СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ БЕТА-РАДИОАКТИВНЫХ ГАЗОВ
METHOD OF DETERMINING CONCENTRATION OF BETA-RADIOACTIVE GASES

14
18
Изобретение относится к области радиохимии и может быть использовано при проведении технологического контроля или научно-исследовательских работ, связанных с изучением кинетики взаимодействия бета-радиоактивных газов, в частности трития, с различными металлами и сплавами, изотопно-обменных процессов в гетерогенных средах, в масс-спектрометрии и других областях науки и техники, где требуется проведение измерений концентрации бета-радиоактивных атомов (Т, С, F и др.) и их соединений в газовой фазе.
2
2
Известны различные способы регистрации бета-частиц: ионизационные, фотографические, химические, калориметрические, полупроводниковые и др. [1-4]. Конструктивно для регистрации бета-частиц применяют тонкостенные цилиндрические и торцевые бета-счетчики, а также проточные счетчики. Тонкостенными цилиндрическими счетчиками регистрируют бета-частицы с энергией не менее 500-700 кэВ, так как алюминиевые и стальные катоды этих счетчиков имеют условную предельную толщину 30-50 мг/см. Бета-частицы с энергией от 100-200 кэВ регистрируют торцевыми счетчиками со слюдяными окнами, имеющими толщину 1-5 мг/см [2].
Аналогом предлагаемого способа служит способ регистрации заряженных частиц с использованием ионизационных камер-детекторов, основанных на измерении ионизационного тока в газах под воздействием энергии бета-частиц и представляющих собой конденсаторы различной формы. Число образующихся пар ионов в значительной мере зависит как от внутренних, так и внешних факторов, в частности: радиоактивности регистрируемого газа, энергии бета-частиц, состава, давления и температуры газа в ионизационной камере [1-3]. Различают два основных режима работы ионизационных камер: импульсный и токовый.
14
18
36
38
39
85
133
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ токового режима работы ионизационной камеры. Принцип работы ионизационных камер в токовом режиме заключается в следующем: бета-частица, пролетая рабочее пространство датчика, в зависимости от энергии образует определенное число пар ионов газа, заполняющего объем датчика, что создает ток в регистрирующей цепи данного устройства. Таким образом, для количественного определения радиоактивности газа предварительно проводят калибровку ионизационной камеры путем соотнесения величины регистрируемого сигнала с известной радиоактивностью облучающего эталона. Конструктивно ионизационные камеры (плоские, цилиндрические, сферические, многоэлектродные и пр.) отличаются друг от друга по роду газа (воздух, аргон, трехфтористый бор и др.), наполняющего камеру, и по давлению данного газа в камере. Измерение бета-излучения с помощью ионизационных камер производится, в основном, для определения концентрации радиоактивных элементов (Т, C, F, Cl, Cl, Ar, Kr, Xe), для измерения препаратов искусственных радиоактивных изотопов, а также для измерений дозы или мощности дозы в поле бета-излучателей [1].
Недостатками известного способа являются:
- определение концентрации бета-радиоактивного газа основано на регистрации вторичного эффекта - тока, создаваемого при ионизации бета-частицами рабочего газа и зависящего от величины энергии бета-частиц, что, как следствие, влияет на точность получаемых результатов;
36
- для каждого диапазона энергий регистрируемых бета-частиц требуется разработка индивидуальной конструкции измерительного устройства [2], в частности диапазон энергии бета-частиц может составлять от 0,0056 МэВ (7) до 4,11 МэВ (Cl) [5];
- зависимость регистрируемого значения тока от параметров газа в ионизационной камере: давления, температуры и состава газа [1];
- наличие порогового значения тока насыщения, то есть при увеличении дозы излучения (концентрации бета-частиц) величина регистрируемого тока остается постоянной.
Сумма перечисленных факторов отражает сложность и индивидуальность подхода при изготовлении регистрирующего устройства для каждого радиоактивного изотопа. Кроме того, каждое устройство работает в строгом диапазоне концентраций и энергий бета-частиц. Все это, как следствие, сказывается на точности определения радиоактивных изотопов в газовой фазе, и увеличение точности ведет к значительному возрастанию трудоемкости выполняемых работ.
