АЛЬФА-ГАММА-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЯДЕР АЛЬФА-АКТИВНОГО ИЗОТОПА С ИЗВЕСТНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ АЛЬФА-РАСПАДА

Полезная модель относится к измерительной технике в области ядерной физики, в частности, к альфа-спектрометрическим установкам, предназначенным для измерения количества ядер альфа-активного изотопа с известными характеристиками альфа-распада в условиях, когда характерное для измеряемого изотопа альфа-излучение не может быть спектрально выделено в аппаратурном спектре, регистрируемом альфа-спектрометром. Подобные ситуации встречаются, например, в случаях:
1) измерения столь малого количества альфа-активного изотопа, что соответствующая альфа-линия не может быть выделена из собственного фона альфа-спектрометра;
2) измерения количества альфа-активного изотопа, находящегося в смеси с другими альфа-активными изотопами, когда соответствующая альфа-линия не может быть спектрально выделена из суммарного аппаратурного альфа-спектра. К измерениям такого типа относится, например, определение изотопного состава урана.
Для определения количества ядер альфа-активного изотопа в подобных измерениях может применяться масс-спектрометр, принцип действия которого основан на разделении с помощью электрических и магнитных полей пучков заряженных частиц с разным отношением массы частицы к ее заряду [1] (Политехнический словарь. М.: издательство «Советская энциклопедия». 1980 г. Стр.286). По масс-спектру, полученному в масс-спектрометре, определяют количество ядер и относительное содержание компонентов в исследуемом веществе, в том числе и альфа-активных. Недостаток масс-спектрометра заключается
в том, что метод, реализуемый им, является разрушающим, трудоемким и неоперативным.
Известна альфа-спектрометрическая установка [2] (Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия. Под редакцией К.Зигбана. М.: Атомиздат.1969 г. Том 1, стр.420) для определения количества ядер альфа-активного изотопа по измеряемой альфа-активности. Установка представляет собой обычный альфа-спектрометр, содержащий в канале регистрации альфа-частиц спектрометрический детектор альфа-частиц. Применение данной установки возможно лишь в том случае, если измеряемое альфа-излучение спектрально выделено в зарегистрированном аппаратурном спектре, например, если альфа-активность измеряемого количества изотопа превышает интенсивность собственного (естественного) фона установки.
Собственный фон альфа-спектрометров по порядку величины составляет , что соответствует, например, порогу чувствительности измерения массы урана-235 на уровне (0.1÷1) мкг.
-3
Однако, существует ряд задач (в частности, разработка эффективных и радиационно-стойких энерговыделяющих элементов, используемых, например, в лазерах с ядерной накачкой), для решения которых необходимо оперативно измерять малые количества урана-235 на уровне ~10 мкг.
-2
Например, при изучении распыления поверхности уранового слоя выходящими из него осколками делений применяют специальные улавливающие коллекторы, которые располагаются над слоем. Во время нейтронного облучения часть атомов слоя отрывается осколками делений от поверхности и выносится из слоя (распыляется). Для определения интенсивности распыления необходимо измерить количество урана-235, осаждающегося на коллектор. Это количество обычно не превосходит 10 мкг, т.е. применение обычного альфа-спектрометра невозможно, а применение масс-спектрометрического метода в
данном случае неоперативно и сопряжено с необходимостью разрушения коллекторов.
Недостаток альфа-спектрометрической установки [2] для определения изотопного состава смеси альфа-активных изотопов заключается в том, что измерение количества ядер альфа-активного изотопа возможно лишь в случае наличия единственного альфа-активного изотопа в смеси, либо в случае нескольких альфа-активных изотопов, если альфа-частицы каждого изотопа четко разрешаются детектором по энергии. В противном случае, то есть при близких энергиях альфа-частиц, испускаемых разными изотопами смеси, определение количества ядер каждого из них невозможно.
