ПРОТОЧНЫЙ ЧЕРЕНКОВСКИЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БЕТА-РАДИОАКТИВНОСТИ ВОДЫ Российский патент 2014 года по МПК G01T1/22 

Изобретение относится к области измерения радиоактивности и предназначено для регистрации высокоэнергетических бета-излучателей в жидких, преимущественно водных, потоках по черенковскому излучению.

Измерение черенковского излучения практикуется во многих лабораториях, где имеется стандартное жидкостно-сцинтилляционное (ЖС) оборудование для измерения радиоактивности. К преимуществам черенковского счета относится естественная дискриминация от α-излучения и низкоэнергетического β-излучения. Таким образом, некоторые потенциальные радиоактивные примеси или дочерние продукты не влияют на результаты измерений. Например, при измерении ²¹⁰Pb по черенковскому излучению сравнительно высокоэнергетического β-излучателя - дочернего ²¹⁰Bi - присутствие самого ²¹⁰Pb и внучатого ²¹⁰Ро не сказывается на результатах измерения.

Количественный метод для стандартизации измерений радиоактивности по черенковскому излучению разработали Грау Малонда и Грау Карлес [Grau Malonda A.. Grau Caries A. The anisotropy coefficient in Cerenkov counting. Appl. Radial. Isot., 1998. V. 49, p.1049|. В версии их программы CHRREN4 [Grau Caries A., Grau Malonda A, Comput. Phys. Commun., 2006. v. 174, p.30]. Представлен метод с использованием счетной системы с двумя фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), работающими в режиме совпадений. Метод основан на предположении, что число фотоэлектронов, созданных у фотокатода, следует распределению Пуассона и использует теорию Франка и Тамма для образования черенковского света. Более того, анизотропия испускания черенковского излучения достаточно просто принята во внимание. Процедура требует наличия двух стандартных источников, например, ³⁶Cl и ³²Р для определения свободного параметра, который используется для расчета эффективности регистрации черенковского излучения для других радионуклидов. Поскольку черенковское излучение более чувствительно к изменению рассчитанного бета-спектра, метод был широко использован для исследования формфактора бета-спектров.

Из уровня техники известно устройство для измерения β-радиоактивности в потоке морской воды по черенковскому излучению (черенковский детектор) [Сапожников Ю.Л., Меркушев А.В., Мурзин В.Е. Черенковский детектор для измерения радиоактивности морской воды. Ученые МГУ - науке производству. Открытия, изобретения, результаты научных исследований, предлагаемые для практического использования. М.: Изд-во МГУ, 1984, с.55], представляющее собой трубу из нержавеющей стали с внешним диаметром 90 мм и толщиной стенок 1 мм, в которую с помощью фланцев введены 2 фотоэлектронных умножителя ФЭУ-110. Блок-схема черенковского детектора для измерения радиоактивности морской воды приведена на фиг.1. Морская вода через патрубки, вваренные во фланцы, может непрерывно прокачиваться через детектор. В зависимости от длины отрезка трубы и расстояния между фотокатодами ФЭУ чувствительный объем детектора может изменяться от 300 до 1700 мл. Для предотвращения свечения планктонных организмов в чувствительном объеме детектора устройство снабжено фильтрующими патронами с мембранными фильтрами, через которые пропускается морская вода. При этом фильтрующие патроны с мембранными фильтрами обеспечивают достаточно высокую скорость стерилизующей фильтрации. Кроме того, для предотвращения попадания света в чувствительный объем детектора он содержит во входном и выходном патрубках для морской воды спирали из черной пластмассы. Импульсы с анодов ФЭУ усиливаются и поступают через формирователи импульсов на схему совпадений с разрешающим временем ~25 нс, что позволяет в значительной степени подавлять собственные шумы ФЭУ. С помощью данного устройства была продемонстрирована в лабораторных условиях возможность определения ³⁸Cl, ²⁴Na и ³²Р по черенковскому излучению в пробах морской воды, облученных с помощью нейтронного источника. Идентификация осуществлялась по периодам полураспада перечисленных радионуклидов. Эффективность регистрации ⁴⁰К данным прибором достигала 13%.

Недостатком этого прибора было то, что с увеличением объема измерительной камеры в данной конструкции заметно снижалась эффективность регистрации черенковского излучения из-за потерь черенковских фотонов на пассивных стенках камеры.

