РАДИОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ БЕТА-ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ, НАПРИМЕР ТРИТИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01T1/204 

Изобретение относится к области измерений ядерных излучений и может быть использовано при работе в жидкостных сцинтилляционных установках, предназначенных для измерения низкоэнергетических бета-излучателей.

Для измерения активности низкоэнергетических бета-излучений известны два типа жидкостных сцинтилляционных установок - одноканальные с использованием одного фотоумножителя (ФЭУ) и двухканальные с использованием двух фотоумножителей, включенных по схеме совпадений. Блок детектирования двухканальной жидкостной сцинтилляционной установка состоит, как правило, из двух соосно расположенных фотоумножителей, между которыми помещается кювета с измеряемым сцинтиллирующим раствором. Фотоумножители с измерительной камерой помещаются в светонепроницаемом кожухе, окруженном пассивной защитой (см. "Медицинская радиология", 1960, 12, с. 57).

Недостатком этих жидкостных установок является большое значение фона, равное от 3 до 5 с^-1. Значение фона таких установок складывается из шумов фотоумножителей, вклада от космического излучения и вклада, обусловленного излучения естественных радиоактивных материалов. Вклад в значение фона от шумов фотоумножителей можно снизить, применяя малошумящие фотоумножители, охлаждая блок детектирования с помощью холодильников или используя схемы совпадений. Вклад в значения фона от космических излучений можно уменьшить, выбирая оптимальный энергетический диапазон измерения низкоэнергетических бета-излучателей, например трития, с помощью амплитудной дискриминации импульсов с выхода фотоумножителей или применяя активную защиту (см. "Приборы и техника эксперимента". 1992, 3, с. 91). Вклад в значения фона, обусловленный ионизирующим излучением естественных радиоактивных материалов, содержащихся, в частности, в стеклянных болонах и конструкционных материалах фотоумножителей, в материалах защиты, измерительной камеры и кюветы, можно уменьшить, используя наиболее чистые в радиационном отношении материалы.

Известна установка с фотоумножителями для детектирования радиоактивности, содержащая поляризованные фильтры, расположенные между фотокатодами фотоумножителей, которые служат для уменьшения значения фона (Франция, МКИ G 01 T 1/00, публ. 1972, заявка 2117748).

Недостатком этой установки является сравнительно большое значение фона, обусловленное чувствительностью к ионизирующему излучению, как от естественных материалов, так и от остаточного излучения космоса. К недостаткам следует отнести сложное конструктивное исполнение блока детектирования.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту известна установка для измерения низкоэнергетических бета - излучателей, содержащая два фотоумножителя, измерительную камеру, расположенную между фотокатодами фотоумножителей, в которой помешена емкость с исследуемым препаратом. С целью снижения оптического взаимодействия между фотоумножителями и повышения эффективности в конструкции измерительной камеры осуществлен принцип диафрагмирования светового потока с помощью диафрагмы, выполненной в виде призм (см. "Приборы и техника эксперимента". 1989, 2, с.85).

Недостатком этой установки является сравнительно большое значение фона, который обусловлен остаточным космическим излучением, влиянием внешних ионизирующих излучений и внутренних ионизирующих излучений от естественных радиоактивных материалов в конструкции блока детектирования и, наконец, в самом жидком сцинтилляторе, находящемся в гомогенной смеси с исследуемым препаратом в измерительной емкости. Эти ионизирующие излучения и, в том числе, ионизирующие излучения от радиоактивных материалов, содержащихся в самой жидкости сцинтиллятора, создают в этом же жидком сцинтилляторе вспышки света, которые регистрируются фотоумножителями, увеличивая тем самым значение фона установки.

Технической задачей изобретения является повышение чувствительности и уменьшение фона радиометрического устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в измерительной камере жидкостной установки (см. "Приборы и техника эксперимента". 1989, 2, с. 85) емкость с исследуемым препаратом, находящимся в гомогенной смеси с жидким сцинтиллятором, заключена в замкнутой оболочке из сцинтиллятора, время высвечивания которого и время высвечивания жидкого сцинтиллятора находятся в соотношении τ_сц/τ_ж.сц ≫ 1. В качестве сцинтиллятора замкнутой оболочки использован йодистый цезий, активированный таллием CsJ(Tl).

