МЕТОД ON-LINE КАЛІБРУВАННЯ БАГАТОКРИСТАЛЬНИХ СЦИНТИЛЯЦІЙНИХ ГАММА-СПЕКТРОМЕТРІВ - тема наукової

калібрування

Ціна:

Автори роботи:

Науковий журнал:

Рік виходу:

Текст наукової статті на тему «МЕТОД ON-LINE КАЛІБРУВАННЯ БАГАТОКРИСТАЛЬНИХ СЦИНТИЛЯЦІЙНИХ ГАММА-СПЕКТРОМЕТРІВ»

ПРИЛАДИ ТА ТЕХНІКА ЕКСПЕРИМЕНТУ, 2008, № 5, с. 56-61

_ ТЕХНІКА ЯДЕРНОГО _

МЕТОД ON-LINE КАЛІБРУВАННЯ БАГАТОКРИСТАЛЬНИХ СЦИНТИЛЯЦІЙНИХ ГАММА-СПЕКТРОМЕТРІВ

Описано метод калібрування сцинтиляційних у-спектрометрів у складі багатокристальних зборок, що використовуються в ряді прикладних завдань. Метод дозволяє проводити калібрування кожного спектрометра у складанні одночасно з робочими вимірами. При цьому забезпечуються автоматичне коригування робочих параметрів спектрометрів при зміні зовнішніх факторів і безперервний контроль працездатності спектрометричних трактів, включаючи сцин-тилятори.

PACS: 29.40.Мс, 29.30.Kv, 29.25.Rm

Зазвичай в у-спектрометрії калібрування енергетичної шкали спектрометрів та робочі виміри проводяться окремо. При тривалих вимірюваннях, особливо в умовах, коли зовнішні фактори, що впливають на характеристики апаратури, можуть змінюватися, методика розділених у часі калібрувальних та робочих вимірювань може призводити до суттєвих помилок. Особливо це стосується ряду прикладних завдань, в яких використовуються сцинтиляційні у-спектрометри, що працюють в автоматичному режимі, у складі багатокристальних зборок великої площі, наприклад, при радіаційному картуванні або моніторингу територій за допомогою у-спектрометрів, встановлених на вертольотах, а також при радіаційному. контроль великогабаритних вантажних контейнерів з метою виявлення прихованих закладок ядерних матеріалів або вибухових речовин та ін [1-5].

Залежно від конкретного завдання числоокремих у-спектрометрів у збірці по-різному і може бути досить великим. Для калібрування таких багатокристальних збірок пропонується метод, що дозволяє за допомогою вбудованих джерел джерел калібрування кожного спектрометра одночасно з робочими вимірюваннями. При цьому забезпечуються автоматичне коригування робочих параметрів спектрометрів при зміні зовнішніх факторів, що впливають, і безперервний контроль працездатності спектрометричних трактів, включаючи сцинтилятори.

2. ПРИНЦИП МЕТОДУ І ВИБІР КАЛІБРУВАЛЬНОГО ДЖЕРЕЛА

Принцип запропонованого методу ось у чому. Якщо радіоактивне джерело, що має чисто позитронну активність (при анігіляції позитрону утворюються тільки два у-кванти, що вилітають у протилежних напрямках), помістити між двома ідентичними сцинтиляційними детекторами з 100%-ною ефективністю реєстрації цих у-квантів, то таке джерело буде видно у режимі збігів і не видно у режимі антизбігів. Якщо електронний тракт пристрою сконструювати так, щоб режим збігів був режимом калібрування, а режим антизбігів - робочим режимом, калібрування спектрометра можна виконувати одночасно з робочими вимірюваннями. Знайти джерело з суто позитронної активністю практично неможливо, і технічно складно в реальних спектрометрах забезпечити 100% ефективність реєстрації анігіляційних у-квантів. Тим не менш, для реалізації методу достатньо забезпечити такі умови, за яких частка у-квантів калібрувального джерела, зареєстрованих у робочому режимі, буде мала порівняно з тлом [6].

