Гамма-спектрометрический способ определения количества радионуклидов

Предложенное изобретение относится к способам определения количества радионуклидов в тонкостенных объектах. Задачей изобретения является обеспечение возможности проводить измерения в объектах с низкой активностью гамма-излучения при использовании стандартных эталонных источников. Гамма-спектрометрический способ определения количества радионуклидов, равномерно распределенных в объекте, включает в себя градуировку гамма-спектрометра с коллимированным детектором посредством эталона и три измерения скорости счета гамма-квантов: от исследуемого объекта, от исследуемого объекта и помещенного за ним дополнительного источника, и одного только дополнительного источника. В качестве эталона для градуировки используют плоский эталон с заданной поверхностной активностью радионуклида. В процессе градуировки детектор от эталона устанавливают на расстоянии, при котором сечение апертуры детектора плоскостью эталона не выходит за пределы активного пятна эталона, а в процессах измерения скоростей счета детектор устанавливают от исследуемого объекта на расстоянии, при котором фигура, образованная пересечением апертуры детектора и исследуемого объекта, имеет форму усеченного кругового конуса. На основании измеренных скоростей счета гамма-квантов находят коэффициент линейного ослабления излучения объекта, а количество радионуклидов в исследуемом объекте определяют расчетным путем. 5 ил.

 

Изобретение относится к гамма-спектрометрическим способам определения количества радионуклидов, а именно к способам определения количества радионуклидов, равномерно распределенных в объекте, в котором по крайней мере две противоположные стенки являются плоскими и параллельными и находятся на расстоянии, меньшем слоя полного поглощения. Изобретение может быть использовано для количественного определения радионуклидов в фильтрах вентсистем и других объектах большого объема с низкой активностью.

Гамма-спектрометрический способ определения количества радионуклидов заключается в следующем. Гамма-спектрометр градуируют по эталонному источнику излучения, а затем измеряют излучение от исследуемого объекта; количество радионуклидов в объекте определяют путем сравнения интенсивности его излучения с характеристиками эталона: интенсивностью излучения эталона и количественной характеристикой эталона, характеризующей содержание радионуклида в нем. (Вещества радиоактивные. Методы измерения состава и активности радионуклидов в радиоактивных веществах. ОСТ 95 10234-86.)

Градуировку детектора спектрометра и измерения исследуемого объекта проводят в идентичных условиях: эталон и исследуемый объект содержат один и тот же радионуклид, имеют приблизительно одинаковые толщину и размеры, плотность, измерения проводятся в одних и тех же геометрических условиях и т.п. В случае несоблюдения требований идентичности измерений необходимо вводить соответствующие поправки - на геометрию, самопоглощение и т.д. (ОСТ 95 10234-86; Ю.И.Брегадзе, Э.К.Степанов, В.П.Ярына. Прикладная метрология ионизирующих излучений. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - С.46-66, 111-117; И.П.Бондаренко, Н.В.Бударова. Основы дозиметрии и защиты от излучений. М.: Государственное издательство "Высшая школа", 1962, с.197-215.)

Известен способ количественного определения радионуклидов (Safeguards Technology Training Program. Nondestructive Assay of Special Nuclear Materials Holdup for Russian Facilities: Los Alamos, New Mexico. United States Department of Energy. Los Alamos National Laboratory, July 20-24, 1998, D, pp.3-7) (прототип).

Способ заключается в следующем.

Используют гамма-спектрометр с коллимированным детектором излучения.

Для градуировки гамма-спектрометра используют эталон, в котором самопоглощением можно пренебречь. Измерения излучения от эталона и от объекта осуществляют в точечной геометрии.

Точечная геометрия характерна тем, что размеры источника излучения (эталона и объекта) много меньше диаметра поля зрения детектора, т.е. детектор "видит" источник в виде "точки".

Учитывают самопоглощение в объекте, т.е. вводят поправочный коэффициент, учитывающий ослабление излучения объекта.

