ПАРНЫЙ ГАММА-СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

Область техники
Полезная модель относится к области ядерно-физической техники, а именно к спектрометрам высокоэнергетического гамма-излучения, используемым для измерения радиоактивности в объектах окружающей среды.
Уровень техники
При относительно низких значениях энергии гамма-квантов (≤1,5 МэВ) наиболее вероятным процессом взаимодействия гамма-излучения с материалом детектора, лежащим в основе гамма-спектрометрических измерений, является фотоэффект. С ростом энергии гамма-квантов вероятность фотоэффекта, снижается. Начиная с энергии гамма-квантов >1,02 МэВ, становится возможным образование электронно-позитронных пар, и вероятность этого процесса быстро возрастает с увеличением энергии гамма-квантов.
Под действием высокоэнергетических гамма-квантов в поле ядра атома среды, в которой происходит распространение гамма-излучения, образуются электронно-позитронные пары, суммарная кинетическая энергия которых равна энергии первичных гамма-квантов минус 1,02 МэВ - сумма масс покоя электрона и позитрона. Электрон и позитрон тратят свою кинетическую энергию на ионизацию и возбуждение атомов и молекул среды. Растратив всю свою кинетическую энергию, позитрон аннигилирует с любым электроном той же среды. В результате аннигиляции возникают два аннигиляционных гамма-кванта с энергиями по 0,511 МэВ, разлетающихся под углом 180° друг по отношению к другу.
Принцип действия парных спектрометров основан на одновременной регистрации с помощью схемы тройных совпадений процессов, происходящих в трех детекторах: в центральном детекторе под действием гамма-квантов высокой энергии образуются электронно-позитронные пары, а возникающие при аннигиляции позитронов аннигиляционные гамма-кванты регистрируются, расположенными симметрично по отношению к центральному детектору, боковыми детекторами. Одновременность регистрации этих трех процессов обеспечивает схема тройных совпадений.
Из уровня техники известны парные гамма-спектрометры для измерения высокоэнергетического гамма-излучения, способные выделять из общего числа регистрируемых событий только связанные с образованием электронно-позитронных пар (West Y.I. Measurement of low-energy gamma-ray pair cross-sections in scintillators using a scintillation pair spectrometer. Phys. Rev., 1956, V. 101, no. 3, pp. 915-921.; Avignone F.T., Khalil A.E. Cross-section for the production of electron-positron pairs by 1,064 Mev photons of germanium. Phys. Rev. A, 1981, V. 24, no. 6, pp. 2920-2924.). В данных приборах при работе с относительно высокими активностями пучок первичных высокоэнергетических гамма-квантов через свинцовый коллиматор направляется на центральный кристалл сравнительно небольших размеров, чтобы образующиеся в этом кристалле в результате аннигиляции позитрона аннигиляционные гамма-кванты могли покинуть этот кристалл с большей вероятностью. Для регистрации аннигиляционных гамма-квантов с энергиями по 0,511 МэВ с хорошей эффективностью применяются сравнительно большие кристаллы (сцинтилляторы), расположенные симметрично по отношению к центральному кристаллу. Таким образом, практически одновременно с образованием электронно-позитронных пар в центральном кристалле происходит регистрация аннигиляционных гамма-квантов боковыми кристаллами, в основном, с полным поглощением их энергии.
Вероятность регистрации парным гамма-спектрометром случайных тройных совпадений - крайне маловероятный процесс, т.е. парный гамма-спектрометр не повышает эффективность регистрации высокоэнергетических гамма-квантов как таковую, а существенно снижает вероятность регистрации других процессов взаимодействия гамма-квантов с материалом кристаллов детектора.
При работе в экспедиционных условиях, когда уровень активностей относительно невысок, пользоваться вышеописанной системой детекторов с коллиматором, существенно ухудшающим геометрические условия измерений (когда из общего числа испускаемых гамма-квантов коллиматор регистрирует ничтожно малую их долю), нецелесообразно. Основным средством для подавления мешающих процессов в этом случае является схема тройных совпадений с дифференциальными дискриминаторами в каждом из боковых каналов регистрации аннигиляционных гамма-квантов, рассчитанных на пропускание только импульсов, соответствующих энергии 0,511 МэВ.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего эффективную регистрацию гамма-излучения с энергией первичных квантов от 1,02 МэВ, характеризующего наличие в измеряемой среде короткоживущих высокоэнергетических радионуклидов.
Эффективность детектора является параметром, пропорциональным массе используемых сцинтилляционных пластин детектора. Эффективность заявляемого устройства обеспечивается возможностью минимизации вклада от излучения гамма-квантов, имеющих энергию, равных или ниже 1,02 МэВ.
