- •Глава 1
- •1.2 Характеристики ядерного распада
- •1.2.1 Процессы ядерного распада. Общие сведения
- •1.2.2 Альфа-распад
- •1.2.3 Бета-распад
- •1.3 Образование рентгеновского излучения
- •1.3.1 Модель атома Бора
- •1.3.2 Процессы образования рентгеновского излучения
- •1.4.1 Типичные спектры
- •1.4.2 Основные характеристики гамма-излучения, используемые для анализа ядерных материалов
- •1.4.3 Гамма-излучение продуктов деления
- •1.4.4 Радиационный фон
- •1.5.1 Тормозное излучение
- •Глава 2
- •2.1 Введение
- •2.2 Экспоненциальное ослабление
- •2.2.1 Основной закон ослабления гамма-излучения
- •2.2.2 Массовый коэффициент ослабления
- •2.3 Процессы взаимодействия
- •2.3.1 Фотоэлектрическое поглощение
- •2.3.2 Комптоновское рассеяние
- •2.3.3 Образование пар
- •2.3.4 Полный массовый коэффициент ослабления
- •2.4 Фильтры
- •2.5 Защита
- •Глава 3
- •3.1 Введение
- •3.2 Типы детекторов
- •3.2.1 Газонаполненные детекторы
- •3.2.2 Сцинтилляционные детекторы
- •3.2.3 Твердотельные детекторы
- •3.3 Характеристики регистрируемых спектров
- •3.3.1 Общий отклик детектора
- •3.3.2 Спектральные характеристики
- •3.3.3 Разрешение детектора
- •3.3.4 Эффективность детектора
- •3.4 Выбор детектора
- •Глава 4
- •4.1 Введение
- •4.2 Выбор детектора
- •4.3 Высоковольтные источники напряжения смещения
- •4.4 Предусилитель
- •4.5 Усилитель
- •4.5.1 Схема "полюс-ноль"
- •4.5.2 Цепь восстановления базового уровня
- •4.5.3 Цепь режекции наложений
- •4.5.4 Усовершенствование схемы усилителей
- •4.6 Одноканальный анализатор
- •4.8 Многоканальный анализатор
- •4.8.1 Аналого-цифровой преобразователь
- •4.8.2 Стабилизаторы спектра
- •4.8.3 Память многоканального анализатора, дисплей и анализ данных
- •4.9 Вспомогательное электронное оборудование
- •4.10 Заключительные замечания
- •Глава 5
- •5.1 Энергетическая градуировка и определение положения пика
- •5.1.1 Введение
- •5.1.2 Линейная энергетическая градуировка
- •5.1.3 Определение положения пика (центроиды)
- •5.1.4 Визуальное определение положения пика
- •5.1.5 Графическое определение положения пика
- •5.1.6 Определение положения пика методом первых моментов
- •5.1.7 Определение положения пика с помощью метода пяти каналов
- •5.1.8 Определение положения пика с помощью подгонки линеаризованной функцией Гаусса
- •5.1.9 Определение положения пика с использованием подгонки параболаризованной функцией Гаусса
- •5.1.10 Определение положения пика с помощью сложных программ подгонки спектра
- •5.2 Измерения разрешения детектора
- •5.2.1 Введение
- •5.2.3 Графическое определение ширины пика
- •5.2.4 Определение ширины пика с помощью аналитической интерполяции
- •5.2.5 Определение ширины пика с помощью метода вторых моментов
- •5.2.6 Определение ширины пика с помощью подгонки линеаризованной функцией Гаусса
- •5.2.7 Определение ширины пика с помощью подгонки параболаризованной функцией Гаусса
- •5.3 Определение площади пика полного поглощения
- •5.3.1 Введение
- •5.3.2 Выбор рассматриваемых областей
- •5.3.3 Вычитание линейного комптоновского фона
- •5.3.4 Вычитание сглаженной ступеньки комптоновского фона
- •5.3.5 Вычитание комптоновского фона при использовании единственной рассматриваемой области фона
- •5.3.6 Вычитание комптоновского фона с помощью процедуры двух стандартных образцов
- •5.3.7 Использование сумм числа отсчетов в рассматриваемых областях для измерения площадей пиков
- •5.3.8 Использование простых подгонок функцией Гаусса для измерения площади пика
- •5.3.9 Использование известных параметров формы для измерения площадей пиков в мультиплетах
- •5.3.10 Использование сложных вычислительных программ для измерения площади пика
- •5.4.1 Введение
