Бета- и гамма-спектрометр Советский патент 1982 года по МПК H01J49/44 

(54) БЕТА- И ГАММА-СПЕКТРОМЕТР

Изобретение относится к технике низкофоновь;х намерений радиоактивности окружающей среды, предназначено для многоэлементного радиоизотопного анализа бетаи гамма-излучателей в пробе исследуемого вещества без его радиохимического обогащения, и может использоваться цри экспресс-контроле радиоактивности окружающей србды, в радиациоетной медициие, геологии, биологии, метеорологии и в ядерно-физических исследованиях на Земле и в космосе.

Известны низкофоновые гамма-спектрометры с защитой на антисовпадениях ч низкофоновые бета-спектрометры с защитой на совпадениях 1. Основой их конструкции является комбинированный детектор в составе анализирующего и «охранного детекторов.

Спектрометры такого типа имеют низкий уровень фона и по этой причине высокую чувствительность, т. е. высокое отношение сигнал/фон, однако они непригодны для одновременного бета- и гамма-опектрометрического анализа слаборадиоактивных проб вещества ввиду резкнх различий их, конструкций в системе «проба-детектор. Например, низкофоновые бета-спектрометры с защитой на совпадениях конструктивно рассчитаны на измерение препаратов

очень малого веса (доли грамма), прошедших предварительное радиохимическое обогащение какого-либо изотопа.

Известны также устройства, регистрирующие излучения различной природы с помощью двух и более детекторов, включенных в режим совпадений и антисовпадений для уменьшения фона.

Однако конструкции этих устройств

имеют специфические решения, которые не обеспечивают условий проведения многоэлементного анализа слаборадиоактивных проб вещества по двум видам излучений 2, Из известных устройств с одновременной регистрацией бета- и гамма-излучений наиболее близкой к изобретению является спектрорадиометрическая установка для анализа модельных образцов, содержащих заданную смесь бета- и гамма-излучателей..

Установка содержит датчик бета-излучения и датчик гамма-излучения, детекторы которых установлены один над другим и разделены промежутком для размещения исследуемого вещества 3. С помощью известной спектрометрической установки осуществляется одновременная регистрация бета- и гамма-излучения смеси радионунлидов.

Исследуемый образец сухой почвы весом

до 40 г помещают между бета- н гамма-деГекторами, которые расположены вертикально один над другим.

Имнульсы с датчика бета-излучения подаются на усилитель с дискриминатором и далее на пересчетное устройство ПС-10000, а импульсы с датчика гамма-излучения - на вход амплитудного анализатора АИ-100. ; Измерения бета- и гамма-активности осуществляются одновременно, причем толщина слоя пробы обеспечивает измерения бета-излучения в условиях насыщенного слоя. Эффективность регистрации установки изучается с помощью точечных источников стронция-90 - иттрия-90 и кальция-45, имеющих максимальные энергии бета-излучения, соответственно 2,37 Мэв и 0,257 Мэв. Сцинтиллирующая полистироловая пленка толщиной 40 мг/см при расстоянии между детектором и источником 5 мм и при минимальной дискриминации, соответствующей отрезанным шумам ФЭУ-13, регистрирует бета-излучение стронция-90 - иттрия-90 с эффективностью 37%, бета-излучения кальция-45 с эффективностью 8%. При дискриминации, соответствующей запиранию бета-излучения кальция-45, эффективность регистрации точечного источника стронция90 - иттрия 90 снижается до 4%, т. е. падает почти в 10 раз в интервале энергии бета-спектра 0,257-2,27 Мэв.

Эта установка непригодна для одновременного анализа слабо-радиоактивных проб окружающей среды ввиду очень низкой спектральной чувствительности к бетаизлучению с энергией выще 0,5 Мэв, а также существенной величины фона мещающих излучений.

Это препятствует идентификации сложной смеси радионуклидов с удельной концентрацией ниже 3-5 пКи/г.

Целью изобретения является повыщение чувствительности одновременного бета- и гамма-спектрометрического анализа естественных проб исследуемого вещества путем увеличения спектрального отношения сигнал/фон. I

Поставленная цель достигается тем,что в известную установку, содержащую датчик бета-излучения и датчик гамма-излучения, детекторы которых расположены один над другим и разделены промежутком для размещения исследуемого вещества, введена схема совпадений, входы которой подклкучены к выходам датчиков бета- и гамма-излучений, а общий выход схемы совпадений соединен с управляющими входами схем антисовпадений анализаторов импульсов, подключенных к датчикам бета- и гамма-излучения. КрОме того, толщина бета-детектора выбрана в пределах от 1 до ЗД толЩИ1Н 1СЛО.Я поло1В1И1н:но:го поглощения (Д) главной части слектрдльной ха(ракт1еристики бета-излучения исследуемого вещества.