Техническим результатом данной полезной модели является эффективная регистрация высокоэнергетического гамма-излучения на фоне преобладающих интенсивностей гамма-излучения средних и низких энергий при снижении массогабаритных характеристик устройства.
Заявляемое устройство является компактным и надежным за счет применения детекторов оптимизированной пластинчатой геометрии в комбинации с использованием современных компонентов сцинтилляционных детекторов, обеспечивающих выделение высокоэнергетического гамма-излучения на фоне преобладающего уровня гамма-излучения низких и средних энергий при работе в экспедиционных условиях.
Поставленная задача решается тем, что парный гамма-спектрометр для регистрации высокоэнергетического гамма-излучения включает размещенные в корпусе, по меньшей мере, три одинаковых детектора, расположенные параллельно (в параллельных плоскостях), каждый из которых представляет собой сцинтилляционную пластину, сконструированную на основе современных сцинтилляционных материалов (например, БГО - германат висмута) с фотодетектором (например, Si-ФЭУ - кремниевым фотоэлектронным умножителем, (ФЭУ)); электронный блок, выполненный с возможностью реализации схемы тройных совпадений, с одной стороны соединенный с ФЭУ каждого детектора, с другой - с блоком обработки и интерпретации полученных от электронного блока данных.
Сцинтилляционная пластина может быть выполнена округлой формы или в конкретном варианте реализации полезной модели - в виде шайбы. При этом оптимальным решением является выполнение шайбы с фаской и размещение ФЭУ на фаске. ФЭУ может быть выполнен в виде пластинки с геометрическими размерами, обеспечивающими его размещение на фаске (не выступая за границы поверхности фаски). Фаска обеспечивает надежный оптический контакт с поверхностью фотокатода фотоумножителя, что приводит к высокой эффективности регистрации световых потоков во всех сцинтилляционных детекторах прибора.
В конкретном варианте осуществления устройство включает три оптически друг от друга изолированные цилиндрические пластины. Процесс регистрации высокоэнергетического кванта начинается в центральной пластине, в которой рождается электронно-позитронная пара. После растраты кинетической энергии позитрон аннигилирует, и образующиеся при этом аннигиляционные кванты с энергиями по 511 кэв разлетаются и регистрируются боковыми пластинами. Для того, чтобы эти процессы шли с максимальной вероятностью, пластины располагаются параллельно друг другу на минимальном расстоянии. Чтобы ФЭУ могли снять свет с каждой из пластин (шайб), на поверхности пластин снабжены плоские фаски, к которым подходят плоские фотокатоды ФЭУ.
Электронный блок для реализации схемы тройных совпадений может быть выполнен из набора микросхем, реализующих функцию усиления, коммутации, дискриминации и амплитудного анализа полученных с детекторов сигналов.
Сцинтилляционная пластина может быть изготовлены из БГО, или из йодида цезия, активированного таллием, или из любого другого материала, известного из уровня техники, обеспечивающего «сцинтилляционную» функцию (материала, обладающего способностью излучать свет в результате взаимодействия с гамма-излучением).
Сцинтилляционная пластина может иметь диаметр не менее 50 мм и толщину не менее 10 мм. ФЭУ имеет геометрические размеры, не превышающие геометрические размеры фаски сцинтилляционной пластины.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена блок-схема пластинчатого парного гамма-спектрометра, на фиг. 2 - гамма-спектр ториевого препарата, полученный с помощью простейшего парного гамма-спектрометра с пластинчатыми детекторами.
Позициями на фигурах обозначены: 1 - измеряемая поверхность, 2 - Si-ФЭУ, 3 - электронный блок, включающий функцию усиления, коммутации, дискриминации и амплитудного анализа, 4 - ноутбук, 5 - светоизоляция пластин, 6 - сцинтилляционные пластины из БГО, 7 - корпус детектора.
Осуществление полезной модели
Заявляемый гамма-спектрометр с пластинчатыми детекторами состоит, по меньшей мере, из трех одинаковых параллельно расположенных пластин, средняя из которых выполнена с возможностью регистрации первичных гамма-квантов с образованием электронно-позитронных пар, а боковые предназначены для регистрации только аннигиляционных гамма-квантов. Для повышения общей эффективности заявляемого устройства (прибора) возможно увеличение количества параллельных пластин до произвольного числа. Максимальное количество пластин определяется целесообразностью их применения для конкретных ситуаций. При этом в вариантах выполнения полезной модели с количеством пластин больше трех, все пластины, кроме двух крайних, будут регистрировать как высокоэнергетические первичные гамма-кванты, так и аннигиляционные. Гамма-спектрометр содержит также электронный блок, выполненный с возможностью реализации схемы тройных совпадений, и с одной стороны соединен с ФЭУ каждого детектора, с другой - с блоком обработки и интерпретации полученных от электронного блока данных, например, компьютером, ноутбуком или любым другим электронно-вычислительным устройством, который может быть снабжен экраном для визуализации полученных результатов. Электронный блок выполнен с возможностью коммутации, которая обеспечивает работу каждой триады соседних пластин в режиме тройных совпадений, так что общая эффективность такого спектрометра будет равна (n-2)Е, где n - общее количество пластин, а Е - эффективность каждой отдельной пластины по отношению к первичному гамма-излучению.