- •5.4.2 Зависимость просчетов от входной загрузки
- •5.4.3 Пропускная способность спектрометрических систем
- •5.4.4 Методы введения поправок. Общие замечания
- •5.4.6 Введение поправок на мертвое время и наложения импульсов с помощью генератора импульсов
- •5.4.7 Метод образцового источника для введения поправок на мертвое время и наложения
- •5.5 Эффекты закона обратного квадрата
- •5.6 Измерения эффективности детектора
- •5.6.1 Абсолютная эффективность регистрации пика полного поглощения
- •5.6.2 Собственная эффективность регистрации пика полного поглощения энергии
- •5.6.3 Относительная эффективность
- •5.6.5 Эффективность в зависимости от энергии и положения
- •Глава 6
- •6.1 Введение
- •6.2 Процедуры
- •6.2.1 Предварительные замечания
- •6.2.2 Общее описание процедуры анализа
- •6.2.3 Необходимые требования при определении коэффициента поправки на самоослабление
- •6.2.4 Методы определения линейного коэффициента ослабления образца
- •6.3 Формальное определение коэффициента поправки на самоослабление
- •6.3.1 Общее определение
- •6.3.2 Удобные типовые формы образцов
- •6.4 Основные параметры коэффициента поправки на самоослабление
- •6.5 Аналитические зависимости для коэффициента поправки на самоослабление в дальней геометрии
- •6.5.1 Образцы в форме пластины
- •6.5.2 Цилиндрические образцы
- •6.5.3 Образцы сферической формы
- •6.6 Численные расчеты для ближней геометрии
- •6.6.1 Общие положения
- •6.6.2 Одномерная модель
- •6.6.3 Двухмерная модель
- •6.6.4 Трехмерная модель
- •6.6.5 Приближенные формулы и интерполяция
- •6.6.6 Влияние абсолютной и относительной погрешностей при расчете коэффициента поправки на самоослабление
- •6.6.7 Точность определения коэффициента поправки на самоослабление и полной скорректированной скорости счета
- •6.9 Примеры анализа
- •6.9.2 Интерполяция и экстраполяция коэффициента пропускания излучения
- •6.9.4 Анализ раствора плутония-239 в ближней геометрии
- •6.9.5 Сегментное сканирование с поправкой на пропускание излучения
- •7.3.2 Двухкомпонентная задача (уран и материал матрицы)
- •7.4 Методики анализа по отношению пиков
- •7.6 Измерения обогащения по нейтронному излучению
- •7.7 Поправки на ослабление в стенках контейнера
- •7.7.1 Прямое измерение толщины стенки
- •7.8.1 Измерение концентрации
- •7.8.2 Соотношение компонентов в смешанном оксидном топливе
- •8.2 Основные сведения
- •8.2.1 Характеристики распада изотопов плутония
- •8.2.2 Характеристики распада изотопа 241Pu
- •8.2.3 Определение концентрации изотопа 242Pu
- •8.2.4 Спектральная интерференция
- •8.2.5 Практическое применение измерений изотопного состава плутония
- •8.3 Спектральные области, используемые для изотопных измерений
- •8.3.1 Область энергии 40 кэВ
- •8.3.2 Область энергии 100 кэВ
- •8.3.3 Область энергии 125 кэВ
- •8.3.4 Область энергии 148 кэВ
- •8.3.5 Область энергии 160 кэВ
- •8.3.6 Область энергии 208 кэВ
- •8.3.7 Область энергии 332 кэВ
- •8.3.8 Область энергии 375 кэВ
- •8.3.9 Область энергии 640 кэВ
- •8.4 Основы измерений
- •8.4.1 Измерение изотопных отношений
- •8.4.2 Измерение абсолютной массы изотопа
- •8.4.3 Изотопная корреляция 242Pu
- •8.5 Получение данных
- •8.5.1 Электроника
- •8.5.2 Детекторы
- •8.5.3 Фильтры
- •8.5.4 Скорость счета и геометрия образец/детектор
- •8.5.5 Время измерения
- •8.6.1 Суммирование по рассматриваемой области
- •8.6.2 Подгонка пика
- •8.6.3 Анализ по функции соответствия
- •8.7 Приборное оснащение
- •8.7.1 Компания Рокуэлл-Хэнфорд
- •8.7.2 Лос-Аламосская национальная лаборатория
- •8.7.3 Установка Маундской лаборатории
- •8.7.5 Обзор погрешностей измерений
- •Глава 9
- •9.1 Введение
- •9.2 Моноэнергетическая плотнометрия