Активность и количество радионуклида в исследуемом объекте находят по формулам:

где

А - активность объекта, Бк;

A₀ - активность эталона, Бк;

М - количество радионуклида в объекте, г;

М₀ - количество радионуклида в эталоне, г;

N - скорость счета гамма-квантов от объекта, имп./с;

N_ЭТ - скорость счета гамма-квантов от эталона, имп./с;

r - расстояние от детектора до объекта, см;

r₀ - расстояние от детектора до эталона, см;

T - коэффициент ослабления излучения объекта.

Коэффициент Т находят по результатам трех измерений скорости счета по формуле:

T=(N_об+и-N)/N_и, где

N - скорость счета гамма-квантов от объекта, имп./с;

N_об+и - скорость счета гамма-квантов от двух источников: объекта и дополнительного источника, объект установлен от детектора на том же расстоянии, что и в первом измерении, дополнительный источник установлен за объектом, при этом дополнительным источником может быть эталон, имп./с;

N_и - скорость счета гамма-квантов от дополнительного источника, установленного на таком же расстоянии от детектора, что и во втором измерении, имп./с.

Как видно из вышеизложенного, в прототипе для определения количества радионуклидов в объекте используют эталон, в котором количественной характеристикой является объемное содержание радионуклида в эталоне.

Вышеизложенный способ предназначен для определения количества радионуклидов в объектах небольшого объема: небольших фильтрах, вентилях, клапанах, насосах, коленах и т.п.

Способ не применим к крупногабаритным объектам с низкой активностью из-за неприемлемо большой погрешности измерений. Не представляется возможным зафиксировать с приемлемой точностью слабое излучение от крупногабаритного объекта в условиях точечной геометрии. Затруднен и подбор эталона для крупногабаритного объекта.

Задачей изобретения является разработка гамма-спектрометрического способа определения количества радионуклидов в крупногабаритных объектах с низкой активностью гамма-излучения при использовании стандартных эталонных источников.

Задачу решают тем, что в гамма-спектрометрическом способе определения количества радионуклидов, равномерно распределенных в объекте, в котором по крайней мере две противоположные стенки являются плоскими и параллельными и находятся на расстоянии, меньшем слоя полного поглощения, с использованием коллимированного детектора и эталона, включающем сравнение скорости счета излучения от объекта со скоростью счета от эталона и количественной характеристикой радионуклида в эталоне, с учетом самопоглощения излучения в объекте, объемную активность объекта определяют по плоскому эталону, при этом в качестве количественной характеристики эталона используют его поверхностную плотность активности, при измерениях скорости счета детектор устанавливают перпендикулярно плоскости эталона на расстояние, при котором поле зрения детектора не выходит за пределы активного пятна эталона, и перпендикулярно плоским параллельным стенкам объекта - на расстояние, при котором пересечение апертуры детектора и объекта имеет форму усеченного кругового конуса, и количество радионуклида в объекте определяют по формуле:

где М - количество радионуклида во всем объеме объекта, г;

М_ПОВ.ЭТ - поверхностная плотность радионуклида в эталоне, г/см²;

N - скорость счета от объекта, имп./с;

N_ЭТ - скорость счета от эталона, имп./с;

α - коэффициент линейного ослабления излучения объекта, 1/см;

V_об - объем объекта, см³;

L - расстояние между плоскими параллельными стенками объекта, см,

Коэффициент α, 1/см, линейного ослабления излучения объекта определяют по формуле.

где N_об+и - скорость счета от объекта и дополнительного источника, имп./с;

N_и - скорость счета от дополнительного источника, имп./с.

На фиг.1 изображено расположение детектора относительно эталона при градуировке спектрометра, на фиг.2, 3, 4 - расположения детектора относительно объекта и дополнительного источника, на фиг.5 - расположение детектора и объекта в аксонометрии.

На фиг.1 показан коллиматор 1 и кристалл 2 детектора, апертура 3 детектора, ось 5 апертуры и эталон 4. На фиг.2 показан измеряемый объект 6, на фиг.3 - дополнительный источник 7.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом.

Градуируют гамма-спектрометр.

Для градуировки спектрометра используют плоский эталон, самопоглощением в котором можно пренебречь.

Под плоским эталоном подразумевают эталон, у которого задана (известна) поверхностная активность.