Технический результат состоит:
- уменьшении порога чувствительности альфа-спектрометрического метода «взвешивания» (снижение минимально измеряемого количества альфа-активного изотопа);
- в обеспечении возможности измерения количества ядер альфа-активного изотопа с известными характеристиками альфа-распада в условиях, когда характерное для измеряемого изотопа альфа-излучение не может быть спектрально выделено в аппаратурном спектре, регистрируемом альфа-спектрометром, а именно: при определении количества ядер альфа-активного изотопа, входящего в состав однородной смеси альфа-активных изотопов с известными характеристиками альфа-распада каждого изотопа, если альфа-излучение определяемого изотопа спектрально не может быть выделено альфа-детектором из суммарного альфа-излучения смеси; а также при измерении столь малого количества альфа-активного изотопа, что соответствующая альфа-линия не может быть выделена из собственного фона альфа-спектрометра.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известной альфа-спектрометрической установки для определения количества ядер альфа-
активного изотопа, основанной на схеме, содержащей в канале регистрации альфа-частиц спектрометрический детектор альфа-частиц, в предлагаемой установке схема дополнена каналом регистрации гамма-квантов со спектрометрическим гамма-детектором, альфа- и гамма-каналы регистрации объединены в схему совпадений, обеспечивающую возможность управления альфа-каналом сигналом с гамма-детектора для регистрации спектра альфа-частиц, рождение которых коррелированно во времени с рождением регистрируемых гамма-квантов.
Дополнение схемы, содержащей канал регистрации альфа-частиц (альфа-канал регистрации), каналом регистрации (гамма-канал регистрации) со спектрометрическим гамма-детектором позволяет в случае объединения этих каналов в схему совпадений, во-первых, существенно (до сотни раз) снизить интенсивность собственного фона измерительного альфа-канала и, тем самым, резко понизить порог чувствительности альфа-спектрометрического метода «взвешивания», во-вторых, зарегистрировать альфа-излучение данного альфа-активного изотопа, даже при условии, что это излучение спектрально не может быть выделено альфа-детектором из суммарного альфа-излучения смеси. Это возможно, если гамма-канал установки позволяет спектрально выделить гамма-излучение данного альфа-активного изотопа из суммарного гамма-излучения смеси.
Указанные возможности установки обеспечены преимуществами объединения каналов по схеме совпадений, связанными с созданием условий управления одним каналом (альфа-каналом) сигналом, идущим с детектора другого канала (гамма-канала). В результате в альфа-канале производится регистрация только тех альфа-частиц, рождение которых коррелированно во времени с рождением гамма-квантов, то есть импульсы собственного фона альфа-канала не регистрируются, точнее - регистрируются с незначительной
вероятностью, характеризующей случайные совпадения во времени импульсов фона в альфа-канале и гамма-импульсов в гамма-канале.
Более подробно физическая основа заявляемой полезной модели для случая измерения количества альфа-активного изотопа, находящегося в смеси с другими альфа-активными изотопами, когда соответствующая альфа-линия не может быть спектрально выделена из суммарного аппаратурного альфа-спектра, изложена ниже.
Альфа-распад радиоактивного ядра сопровождается практически одновременным испусканием альфа-частицы и каскадных гамма-квантов. Соответствующие сигналы с альфа- и гамма-детекторов возникают также практически одновременно. Сигнал с гамма-детектора являются управляющим для схемы совпадений, разрешающим регистрацию альфа-сигнала, пришедшего одновременно с гамма-сигналом. Таким образом, регистрируются альфа-частицы лишь тех изотопов, гамма-излучение которых регистрируется гамма-каналом. Прочие сигналы с альфа-детектора, соответствующие альфа-частицам других изотопов, не регистрируются (точнее - регистрируются с незначительной вероятностью, характеризующей случайные совпадения во времени альфа- и гамма-сигналов от разных ядер).
По количеству зарегистрированных альфа-сигналов данного изотопа определяют интенсивность его альфа-распада и количество ядер в смеси.
В схеме совпадений предусмотрена возможность измерений как в режиме обычного альфа-спектрометра - прототипа (линейные ворота «ЛВ» выключены), так и в режиме альфа-гамма совпадений («ЛВ» включены).
Рассмотрим этот вопрос более подробно.
1) Режим обычного альфа-спектрометра [2].
i
i
Пусть имеется однородная смесь альфа-активных изотопов А с неизвестным количеством ядер каждого изотопа n и известными соответствующими
i
i
периодами полураспада T. Тогда интенсивность J альфа-сигналов в альфа-канале для каждого изотопа равна
где ε - эффективность альфа-детектора;
i
ξ - абсолютный выход альфа-частиц с данной энергией (на распад).