Из уровня техники известен также проточный черенковский детектор [Bowyer T.W., Geelhood B.D., Hossbach T.W. et al. 2000, Nucl. Instr. Meth., A, v. 406. p.577], содержащий цилиндрическую камеру (резервуар) с внутренним тефлоновым покрытием, снабженную входом и выходом для исследуемой жидкости, и расположенные с противоположных торцевых сторон цилиндрической камеры фотоэлектронные умножители. Объем резервуара 0,765 л заполняют пробой воды, ФЭУ просматривают воду через кварцевые окна и собирают черенковский свет, продуцируемый бета-частицами. Отражающее покрытие (из 3 мм слоя тефлона) на внутренних стенках камеры, имеющее коэффициент отражения более 95% в большей части видимого спектра, помогает собирать свет от черенковских событий. Было установлено, что эффективность регистрации черенковского излучения улучшается в 4 раза при использовании кварцевых окон и тефлонового отражателя по сравнению с акриловыми окнами и белым ПВХ в качестве диффузного отражателя. Улучшение связано с повышенными отражательными свойствами тефлона и более низким ослаблением света с малыми длинами волн в кварцевых окнах. Акриловые окна часто содержат ультрафиолетовый ингибитор, блокирующий светопроницаемость ниже 400 нм. Проницаемость кварцевых окон остается высокой вплоть до 260 нм, количество черенковских фотонов, достигающих ФЭУ, практически вдвое превосходит значение, наблюдаемое для пластиковых окон.

Однако данное устройство не является оптимальным для собирания черенковских фотонов, поскольку они испускаются не изотропно, как в случае сцинтилляций, а преимущественно в направлении полета частиц. Эта конкретная геометрия была выбрана как пример дизайна, подходящего для использования при измерениях в скважинах (когда прибор должен был обладать сравнительно небольшим диаметром). Благодаря этой «жесткой» геометрии свет, испускаемый в результате распада ⁹⁰Y, должен, по меньшей мере, один раз переотразиться тефлоновыми стенками детектора или бета-частицы должны многократно рассеяться так, чтобы эмитируемый ими световой конус начинался в направлении одного из ФЭУ, и хотя бы часть светового потока поступала в противоположном направлении. Новый дизайн, по мнению авторов описываемого аналога, в будущем должен обеспечивать повышенный светосбор путем использования многих ФЭУ по обе стороны объема детектора.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является черенковский детектор с тремя фотоэлектронными умножителями, позволяющий определять соотношение тройных и двойных совпадений импульсов, регистрируемых ФЭУ (TDCR - Triple to Double Coincidence Ratio) (Рис.4) [Broda R. 2003. A review of the triple-to-double coincidence ratio (TDCR) method for standardizing radionuclides. Appl. Radial. Isot., V. 58, pp.585-594]. Наиболее ранний жидкостно-сцинтилляционный прибор для измерений бета-излучения с использованием принципа TDCR был описан Почвальским и Радожевским в 1979 г. [Pochwalski К., Radoszewski Т. 1979. Disintegration rate determination by liquid scintillation counting using the triple to double coincidence ratio (TDCR) method. Institute of Nuclear Research, Warsaw, 1NR, 1848/OPiDI/E/A]. Черенковский детектор содержит емкость, через которую прокачивается исследуемая жидкость; три ФЭУ; четыре усилителя, первый и второй из которых подключены к первому и второму ФЭУ, а третий и четвертый усилители подключены к третьему ФЭУ, при этом первые три усилителя снабжены дискриминаторами, которые через блок совпадений и задержек соединены с компьютером. Последний усилитель подключен к компьютеру через спектрометрический усилитель и амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП).

Однако в этом прототипе использовались стандартные флаконы для ЖС измерений объемом 20 мл, что не позволяло измерять низкие активности без предварительного концентрирования.

Соответствующая аппаратура быстро развивалась многими исследователями. Однако распространение этого принципа для измерения черенковского излучения наиболее последовательно развивал Коссерт [Kossert К. 2010. Activity standardization by means of new TDCR-Cerenkov counting technique. Appl. Radiat. Isot., V.68, pp.116-1120], применивший математический подход Грау Малонда и Грау Карлсса к системе с тремя ФЭУ. Коссертом были выведены новые формулы, принимающие во внимание влияние анизотропии черенковского излучения. Анизотропия описывается одним параметром с применением энергозависимой параметризации. Свободный параметр выводится из соотношения тройных совпадений и логической суммы двойных совпадений. Аналогичный подход применен и при обработке результатов измерений в заявляемом техническом решении.

