Модели и методы идентификации радиоактивных источников по результатам гамма-спектрометрических измерений

А.М. Могирев

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ГАММА-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Описаны проблемы использования гамма-спектрометрии в различных областях науки и промышленности. Рассмотрены модели и методы идентификации радиоактивных источников по результатам гамма-спектромет-рических измерений.

Ключевые слова: радиоактивность, детекторы а, р, у-спектрометры, гамма-спектрометрические измерения, математическая обработка у-спектров.

Со времен открытия радиоактивности прошло около 111 лет. В наше время, когда человек овладел атомной энергией, и использование радиоактивных элементов в различных областях науки и техники постоянно, громадное значение этого открытия доказано.

Экспериментально доказано атомное строение вещества, создана модель атома, объясняющая физический смысл периодического закона Менделеева как основного закона развития неорганического мира. Доказано единство строения химических элементов и найдены методы их искусственного превращения. Открытие изотопии и искусственной радиоактивности помогло выяснению механизма химических и биохимических реакций и дало возможность, методом меченых атомов, подойти к разрешению таких задач, которые неразрешимы никаким другим путем, например определение скорости самодиффузии атомов в металлах.

Открытие радиоактивности дало также много для геологических дисциплин и поставило ряд вопросов в области космогонии. Особенно большое значение имеет определение геологического и космогонического времени в абсолютных единицах (годах), основанное на радиоактивном распаде.

В результате активного развития отраслей, использующих радиоактивные вещества, появились три главные проблемы:

• поиск месторождений урана и плутония;

• наблюдение за выбросами в атмосферу, грунт и в воду на предприятиях использующих или производящих радиоактивные вещества;

• мониторинг радиоактивного заражения местности.

Для решения этих проблем изобрели детекторы а, в, у-спектрометры и математические методы обработки результатов измерений. Благодаря чему смогли определять: какое радиоактивное вещество обнаружено и его приблизительное количество, а так же его активность [1].

Для идентификации радиоактивных источников в основном используют у-спектрометр (пример у-спектра представлен на рисунке 1). Это обусловлено тем, что у-спектрометр обладает:

• дискретной структурой, что позволяет отделить излучение одних элементов от других;

• высокой проникающей способностью по сравнению с а, в излучениями;

• универсальностью процесса эмиссии у-квантов при изменении энергетических состояний атомных ядер и прохождения ядерных реакций;

• возможностью выполнения у-спектрометрического анализа без химической подготовки образца;

• возможностью проведения как пассивного анализа (использование собственного у-излучения), так и активного анализа (радионуклиды образуются в образце в результате активации нейтронами или другими частицами).

Проблема регистрации у-квантов заключалась в том что у -кванты не имеют электрического заряда (как а, в кванты) и могут детектироваться только с помощью вторичных заряженных частиц (электронов, позитронов, ионов), которые они производят, взаимодействуя с веществом. Детектор можно представить как устройство, на вход которого поступают частицы, а на выходе появляется сигналы. В разных детекторах сигналы различны - это и вспышка света, и импульсы тока. Чаше всего для идентификации радиоактивного вещества используют полупроводниковые детекторы. В результате работы детектора получают спектрограмму [2].

Целью математической обработки у-спектров является идентификация отдельных пиков и определение числа отсчетов в них. После этого полученные результаты корректируются с учетом эф-

10

Е, МэВ

2.0

Пример у-спектра

фективности детектирования, самопоглощения излучения в измерительном тракте, а учтя квантовый выход измеряемого излучения и период полураспада исследуемого изотопа, определяют его содержание в исследуемом объекте, то есть математическую обработку используют для идентификации источников излучения и получения количественной информации о них [3].

Сейчас полная обработка спектра у-излучения включает в себя :

• Энергетическую градуировку спектрометра;

• Определение положения пика;

• Определение площади пиков полного поглощения в исследуемом спектре;

• Определение эффективности детектора.

Энергетическая градуировка у-спектрометра позволяет получить соотношение между энергией, потерянной у-излучением в детекторе, и амплитудой соответствующего выходного импульса усилителя. Зависимость между амплитудой импульса и энергией у-кванта почти линейна (1), Погрешность значение энергии у-кванта определенного так будет 0,1 кэВ.