∑
Суммарная интенсивность J альфа-сигналов от смеси равна
Именно с этой интенсивностью регистрируется альфа-спектр смеси при работе установки в режиме обычного альфа-спектрометра [2].
k
k
k
Если в этом режиме альфа-частицы некоторого изотопа А в зарегистрированном спектре выделены (энергетически разрешены), то существует возможность измерения «парциальной» интенсивности J, а значит (см. формулу (1)) определения количества ядер n данного изотопа
∑
В случае близости энергий альфа-частиц, испускаемых разными изотопами, может быть измерена лишь суммарная интенсивность J (см. формулу (2)), и определение количества ядер хотя бы одного изотопа в смеси становится невозможным [2]. В этом случае количество ядер определяется в режиме альфа-гамма совпадений (т.е. используется предлагаемая установка).
2) Режим альфа-гамма совпадений.
k
Пусть гамма-канал «настроен» таким образом, что регистрирует лишь гамма-кванты изотопа А. В этом случае альфа-частицы этого изотопа регистрируются с интенсивностью
k
k
k
где a -коэффициент коррелированных совпадений, показывающий, во сколько раз уменьшается эффективность альфа-канала для изотопа A при переходе от режима обычного альфа-спектрометра к режиму альфа-гамма совпадений. Обычно a~0.5.
Интенсивность регистрации прочих альфа-активных изотопов смеси равна
i
i
i
где b -коэффициент некоррелированных (случайных) совпадений, дающий уменьшение эффективности альфа-канала для изотопа А, при переходе от режима обычного альфа-спектрометра к режиму альфа-гамма совпадений (в этом режиме гамма-кванты изотопа А не регистрируются гамма-каналом, а значит альфа-частица изотопа А может быть зарегистрирована схемой совпадения лишь при случайном совпадении с произвольным гамма-квантом).
i
-5
Обычно b~10.
Предположим, что ни одна из альфа-линий в зарегистрированном спектре не выделена (т.е. энергии альфа-частиц всех изотопов смеси близки друг к другу). В этом случае интенсивность регистрации альфа-спектра смеси равна
где  - величина, известная для данного изотопа;
k
i
Величина Δ неизвестна, но, в силу чрезвычайной малости коэффициента b, практически всегда выполняется соотношение
k
И из (6) получаем формулу для определения количества ядер изотопа Апо измеренной интенсивности регистрации суммарного альфа-излучения смеси
k
в случае невозможности спектрального выделения альфа-излучения изотопа A.
Из сказанного вытекает два необходимых условия успешного применения предлагаемой установки:
- возможность спектрального выделения гамма-излучения определяемого изотопа из суммарного гамма-излучения смеси;
i
- выполнение условия (7), т.е. отсутствие в смеси хотя бы одного изотопа А, для которого не выполнялось бы условие
Перечень фигур и графических изображений включает в себя:
Фиг.1 - изображена функциональная схема предлагаемой установки;
Фиг.2, Фиг.3 - представлены измеренные в разных режимах альфа-спектры тестового образца, измеренные соответственно в обычном режиме, и в режиме совпадений;
Фиг.4 - представлены результаты измерения собственного фона альфа-канала установки в обычном режиме [2] и в режиме совпадений.
235
Фиг.5 - представлены результаты измерений образцов, содержащих U.
Альфа-канал регистрации (Фиг.1) включает в себя полупроводниковый альфа-детектор типа «ДКДПс» (позиция 1); предусилитель «БУС2-96» (позиция 2); амплитудный усилитель спектра типа «1101», входящий в состав стандартного КАМАК крейта (позиция 3); линейные ворота «1105» (позиция 4), управляемые выходными импульсами гамма-канала; схему регистрации, в которую входят счетчик КАМАК типа 1403 (позиция 5), амплитудный анализатор АИ-96 (позиция 6), регистрирующий осциллограф С1-117 (позиция 7), высоковольтный
блок питания альфа-детектора (позиция 8), низковольтный блок питания предусилителя (позиция 9).
Дополнительный канал гамма-регистрации схемы включает в себя следующие компоненты: сцинтилляционный детектор гамма-излучения (позиция 10) с предусилителем типа «БДЭК»; усилитель (позиция 11); дискриминатор (позиция 12); блок высокого напряжения (позиция 13); блок низкого напряжения (позиция 14).
Схема совпадений работает в режиме «информационный альфа-канал + управляющий гамма-канал». Исследуемый образец на Фиг.1 обозначен позицией (15), защита от света позицией (16).