Задачей изобретения является усовершенствование проточного черенковского детектора для измерения высокоэнергетического бета-излучения в потоке.

Техническим результатом данного изобретения является определение эффективности регистрации в процессе измерения (по системе TDCR) и идентификация преобладающего в данной пробе бета-излучателя по соотношению двойных, тройных и более высокой кратности совпадений.

Поставленная задача решается тем, что проточный черенковский детектор для измерения бета-радиоактивности жидкой среды, включающий измерительную емкость с размещенным внутри нее прозрачным сосудом, имеющую вход и выход для исследуемой жидкой среды, снабжен, по крайней мере, четырьмя ФЭУ, соединенными с измерительной емкостью, каждый из которых помещен в снегозащитный корпус. Детектор содержит также усилители импульсов, подключенные к ФЭУ, блок обработки информации, соединенный с усилителями импульсов, при этом ФЭУ расположены в непосредственной близости к стенкам прозрачного сосуда и на равноудаленном расстоянии друг от друга. Наилучший результат достигается при размещении оптических осей ФЭУ в одной плоскости. Прозрачный сосуд может быть выполнен из оргстекла. Конструкция детектора также включает фильтрующие патроны с мембранными фильтрами для предотвращения свечения планктонных организмов в чувствительном объеме детектора и спирали из черной пластмассы для предотвращения попадания света в чувствительный объем детектора.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения бета-радиоактивности жидкой среды, основанном на регистрации черенковского излучения высокоэнергетического бета-излучения в потоке жидкости, который пропускают через прозрачный сосуд, согласно изобретению, регистрацию осуществляю двойных, тройных и более высокой кратности совпадений импульсов от бета-частиц посредством, по крайней мере, четырех ФЭУ, сравнивают спектры кратности совпадений, по которым делают вывод о количественных и качественных параметрах бета-радиоактивности жидкой среды.

Таким образом, технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве предусматривается одновременная работа не менее четырех ФЭУ, что не просто улучшает чувствительность системы, но позволяет в процессе измерения определять эффективность регистрации и идентифицировать преобладающий по активности высокоэнергетический бета-излучатель. Кроме того, для наиболее вероятных определяемых радионуклидов создана библиотека спектров кратности совпадений, что обеспечивает возможность идентификации самого активного бета-излучателя. В связи с тем, что фотокатоды ФЭУ занимают большую часть внутренней поверхности черенковского детектора, это существенно снижает потери светового излучения в процессе его регистрации.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок-схема аналога черенковского детектора, на фиг.2 - блок-схема заявляемого проточного черенковского детектора для измерения бета-радиоактивности воды.

Позициями на чертежах обозначены: 1 - проточная камера (емкость) для измеряемой воды, 2 - фотоэлектронные умножители (ФЭУ) для регистрации черенковского излучения, 3 - усилители, формирователи и дискриминаторы импульсов, поступающих от ФЭУ, 4 - устройство обработки информации, позволяющее выделять и регистрировать совпадения импульсов: двойные, тройные и более высокой кратности. Источники высокого напряжения для питания фотоэлектронных умножителей, а также насос и фильтрующие системы на фиг.1 и 2 не показаны.

Осуществление изобретения.

Заявляемое изобретение может быть реализовано следующим образом. Измерения могут проводиться непрерывно, например:

- при установке прибора для контроля радиоактивного загрязнения в сточных водах предприятий ядерного топливного цикла (ЯТЦ);

- для исследования распределения радиоактивности в системе водоемов предприятия ЯТЦ (например, НПО «Маяк»), если прибор установлен на любом транспортном средстве, водном или наземном, обеспечивающем прибор электроэнергией.

Могут выполняться измерения радиоактивности в отдельных дискретных пробах объемом до 7 л, заливаемых в измерительную емкость прибора.

Преимуществом изобретения является то, что при измерениях по черенковскому излучению размер камеры, просматриваемой несколькими ФЭУ, может составлять несколько литров без существенного увеличения самоослабления черенковского излучения в исследуемом объеме, что позволяет значительно снизить предел обнаружения прибора.

Соотношение тройных и двойных совпадений (TDCR - Triple to Double Coincidence Ratio) позволяет определять значения абсолютных активностей индивидуальных излучателей без использования специальных стандартов. Использование совпадений более высокой кратности позволит идентифицировать доминирующие бета-излучатели с использованием предварительно подготовленной библиотеки спектров кратности совпадений для высокоэнергетических бета-излучающих радионуклидов, представляющих максимальный интерес.

Пример конкретного выполнения.