Таким образом, задачей изобретения является создание способа, позволяющего проводить прямые измерения концентрации бета-радиоактивных газов в газовых смесях с высокой точностью и достоверностью получаемых результатов. Кроме того, регистрируемый сигнал не должен зависеть от энергии бета-частиц, состава газа и должен иметь линейную зависимость от числа распавшихся ядер бета-радиоактивного газа.
Технический результат, получаемый при использовании изобретения, заключается в том, что:
2
x
4-x
4
l4
39
133
133
- реализуется возможность проводить прямое определение концентрации бета-радиоактивных атомов и молекулярных соединений на их основе (HT, DT, T, CHT, CH, Ar, Kr, Xe и др.) в газовых смесях с прецизионной точностью и в широком диапазоне концентраций вне зависимости от энергии бета-частиц, применяя одно устройство для любого радиоактивного газа.
β
Поставленная задача решается тем, что при осуществлении способа, включающего проведение калибровки регистрирующего устройства, регистрации выходного сигнала и расчете концентрации бета-радиоактивного газа, согласно изобретению регистрируют абсолютное давление газа в системе, в качестве выходного сигнала регистрируют потенциал (U), создаваемый на сопротивлении нагрузки при прохождении тока бета-частиц, образующихся в результате радиоактивного распада ядер бета-радиоактивного газа в регистрирующем устройстве, а расчет концентрации бета-радиоактивного газа выполняют по формуле
Σ
где P - абсолютное давление исследуемой газовой смеси;
β
P - парциальное давление бета-радиоактивного газа в исследуемой газовой смеси, вычисляемое по формуле
β
где K - коэффициент чувствительности датчика [Па/В], определяемый при калибровке на газовой смеси с известной концентрацией бета-радиоактивного газа;
β
U - регистрируемое выходное значение потенциала регистрирующего устройства [В].
β
∑
β
β
Другим отличием способа является то, что калибровку датчика регистрации бета-частиц проводят с использованием газовой смеси бета-радиоактивного газа известной концентрации (C), регистрируют попарно значения абсолютного давления (P) и выходное значение потенциала регистрирующего устройства (U) необходимое число раз (n), на основании полученных значений определяют калибровочный коэффициент чувствительности датчика бета-частиц (K) по формуле
β
∑
β
где P=P·C;
β
β
- среднее значение суммы произведений величин P и U;
β
β
- произведение средних значений величин P и U;
β
- среднее значение суммы квадратов величины U,
β
- квадрат среднего значения величины U.
out
В основе предлагаемого способа заложен принцип регистрации тока заряженных бета-частиц, образующихся при радиоактивном распаде бета-радиоактивного газа, находящегося в газовой смеси при давлении, не превышающем 133 Па (1 мм рт.ст.). При данном давлении длина свободного пролета бета-частицы будет соизмерима с размерами регистрирующего устройства [1] и эффект ионообразования исходного газа будет минимальным. Кроме того, выходной регистрируемый сигнал (U) датчика (фиг.1) пропорционален (линейно) количеству образующихся бета-частиц в соответствии с законом радиоактивного распада (4), уравнением состояния идеального газа (5) и током (6), создаваемым бета-частицами.
Скорость радиоактивного распада (А) описывается уравнением вида
-1
где λ - постоянная радиоактивного распада, с;
β
N - число бета-радиоактивных атомов.
Число атомов (молекул) связано с парциальным давлением уравнением состояния идеального газа
M
где N - число молекул (атомов) газа;
V - объем регистрирующей системы; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.
-19
β
Например, ядро изотопа водорода-трития распадается по схеме  со скоростью A (4) с образованием β-электрона, имеющего заряд е=-1.6-10 Кл. Вследствие этого в регистрирующем устройстве (фиг.1) будет протекать ток, который пропорционален числу распавшихся ядер трития. Таким образом, уравнение для тока β-электронов (I) можно представить следующим образом:
y
В соответствии со схемой, представленной на фиг.1, регистрируемый потенциал на выходе усилителя с коэффициентом усиления (K) составит
y
Введя замену в уравнении (7) всех констант на Z=λ·e·R·K, получаем
out
Уравнение (8) показывает, что регистрируемый сигнал (U) линейно зависит от числа атомов трития. В работе [6] показано, что при давлении свыше 3 мм рт.ст. газовой смеси, содержащей тритий (30%), начинается нелинейная область, связанная с влиянием процесса радиационного ионообразования в газовой смеси. Таким образом, выбор верхнего предела рабочего давления в 133 Па считается вполне обоснованным.