На чертеже представлена блок-схема бета- и гамма-спектрометра.

Бета- и гамма-спектрометр содержит датчик бета-излучения 1 и датчик гаммаизлучения 2, между которыми расположена кювета 3 для исследуемого вещества. Выходы датчиков 1 и 2 соединены через линии задержки 4 и 5 с анализирующими входами многоканальных амплитудных анализаторов 6 и 7, снабженных блоками вывода информации 8 и 9. Выходы датчиков 1 и 2 О соединены также через усилители-дискриминаторы 10 .и М и через формирователи 12 и 13 со входами схемы совпадений 14, выход которой соединен с управляющими входами схем антисовпадений анализаторов 6 и 7. Блок питания 15 по нижнему и высокому напряжению является общим для обоих спектрометров.

Предлагаемый бета- гамма-спектрометр снабжен пластмассовой кюветой 3 в виде 0 диска. Внутренний диаметр кюветы равец диаметру гамма-детектора. Кювета 3 выполнена скользящей по поверхности гаммадетектора без нарушения взаимной геометрии обоих детекторов. Этим достигается 25 простота смены исследуемых образцов при массовых анализах.

Бета- и гамма-спектрометр работает следующим образом.

Кювету 3 заполняют исследуемым веществом (почва, вода, аэрозоли, биопродукты - в свежем или высушенном состоянии, радиохимические препараты и т. п.) и помещают между детекторами датчиков 1 и 2 в строго фиксированном положении. Верх кюветы, обращенный к бета-детектору, закрыт герметичной пленкой толщиной 1-5 мг/см2.

Сигнал с выхода каждого датчика по40 ступает одновременно и в цепь анализа, и в

цепь управления. В цепи анализа выходной

сигнал проходит на анализирующий вход

соответствующего анализатора 6(7) через

лИ|Н;ию задерж,ки 4(5) и э мяттеринй повто5 ритель (на чертеже не показан).

Выбором коэффициентов усиления сигнала в анализаторах добиваются соответствия между энергией ионизирующего излучения регистрируемого датчиками 1 (2) и 0 номером канала регистрации в многоканальных анализаторах 6(7).

В цепи управления при одновременной регистрации сигналов датчиков 1 и 2 на оба входа схемы совпадений 14 приходят 55 одновременные сигналы через блоки усилителей-дискриминаторов 10(11) и формирователей 12(13), которые вызывают срабатывание схемы совпадений 14.

В этом случае с выхода схемы совпаде 0 НИИ 14 на управляющие входы обоих анализаторов 6(7) подается сигнал управления.

При неодновременной регистрации сигналов в датчиках 1 и 2 на выходе схемы совпадений сигнал отсутствует.

Линии задержки 4(5) вводят для совмещения во времени импульсоз анализа с импульсами управления. Дискриминаторы в блоках 10(11) используются как интегральные с минимальной дискриминацией по нижнему уровню, обеспечивающему отрезание ника конверсионных электронов заданной энергии. Схема управления анализатора включена в режим антисовпадений. При такой настройке системы каждый анализатор устройства отбирает и регистрирует только те сигналы, которые превышают определенный энергетический порог и не совпадают во времени с управляющими сигналами.

Толщину бета-детектора согласно изобретению выбирают в диапазоне от 1 до ЗД, где Д - толщина слоя половинного поглощения главной части спектральной характеристики исследуемого вещества. Выбранная толщина бета-детектора оказывается намного больщей, чем у прототипа. А с увеличением толщины, как известно, возрастает и величина полезного сигнала в бетадетекторе. Бета-детектор подвергается воздействию не только лишь бета-излучающих нуклидов, но также и воздействию гаммакзлучающих нуклидов, которые тоже присутствуют в пробе. Поэтому с увеличением толщины бет а-детектор а возрастает и величина мещающего гамма-сигнала. Кроме того, добавляются мещающие сигналы от дефектов альбедо гамма- и корпускулярного излучения от близкорасположенных детекторов и от элементов конструкции. Сюда же добавляются большие помехи от космического излучения. Так что возрастание полезного бета-сигнала, достигаемое увеличением толщины бета-детектора, сопровождается и возрастанием уровня фона. В результате отношение сигнал/фон не претерпевает существенного увеличения (по этой причине в ir3:BecTHbix (бета-спекпрометрах и используют тонкие бета-детекторы).

