СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ КСЕНОНА
SPECTROMETER FOR DETECTING XENON RADIONUCLIDES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к спектрометрам. В частности, настоящее изобретение относится к спектрометрам для обнаружения радионуклидов ксенона.
Уровень техники
Последние годы в целях обнаружения ядерных испытаний в рамках Подготовительной комиссии Организации по договору о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний активно создается Международная система мониторинга, состоящая из станций, занимающихся сбором сейсмических инфразвуковых, радионуклидных и гидроакустических данных. Станции радионуклидного контроля являются важной частью системы мониторинга. Они, в частности, оснащаются автоматическими комплексами определения объемных концентраций радиоактивных благородных газов в атмосфере. Для мониторинга окружающей среды был выбран ксенон. Выявление радионуклидов ксенона в атмосфере выше фонового уровня и нахождение объемных активностей изотопов ксенона по отношению друг к другу в определенном диапазоне может означать факт несанкционированных ядерных испытаний или аварийной ситуации на ядерно-энергетическом объекте.
131m
133m
133
135
133
3
1/2
1/2
1/2
1/2
Для анализа выбраны следующие радионуклиды ксенона, поскольку величины их периодов полураспада наиболее удобны для произведения необходимых измерений и все они образуются в результате ядерных реакций деления: Хe (Т=11,934 суток), Хe (Т=2,191 суток), Хe (Т=5,248 суток), Хe(Т=9,14 ч). Фоновый уровень концентрации, например, Хe в атмосфере незначителен (около 1 мБк/м в европейской части РФ), и для его измерения требуется переработка большого объема атмосферного воздуха или использование высокочувствительной измерительной аппаратуры.
Известны спектрометры бета-гамма совпадений для измерения объемной активности радионуклидов ксенона, содержащие один детектор бета-излучений, один детектор гамма-излучения и стандартную схему совпадений (см., например, "A high-resolution, multi-parameter, β-γ coincidence, µ-γ anticoincidence system for radioxenon measurement", T.Schroettner, at al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2010, Volume 621, Issue 1-2, p.478-488).
Однако вследствие указанной конфигурации эти спектрометры обладают низкой эффективностью регистрации детектирования и для достижения требуемого уровня минимально детектируемой активности требуется производить спектрометрические измерения большой длительности и, кроме того, используемые детекторы обладают высокой стоимостью.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является разработка спектрометра для определения объемной активности радионуклидов ксенона, работающего по схеме бета-гамма совпадений, обладающего высокой эффективностью детектирования, высоким разрешением бета-детекторов и меньшей стоимостью компонентов.
Таким образом, предложен спектрометр для определения объемной активности радионуклидов ксенона, в котором измеряемая проба представляет собой смесь газов, содержащий детектирующую часть, которая выполнена с возможностью детектирования бета-излучения и гамма-излучения и которая содержит измерительную камеру, блок детектирования бета-излучения и блок детектирования гамма-излучения. Блок детектирования бета-излучения содержит по меньшей мере два детектора бета-излучения, а блок детектирования гамма-излучения содержит по меньшей мере один детектор гамма-излучения.
Использование двух детекторов бета-излучения модифицирует стандартную схему бета-гамма совпадений и метод бета-гамма совпадений, позволяя увеличить эффективность детектирования и уменьшить время детектирования.
Согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения каждый детектор бета-излучения и гамма-излучения имеет свой собственный спектрометрический тракт, причем детекторы бета-излучения и гамма-излучения имеют общую схему совпадений или каждый детектор бета-излучения и гамма-излучения содержит счетчики времени, позволяющие регистрировать временную метку события регистрации излучения.
Предложенная конфигурация обеспечивает стабильность работы спектрометрических трактов спектрометра в течение его работы и обеспечивает четкое разделение пиков от конверсионных электронов радионуклидов ксенона. Кроме того, множество спектрометрических трактов позволяет уменьшить фон и обеспечивает идентификацию совпадений, относящихся к актам распада каждого из исследуемых радионуклидов, по результатам одной экспозиции.
Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения измерительная камера имеет плоскую форму, сверху и снизу измерительной камеры расположено по одному детектору гамма-излучения соответственно, а по меньшей мере два детектора бета-излучения расположены внутри измерительной камеры.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения измерительная камера имеет кубическую форму, по меньшей мере два детектора бета-излучения расположены внутри измерительной камеры, а измерительная камера расположена во внутренней части детектора гамма-излучения или на поверхности этой части. Указанная конфигурация позволяет уменьшить стоимость спектрометра и повысить эффективность детектирования данным спектрометром.