Существенным отличием предлагаемого технического решения является то, что в отличие от известного приема в науке и технике - разделения вспышек света, возникающих от ионизирующих излучений, по длительности путем использования сцинтилляторов с разным временем высвечивания в виде пластин между источником излучения и окном фотоумножителя (см. Силантьев А.Н. "Приборы и методы изучения загрязнения внешней среды", Л., Гидрометиоиздат, 1970, с. 5), разделение вспышек света, возникающего от низкоэнергетических бета-излучателей, например трития, осуществляют путем заключения источников излучения, находящихся в гомогенной смеси с жидким сцинтиллятором и расположенных между двумя фотоумножителями, в сцинтиллятор с большим временем высвечивания, выполненный в виде замкнутой цилиндрической оболочки.

Только такая форма сцинтиллятора с большим временем высвечивания в виде замкнутой оболочки и взаимное расположение источников низкоэнергетических бета-излучателей, например трития, и быстрых и медленных сцинтилляторов (жидкий сцинтиллятор и сцинтиллятор, например, CsJ(Tl) обеспечивают 4π-геометрию регистрации и нейтрализацию как внешних, так и внутренних мешающих ионизирующих излучений.

Такой прием впервые позволяет наряду с регистрацией и нейтрализацией с помощью электронных схем внешних излучений осуществить регистрацию и нейтрализацию внутренних мешающих ионизирующих излучений, в частности в компонентах жидкого сцинтиллятора, материалах емкости (кюветы) и самого исследуемого препарата. Это позволяет снизить значение фона до предельно низких значений и повысить чувствительность на порядок.

Таким образом, поставленная задача достигается тем, что в радиометрическом устройстве для измерения низкоэнергетических ионизирующих излучений, содержащем два фотоумножителя, кювету с измеряемым образцом, измерительную камеру с щелевой диафрагмой, дополнительно содержится замкнутая оболочка из твердого сцинтиллятора, время высвечивания которого много больше времени высвечивания жидкого сцинтиллятора, которая одновременно служат для фиксации кюветы в измерительной камере.

При исследовании отличительных признаков описываемого радиометрического устройства не выявлено каких-либо аналогичных известных решений, касающихся использования традиционной конструкции радиометрического устройства при реализации процесса снижения фона путем установки замкнутой оболочки из твердого сцинтиллятора, одновременно служащей для фиксации кюветы в измерительной камере, которые позволяют осуществить повышение чувствительности.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявления источников, содержащих сведения об аналогах заявленного устройства, позволили установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного устройства. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, которые изложены в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное устройство соответствует условию "новизна".

Заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное устройство не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного устройства преобразований на достижение технического результата. Описываемое изобретение не основано на изменении количественных признаков, представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении их вида.

Следовательно, заявленное устройство соответствует условию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения выявляется при рассмотрении чертежа, на котором показан узел фотоумножителей блока детектирования радиометрического устройства.

Узел фотоумножителей состоит из двух соосно расположенных фотоумножителей 1, между которыми размещается фторопластовая измерительная камера 2 с диафрагмой в виде призм, изготовленных совместно с этой камерой. В измерительной камере расположена емкость с исследуемым препаратом 3, находящимся в гомогенной смеси с жидким сцинтиллятором, окруженная замкнутой оболочкой, представляющей собой стакан 4 и крышку 5, выполненных из сцинтилляционного материала, например CsJ(Tl).

Устройство работает следующим образом. При взаимодействии низкоэнергетических бета-излучателей, например трития, с жидким сцинтиллятором, помещенных в измерительную емкость 3, в ней возникают кванты света, которые регистрируются двумя соосно расположенными фотоумножителями 1. Чувствительность (минимально измеряемая активность) устройства определяется в основном значением фона и эффективности регистрации. Чем ниже значение фона, тем выше его чувствительность, тем меньшую активность можно определить.

Для снижения значения фона в этом устройстве введена замкнутая оболочка - 4π-геометрия, в которую на время измерений помещается емкость с исследуемым препаратом, например тритием, находящимся в гомогенной смеси с жидким сцинтиллятором. Замкнутая оболочка состоит из двух частей - стакана 4 и крышки 5, выполненных из сцинтилляционного материала, например CsJ(Tl). Снижение значения фона осуществляется следующим образом.

