрации гамма-поля заключается в генерировании импульсного электрического тока, образованного свободными электронами катода фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), его усилении на динодах ФЭУ и регистрации величины падения напряжения, созданного данным током на аноде ФЭУ, которая пропорциональна мощности дозы регистрируемого гамма-поля. Причем при регистрации гамма-поля изолируют ФЭУ от источников света, а импульсный электрический ток генерируют в форме совокупности коротких токовых импульсов путем непосредственного воздействия гамма-квантов на материал катода ФЭУ, исключая при этом попадание на катод ФЭУ квантов света. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области регистрации и измерений величины гамма-поля. Преимущественной областью применения регистрации гамма-поля является как атомная промышленность, так и мониторинг радиоактивного загрязнения окружающей среды.

Известен способ для регистрации и измерения гамма-поля и для исследования энергетических спектров гамма-квантов ионизирующего излучения. Так, на основании ионизации газа гамма-полем существует способ регистрации гамма-поля газоразрядными счетчиками и ионизационными камерами [1].

Известен способ, использующий ионизацию сцинтилляторов с дальнейшим превращением их световых импульсов в электрические, позволяющий измерять не только мощность дозы, но и исследовать энергетические спектры гамма-поля [2].

Недостатком известных способов является невозможность измерения мощности дозы и исследования энергетических спектров гамма-поля высоких уровней.

Наиболее близким по технической сущности являются способ регистрации гамма-поля путем преобразования световых импульсов в электрические с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). После чего осуществляют усиление электрического тока, сформированного из импульсов. Затем регистрируют величину падения напряжения, созданного этим током на анодном резисторе, которое соответствует регистрируемому значению гамма-поля. Источником световых импульсов является сцинтиллятор. Гамма-кванты, пройдя через сцинтиллятор, вызывают его ионизацию, в результате чего возникают световые импульсы. Преобразование световых импульсов в электрические импульсы осуществляет ФЭУ. Световые кванты, попав на катод ФЭУ, преобразуются в электрические импульсы и усиливаются динодами ФЭУ. Величину падения напряжения на анодном резисторе ФЭУ регистрируют вольтметром, которое соответствует мощности дозы регистрируемого гамма-поля. Электрический ток, сформированный электрическими импульсами, создает падение напряжения на анодном резисторе, которое соответствует мощности дозы, регистрируемого гамма-поля. Это падение напряжения фиксирует вольтметр [3].

Недостатком известного способа регистрации гамма-поля является то, что ионизация детектора короткими гамма-квантами вызывает появление значительно более длительных световых импульсов, что не позволяет фиксировать их по отдельности при больших уровнях гамма-поля, а также то, что преобразование гамма-квантов в световые импульсы выполняет сцинтиллятор, который весьма чувствителен к перепаду температур, что снижает надежность регистрации гамма-поля в результате изменения амплитуды анодных импульсов. Кроме того, способ требует наличия дорогостоящего сцинтиллятора, что значительно удорожает описанный способ.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в том, что способ регистрации гамма-поля позволяет регистрировать гамма-поле высоких уровней, повышает надежность регистрации гамма-поля и снижает стоимость способа.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном способе регистрации гамма-поля, заключающемся в генерировании импульсного электрического тока, образованного свободными электронами катода фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), его усилении на динодах ФЭУ, и регистрации величины падения напряжения, созданного данным током на аноде ФЭУ которая пропорциональна мощности дозы регистрируемого гамма-поля, согласно изобретению при регистрации гамма-поля изолируют ФЭУ от источников света, а импульсный электрический ток генерируют в форме совокупности коротких токовых импульсов путем непосредственного воздействия гамма-квантов на материал катода ФЭУ, исключая при этом попадание на катод ФЭУ квантов света.

Энергия гамма-квантов, падающих на катод, например катод ФЭУ, непосредственно расходуется на увеличение энергии электронов при их столкновении в материале катода. Вылетевшие в результате этого из катода электроны под воздействием электрического поля катод-анод создают укороченные электрические токовые импульсы, из которых формируется анодный ток. Этот ток создает падение напряжения на резисторе, подключенном к аноду. Для того, чтобы уверенно зарегистрировать это падение напряжения, предварительно усиливают анодный ток. Падение напряжения на резисторе фиксируют вольтметром. Зафиксированная величина падения напряжения на резисторе является результатом непосредственно воздействия гамма-поля на катод и поэтому соответствует регистрируемой величине гамма-поля. При этом укороченная длительность импульсов на резисторе позволяет расширить верхний предел измерений величин мощности дозы и спектров гамма-поля в диапазоне уровней гамма-поля от 1 мР/ч до нескольких тысяч Р/ч.

При отсутствии световых квантов через анодную нагрузку ФЭУ будет протекать темновой ток (обусловленный термоэлектронной эмиссией), величина которого зависит от конструкции ФЭУ и температуры окружающей среды.

При облучении гамма-полем ФЭУ происходит увеличение числа электронов, проходящих через его нагрузку. Причем появление дополнительных электронов в темновом токе имеет нижний порог мощности дозы, только после преодоления которого возникает прирост тока, вызванный гамма-поля.