В указанной конфигурации два детектора бета-излучения могут быть расположены в измерительной камере последовательно на некотором расстоянии друг от друга, или, в качестве альтернативы, шесть детекторов бета-излучения могут быть расположены у каждой внутренней стороны измерительной камеры соответственно.
В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения каждый детектор бета-излучения выбран из группы, включающей кремниевый pin-фотодиод, дрейфовый детектор на основе кремния и кремниевый поверхностно-барьерный детектор, а каждый детектор гамма-излучения представляет собой сцинтилляционный детектор. Указанные детекторы позволяют обеспечить минимальный эффект памяти от предыдущих проб и максимальную чувствительность спектрометра при определении радионуклидов ксенона. Данные детекторы обеспечивают высокую эффективность детектирования и высокое разрешение.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения каждый спектрометрический тракт содержит анализатор амплитуд импульсов на соответствующем детекторе.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения спектрометр дополнительно содержит блок накопления данных, выполненный с возможностью создания списка параметров событий регистрации бета-излучения, включающего для каждого события регистрации по меньшей мере такие параметры, как амплитуда импульса на детекторе, номер детектора, зарегистрировавшего данное событие, а также один из таких параметров, как временная метка, соответствующая времени регистрации соответствующего события, и метка совпадения, подтверждающая факт регистрации излучения другим детектором спектрометра в заданном временном интервале.
В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения блок накопления данных соединен с блоком обработки данных, который включен в состав спектрометра или расположен отдельно от него и который выполнен с возможностью формирования визуального отображения независимых бета-гамма спектров с каждого детектора, а также двухмерного и/или трехмерного спектра бета-гамма совпадений на основе списка параметров событий регистрации бета-излучения и гамма-излучения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показана детектирующая часть спектрометра согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.
На фиг.2 показана детектирующая часть спектрометра согласно другому варианту реализации настоящего изобретения.
На фиг.3 представлена схема работы спектрометра, имеющего детектирующую часть, показанную на фиг.1.
На фиг.4-7 показаны примеры двухмерных и трехмерных спектров бета-гамма совпадений на основе данных от спектрометра согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
131m
133m
133
135
Спектрометр для определения объемной активности радионуклидов ксенона согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения содержит блок детектирования бета-излучения и блок детектирования гамма-излучения и предназначен для детектирования следующих радионуклидов ксенона: Хе, Хe, Хе, Хе. Однако данный спектрометр может в случае необходимости детектировать и другие изотопы ксенона, если они радиоактивны и могут быть зарегистрированы методом бета-гамма совпадений.
3
Для обеспечения высокой эффективности детектирования в спектрометре согласно настоящему изобретению блок детектирования бета-излучения содержит два или более детектора бета-излучения, расположенных внутри измерительной камеры, а блок детектирования бета-излучения содержит один или более детектор гамма-излучения. На фиг.1 изображена детектирующая часть 10 спектрометра согласно одному из вариантов реализации, содержащая измерительную камеру 11 в виде полого куба объемом 7 см, в которую подается проба в виде смеси газов, а именно измеряемый препарат ксенона, блок 12 детектирования бета-излучения и блок 13 детектирования гамма-излучения. В данном варианте реализации блок 13 состоит из одного детектора гамма-излучения, а блок 12 состоит из шести детекторов бета-излучения, размер каждого из которых 1,5×1,5 см и которые размещены внутри камеры 11 таким образом, что каждый детектор расположен у одной стороны камеры 11. Камера 11, блок 12 и блок 13 размещены внутри пассивной защиты, которая представляет собой свинцовую камеру с толщиной стенки около 5 см, внутренняя поверхность которой покрыта слоями меди и кадмия толщиной 1 мм каждый. Блок 13 имеет размер 50×50 мм, в нем выполнен цилиндрический колодец размером 28×28 мм, в котором размещена камера 11.
В других вариантах реализации детекторы бета-излучения могут быть расположены по-другому, например на верхней и нижней сторонах измерительной камеры может быть размещено, например, по четыре детектора бета-излучения таким образом, что они полностью покрывают каждую указанную сторону. В еще одном варианте реализации детекторы бета-излучения расположены в измерительной камере параллельно или не параллельно двум противоположным сторонам измерительной камеры сторонам последовательно на некотором постоянном или изменяемом расстоянии друг от друга.
4
3
12
Каждый детектор бета-излучения может представлять собой кремниевый pin-фотодиод, дрейфовый детектор на основе кремния или кремниевый поверхностно-барьерный детектор, что обеспечивает минимальный эффект памяти при использовании спектрометра. Каждый детектор гамма-излучения представляет собой сцинтилляционный детектор, например неорганический кристаллический сцинтиллятор на основе таких материалов, как Nal(TI), Csl, ZnS и BlGeO (BGO).