Перед началом работы с реальными водами, содержащими возможные радиоактивные примеси, прозрачный сосуд в измерительной камере заполняют чистой водой для проведения фоновых измерений.

Измерения выполняют в течение времени, достаточного для получения статистически достоверных данных (обычно 0,5-2 часа). Регистрируют скорости счета совпадений всех возможных кратностей (2-х, 3-х и т.д.).

При дальнейшем непрерывном измерении радиоактивности вод с помощью проточного черенковского детектора воду пропускают через фильтр для удаления взвеси, затем непрерывно прокачивают через прозрачный сосуд, находящийся в измерительной камере прибора, помещенный между фотокатодами нескольких фотоэлектронных умножителей (не менее четырех) (фиг.2). Импульсы с анодов ФЭУ направляют на схемы совпадений различной кратности (двойные, тройные и более высокой кратности), при этом значения скоростей счета совпадений импульсов через заданные временные интервалы выводятся на табло электронной схемой прибора и регистрируются любым запоминающим устройством.

Показания, получаемые при непрерывных измерениях, сравнивают с фоновыми, и в случае наблюдения значимых отличий от фоновых значений, превышающих предел вмешательства для определяемых радионуклидов, делаются выводы о характере дальнейших действий.

В соответствии с заявляемым изобретением был изготовлен проточный черенковский детектор для измерения бета-радиоактивности жидкой среды, который характеризовался следующими параметрами:

- минимальный уровень определяемой β-радиоактивности 10 Бк/л при длительности измерения не более 30 минут;

- масса прибора не более 40 кг;

- габаритные размеры собственно детектора не более 750×750×250 мм;

- потребляемая мощность потребляемой электроэнергии (включая насос для прокачки воды через измерительную емкость) не более 500 Вт.

Изобретение относится к области измерения радиоактивности и предназначено для регистрации высокоэнергетических бета-излучателей в водных потоках по черенковскому излучению. Изобретение включает измерительную емкость с размещенным внутри нее прозрачным сосудом, имеющую вход и выход для исследуемой жидкой среды; по крайней мере, четыре фотоэлектронных умножителя, соединенные с измерительной емкостью, каждый из которых помещен в светозащитный корпус; усилители импульсов, подключенные к фотоэлектронным умножителям; блок обработки информации, соединенный с усилителями импульсов, при этом фотоэлектронные умножители расположены в непосредственной близости к стенкам прозрачного сосуда и на равноудаленном расстоянии друг от друга. Технический результат - определение эффективности регистрации в процессе измерения (по системе TDCR) и идентификация преобладающего в данной пробе бета-излучателя по соотношению двойных, тройных и более высокой кратности совпадений. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Проточный черенковский детектор для измерения бета-радиоактивности воды, включающий измерительную емкость с размещенным внутри нее прозрачным сосудом, имеющую вход и выход для исследуемой жидкой среды; по крайней мере, четыре фотоэлектронных умножителя, соединенные с измерительной емкостью, каждый из которых помещен в светозащитный корпус; усилители импульсов, подключенные к фотоэлектронным умножителям; блок обработки информации, соединенный с усилителями импульсов, при этом фотоэлектронные умножители расположены в непосредственной близости к стенкам прозрачного сосуда и на равноудаленном расстоянии друг от друга.

2. Проточный черенковский детектор по п.1, характеризующийся тем, что оптические оси фотоэлектронных умножителей размещены в одной плоскости.

3. Проточный черенковский детектор по п.1, характеризующийся тем, что прозрачный сосуд выполнен из оргстекла.

4. Проточный черенковский детектор по п.1, характеризующийся тем, что он снабжен фильтрующими патронами с мембранными фильтрами для предотвращения свечения планктонных организмов в измерительной емкости.

5. Проточный черенковский детектор по п.1, характеризующийся тем, что со стороны входа и выхода для исследуемой жидкой среды установлены спирали из черной пластмассы, препятствующие попаданию света в объем измерительной емкости благодаря полному внутреннему отражению от стенок трубок.

6. Способ измерения бета-радиоактивности воды, основанный на регистрации черенковского излучения высокоэнергетического бета-излучения в потоке жидкости, который пропускают через прозрачный сосуд, при этом регистрацию осуществляют двойных, тройных и более высокой кратности совпадений импульсов от бета-частиц посредством не менее четырех фотоэлектронных умножителей, сравнивают спектры кратности совпадений, по которому делают вывод о количественных и качественных параметрах бета-радиоактивности жидкой среды.