УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ СПЕКТРА БЕТА-ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к средствам измерений ионизирующих излучений, которые предназначены, в частности, для определения содержания бета-излучающих радионуклидов, например, стронция-90, в продуктах питания, кормах для животных, пилолесоматериалах, почве и других объектах.
Важное значение для получения достоверных результатов измерений имеет корректный учет составляющих погрешности измерений, связанных с фоновым излучением и свойствами счетного образца, в частности, толщиной слоя вещества счетного образца, его элементного состава и пр.
Известно конструктивное решение /1/, в котором детектор окружен по периметру защитным экраном из свинца или вольфрама от прямого воздействия гамма-излучения и бета-излучения от счетного образца, а бета-излучение от счетного образца попадает в детектор после отражения от рассеивателя, изготовленного также из свинца. Недостатком данной конструкции является то, что детектор не защищен от внешнего фонового гамма-излучения, а также то, что детектор регистрирует только некоторую часть от общего бета-излучения счетного образца, отраженную от рассеивателя, что снижает чувствительность средства измерений.
Известно устройство /2/, выбранное в качестве прототипа. Устройство содержит детектор с воспринимающим элементом, защиту от внешних ионизирующих излучений, выполненную в виде окружающей детектор оболочки из свинца, во внутреннюю полость которой помещается в измерительной кювете исследуемый счетный образец. Такая конструкция обеспечивает значительное уменьшение фонового сигнала и, соответственно, увеличение чувствительности средства измерений. Недостатком известного технического решения является зависимость фонового спектра от свойств счетного образца.
Одним из источников регистрируемых детектором фоновых импульсов является внешнее фоновое гамма-излучение. Прошедшие через свинцовую защиту гамма-кванты взаимодействуют с конструкционными элементами защиты, с веществом счетного образца и непосредственно с воспринимающим элементом детектора. В результате этого взаимодействия за счет фотоэффекта и эффекта комптоновского рассеяния рождаются высокоэнергетичные электроны, которые с определенной вероятностью регистрируются детектором наряду с бета-излучением, испускаемым веществом исследуемого счетного образца.
Счетный образец, помещаемый под детектор при измерении, вносит возмущение в поле высокоэнергетичных электронов. Так, с одной стороны, он сам (счетный образец) является источником высокоэнергетичных электронов за счет процессов рассеяния и поглощения гамма-излучения в материале счетного образца. С другой стороны, он поглощает высокоэнергетичные электроны, вылетающие из защиты в направлении детектора и частично отражает электроны, вылетающие из воспринимающего элемента обратно.
комп
комп
фот
5
Как известно /3/, полное сечение комптоновского рассеяния гамма-квантов σ пропорционально атомному номеру вещества Z, в котором происходит рассеяние (σ~Z), а сечение фотоэффекта пропорционально атомному номеру вещества в пятой степени (σ~Z).
Поэтому защиту детектора обычно изготавливают из свинца (Z=82) или другого материала с большим атомным номером. Для счетных образцов проб из органических материалов (нативных, а также полученных путем озоления или химического высаждения) эффективное значение числа Z меняется в диапазоне от 4 до 15. Сравнение атомных номеров для вещества счетного образца и вещества защиты показывает, что вероятность возникновения комптоновских электронов отдачи и фотоэлектронов в веществе защиты во много раз больше, чем в веществе пробы.
Вероятность поглощения в веществе счетного образца вылетающих из защиты электронов возрастает с увеличением массы счетного образца. Потери энергии электронов при прохождении через вещество обусловлены главным образом ионизацией атомов /3/, прямо пропорциональны атомному номеру вещества Z и обратно пропорциональны кинетической энергии электронов.
В результате регистрируемый детектором спектр сложным образом меняется в зависимости от массы (толщины слоя вещества) счетного образца.
Зависимость фонового спектра от свойств измеряемого счетного образца, присущая прототипу, не позволяет проводить корректные измерения малых значений активности, и, соответственно, снижает чувствительность средства измерений.
Устранить эти недостатки методическим путем, например, путем регистрации и записи фоновых спектров для счетных образцов нулевой активности различной массы весьма трудоемко, причем это не гарантирует правильности результатов дальнейших измерений из-за неопределенности, связанной с различиями в химическом составе вещества счетных образцов.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в минимизации уровня фона и устранении его зависимости от свойств измеряемого счетного образца.
Технический результат, соответственно, заключается в повышении за счет этого чувствительности средства измерений.
