Бетаи гамма-спектрометр

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< >8)2093

Союз Советских

Социалистических

Ресиублик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 14.О5.79 (21) 2766629/18-25 с присоединением заявки— (23) Приоритет— (43) Опубликовано 07.02.82. Бюллетень № 5 (45) Дата опубликования описания 07,02.82 (51)M.Кл з Н О1 J 49/44 йсудерстеенныФ конитет

СССР ио делан нзобретеииВ и открытий (53) УДК 621.387.424 (088.8) (72) Автор азобретевия

В. Н. Чуркин

Институт экспериментальной метеорологии (71) Заявитель (54) БЕТА- И ГАММА-СПЕКТРОМЕТР

Изобретение относится к технике низкофоновых измерений радиоактивности окружающей среды, п редназначено для многоэлементного радиоизотопного анализа бетаи гамма-излучателей в пробе исследуемого вещества без его радиохимического обогащения, и может:использоваться цри экспресс-контроле радиоактивности окружающей среды, в радиационной медицине, геологии, биологии, метеорологии и в ядер- 10 но-физических исследованиях на Земле и в космосе.

Известны низкофоновые гамма-спектрометры с защитой на антисовпадениях и низкофоновые бета-спектрометры с защи- l5 той на совпадениях (1). Основой их конструкции является комбинированный детектор в составе анализирующего и «охранного» детекторов.

Спектрометры такого типа имеют низкий уровень фона и по этой причине высокую чувствительность, т. е, высокое отношение сигнал/фон, однако они непригодны для одноврвменного бета- и гамма-апектрометрического анализа слаборадиоактивных >5 проб вещества ввиду резких различий их конструкций в системе «проба-детектор».

Например, низкофоновые бета-спектрометры с защитой на совпадениях конструктивно рассчитаны на измерение препаратов очень малого веса (доли грамма), прошедших предварительное радиохимическое обогащение какого-либо изотопа.

Известны также устройства, регистрирующие излучения различной природы с помощью двух и более детекторов, включенных в режим совпадений и антисовпадений для уменьшения фона.

Однако конструкции этих устройств имеют специфические решения, которые не обеспечивают условий проведения многоэлементного анализа слаборадиоактивных проб вещества по двум видам излучений(2), Из известных устройств с одновременной регистрацией бета- и гамма-излучений наиболее близкой к изобретению является спектрорадиометрическая установка для анализа модельных образцов, содержащих заданную смесь бета- и гамма-излучателей.

Установка содержит датчик бета-излучения и датчик гамма-излучения, детекторы которых установлены один над другим и разделены промежутком для размещекия исследуемого вещества (3). С помощью известной спектрометрической установки осуществляется одновременная регистрация бета- и гамма-излучения смеси радионуклидов.

Исследуемый образец сухой почвы весом да 40 r помещают между бета- м гамма-де5

60 б 5 тектора ми, которые расположены вертикально один над другим.

Импульсы с датчика бета-излучения подаются на усилитель с дискриминатором и далее на пересчетное устройство ПС-10000, а импульсы с датчика гамма-излучения— на вход амплитудного анализатора АИ-100.

Измерения бета- и гамма-активности осуществляются одновременно, причем толщина слоя пробы обеспечивает измерения бета-излучения в условиях насыщенного слоя. Эффективность регистрации установки изучается с помощью точечных источников стронция-90 — иттрия-90 и кальция-45, имеющих максимальные энергии бета-излучения, соответственно 2,37 Мэв и 0,257 Мэв.

Сцинтиллирующая полистироловая пленка толщиной 40 мг/см при расстоянии между детектором и источником 5 мм и при минимальной дискриминации, соответствующей отрезанным шумам ФЭУ-13, регистрирует бета-излучение стронция-90 — иттрия-90 с эффективностью 3?o, бета-излучения кальция-45 с эффективностью 8 /о, При дискри.минации, соответствующей запиранию бетаизлучения кальция-45, эффективность регистрации точечного источника стронция90 — иттрия 90 снижается до 4О/О, т. е. падает почти в 10 раз в интервале энергии бета-спектра 0,25? — 2,27 Мэв.

Эта установка непригодна для одновременного анализа слабо-радиоактивных проб окружающей среды ввиду очень низкой спектральной чувствительности к бетаизлучению с энергией выше 0,5 Мэв, а также существен ной,вел ичи ны фона мешающих излучений.

Это препятствует идентификации сложной смеси радионуклидов с удельной концентрацией ниже 3 — 5 пКи/г, Целью изобретения является повышение чувствительности одновременного бета- и гамма-спектрометрического анализа естественных проб исследуемого вещества путем увеличения спектрального отношения сигнал/фон.,.