В заявляемом приборе, предназначенном для определения высокоэнергетического гамма-излучения в окружающей среде, не вводятся ограничения на направление первичных гамма-квантов на центральный кристалл (в отличие от перечисленных выше аналогов, использующих свинцовый коллиматор). В заявляемом устройстве чувствительным является весь объем (масса) сцинтилляционных пластин (или кристаллов). Это одно из важных отличий предлагаемого прибора от предшествующих аналогов, которое позволяет не только кардинально уменьшить массу прибора в результате отказа от коллиматоров, но и оптимизировать его геометрические характеристики за счет использования пластинчатых детекторов и их взаиморасположения, т.к. вместо одного центрального кристалла ограниченного размера можно использовать любое количество сцинтилляционных пластин, суммарной массой которых будет определяться общая эффективность гамма-спектрометра. Общим для заявляемого устройства и аналогов является принцип действия, основанный на регистрации электронно-позитронных пар из всей совокупности процессов взаимодействия гамма-излучения с материалом детектора, выполняемый схемой тройных совпадений.
Обработка информации в случае использования более трех сцинтилляционных пластин (или кристаллов-сцинтилляторов) выполняется с использованием коммутационной системы, выделяющей любую триаду кристаллов в каждом событии, так что каждый из рассматриваемых кристаллов в данном событии может играть роль центрального, а из одновременных событий в боковых кристаллах отбираются только те, энергия, регистрируемая которыми, соответствует 0,511 МэВ. Таким образом, эффективность детектора в целом определяется суммой масс кристаллов (кроме двух крайних), участвующих в процессах регистрации гамма-излучения с энергией первичных квантов выше 1,02 МэВ.
Устройство может обеспечивать свою работу от независимого источника питания. Для проведения измерений радиоактивности в объектах окружающей среды устройство размещают вблизи исследуемой поверхности, при этом под действием высокоэнергетического первичного гамма-излучения в центральном детекторе (если общее число пластин равно трем, или в центральных детекторах, если их общее число >3) происходят процессы взаимодействия с образованием электронно-позитронных пар, а при аннигиляции позитронов происходит испускание аннигиляционных гамма-квантов с энергиями по 0,511 кэВ, разлетающихся под углом 180°, и способных регистрироваться боковыми кристаллами. Свидетельством такого процесса является регистрация тройных совпадений в данной триаде кристаллов. Другие процессы взаимодействия гамма-излучения с материалом детектора практически игнорируются схемой тройных совпадений.
При измерениях на однокристальных гамма-спектрометрах главных составляющих радиоактивности атмосферы - продуктов распада радона - часто используют такие пики полного поглощения энергии (ПППЭ) как 583 кэВ (Tl-208 из семейства Th-232) и 609 кэВ (Bi-214 из семейства U-238).
При работе с парными гамма-спектрометрами с использованием схем тройных совпадений низкоэнергетическая часть гамма-спектров практически исчезает, а линии ПППЭ проявляются тем лучше, чем выше энергии соответствующих им гамма-квантов. Таким образом, определение изотопов радона 222 и 220, например, по линиям 1763 кэВ (Bi-214 из семейства U-238) и 2614 кэВ (Tl-208 из семейства Th-232) становится более надежным, т.к. под этими пиками интенсивностью квантов комптоновского рассеяния от других радионуклидов практически можно пренебречь.
Пример конкретной реализации полезной модели.
Было изготовлено устройство, содержащее три одинаковые сцинтилляционные пластины в виде шайбы диаметром 50 мм и толщиной 10 мм, выполненные из CsI(Tl), размещенные параллельно друг другу на расстоянии, определяемом толщиной светоизоляции. Шайбы были выполнены с фаской, размеры которой составили 10×10 мм, на которой был размещен Si-ФЭУ, имеющий размеры 6×6 мм.
Электронный блок выполнял функции усиления, дискриминации аннигиляционных сигналов, схемы выделения тройных совпадений, амплитудного анализа и коммутации взаимодействия триад пластин, если их число превышало три. Дальнейшая обработка поступающей информации выполнялась с помощью ноутбука или другого соответствующего устройства.
234
Изготовленным устройством были проведены измерения препаратов, содержащих природный Th.