- •9.2.1 Измерение концентрации и толщины
- •9.2.2 Точность измерений
- •9.3 Многоэнергетическая плотнометрия
- •9.3.1 Анализ двухэнергетического случая
- •9.3.2 Точность измерения
- •9.3.3 Распространение на случай большего числа значений энергий
- •9.4 Плотнометрия по краю поглощения
- •9.4.1 Описание методики измерений
- •9.4.2 Точность измерения
- •9.4.3 Чувствительность измерения
- •9.4.4 Эффекты матрицы
- •9.4.5 Выбор методики измерений
- •9.4.6 Источники излучения
- •9.5 Моноэнергетические плотномеры
- •9.6 Двухэнергетические плотномеры
- •9.7 Плотномеры по краю поглощения
- •Глава 10
- •10.1 Введение
- •10.2 Теория
- •10.2.1 Образование рентгеновского излучения
- •10.2.2 Выход флюоресценции
- •10.2.3 Пропускание фотонов
- •10.2.4 Геометрия измерений
- •10.3 Типы источников
- •10.4 Поправка на ослабление в образце
- •10.4.1 Эффекты ослабления в образце
- •10.4.2 Основное уравнение анализа
- •10.4.3 Методы поправки на ослабление
- •10.5 Области применения и аппаратура
- •Глава 11
- •11.1 Введение
- •11.2 Спонтанное и вынужденное деление ядер
- •11.3 Нейтроны и гамма-кванты деления
- •11.5 Нейтроны других ядерных реакций
- •11.6 Изотопные нейтронные источники
- •11.7 Выводы
- •Глава 12
- •12.1 Введение
- •12.2 Микроскопические взаимодействия
- •12.2.1 Понятие сечения взаимодействия
- •12.2.2 Соотношение энергия-скорость для нейтронов
- •12.2.3 Типы взаимодействий
- •12.2.4 Зависимость сечения взаимодействия от энергии
- •12.3 Макроскопические взаимодействия
- •12.3.1 Макроскопические сечения
- •12.3.2 Длина свободного пробега и скорость реакции
- •12.4 Эффекты замедления в большом объеме вещества
- •12.5 Эффекты размножения в массивных образцах вещества
- •12.6 Защита от нейтронов
- •12.7 Методы расчета переноса нейтронов
- •12.7.1 Метод Монте-Карло
- •12.7.2 Метод дискретных ординат
- •Глава 13
- •13.1 Механизмы регистрации нейтронов
- •13.2 Основные свойства газонаполненных детекторов
- •13.4 Газонаполненные детекторы
- •13.4.3 Камеры деления
- •13.4.4 Детекторы с покрытием из 10B
- •13.5 Пластмассовые и жидкие сцинтилляторы
- •13.5.1 Введение
- •13.5.3 Дискриминация по форме импульса
- •13.6 Другие типы детекторов нейтронов
- •13.7 Измерение энергетических спектров нейтронов
- •13.7.1 Введение
- •13.7.2 Методы измерений
- •Глава 14
- •14.1 Введение
- •14.1.1 Теория регистрации полного потока нейтронов
- •14.1.2 Сравнение методов регистрации полного потока нейтронов и нейтронных совпадений
- •14.2 Источники образования первичных нейтронов
- •14.2.1 Соединения плутония
- •14.2.2 Соединения урана
- •14.2.3 Примеси
- •14.2.4 Эффекты влияния энергетического спектра нейтронов
- •14.2.5 Эффекты тонкой мишени
- •14.3 Перенос нейтронов в образце
- •14.3.1 Умножение нейтронов утечки
- •14.3.2 Спектр нейтронов утечки
- •14.4 Эффективность регистрации нейтронов
- •14.4.1 Расположение гелиевых счетчиков в замедлителе
- •14.4.2 Конструкция замедлителя
- •14.4.3 Влияние энергетического спектра нейтронов
Глава 5
Основные вопросы пассивного анализа гамма-излучения
Дж. Л. Паркер (Переводчик В.В. Свиридова)
В этой главе рассматриваются основные вопросы, относящиеся к методикам анализа гамма-излучения, представленным в главах с 7-й по 10-ю включительно. Для получения оптимальных результатов по какой-либо методике анализа пользователю необходимо разобраться в ряде вопросов, которые в первую очередь включают:
λэнергетическую градуировку и определение положения пик а;
λизмерения энергетического разрешения;
λопределение площади пика полного поглощения;
λпоправки на наложение импульсов и просчеты;
λэффекты закона обратных квадратов;
λизмерения эффективности детектора.