Этот порог можно объяснить тем, что при малых величинах мощности дозы гамма-излучения средняя энергия свободных электронов в металле катода еще не достаточна для преодоления работы выхода из катода.. По мере увеличения мощности дозы средняя энергия электронов возрастает настолько, что металл катода не в состоянии удерживать электроны, т.е. их энергия уже превосходит работу выхода из металла катода. Электроны, попав в электрическое поле анод-катод, формируют ток, который усиливают динодами ФЭУ. В результате анодный ток ФЭУ создает дополнительное падение напряжения на резисторе, подключенном к аноду. Падение напряжения на резисторе фиксируют вольтметром. Прирост падения напряжения на анодном резисторе, вызванного только увеличением величины гамма-поля, начинается с определенного порогового значения гамма-поля, определяемого материалом катода.

Такое же явление наблюдается при облучении ФЭУ рентгеновским излучением, у которого энергия квантов намного меньше, чем у квантов гамма-излучения,

Пример осуществления регистрации гамма-поля предлагаемым способом.

Создают гамма-поле от гамма источника Ra-226 с широким спектром гамма-квантов. На ФЭУ-125, изолированном от света, подают постоянное анодное напряжение 1800 В, при этом ФЭУ термостатируют и он работает при постоянной температуре 40°С.

После облучения ФЭУ гамма-полем его анодный ток создает на подключенном к аноду резисторе падение напряжения, которое фиксируют вольтметром. При изменении значения гамма-поля до величины мощности дозы порядка 1 мР/ч анодный ток не изменяется и остается равным величине темнового тока, который создает на резисторе напряжение равное 1 В. Но при увеличении гамма-поля начиная с уровня мощности дозы в интервале от 0,8 до 1 мР/ч анодный ток начинает возрастать и соответственно возрастает падение напряжения на резисторе, т.е. ФЭУ начинает реагировать на наличие гамма-поля. Возрастание величины прироста падения напряжения (U) на резисторе под действием гамма-поля происходит прямо пропорционально росту величины мощности дозы (Р). Тем самым, величина прироста падения напряжения на анодном резисторе однозначно соответствует определенному уровню мощности дозы от гамма источника.

На чертеже приведена зависимость изменения напряжения на анодной нагрузке ФЭУ под воздействием гамма-излучения.

Установлено, что анодный темновой ток ФЭУ создает на нагрузке напряжение 1,0 В, а при увеличении мощности дозы примерно с одного мР/ч, начинает расти. Так при 20 мР/ч анодный ток создает на нагрузке 1,55 В, при 40 мР/ч - 2,15 В, при 60 мР/ч - 2,72 В, при 80 мР/ч - 3,30 В, а при 100 мР/ч - 3,90 В.

При мощности дозы в пределах от 1 до 10 мР/ч наблюдают незначительное, еле заметное отклонение от линейной зависимости, которая далее переходит в строгую линейную зависимость прироста анодного тока ФЭУ от значения мощности дозы.

В сравнении с прототипом предлагаемый способ регистрации гамма-поля позволяет повысить уровень измерений верхнего предела мощности дозы гамма-поля в диапазоне от 1 мР/ч до нескольких тысяч Р/ч, увеличить надежность измерений гамма-поля в результате устранения влияния перепада температур на величину анодных импульсов и снизить стоимость способа на 40-50%.

Предлагаемый способ регистрации гамма-поля ввиду малой длительности импульсов позволяет создать спектрометр для высоких уровней гамма-поля, так как при высоких уровнях мощности дозы длительные световые импульсы перехлестываются и ФЭУ "захлебывается".

На основе предлагаемого способа возможно создание новых оригинальных детекторов как гамма-излучения, так и нейтронного излучения ввиду того, что оно сопровождается гамма-излучением.

Предлагаемый способ может быть осуществлен с использованием существующего стандартного измерительного оборудования.

Источники информации

1. Иванов В.И. Курс дозиметрии. 3 издание, переработанное и дополненное. М.: Атомиздат, 1978, 392 с., с. 93-99.

2. Брегадзе Ю.И., Степанов Э.К., Ярына В.П. Прикладная метрология ионизирующих излучений. М.: Энергоатомиздат, 1990, 264 с., с. 99-121

3. Абрамов А.Н., Казанский Ю.А., Матусевич. Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М.: Атомиздат, 1970, 560 с., с. 212-254.

Способ регистрации гамма-поля, заключающийся в генерировании импульсного электрического тока, образованного свободными электронами катода фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), его усилении на динодах ФЭУ и регистрации величины падения напряжения, созданного данным током на аноде ФЭУ, которая пропорциональна мощности дозы регистрируемого гамма-поля, отличающийся тем, что при регистрации гамма-поля изолируют ФЭУ от источников света, а импульсный электрический ток генерируют в форме совокупности коротких токовых импульсов путем непосредственного воздействия гамма-квантов на материал катода ФЭУ, исключая при этом попадание на катод ФЭУ квантов света.