На фиг.2 представлена детектирующая часть 20 спектрометра согласно другому варианту реализации настоящего изобретения, содержащая измерительную камеру 26 плоской формы, в которую проба подается посредством линии 25 ввода пробы, два детектора 21 бета-излучения в виде кремниевых pin-фотодиодов, расположенных внутри камеры 26 у двух ее противоположных сторон, и два детектора гамма-излучения в виде кристаллических сцинтилляторов из Nal(TI), расположенных с двух противоположных сторон измерительной камеры и соответствующих размеру этих сторон. Детектирующая часть также содержит фотоэлектронный умножитель 23 для преобразования сигналов от детекторов, и она ограничена свинцовой защитой 24.
Спектрометр согласно настоящему изобретению может быть исполнен в стационарном или мобильном варианте, в последнем случае он может быть перемещен с помощью любого транспортного средства.
252
131m
131
В одном из вариантов реализации для определения минимально детектируемой активности спектрометра в целях его калибровки использованы препараты ксенона, которые были получены с применением генератора ксенона на основе Cf. Одну часть препарата ксенона помещали в измерительную камеру детектора, а вторую часть сорбировали на ампулу с активированным углем и измеряли на аттестованном Ge-детекторе. Для получения изомера Хe был использован радиоактивный препарат I. Изменяя продолжительность генерации получения изотопов ксенона в Cf-источнике, было получено их разное процентное содержание в выделяемом препарате. Методом многократного деления и измерения частей пробы была получена требуемую активность. Погрешность определения объема разделенной пробы составляла менее 2%. Спектрометр обеспечивает минимальную детектируемую активность всех определяемых радионуклидов ксенона на уровне фона.
131m
133m
135
131m
133m
133
135
На фиг.3 изображена схема работы спектрометра, имеющего детектирующую часть, показанную на фиг.1. Каждый детектор, включая введенный дополнительный детектор бета-излучения, соединен с помощью контактной группы с собственным спектрометрическим трактом, посредством чего обеспечена высокая чувствительность спектрометра и высокое энергетическое разрешение, необходимое для разделения пиков от конверсионных электронов Хe (130 кэВ), Хe (200 кэВ), Хe (214 кэВ), что позволяет однозначно и одновременно измерять вышеуказанные радионуклиды ксенона Хe, Хe, Хe, Хe.
Каждый спектрометрический тракт содержит, помимо прочего, спектрометрический усилитель и анализатор амплитуд импульсов, определяющий амплитуду импульса на соответствующем детекторе. Сигналы со всех спектрометрических трактов обрабатываются блоком регистрации совпадений, представляющим собой общую схему совпадений, в котором каждому событию регистрации излучения присваивается временная метка и номер детектора, зарегистрировавшего данное событие. Вместо общей схемы совпадений в каждом спектрометрическом тракте могут использоваться счетчики времени, регистрирующие временную метку события регистрации излучения.
Возвращаясь к фиг.3, сигналы далее поступают на блок накопления данных, который формирует список параметров событий регистрации бета-излучения и гамма-излучения, включающий следующие параметры: амплитуда импульса на детекторе, номер детектора, зарегистрировавшего данное событие, и метка совпадения, подтверждающая факт регистрации излучения на другом детекторе спектрометра в заданном временном интервале. Список параметров также может включать дополнительные или другие параметры. Например, в случае использования счетчиков времени список параметров событий регистрации может включать амплитуду импульса на детекторе, номер детектора, зарегистрировавшего данное событие, и временную метку, характеризующую время регистрации данного события.
Блок накопления данных может быть соединен с блоком обработки данных, представляющим собой внутренний компьютер спектрометра или внешний компьютер, который может формировать визуальное отображение независимых бета-гамма-спектров с каждого детектора, и двухмерных и/или трехмерных спектров бета-гамма совпадений на основе описанного выше списка параметров событий регистрации, примеры которых приведены на фиг.4-7. При анализе указанного списка параметров размерность спектра принимается равной 1024×1024 канала.
131m
131m
Фиг.4 иллюстрирует трехмерный спектр бета-гамма совпадений для фонового спектра, а фиг.5 изображает трехмерный спектр бета-гамма совпадений для смеси четырех радионуклидов ксенона. Фиг.6 изображает трехмерный спектр бета-гамма совпадений для Хe, на фиг.7 показан двухмерный бета-спектр для Хe (срез трехмерного спектра по гамма-энергии 30 кэВ).
Настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами реализации, раскрытыми в данном описании лишь в иллюстративных целях, и охватывает все модификации и варианты, не выходящие за рамки объема и сущности изобретения, которые определены формулой изобретения.