Детектор устанавливают от плоскости эталона на расстояние, при котором поле зрения детектора на выходит за пределы активного пятна эталона. Под полем зрения детектора подразумевают площадь сечения апертуры детектора плоскостью эталона. Другими словами, диаметр поля зрения детектора не должен превышать диаметра активного пятна эталона (детектор "видит" перед собой плоскость),

Измеряют (регистрируют) скорость счета от эталона в пике энергии исследуемого радионуклида.

N_ЭТ=А_ПОВ.ЭТ·К

где N_ЭТ - скорость счета от эталона, имп./с;

A_ПОВ.ЭТ - известная поверхностная плотность активности эталона, Бк/см²;

К - градуировочный коэффициент, (имп.·см²)/(с·Бк).

Градуировочный коэффициент К равен N_ЭТ/А_ПОВ.ЭТ.

Далее производят измерение гамма-излучения от объекта.

Аксиальную ось апертуры детектора направляют перпендикулярно его плоским параллельным стенкам, и детектор устанавливают от объекта на расстояние, при котором пересечение апертуры детектора и объекта имело бы форму усеченного кругового конуса. (На большем расстоянии, когда объект полностью расположен в апертуре детектора, пересечение апертуры и объекта имело бы форму объекта.)

Измеряют скорость счета от исследуемого объекта в пике энергии исследуемого радионуклида. Получают значение N, имп./с.

Затем для учета самопоглощения излучения в объекте производят еще два измерения гамма-излучения (как в прототипе):

- от объекта и дополнительного источника (им может быть любой другой, в том числе эталон), установленного за объектом, при этом детектор установлен от объекта на таком же расстоянии, что и при первом измерении (как описано выше), получают значение скорости счета N_об+и;

- от этого же дополнительного источника, убрав исследуемый объект и оставив источник на том же самом месте, что и в предыдущем измерении, получают значение скорости счета N_и.

По результатам этих измерений рассчитывают коэффициент α линейного ослабления излучения объекта по скорректированной относительно прототипа формуле:

где α - коэффициент линейного ослабления излучения объекта, 1/см;

L - расстояние между плоскими параллельными стенками объекта, см;

N - скорость счета от объекта, имп./с;

N_об+и - скорость счета от объекта и дополнительного источника, имп/с;

N_и - скорость счета от дополнительного источника, имп./с;

Коэффициент α линейного ослабления излучения, которым пользуются в заявляемом способе, и коэффициент ослабления излучения Т в прототипе связаны соотношением (Н.И.Кошкин, М.Г.Ширкевич. Справочник по элементарной физике. М., Наука, 1976, с.23):

Т=е^-αL

Далее определяют объемную активность объекта по предложенной авторами формуле, выведенной на основании экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования показали, что при соблюдении вышеописанной геометрии измерений эталона и объекта объемная активность A_об объекта может быть определена как функция поверхностной плотности активности плоского эталона А_ПОВ.ЭТ, скорости счета от эталона N_ЭТ и от объекта N, коэффициента α линейного ослабления излучения в объекте и расстояния L между плоскими параллельными стенками объекта, по формуле:

где А_об - объемная активность объекта, Бк/см³;

А_ПОВ.ЭТ - известная поверхностная плотность активности эталона, Бк/см²;

N - скорость счета от объекта, имп./с;

N_ЭТ - скорость счета от эталона, имп./с;

α - коэффициент линейного ослабления излучения объекта, 1/см;

L - расстояние между плоскими параллельными стенками объекта, см.

Как видно, для определения объемной активности объекта используют количественную характеристику плоского эталона (характеризующую содержание радионуклида в плоскости).

Активность А, исходящая от всего объема объекта, будет равна:

А=А_об·V_об, где V_об - объем объекта, см³.

Перепишем формулу для вычисления всего количества радионуклида в объекте, подставив вместо А_ПОВ,ЭТ, Бк/см², ее эквивалент М_ПОВ,ЭТ в г/см² (табличное значение), получим окончательную формулу для расчета:

где М - количество радионуклида во всем объеме объекта, г;

М_ПОВ.ЭТ - поверхностная плотность радионуклида в эталоне, г/см²;

N - скорость счета от объекта, имп./с;

N_ЭТ - скорость счета от эталона, имп./с;

α - коэффициент линейного ослабления излучения объекта, 1/см;

V_об - объем объекта, см³;

L - расстояние между плоскими параллельными стенками объекта, см.