З усіх розглянутих ізотопів для калібрувального джерела найбільше підходить ізотоп натрію 22Ка з періодом напіврозпаду Г1/2 = 2.6 г. Згідно зі схемою його розпаду (рис. 1), крімпозитронів, випускається ще один у-квант з енергією 1.274 МеВ, що вилітає ізотропно. Таким чином, у спектрі у-випромінювання 22№ спостерігаються три піки: основний анігіляційний з енергією 0.511 МеВ, пік з енергією 1.274 МеВ та пік з сумарною енергією 1.785 МеВ. Наявність сумарного піку дозволяє проводити калібрування у сфері енергій вище 1.5 МеВ. Схема розпаду 22К порівняно проста

^-захоплення r+ 90.5% 9.5% F

/VW^ Фотон 1.27 МеВ

Мал. 1. Схема розпаду 22 №.

CsI(Tl) 160 х 160 х 70 мм

Капсула з 22 № 1 Мал. 2. Геометрія розрахункової моделі.

і добре вивчена, що дозволяє використовувати досить просту математику для розрахунків та експериментальних оцінок необхідних характеристик [7].

Необхідною конструктивною умовою реалізації запропонованого методу калібрування багатокристальних у-спектрометрів є парна кількість однакових сцинтиляційних детекторів, попарно об'єднаних в спектрометричні модулі. Калібрувальне джерело 22 в кожному модулі поміщається симетрично між сцинтиляторами. Активність калібрувального джерела може бути малою, оскільки фон у режимі збігів значно менше фону у робочому режимі. Критеріями малості активності калібрувального джерела є припустимий ступінь його впливу на фон у робочому режимі та розумний час проведення калібрування. Для оцінки фону в калібрувальному та робочому режимах, розрахунку спектру та ефективності реєстрації калібрувального джерела, визначення його активності та ступеня впливу на робочий режим методом Монте-Карло виконано математичне моделювання роботи у-спектрометрічного модуля.

3. МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ

Для моделювання роботи модуля вибрано два однакові С$1(Т1)-детектори прямокутної форми, встановлені поруч один здругом. Геометрія розрахункової моделі наведено на рис. 2. У режимі збігів внаслідок можливої ​​одночасної реєстрації фонового у-кванта обома детекторами виникатиме корельований фон. Для його придушення між детекторами встановлений захисний екран зі свинцю з вікном, в центрі якого симетрично обом кристалам встановлена ​​капсула з калібрувальним джерелом. Товщина стінок капсули достатня для поглинання позитронів, що виникають при Р+-розпаді 22№ позитронів з енергіями 0.5 МеВ. Товщину свинцевого екрану та розміри вікна можна варіювати.

Фон у режимі збігів має дві складові: кореляне тло і тло випадкових збігів. При використанні сцинтиляторів та конструкційних матеріалів з низьким рівнем власного фону корельований фон переважно визначається зовнішнім фоном. При моделюванні зовнішнього фону прийнято, що його джерелом є тільки природна радіоактивність, обумовлена ​​в основному ізотопами рядів урану 238 і торію 232ть, ізотопом 40К і ІІ. Передбачалося, що ряди урану та торію перебувають у стані радіоактивної рівноваги. Для уранового ряду розігрувалися у-кванти ізотопів 214И, 214Р і 234тРа, для ряду торію - ізотопів 208Т1, 228Ас, 212Р, 212И, 224Іа і 228Т. Для всіх ізотопів з урахуванням структури рівнів кожного створені підпрограми для моделювання фонових у-кван-тів. Передбачалося, що величина дозового навантаження біля поверхні Землі становить 10 мкР/год і внесок у неї ізотопів рядів і ТІ, а також 40К однаковий (3.33 мкР/год). Вклад радонової складової визначався в припущенні, що концентрація ІІ на поверхні Землі дорівнює 10 Бк/м3 і експоненційно зменшується за висотою. Повітря взяте за нормальних умов (£ = 0°С, р = 760 Торр), що відповідає щільності 1.293 кг/м3 та складу (за вагою): азот 75.5%, кисень 23.2%Аргон 1.3%. Хімічний склад ґрунту: кисень 43%, водень 2%, вуглець 11%, алюміній 14%, кремній 20%, титан 1%, залізо 9%. Щільність ґрунту 1.625 г/см3. Радіоактивність розподілена рівномірно за обсягом ґрунту до глибини 1.5 м.