15
238
235
234
Альфа-спектрометрическая установка на основе предложенной схемы с использованием коррелированных альфа-гамма совпадений опробована при отработке методики оперативного измерения содержания изотопа уран-234 в смеси с ураном-235. Энергии альфа-частиц этих изотопов близки (~4.7 МэВ и ~4.4 МэВ) и спектрально не выделены. Для измерений использовался тестовый образец (позиция 15, Фиг.1), содержащий ~8 мкг урана (~2·10 ядер) и имеющий изотопный состав (0.1U+0.89U+0.01U). Измерения проводятся в два этапа:
1) измеряется суммарная интенсивность регистрации альфа-излучения смеси в режиме обычного альфа-спектрометра. В этом режиме гамма-канал не используется, схема совпадений не работает, измерения проводятся только альфа-каналом (позиции 1-9, Фиг.1). В этом случае (см. формулу (2))
∑
Имея в виду, что в нашем случае  и , получим J=J(234) и, поэтому
2) установка переключается в режим альфа-гамма совпадений для регистрации альфа-излучения урана-235, то есть в схему обычного альфа-спектрометра подключается дополнительный канал гамма-регистрации (позиции 10, 11, 12, 13, 14, Фиг.1). При переключении установки в режим альфа-гамма совпадений, происходит практически одновременное появление сигналов на схеме совпадений (линейные ворота, позиция 4, Фиг.1) с альфа (позиция 1, Фиг.1) и гамма-детекторов (позиция 10, Фиг.1). При этом сигнал с гамма-детектора является разрешающим регистрацию альфа-сигнала, пришедшего одновременно с гамма-сигналом. В этом случае (см. формулу (8))
Таким образом, отношение количества ядер урана-234 и урана-235 («изотопное отношение») определяется по результатам измерений следующим образом
Подставив значения известных констант в правую часть выражения, получим
-7
-6
Из рассмотренного примера видно, что более 97% всех альфа-частиц, выходящих из образца, соответствуют распаду урана-234, который характеризуется отсутствием регистрируемых гамма-квантов. Таким образом, в обычном режиме установка фактически измеряет количество ядер урана-234, содержащегося в образце, а в режиме совпадений - количество ядер урана-235. Для иллюстрации сказанного на фигурах 2, 3 представлены альфа-спектры, измеренные соответственно в обычном режиме (m(234)=1×10г) и в режиме совпадений - (m(235)=7.663×10г) для одного и того же образца. На рисунках видно четкое различие в энергиях альфа-частиц этих изотопов, видно также, что
спектральное выделение соответствующих альфа-частиц в обычном режиме невозможно.
min
-3
На фигуре 4 представлены результаты измерения собственного фона альфа-канала установки в обычном режиме (кривая 1 - номинальные шумы детектора, кривая 2 - шумы при отсутствии напряжения на детекторе, кривая 3 - естественный гамма-фон) и в режиме совпадений (кривая 4). Видно, что интенсивность фона в области регистрации альфа-частиц (3 МэВ - 4.5 МэВ) уменьшается во втором случае в ~100 раз, во столько же раз снижается порог чувствительности установки при определении массы альфа-активного изотопа. По результатам измерений порог чувствительности в режиме альфа-гамма совпадений оказался равным для урана-235 m(235)≈2·10 мкг.
Альфа-спектрометрическая установка на основе предложенной схемы с использованием коррелированных альфа-гамма-совпадений тестирована при измерениях малых количеств урана-235, результаты измерений представлены на фигуре 5. Чувствительность установки в режиме альфа-гамма совпадений составила по результатам измерений
Необходимо отметить, что данная установка может быть использована для большинства альфа-активных изотопов, сопутствующее гамма-излучение которых имеет достаточный выход.
Таким образом, дополнение схемы, содержащей в канале регистрации альфа-частиц спектрометрический детектор альфа-частиц, каналом регистрации гамма-квантов со спектрометрическим гамма-детектором, альфа- и гамма-каналы регистрации объединены в схему совпадений, обеспечивающую возможность управления альфа-каналом сигналом с гамма-детектора для регистрации спектра альфа-частиц, рождение которых коррелированно во времени с рождением регистрируемых гамма-квантов, позволяет проводить измерения
количества ядер альфа-активного изотопа с известными характеристиками альфа-распада в условиях, когда характерное для измеряемого изотопа альфа-излучение не может быть спектрально выделено в аппаратурном спектре, регистрируемом альфа-спектрометром.