Таким образом, используя в качестве эталона для измерений плоский источник и градуируя спектрометр по поверхностной плотности активности, при соблюдении вышеописанной геометрии измерений эталона и объекта, определяют в результате активность, исходящую от объема объекта. Определяют количество радионуклида во всем объеме объекта.

Пример.

Для измерения гамма-излучения используют детектор со сцинтилляционным 2-дюймовым кристаллом. Детектор снабжен коллиматором, который задает угол апертуры 90°.

В качестве плоского эталона используют образцовый спектрометрический источник специального назначения (ОСИУ) с поверхностной плотностью 1 мг/см² и диаметром активного пятна 8 см.

При градуировке детектор устанавливают от эталона на расстояние 3,5 см. На этом расстоянии диаметр поля зрения детектора не превышает диаметра активного пятна эталона.

После градуировки детектора производят измерение гамма-излучения от объекта. Объектом является фильтр вентсистемы, в котором радионуклиды равномерно распределены. Размеры фильтра, см: 70·70·30. Аксиальную ось апертуры детектора направляют перпендикулярно его плоским параллельным стенкам (70·70), и детектор устанавливают от объекта (от ближней стенки) на расстояние 5 см. На этом расстоянии пересечение апертуры детектора и объекта имеет форму усеченного кругового конуса.

В качестве дополнительного источника используют эталон.

Измерения скорости гамма-счета от эталона, фильтра, фильтра и дополнительного источника и от дополнительного источника осуществляют, как описано выше.

По измеренным параметрам и известным характеристикам эталона и фильтра по предложенной формуле определяют количество радионуклидов в фильтре.

Полученный результат имеет приемлемую погрешность.

Гамма-спектрометрический способ определения количества радионуклидов, равномерно распределенных в объекте, в котором по крайней мере две противоположные стенки являются плоскими и параллельными и находятся на расстоянии, меньшем слоя полного поглощения, включающий градуировку гамма-спектрометра с коллимированным детектором посредством эталона, имеющего величину самопоглощения гамма-излучения, которой можно пренебречь, три измерения скорости счета гамма-квантов: от исследуемого объекта, от исследуемого объекта и помещенного за ним дополнительного источника, одного только дополнительного источника, при этом в первом и втором измерениях не меняют расстояние между детектором и исследуемым объектом, а во втором и третьем измерениях не меняют расстояние между детектором и дополнительным источником, отличающийся тем, что в качестве эталона для градуировки используют плоский эталон с заданной поверхностной активностью (поверхностной плотностью) радионуклида, при этом в процессе градуировки детектор от эталона устанавливают на расстоянии, при котором сечение апертуры детектора плоскостью эталона не выходит за пределы активного пятна эталона, так что ось апертуры детектора направлена перпендикулярно плоскости эталона, а в процессах измерения скоростей счета от исследуемого объекта и от исследуемого объекта и помещенного за ним дополнительного источника детектор устанавливают от исследуемого объекта на расстоянии, при котором фигура, образованная пересечением апертуры детектора и исследуемого объекта, имеет форму усеченного кругового конуса, так что ось апертуры детектора направлена перпендикулярно плоским параллельным стенкам объекта, на основании измеренных скоростей счета гамма-квантов: от исследуемого объекта, от исследуемого объекта и помещенного за ним дополнительного источника и от одного только дополнительного источника находят коэффициент α линейного ослабления излучения объекта, а количество М радионуклидов в граммах в исследуемом объекте определяют по формуле:

где М_ПОВ.ЭТ - поверхностная плотность радионуклида в эталоне, г/см²;

N - скорость счета гамма-квантов от объекта, имп/с;

N_ЭТ - скорость счета гамма-квантов от эталона, имп/с;

α - коэффициент линейного ослабления излучения объекта, 1/см;

V_об - объем объекта, см³;

L - расстояние между плоскими параллельными стенками объекта, см.