На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства регистрации бета-частиц. На фиг.2 приведена градуировочная характеристика устройства регистрации бета-частиц, выполненная при концентрации трития 97,0%. На фиг.3 представлен термодесорбционный спектр выделения трития и радиогенного гелия-3 из тритида титана при линейном нагреве образца.
3
y
Устройство на фиг.1 состоит из следующих деталей: 1 - фланец напуска газа; 2 - корпус, изготовленный из нержавеющей стали типа 12Х18Н10Т и имеющий внешний нагреватель до температуры не менее 200°С; 3 - рабочий объем не менее 10 см; 4 - анод; 5 - сетка, изготовленная из сплошной медной проволоки таким образом, что перекрывается свободный пролет бета-частиц в объеме датчика; 6 - сопротивление нагрузки (1-10 МОм) согласуется с внутренним сопротивлением усилителя; 7 - усилитель термостабилизированный, с коэффициентом усиления (K) не менее 1000; 8 - высокоточный источник питания.
На фиг.2 показан градуировочный график для определения коэффициента чувствительности датчика трития, выполненный при концентрации трития 97%,
β
3
K=16,975·133,33·0,97=2,195·10 Па/В.
3
На фиг.3, в качестве примера, представлен термодесорбционный спектр выделения трития и радиогенного гелия-3 из тритида титана при линейном нагреве, 1 - значения потенциала датчика регистрации бета-электронов, 2 - значения абсолютного давления газа в системе. Как видно из фиг.3, начало выделения газа (He) происходит при температуре 450 К. При этом тритий не выделяется, о чем свидетельствуют показания датчика бета-электронов. Выделение трития происходит в диапазоне температур 650-950 К.
out
out
β
y
y
β
T2
out
out
out
T2
T2
T2
Способ осуществляется следующим образом: согласно изобретению калибровку датчика проводят по газовой смеси с известной концентрацией бета-радиоактивного газа путем одновременной регистрации абсолютного давления газовой смеси и регистрации выходного сигнала датчика. Градуировку датчика на примере трития проводят следующим образом. Выполняют балансировку регистрирующего тракта усилителя для того, чтобы выполнялось условие: U=0 при P=0, где U=I·R·K - потенциал на выходе электрометрического усилителя, с коэффициентом усиления K, R - сопротивление нагрузки, I - ток бета-электронов; P - показания датчика абсолютного давления с верхним пределом измерения 133 Па. Проводят напуск трития известной концентрации (C) в регистрирующую систему до давления P≈120 Па. Регистрируют значения U(j), P(j). Далее, уменьшая давление на 10 Па, проводят регистрацию значений U(j), P(j) до остаточного давления 10 Па. Выполняют данную процедуру в обратном порядке, то есть начинают с минимального давления, постепенно повышая, достигают максимума и повторяют весь цикл не менее трех раз. На основании полученного массива значений U(j=1…n), P(j=1…n), где n - статистически значимое количество измерений, вычисляют среднеарифметические значения U, Р и их среднеквадратические отклонения. Делают поправку для значений Р с учетом реальной концентрации трития C, то есть P=C·Р.
out
T2
T2
На основании полученных значений (U(j=1…n), P(j=1…n)) определяют методом наименьших квадратов коэффициент корреляции (ρPV), калибровочный коэффициент (K) и его среднеквадратическое отклонение (σK) по формулам (9-12)
j
где  - дисперсия результатов измерения; ; P - среднеарифметическое значение величины давления; аналогично вычисляются и остальные величины
, , , , .