5.1ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ГРАДУИРОВКА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПИКА
5.1.1Введение
Энергетическая градуировка гамма-спектрометрической системы позволяет получить соотношение между энергией, потерянной гамма-излучением в детекторе, и амплитудой соответствующего выходного импульса усилителя. Амплитуда импульса измеряется либо аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) многоканального анализатора (МКА), либо одним или несколькими одноканальными анализаторами (ОКА). Энергетическая градуировка используется для определения ширины и положения рассматриваемых областей (PO), для определения разрешения и значений энергий любых неидентифицированных гам- ма-квантов.
Энергетическая градуировка хорошей спектрометрической системы приблизительно линейна:
E = mx + b, |
(5.1) |
где E — энергия, потерянная в детекторе; m — наклон;
x — амплитуда выходного импульса;
b — пересечение (смещение энергетической шкалы).
96 |
Дж. Паркер |
Предположение линейности обычно является достаточным для методик неразрушающего анализа (НРА). Однако не существует абсолютно линейных систем, каждая имеет небольшую, но измеримую нелинейность. Когда необходимо получить более точное соотношение, используются полиномы более высоких порядков. Значения энергии гамма-квантов могут определяться с погрешностью от 0,01 до 0,05 кэВ при использовании нелинейной характеристики градуировки и нескольких стандартных источников гамма-излучения с энергиями, известными с погрешностью менее 0,001 кэВ.
Для детекторов низкого разрешения (например, сцинтилляторов NaI(Tl)) часто используют уравнение (5.1) с нулевым значением пересечения (b = 0). Обычно линейная аппроксимация является приемлемой даже для задач НРА высокого разрешения. Для хорошего германиевого детектора линейная градуировка будет определять энергию пиков с погрешностью до десятой доли кэВ, что отвеча- ет требованиям определения присутствия изотопа в исследуемом образце. Для большинства изотопов, представляющих интерес для НРА, гамма-спектр настолько специфичен, что для идентификации присутствия изотопов опытному специалисту достаточно визуального просмотра спектра на дисплее МКА. На рис. 5.1 показан характерный спектр плутония низкого выгорания, а на рис. 5.2 представлен характерный спектр урана природного обогащения (0,7 % 235U).
Процедура градуировки включает определение положений пиков известной энергии в каналах и подгонку этих значений к градуировочной функции. Часто для определения энергетической градуировки могут использоваться гамма-кван- ты от измеряемых образцов ядерных материалов. На рис. 5.1 показано, что спектры плутония имеют свободные от интерференции пики при следующих значениях энергий: 59,54; 129,29; 148,57; 164,57; 208,00; 267,54; 345,01; 375,04 и 413,71 кэВ. Подобные внутренние градуировки возможны для многих нук лидов [1, 2].