Е = тх + Ь,

где Е - энергия, потерянная в детекторе; т - угол наклона градировочной прямой; х - положение пика в единицах канала; Ь - точка пересечения графика с осью энергии.

Процедура градуировки включает определение положений вершин пиков известной энергии в каналах и подгонку градуированной функции к этим значениям. Для этого обычно используют стандартный источник у-излучения.

Если известны положения XI и х2 двух пиков полного поглощения, которым соответствуют значения энергий Е] и Е2, то т и Ь могут быть вычислены по выражениям (2) и (3).

Е2 - Е

т _ —------------1,

Ь = Х2Е - Х'ЕГ

Х2 - Х1

Для линейной градуировки по двум точкам используют два пика, Которые должны располагаться на концах рассматриваемого энергетического диапазона. Если пик в измеренном спектре охватывает слишком много каналов, в каждом из них будет мало отсчетов, и отклонения от среднего значения характеризующих пик будет велико. Если пик охватывает малое число каналов, то нет возможности точно определить его полуширину и положение вершины.

Если форма пика близка к симметричной, то для описания пиков используют функцию Гауса вида (4).

(х - Хо):

У(х) = Уо ехР

где у(х) - число отсчетов в канале х; у0 - амплитуда пика; х0 - центроида пика; с -дисперсия.

Так же функция Гауса удобна тем, что даже в случае небольшой асимметрии верхняя часть пика достаточно хорошо описывается.

Для оценки центроиды пика с помощью данного метода используется канал с максимальным числом отсчетов и два смежных с ним канала с каждой стороны (5).

X _ х + У т ' 1

У т+1

где т - номер канала с максимальным числом отсчетов; у; - число отсчетов в канале х;.

Полная ширина пика на половине высоты является основной мерой разрешающей способности спектрометра и возрастает с увеличением энергии (6).

ПШПВ2~а+ЬЕ

Под абсолютной эффективностью регистрации понимается отношение числа квантов, зарегистрированных в пике полного поглощения, к числу квантов определенной энергии, попавших на поверхность детектора. Важно помнить, что эффективность не одина-

Х2 Х1

кова на разных участках его поверхности, обычно она максимальна в центре и заметно снижается к краям. Эффективность изменяется в зависимости от энергии у-квантов. Эту зависимость получают с помощью изменения эффективности для ряда энергий, а затем подгонки соответствующей функции к экспериментальным точкам

где Sy - эффективность детектора по пику полного поглощения для данного гамма-излучения; SY - площадь пика с данной энергией; t -время измерения; A - активность стандартного источника на момент измерения; IY - квантовый выход данного у - излучения.

Таким образом, качество результата зависит от качества аппаратурных спектров, которое связанно со стабильностью работы измерительной системы, качеством используемых электроники и детекторов. Так же во время измерения в спектре могут появляться дополнительные спектральные пики, искажающие спектр и затрудняющие получение нужной информации. Для обеспечения качества получаемой информации необходима система контроля качества измерений, включающая контроль над: характеристиками спектров, стабильностью работы электроники и параметрами окружающей среды.

------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бушуев А.В., Петрова Е.В., Кожин А.Ф. Практическая гамма-спектрометрия. Учебное пособие. М.:Тровант, 2006.

2. Альфа-, бета- и гамма- спектрометрия под редакцией К. Зишбана. -Атомиздат, 1969.

3. Волков Н.Г., Христофоров В.А., Ушаков Н.П.. Методы ядреной спектрометрии: Учебное пособие для студентов инж.-физ. специальностей вузов, - М.: Энергоатомиздат, 1990. шгЛ

M.A. Mogirev

THE MODELS AND METHODS FOR THE INDENTIFICATION OF THE RADIOACTIVE SOURCES BASED ON THE RESULTS OF GAMMA-RAY SPECTROMETRY

Problems of use gamma-spectrometry in various areas of a science and the industry are described in the article. Models and methods of identification of radioactive sources by results ofgamma-spectrometer of measurements are considered.

Key words: radioactivity, detectors, а, в, y-spectometres, gamma-ray spectrometry, ies, mathematical processing of the y-spectrum.

— Коротко об авторе -------------------------------

Могирев A.M. - студент, кафедра АСУ, МГГУ, ud@msmu.ru