При моделюванні спектрів калібрувальних і робочих подій прийнято такий алгоритм: при одночасної реєстрації у квантів в обох детекторах подія записується в калібрувальний спектр, а при реєстрації у кванта тільки в одному з детекторів - в робочі спектри даного детектора. Для оцінки величини зовнішнього фону моделювалися характеристики пото-

Ефективність реєстрації калібрувального джерела і фон в режимах збігів і антизбігів для ряду параметрів розрахункової моделі, що варіюються.

Товщина екрану, мм Розмір вікна, мм Ефективність реєстрації калібрувального джерела, % Фон, з 1

режим збігів режим антизбігів корельований (режим збігів) зовнішній на 1 детектор (режим антизбігів)

Екрану немає - 50.40 19.80 8.030 582.2

10 Вікна немає 11.86 24.83 1.309 573.1

10 10 х 20 34.07 24.61 1.410 571.5

10 20 х 40 42.66 22.09 1.774 572.9

20 10 х 20 17.25 25.61 0.536 573.8

20 20 х 40 26.70 25.39 0.852 563.8

ка у-квантів у повітрі на висоті 1 м: фіксувалися енергія та напрямні косинуси у-квантів при перетині площини, паралельної до рівня земної поверхні, на цій висоті. Для кожного ізотопу формувалися подієві файли і визначалася енергія, передана у-квантами зарядженим частинкам повітря в інтервалі висот 0.5-1.5 м, яка, за визначенням, пропорційна експозиційній дозі. Таким чином, для кожного ізотопу отримана залежність між характеристиками потоку у-квантів з відомою інтегральною щільністю та експозиційноюдозою на висоті 1 м. Потім моделювалася реєстрація фонових у-квантів у детекторах. Отримані файли за допомогою спеціальної програми використовувалися для обчислення спектрів фону в ре-

Мал. 3. Спектри корельованого фону в режимі збігів без захисного екрана (1) та із захисним екраном товщиною 10 мм з вікном 10 х 20 мм (2).

жимі збігів та антизбігів. Програма враховувала вклад кожного ізотопу в дозове навантаження, підсумовувала вклади та розмивала спектри відповідно до заданого енергетичного дозволу.

В результаті моделювання для ряду параметрів розрахункової моделі, що варіюються, обчислені спектри та отримані оцінки зовнішнього фону в режимі антизбігів і корелированного фону в режимі збігів, обчислені спектри калібрувального джерела та ефективності його реєстрації в обох режимах. Отримані дані наведено у таблиці.

З отриманих даних видно, що збільшення товщини екрану та зменшення площі вікна призводять до зменшення корелюваного фону та ефективності реєстрації калібрувального джерела в режимі збігів. Проте виграш у величині корелір

Для подальшого читання статті необхідно придбати повний текст. Статті надсилаються у форматіPDFна вказану при оплаті пошту. Термін доставки становитьменше 10 хвилин. Вартість однієї статті -150 рублів.

Подібні наукові роботи на тему «Фізика»

ГАРАНІН В.Г., ЛАБУСОВ В.А., ШЕЛПАКОВА І.Р. - 2012 р.

ERONEN T., HUOVELIN J., KETTUNEN H., LEHTI J., PELTONEN J., VALTONEN E., VIRTANEN A., БОРОДЕНКО Ю. А., ГРИНЬОВ Б. В., ДИДЕНКО О. В., ДУДНИК О. В. ., ЗАСЛАВСЬКИЙ Б. Г., КУДІН О. М. - 2010 р.

АМЕЛЬЧАКОВ М. Б., АМПІЛОГІВ Н. В., БРИТВИЧ Г. І., БРУДАНІН В. Б., НІМЧЕНОК І. Б., ПЕТРУХІН А. А., САЛАМАТІН А. В., СОЛДАТОВ А. П.,ЧЕРНИЧЕНКО С. К., ШЕЇН І. В., ЯШИН І. І. - 2009 р.

ГАСАНОВ А. А., КЛАСЕН Н. В., ОРЛОВ А. Д., СИМУТІН А. С., ЧЕРНІВ М. Ю., ШМУРАК С. З. — 2013 р.