Поставленная цель достигается тем, что в известную установку, содержащую датчик бета-излучения и датчик гамма-излучения, детекторы которых расположены один над другим и разделены промежутком для размещения исследуемого вещества, введена схема совпадений, входы которой подключены к выходам датчиков бета- и гамма-излучений, а общий выход схемы совпадений соединен с управляющими входами схем антисовпадений анализаторов импульсов, подключенных к датчикам бета- и,гамма-,излучения. Кроме того, толщина бета-детектора выбрана в пределах от 1 до ЗД толщин слоя половянного яоглощения (Д) главной части спектральной характеристики бета-излучения .исследуемого вещества.

На чертеже представлена блок-схема бета- и гамма-спектрометра.

Бета- и гамма-спектрометр содержит датчик бета-излучения 1 и датчик гаммаизлучения 2, между которыми расположена кювета 3 для исследуемого вещества. Выходы датчиков 1 и 2 соединены через линии задержки 4 и 5 с анализирующими входами многоканальных амплитудных анализаторов 6 и 7, снабженных блоками вывода информации 8 и 9. Выходы датчиков 1 и 2 соединены также через усилители-дискри.минаторы 10,и 11 и че.рез фор.м ирователи

12 н 13 со входами схемы совпадений 14, выход которой соединен с управляющими входами схем антисовпадений анализаторов

6 и 7. Блок питания 15 по нижнему и высокому напряжению является общим для обоих спектрометров.

Предлагаемый бета- гамма-спектрометр снабжен пластмассовой кюветой 3 в виде диска. Внутренний диаметр кюветы равен, диаметру гамма-детектора. Кювета 3 выполнена скользящей по поверхности гаммадетектора без нарушения взаимной геометрии обоих детекторов. Этим достигается простота смены исследуемых образцов при массовых анализах.

Бета- и гамма-спектрометр работает следующим образом.

Кювету 3 заполняют исследуемым веществом (почва, вода, аэрозоли, биопродукты — в свежем или высушенном состоянии, радиохимические препараты и т. п.) и помещают между детекторами датчиков 1 и

2 в строго фиксированном положении. Верх кюветы, обращенный к бета-детектору, закрыт герметичной пленкой толщиной 1—

5 мг/см .

Сигнал с выхода каждого датчика поступает одновременно и в цепь анализа, и в цепь управления. В цепи анализа выходной сигнал проходит на анализирующий вход соответствующего анализатора 6(7) через линию задержки 4(5) IH эмиттерный по вторитель (на чертеже не показан).

Выбором коэффициентов усиления сигнала в анализаторах добиваются соответствия между энергией ионизирующего излучения регистрируемого датчиками 1(2) и номером канала регистрации в многоканальных анализаторах 6(7).

В цепи управления при одновременной регистрации сигналов датчиков 1 и 2 ка оба входа схемы совпадений 14 приходят одновременные сигналы через блоки усилителей-дискриминаторов 10(11) и формирователей 12(13), которые вызывают срабатывание схемы совпадений 14.

В этом случае с выхода схемы совпадений 14 на управляющие входы обоих анализаторов 6(7) подается сигнал управления.

При неодновременной регистрации сигналов в датчиках 1 и 2 на выходе схемы совпадений сигнал отсутствует.

812О93

Линии задержки 4(5) вводят для совмещения во времени импульсоэ анализа с импульсами управления. Дискриминаторы в блоках 10(11) используются как интегральные с минимальной дискриминацией по нижнему уровню, обеспечивающему отрезание пика конверсионных электронов заданной энергии. Схема управления анализатора включена в режим антисовпадений.

При такой настройке системы каждый ана- lo лизатор устройства отбирает и регистрирует только те сигналы, которые превышают определенный энергетический порог и не совпадают во времени с управляющиии сигналами. 15

Толщину бета-детектора согласно изобретению выбирают в диапазоне от 1 до ЗД, где Д вЂ” толщина слоя половинного поглощения главной части спектральной характеристики исследуемого вещества. Выбран- 20 ная толщина бета-детектора оказывается намного большей, чем у прототипа. А с увеличением толщины, как известно, возрастает и величина полезного сигнала в бетадетекторе. Бета-детектор подвергается воз- 25 действию не только лишь бета-излучающих нуклидов, но также и воздействию гаммаизлучающих нуклидов, которые тоже присутствуют в пробе. Поэтому с увеличением толщины бета-детектора возрастает и величина мешающего гамма-сигнала. Кроме того, добавляются мешающие сигналы от дефектов альбедо гамма- и корпускулярного излучения от близкорасположенных детекторов и от элементов конструкции.

Сюда же добавляются большие помехи от космического излучения. Так что возрастание полезного бета-сигнала, достигаемое увеличением толщины бета-детектора, сопровождается и возрастанием уровня фо- 4О на. В результате отношение сигнал/фон не претерпевает существенного увеличения (ino этой нричи не в известных бета-;спекпрометрах и используют тонкие бета-детекторы).

Но если, согласно изобретению, выходы датчиков бета- и гамма-излучения будут соединены через схему совпадений, а ее общий выход будет соединен с управляющими входами схем антисовпадений анализа- 50 торов импульсов, подключенных к упомянутым датчикам, то указанные возросшие помехи будут существенно ослаблены, и потому отношение сигнал/фон резко увеличится, а с ним повысится и чувствительность прибора.