Но если, согласно изобретению, выходы датчиков бета- и гамма-излучения будут соединены через схему совпадений, а ее общий выход будет соединен с управляющими входами схем антисовпадений анализаторов импульсов, подключенных к упомянутым датчикам, то указанные возросшие помехи будут существенно ослаблены, и потому отношение сигнал/фон резко увеличится, а с ним повысится и чувствительность прибора.

Увеличение отношения сигнал/фон достигается не при любом увеличении толщины бета-детектора, а в указанном выще диапазоне толщин (1-ЗД). Это объясняется сложным характером изменений различ-. ных мешающих сигналов при различных толщинах бета-детектора.

Таким образом, полезный эффект достигается за счет совмеетного использования

двух отличий: нового диапазона толщин бета-детектора и соединения бета-спектрометра с гамма-спектрометром через общую с:-:ему совпадений.

При исследовании предлагаемым прибором бета-излучения продуктов ядерных взрывов было учтено, что наиболее важным излучателем часто является стронций-90 (с иттрием-90), а главной частью спектральной характеристики бета-излучения служит интервал бета-спектра 0,5-2 Мэв, где чувствительность измерений иттрия-90 максимальна. В этом интервале энергий бета-детектор на основе полистирола был выбран

толщиной 350 мг/см2 (2Д), что обеспечило регистрацию бета-излучения точечного источника иттрия-90 с эффективностью выше 30% по сравнению с единицами процентов в известных установках с бета-детектором

толщиной 40 мг/см. Так что спектральная чувствительность предлагаемого бета- и гамма-спектрометра, оказалась по крайней мере на порядок выше спектральной чувствительности известного прибора с тонКИМ бета-детектором к бета-излучению иттрия-90.

С помощью известных бета-спектрометров не удавалось идентифицировать бетаизлучающие изотопы в природных объектах с концентрацией ниже 3 пКи/г (фоновые уровни почв). Это вынуждало прибегать к значительно более трудоемким радиохимическим способам (например, анализ стронция-90 в одной пробе требует

работы в течение месяца).

Внедрение предлагаемого спектрометра позволит сократить значительный объем трудоемких радиохимических анализов различных природных объектов и повысит экспрессность исследований при радиоэкологической экспертизе предприятий атомной промышленности, загрязняющих окружающую среду, при контроле загрязнений радионуклидами продуктов питания на

крупных комбинатах и рыболовных судах, и т. д.

Толщина бета-детектора в границах 1- ЗД не исключает возможности его применения для бета-спектрометрии других радионуклидов, имеющих среднюю энергию бета-частиц, в 2-3 и более раз отличающуюся от средней энергии бета-излучения наиболее важного радионуклида. Это

обеспечивает высокую чувствительность и информативность бета-спектрометра при работах с большим набором радионуклидов в различных природных объектах.

Преимущества предлагаемой комструкции бета- и гамма-спектрометра проявляются: в высокой спектральной чувствительности бета-детектора к бета-излученню наиболее распространенных радионуклидов, рассеянных в окружающей среде; в

почти полном подавлении влияния помех;

космических лучей на бета-спектр и отчасти гамма-спектр.

Указаиные преимущества предлагаемого спектрометра приводят к резкому увеличению отношения сигнал/фон в определенных энергетических интервалах бета-спектра и отчасти гамма-спектра, что повышает чувствительность одновременных спектрометрических измерений по бета- и гаммаизлучению. ,

Кроме того, каждый из спектрометров может работать вместе или порознь в режимах: обычного анализа; в режиме антисовпадений; в режиме совпадений и их взаимных комбинациях.

Формула изобретения

Бета- и гамма-спектрометр, содержащий датчик бета-излучения и датчик гамма-излучения, детекторы которых установлены один над другим и разделены проме.жутком для размещения исследуемого вещества, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности одновременного бета- и гамма-спектрометрического анализа путем увеличения спектрального отношения сигнал/фон, в него введена схема совпадений, входы которой подключены ,к выходам датчиков бета- и гаммаизлучения, а общий выход схемы совпадений соединен с уЕравляющими входами анализато,ро1в импульсов, подключенных к датчикам бета- И гаМ|Ма-кзлу1чени,я, толщина бета-детектор а .выбрана в пределах от I до ЗД, тде Д - толщина слоя ПОЛОБИННОГО поглощения гла1В1НОЙ части апектральной характеристики бета-излучения исследуемого вещества.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

3.Вакуловский С. М. и Зубарева И. Ф. Сцинтилляционный счетчик на двух фотоумножителях для регистрации бета- и гамма-излучений, сб. Радиоактивные изотопы в почвах и растениях. Л., «Колос, 1969 (прототип).