8
-3
3
8
3
0
max
max
y
max
out
Оценку диапазона регистрируемых концентраций выполняют следующим образом. Удельная активность газообразного трития при максимальном рабочем давлении 133 Па (1 мм рт.ст.) составляет 1,266·10 Бк·см. С учетом свободного объема датчика V=10 см максимальная активность в рабочем объеме датчика составит A=12,66·10 Бк. Учитывая полученное значение A и параметры электрической схемы (R=1,0 МОм, K=10), находят граничные значения концентрации трития. Для этого определяют максимально-возможный ток (I) в цепи датчика и напряжение на выходе усилителя (U)
max
max
8
-19
-10
I=A·e=12,66·10·1,6·10=2·10 А;
max
max
-10
6
-4
U=I·R=2·10·10=2·10 B,
out
y
max
K
3
-4
U=·U=10·2·10=0,2 В.
min
Таким образом, при условии 100% концентрации трития и давлении 133 Па регистрируемый сигнал с датчика составит 0,2 В. Система регистрации аналогового сигнала состоит из 12-разрядного АЦП (4095 градаций) типа PCL-818HG с минимальным диапазоном измерения ±0,005 В. Тогда, принимая отношение минимального сигнала (U) к младшему разряду АЦП, равное 2, и отбрасывая младший разряд, получают
-3
-3
-5
5
Следовательно, минимально определяемая концентрация трития будет составлять 2,5-10%. Что в абсолютных единицах будет соответствовать пределу чувствительности датчика по парциальному давлению трития и составит 3,3·10 Па (2,5·10мм рт.ст.). На основании полученных значений динамический диапазон измерения концентрации трития соответственно составляет 10, что сопоставимо по чувствительности с масс-спектрометрическим методом анализа, в частности, для масс-анализатора МХ-7304.
Оценку методической относительной погрешности определения концентрации трития в газовой смеси выполняют следующим образом.
Исходные данные:
p
- относительная погрешность датчика давления (σ) фирмы Varian не превышает 0,15% [7];
P
- относительная погрешность содержания трития в калибровочной смеси (σ) не более 0,2%;
T
-4
- относительная погрешность электрометрического усилителя (σ), согласно [8, 9], не превышает 5-10%.
ДТ
K
P
U
β
ГК
Относительная погрешность измерения концентрации трития (σ) зависит от следующих основных составляющих ее погрешностей: σ - погрешность содержания трития в эталонном газе (относится к систематической погрешности), σ - погрешность определения давления (при градуировке датчика и при проведении измерений), σ - суммарная погрешность регистрирующего канала. Кроме того, доминирующей и систематической погрешностью измерения будет служить погрешность полученного градуировочного коэффициента K(σ).
Подставляя значения, получим
;
.
Относительная методическая погрешность измерения концентрации трития составляет не более 0,3%.
Использование изобретения позволит проводить определение концентрации атомов бета-радиоактивных газов, находящихся в любой молекулярной структуре в газовой смеси независимо от состава этого газа и энергии образующихся бета-частиц, при этом точность измерений зависит только от точности измерения давления и потенциала.
Применение данного способа как в комбинации с масс-спектрометрическим анализом, так и отдельно является перспективным инструментом в исследовании процессов изотопного обмена водорода и его взаимодействия с металлами и сплавами.
Источники информации
1. Росси Б., Штауб Г. Ионизационные камеры и счетчики. Под ред. Жданова Г.Б. М.: Иностранная лит., 1951.
2. Сидоренко В.В., Кузнецов Ю.А., Оводенко А.А. Детекторы ионизирующих излучений. Справочник. Л., Судостроение, 1984.
3. Лукьянов В.Б. Измерение и идентификация бета-радиоактивных препаратов // Госатомиздат, 1963.
4. Методы измерения трития. США: Пер. с англ. Под ред. Ю.В.Сивинцева. - М.: Атомиздат, 1978. - США, 1976.
5. Изотопы и свойства элементов. Справ. изд. / Куликов И.С., Металлургия. 1990.
6. David R. Voorhees, Richard L. Rossmassler, Gretchen Zimmer, Tritium analysis at TFTR, Prinston Plasma Physics Laboratory, Prinston University, Contract # DE-AC02-76-CH03037, 1995.
7. Calibration Test Report. Varian CMR 401, Accuracy max. 0.15% of reading.
8. Low Noise Preamplifier Model 5113. AMETEK Advanced Measurement Technology, Inc.
9. Манойлов В.В., Мелешкин А.С. и др. Аппаратное обеспечение систем автоматизации изотопных масс-спектрометров. Приборы и техника эксперимента, №3, 1997.