Увеличение отношения сигнал/фон достигается не при любом увеличении толщины бета-детектора, а в указанном вь.ше диапазоне толщин (1 — ЗД). Это объясняет- 6О ся сложным характером изменений различ-. ных мешающих сигналов при различных толщинах бета-детектора.

Таким образом, полезный эффект достигается за счет совмеетного использования дг.ух отличий: нового диапазона толщин бета-детектора и соединения бета-спектрометра с гамма-спектрометром через общую схему совпадений.

При исследовании предлагаемым прибором бета-излучения продуктов ядерных взрывов было учтено, что наиболее важным излучателем часто является стронций-90 (с иттрием-90), а главной частью спектральной характеристики бета-излучения служит интервал бета-спектра 0,5 — 2 Мэв, где чувствительность измерений иттрия-90 максимальна. В этом интервале энергий бета-детектор на основе полистирола был выбран толщиной 350 мг/см (2Д), что обеспечило регистрацию бета-излучения точечного источника иттрия-90 с эффективностью выше

30 по сравнению с единицами процентов в известных установках с бета-детектором толщиной 40 мг/см . Так что спектральная чувствительность предлагаемого бета- и гамма-спектрометра оказалась по крайней мере на порядок выше спектральной чувствительности известного прибора с тонким бета-детектором к бета-излучению иттрия-90.

С помощью известных бета-спектрометров не удавалось идентифицировать бетаизлучающие изотопы в природных объектах с концентрацией ниже 3 пКи/г (фоновь:е уровни почв). Это вынуждало прибегать к значительно более трудоемким радиохимическим способам (например, анализ стронция-90 в одной пробе требует работы в течение месяца).

Внедрение предлагаемого спектрометра позволит сократить значительный объем трудоемких радиохимических анализов различных природных объектов и повысит экспрессность исследований при радиоэкологической экспертизе предприятий атомной промышленности, загрязняющих окружающую среду, при контроле загрязнений радионуклидами продуктов питания на крупных комбинатах и рыболовных судах, и т. д.

Толщина бета-детектора в границах 1—

ЗД не исключает возможности его применения для бета-спектрометрии других радионуклидов, имеющих среднюю энергию бета-частиц, в 2 — 3 и более раз отличающуюся от средней энергии бета-излучения наиболее важного радионуклида. Это обеспечивает высокую чувствительность и информативность бета-спектрометра при работах с большим набором радионуклидов в различных природных объектах.

Преимущества предлагаемой конструкции бета- и гамма-спектрометра проявляются: в высокой спектральной чувствительности бета-детектора к бета-излучению наиболее распространенных радионуклидов, рассеянных в окружающей среде; в почти полном подавлении влияния помех, 812093 космических лучей на бета-спектр и отчас. ти гамма-спектр.

Указанные преимущества предлагаем о. го спектрометра приводят к резкому увели. чению отношения сигнал/фон в определенных энергетических интервалах бета-спект. ра и отчасти гамма-спектра, что повышает чувствительность одновременных спектрометрических измерений по бета- и гаммаизлучению., Кроме того, каждый из спектрометров может работать вместе или порознь в режимах: обычного анализа; в режиме антисовпадений; в режиме совпадений и их взаимных комбинациях.

Формула изобретения

Бета- и гамма-спектрометр, содержащий датчик бета-излучения и датчик гамма-излучения, детекторы которых установ.лены один над другим и разделены промежутком для размещения исследуемого вещества, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности одно. временного бета- и гамма-спектрометриче ского анализа путем увеличения спектрального отношения сигнал/фон, в него введена схема совпадений, входы которой подключены,к выходам датчиков бета- и га мма5 излучения, а общий выход схемы совпадений соединен с управляющими входами анализаторо в им пульсов, подключенных к датчикам бета- и гамма-излучения, толщина бета-детектора выбрана в пределах от 1 до

ЗД, где Д вЂ” толщина слоя половинного аоглощения гла вной части апектральной характери стики бета-.излучения исследуемого ,вещества.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Силантьев А. Н. Низкофоновый сцинтилляционный гамма-спектрометр, ПТЭ,:№ 1, 1968, с. 30 — 33.

20 2. Патент США № 4031392, кл. 250-328, опублик. 1977.

3. Вакуловский С. М. и Зубарева И. Ф.

Сцинтилляционный счетчик на двух фотоумножителях для регистрации бета- и гам25 ма-излучений, сб. Радиоактивные изотопы в почвах и растениях. Л., «Колос», 1969 (прототип) .

812693

Составитель Б. Рахманов

Техред Л. Куклина Корректор И. Осиповская

Редактор И. Гохфельд

Тип. Харьк. фил. нред. «Патент»

Заказ 21 31 Изд. № 105 Тираж 757 Г?одписиое . НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий

113035, Москва, 5К-35, Раушская наб., д. 4/5