Когда измеряемые ядерные материалы не могут обеспечить требуемую внутреннюю градуировку, используются стандарты изотопов, которые испускают гамма-кванты известных энергий. В табл. 5.1 приведен список наиболее часто используемых изотопов, а также значения их периодов полураспада и энергий их основных излучений [3]. Большинство приведенных в списке изотопов испускают только несколько гамма-линий и применимы для детекторов как низкого, так и высокого разрешения. Все изотопы, приведенные в таблице, могут быть приобретены у коммерческих поставщиков. Закрытые источники обычно содержат единственный изотоп и производятся в широком диапазоне форм и размеров. Активности источников от 0,1 до 100 мкКи обычно отвечают требованиям энергети- ческой градуировки. У большинства поставщиков можно приобрести удобные наборы, содержащие от шести до восьми источников отдельных изотопов. Эти источники используются для настройки, тестирования и контроля многих эксплуатационных характеристик спектрометрических систем. Наборы источников полезны для выполнения энергетической градуировки, проверки разрешения и измерения эффективности детектора, регулировки схемы «полюс-ноль» и поправки потерь из-за высокой загрузки.
Ðèñ. 5.1. Спектр плутония низкого выгорания, измеренный с помощью детектора высокого разрешения. Обозначенные на рисунке пики используются при энергетической градуировке спектра плутония. Для получения значения энергии в килоэлектронвольтах следует номер канала разделить на 10 и прибавить 20
излучения-гамма анализа пассивного вопросы Основные .5 Глава
97
98
Ðèñ. 5.2. Спектр урана природного обогащения (0,7% 235U), измеренный с помощью детектора высокого разрешения. Для получения значения энергии в килоэлектронвольтах следует номер канала разделить на 4
Паркер .Дж
Глава 5. Основные вопросы пассивного анализа гамма-излучения |
99 |
Таблица 5.1 — Периоды полураспада и энергии основных излучений для отдельных изотопов*
Нуклиды |
T1/2 |
Энергия, кэВ |
Примечания |
241Am |
433 ã. |
59,54 |
Существует много других гамма-ли- |
|
|
|
ний, но более слабых — в 104 и более |
|
|
|
ðàç |
137Cs |
29,9 ã. |
661,64 |
Другим излучением являются |
|
|
|
K-линии рентгеновского излучения |
|
|
|
îò Ba |
133Ba |
10,9 ã. |
81,0; 276,40; 302,85; |
Существует несколько других, но |
|
|
356,00; 383,85 |
намного более слабых гамма-линий |
60Co |
5,3 ã. |
1173,23; 1332,51 |
|
22Na |
2,8 ã. |
511,01 |
Аннигиляционное излучение |
|
|
1274,51 |
|
55Fe |
2,7 ã. |
Рентгеновские лучи |
Часто используют для градуировки |
|
|
K-серии от Mn 5,9; 6,5 |
в области низких энергий |
109Cd |
1,2 ã. |
88,04 |
K-линии рентгеновского излучения |
|
|
|
Ag с энергией 22,16 и 24,9 кэВ |
54Mn |
312 ñóò |
834,8 |
65Zn |
244 ñóò |
511,01 |
|
|
1115,5 |
57Co |
271 ñóò |
122,06; 136,47 |
75Se |
120 ñóò |
121,12; 136,00; 264,65; |
|
|
279,53; 400,65 |
Моноэнергетический источник Аннигиляционное излучение
Существуют две другие гамма-ли- нии более высокой энергии, но зна- чительно более слабые
Существует несколько других, но значительно более слабых гаммалиний
* Представлены в порядке уменьшения периода полураспада. Все приведенные изотопы можно использовать, по крайней мере, в течение 1 года, так как их периоды полураспада больше 100 дней.
Существуют также стандартные источники гамма-излучения с несколькими изотопами в одной капсуле. Эти многоэнергетические источники используются для определения характеристики энергетической градуировки и характеристики эффективности детекторов высокого разрешения. Источник SRM-4275 Национального бюро стандартов (NBS) содержит 125Sb (период полураспада 2,75 г.), 154Eu (период полураспада 8,49 г.) и 155Eu (период полураспада 4,73 г.) и излучает 18 хорошо разрешенных гамма-линий со значениями энергий, находящимися в интервале между 27 и 1275 кэВ. Интенсивности всех 18 аттестованных гамма-ли- ний хорошо известны с погрешностью менее 1 %.