Спектрометрические приборы и измерения

Спектрометры ионизирующих излучений – это приборы, с помощью которых определяют распределение частиц или фотонов по одному или нескольким параметрам, например, по энергиям, по виду излучения (масса, заряд), а также по характеристикам движения в пространстве (угловая направленность, траектория
и т.п.). На АЭС используются преимущественно спектрометры для измерения распределения частиц и фотонов по энергиям – энергетические спектрометры.

Измерение энергетического распределения излучения, чаще всего g-излучения, используют для идентификации радионуклидов и определения их содержания в отбираемых пробах. В этих случаях задача пересекается с задачами радиометрии и может быть названа задачей многокомпонентной радиометрии.

Такие задачи обычно решают с помощью спектрометрии с линейным энергетически-амплитудным преобразованием, структурная схема которого представлена на рис. 10.14,а). Для реализации этого метода необходимо использовать детекторы, в которых амплитуда выходного сигнала пропорциональна энергии измеряемых частиц или квантов, оставляемой в чувствительном объеме детектора. Поэтому помимо линейного преобразования «переданная энергия-амплитуда» в детекторе необходимо обеспечить также полную передачу энергии. Тогда распределению по энергиям измеряемого излучения f (E) будет однозначно соответствовать распределение по амплитуде импульсов на выходе детектора j(А).

В связи с особенностями взаимодействия различных видов излучения с веществом детектора (см. главу 2), флуктуациями в процессе преобразования переданной энергии в самом чувствительном объеме и при усилении сигналов изображение моноэнергетического излучения в спектре амплитуд импульсов искажается; каждой энергии соответствует некоторая функция распределения,         именуемая формой линии спектрометра или функцией отклика на определенную энергетическую линию, а если энергетический спектр f (E) содержит несколько энергетических линий, то амплитудное распределение j(А) складывается из форм линий для отдельных энергий. Подобное преобразование представлено на рис. 10.15,а), б).

Рис. 10.14. Структурная схема спектрометров:
а) с линейным энергетическо-амплитудным преобразованием;
б) с одновременной регистрацией двух параметров излучения;

f(E) – энергетический спектр излучения; j(А) – спектр амплитуд импульсов; y(I) – набор измеряемых параметров излучения

С помощью амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) весь измеряемый диапазон амплитуды А делится на некоторое количество интервалов-каналов. В процессе измерения регистрируются числа событий в каждом канале АЦП. Под событием подразумевается попадание амплитуды А сигнала детектора в интервал, соответствующий данному номеру канала. В итоге получается гистограмма, отображающая распределение j(А), как показано на рис. 10.15,в).

Дальнейшее преобразование накопленной в памяти АЦП информации производят с помощью компьютеров со специальным программным обеспечением в зависимости от поставленных задач.

Рис. 10.15. Преобразование информации в линейном                  спектрометре

При g-спектрометрических измерениях энергетический спектр линейчатый (см. раздел 1.2.2). Виды взаимодействия g-излучения с веществом таковы, что могут привести к полному поглощению энергии веществом детектора (см. раздел 2.2). Например, при фотопоглощении характеристическое излучение или электроны Оже могут передать свою энергию веществу детектора, и тогда суммарная переданная энергия будет равна энергии первичного     фотона, попавшего в детектор. Если в чувствительном объеме произойдет многократное комптоновское рассеяние, то при этом также вся переданная веществу энергия будет равна энергии первичного фотона. При взаимодействии с образованием пар электрон-позитрон после аннигиляции позитрона оба g-кванта могут провзаимодействовать с чувствительным объемом детектора, особенно если этот объем достаточно велик, и снова вся энергия исходного g-кванта окажется переданной детектору. Таким образом, некоторая доля из попавших в детектор g-квантов полностью передаст энергию и сформирует так называемый пик полного поглощения (ППП). Площадь в гистограмме (рис. 10.15,в) под ППП будет соответствовать интенсивности данной g-линии; из этой площади можно определить содержание в источнике радионуклида, испускающего при распадах подобные g-кванты. Такой способ обработки линейчатого спектра наиболее простой и часто применяется при измерениях проб на АЭС. Если радионуклиды, входящие в состав измеряемого образца, испускают g-кванты с очень близкими энергиями, пики полного поглощения в измеренном распределении амплитуд будут сливаться в один, и для их разделения уже потребуются более сложные алгоритмы.

Энергетический спектр b-излучения, в отличие от спектра
g-излучения, непрерывный (см. раздел 1.2.4); и отклик спектрометра на b-излучение не будет иметь таких легко выделяемых структур как ППП. В этом случае, если в источнике немного радионуклидов (до четырех-пяти), испускающих b-частицы, то существуют реализованные в различных методиках измерений способы разложения суммарного амплитудного распределения на отдельные отклики, соответствующие конкретным радионуклидам. Спектрометрия b-излучения становится необходимой, когда некоторые радионуклиды являются чистыми b-излучателями и по g-спектру их содержание определить невозможно. На АЭС это пробы, содержащие ⁸⁹Sr, ⁹⁰Sr + ⁹⁰Y. Указанные продукты характеризуют выбросы и сбросы АЭС, поскольку являются продуктами деления. Их предшественники в цепочках распада осколков при делении ядер – инертные радиоактивные газы ⁸⁹Kr и ⁹⁰Kr – могут проникать сквозь трещины в оболочках твэлов в теплоноситель и уже потом, превратившись в ⁸⁹Sr, ⁹⁰Sr, попасть в окружающую среду. Опасны эти радионуклиды тем, что при попадании в организм человека они откладываются в костной ткани, замещая кальций, а b-частицы при их распаде могут облучать красный костный мозг.

Помимо представленного на рис. 10.14,а) спектрометра с линейным энергетическо-амплитудным преобразованием, имеющего один детектор, на АЭС применяются и спектрометры с одновременной регистрацией двух параметров излучения (рис. 10.14,б). Такие спектрометры применяются тогда, когда «полезный» сигнал очень трудно выделить на фоне «мешающего». Например, энергетический спектр регистрируется одним детектором, а другой детектор разрешает или запрещает регистрацию первым детектором, если в его чувствительный объем проникает сопутствующее излучение одновременно с излучением, проникшим в первый детектор. Такие спектрометры используют при регистрации излучения низких энергий, например, b-излучения радиоактивного изотопа водорода – трития, имеющего границу энергетического спектра b-частиц около 18 кэВ, что сравнимо с шумами регистрирующего устройства. Подготовленное вещество пробы непосредственно вводится в чувствительный объем детектора, и спектр фиксируется только тогда, когда импульсы двух регистраторов, подключенных к схеме «совпадений», появляются одновременно.

Глава 11