Внешние и внутренние, содержащиеся в емкости с жидким сцинтиллятором, источники ионизирующих излучений взаимодействуют с материалом замкнутой оболочки - сцинтиллятором CsJ(Tl), при этом возникают вспышки света с временем высвечивания ≈5•10^-7 c. Длительность же рабочих вспышек света, возникающих при взаимодействии низкоэнергетических бета-излучателей, например трития, с жидким сцинтиллятором, составляет около 5•10^-9 c. Те и другие вспышки света регистрируются фотоумножителями, а в дальнейшем с помощью электронной схемы (см. приведенную литературу) пропускаются только полезные рабочие импульсы, полученные от вспышек света с длительностью около 5•10^-9 c, обусловленные ионизирующим излучением исследуемого препарата. Расположение емкости с исследуемым препаратом внутри замкнутой оболочки в 4π-геометрии в жидкостной сцинтилляционной установке впервые позволяют нейтрализовать вклад в значение фона от внутреннего излучения радиоактивных примесей компонентов жидкого сцинтиллятора и самого исследуемого препарата.

Отметим также, что излучение от радиоактивных примесей создает сцинтилляции как в жидком (с малым временем высвечивания), так и в твердом (с большим временем высвечивания) сцинтилляторах одновременно. Но при этом надо принимать во внимание, что только бета-излучение от примесей с низкой энергией излучения соизмеримо с граничной энергией исследуемого трития Е≈18,4 кэВ ("окно" трития). Этот оптимальный диапазон определяемых энергий в современной аппаратуре устанавливается с помощью амплитудных дискриминаторов нижнего и верхнего уровней, что исключает как регистрацию интенсивных шумовых импульсов, так и импульсов, обусловленных действием более высокоэнергетических источников. Такое бета-излучение вызывает сцинтилляции в жидком сцинтилляторе, но не проходит через стекло фторопластовой кюветы и, следовательно, не регистрируется твердым сцинтиллятором. Гамма-излучение, сопровождающее это бета-излучение, слабо взаимодействует с жидким сцинтиллятором и регистрируется эффективно твердым CsJ(Tl). Таким образом, сцинтилляции, возникающие в твердом сцинтилляторе под действием гамма-излучения, возникают одновременно со сцинтилляциями от исследуемого трития, что и дает возможность нейтрализовать их с помощью электронных схем и тем самым снизить значение фона до предельно низких значений.

Таким образом, использование предлагаемого жидкостного сцинтилляционного устройства по сравнению с известными конструкциями блоков детектирования с активной защитой имеет следующие преимущества:
во-первых, более полная нейтрализация мешающих ионизирующих излучений вследствие 4π-геометрии их регистрации и дальнейшей нейтрализации, т.к. емкость с исследуемым препаратом заключена в защитном сцинтилляторе CsJ(Tl) в виде замкнутой оболочки. То есть излучающее вещество расположено в непосредственной близости с защитным сцинтиллятором;
во-вторых, осуществлена регистрация и дальнейшая нейтрализация примесных излучений самого жидкого сцинтиллятора и измеряемого препарата, находящихся внутри исследуемой емкости.

Все это позволяет по сравнению с прототипом снизить вклад в значение фона в 10-12 раз и в конечном счете повысить чувствительность определения низкоэнергетических бета-излучателей, например трития, в 3-4 раза.

Использование: атомная промышленность в области измерения ядерных излучений. Сущность: в радиометрическом устройстве, содержащем два фотоумножителя, кювету с измеряемым образцом, измерительную камеру с щелевой диафрагмой для снижения фона, обусловленного как внешними, так и внутренними источниками излучения, находящимися в смеси измеряемого образца с жидким сцинтиллятором и в материале кюветы, дополнительно содержится замкнутая оболочка из твердого сцинтиллятора, которая одновременно служит для фиксации кюветы в измерительной камере и выполнена в виде стакана с крышкой. Технический результат - повышение чувствительности, увеличение производительности, расширение области применения. 1 ил.

Радиометрическое устройство для измерения низкоэнергетических бета-излучателей, содержащее два соосно расположенных фотоумножителя, между которыми размещается измерительная камера с щелевой диафрагмой в виде призм, кювету с измеряемым образцом, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит замкнутую оболочку из твердого сцинтиллятора, которая одновременно служит для фиксации кюветы в измерительной камере и выполнена в виде стакана с крышкой.