Заявляемая полезная модель, как и прототип, содержит детектор бета-излучения в составе последовательно соединенных воспринимающего элемента и электронного блока обработки сигналов с выхода воспринимающего элемента, и блок защиты детектора от воздействия внешних ионизирующих излучений, выполненный в виде охватывающей воспринимающий элемент детектора оболочки, во внутренней полости которой в непосредственной близости от воспринимающего элемента помещается в измерительной кювете счетный образец пробы анализируемого вещества.
Отличие заявляемой полезной модели от прототипа состоит в том, что между внутренней поверхностью оболочки блока защиты детектора от внешних ионизирующих излучений и измерительной кюветой со счетным образцом установлен специальный экран из вещества, атомный номер которого равен или близок к атомному номеру вещества счетного образца, причем толщина экрана больше максимальной длины пробега комптоновских электронов и фотоэлектронов в веществе экрана.
На фиг.1 приведена схема заявляемой полезной модели.
Детектор бета-излучения 1 и воспринимающий элемент 2 в данном конкретном случае имеют цилиндрическую форму, сечение проходит по оси цилиндра.
Блок защиты детектора от воздействия внешних ионизирующих излучений 3 выполнен в виде охватывающей воспринимающий элемент 2 оболочки, и изготавливается из материала с большим атомным номером, например, свинца. Во внутренней полости блока защиты 3 в непосредственной близости от воспринимающего элемента 2 помещается в измерительной кювете 4 счетный образец 5.
Между внутренней поверхностью оболочки блока защиты 3 и измерительной кюветой 4 со счетным образцом 5 установлен экран 6, изготовленный из материала, атомный номер которого равен или близок к атомному номеру вещества счетного образца 5.
Форму экрана выбирают таким образом, чтобы экран перекрывал поток комптоновских электронов и фотоэлектронов, которые вылетают из защиты в направлении детектора и способны дать вклад в регистрируемый спектр.
В большинстве случаев, встречающихся на практике, толщина счетного образца из-за поглощения бета-частиц в веществе не превышает 5 мм. Диаметр измерительной кюветы, в которой помещается счетный образец, обычно несколько больше диаметра детектора и может составлять от 70 до 160 мм.
Отношение толщины счетного образца δ к ее диаметру d при этом составляет от 1/14 (0,071) до 1/32 (0,031), т.е.
δ/d<<1.
При малых значениях отношения δ/d краевыми эффектами можно пренебречь, боковые стенки экрана становятся ненужными, и экран может быть выполнен в виде пластины, располагающейся непосредственно под кюветой с исследуемым счетным образцом.
э
пр
Поскольку при одинаковых значениях атомных номеров вещества счетного образца 5 и экрана 6 их свойства в части рассеяния и поглощения бета-частиц и электронов одинаковы, то разделение толщи вещества, где происходит это рассеяние и поглощение, на вещество счетного образца и вещество экрана с точки зрения их воздействия на фоновое излучение, регистрируемое детектором, является чисто условным, как и граница между ними. Очевидно, что если толщина экрана больше максимальной длины пробега электронов в веществе, из которого он изготовлен, то при любой толщине (массе) счетного образца процессы рассеяния и поглощения происходят одинаково, как в пластине бесконечной толщины, и изменение толщины (массы) счетного образца не влияет на фоновый спектр. Таким образом, при значении атомного номера вещества экрана, равного значению атомного номера вещества счетного образца пробы (Z=Z), скорость счета фона не зависит от толщины (массы) счетного образца.
Предлагаемая конструкция позволяет значительно уменьшить уровень фона за счет поглощения в экране комптоновских электронов и фотоэлектронов, образующихся в защите, и корректно его учитывать, используя фоновый спектр, измеренный с пустой кюветой, при измерениях счетных образцов малой активности и, соответственно, улучшить чувствительность средства измерений.
В качестве материала для экрана можно использовать, например, графит, стекло, магний, алюминий, кремний, а также пластики и композитные материалы сложного состава с эффективным значением атомного номера, близким к эффективному значению атомного номера вещества счетного образца.
Предлагаемое устройство регистрации спектра бета-излучения в соответствии с заявленным решением разработано для серийного производства с использованием типовых технологий и стандартного оборудования.
Литература
1. Патент RU 2098841 С1. Опубликовано 10.12.1997 г.
2. Спектрометры энергий бета-излучения сцинтилляционные «Бета-1С», «Бета-1С-150». Регистрационный номер ГРСИ №15292-09.
3. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика, книга 1, часть 1. Москва, Энергоатомиздат, 1993.