Учреждение образования
«Международный государственный экологический университет
имени А.Д.Сахарова»
Кафедра ядерной и радиационной безопасности
«Измерение характеристик ионизирующего излучения»
Лабораторный практикум
Сцинтилляционный бета-спектрометр
Лабораторная работа № 11
Минск – 2010
Цель работы: изучение устройства, принципа действия и параметров сцинтилляционного бета-спектрометра, определение функции отклика сцинтилляционного бета-спектрометра; измерение энергетического разрешения детектора; его эффективности и чувствительности.
Основные положения
Сцинтилляционный бета-спектрометр выполнен на базе гамм-бета-спектрометра МКС-АТ1315. Гамма-бета-спектрометр МКС-АТ1315 представляет собой комбинированное двухдетекторное спектрометрическое и радиометрическое средство измерения смешанного гамма-бета-излучения.
В качестве детектора бета-излучения используется сцинтилляционный блок детектирования бета-излучения (БДБ) с пластмассовым сцинтиллятором 128х8 мм. В состав спектрометра входит персональный компьютер со встроенными блоками обработки информации и питания.
Спектрометр предназначен для качественного и количественного гамма-бета- анализа проб объектов окружающей среды различной консистенции (продуктов питания, питьевой воды, сельскохозяйственной продукции и сырья и др.) на содержание гамма-бета-излучающих радионуклидов.
В качестве измерительных кювет используются:
сосуд Маринеллимкостью1,0 л,
плоский сосуд емкостью 0,5 л,
плоский сосуд типа "Дента" емкостью 0,2 л.
Накопленная информация о спектре бета-излучения пробы выводится на монитор ПК и обрабатывается средствами программного обеспечения.
Технические характеристики:
Спектрометр обеспечивает учет плотности пробы в диапазоне 0,2…1,6 г/см3 .
Номинальная градуировочная характеристика преобразования спектрометра соответствует значениям, приведенным в таблице 1.
Таблица 1
|
|
Радионуклид (энергия) |
Положение центра пика конверсионных электронов, номер канала |
137Cs (Ек = 624 кэВ) |
140…170 |
|
Положение границы бета-спектра, номер канала |
14С (Егр = 156, 5 кэВ) |
30…45 |
90Sr +90Y (Егр = 2274 кэВ (90Y)) |
550…700 |
106Ru+106Rh (Eгр = 3540 кэВ (106Rh)) |
840…1020 |
Состав бета-спектрометра:
Блок детектирования бета-излучения.
Блок защиты.
Блок обработки информации (установлен в ПК).
Блок питания (установлен в ПК).
Персональный компьютер.
Набор измерительных кювет
Принцип действия спектрометра
Принцип действия спектрометра основан на накоплении и обработке амплитудных спектров импульсов, поступающих от БДБ. Амплитуда импульсов, пропорциональная энергии гамма-бета-излучения, преобразуется в цифровой код, который хранится в запоминающем устройстве (ЗУ) БОИ. Информация из ЗУ в реальном масштабе времени считывается ПК и после обработки выводится на монитор.
БП обеспечивает питание БДБ. Величина, время нарастания и спада высокого напряжения задаются программно.
Структурная схема спектрометра в данном режиме представлена на рисунке.1.
Рис. 1. Структурная схема спектрометра
Управление работой спектрометра и обработка спектров осуществляется ПК.
В комплекте спектрометра поставляется программное обеспечение на стандартной магнитной дискете диаметром 3,5 дюйма.
Программное обеспечение позволяет осуществлять :
а) управление режимами работы спектрометра;
б) визуализацию накопления и обработку спектрометрической информации, включая идентификацию радионуклидов и расчет активности в автоматическом и ручном режимах;
в) операции со спектрами (сложение, вычитание, интегрирование, изменение масштаба, сглаживание, логарифмирование и т.п.);
г) редактирование библиотек радионуклидов;
д) хранение и документирование данных.
Спектрометр представляет собой стационарную конструкцию и построен по блочно-модульному принципу. Спектрометр состоит из:
БДГ, размещаемого в БЗ;
БДБ, размещаемого в крышке БЗ;
БОИ и БП , устанавливаемых в ПК.
Блок детектирования. БДБ состоит из органического детектора на основе полистирола, активированного паратерфенилом, размерами 128 х 8 мм и электронной части, включающей ФЭУ, усилитель, светодиод и селектор. Общий вид БДБ приведен на рис. 2.
Детектор преобразует энергию бета-излучения в световые импульсы. ФЭУ производит преобразование световых импульсов в импульсы тока, амплитуда которых пропорциональна энергии бета-излучения.
Усилитель преобразует импульсы тока от ФЭУ в импульсы напряжения нормированной длительности, а также осуществляет аналоговое суммирование с сигналами, поступающими с БДГ. В усилителе происходит электронная подстройка коэффициента усиления с помощью управляющего сигнала, поступающего со схемы светодиодной стабилизации,
1 - светозащитная пленка, 2 - детектор, 3 - ФЭУ, 4 - корпус, 5 - делитель, 6 - корпус усилителя, 7 - заводской номер, 8 - клемма заземления. |
Рис. 2. Общий вид БДБ
вырабатываются логические сигналы, которые соответствуют аналоговым сигналам с бета или гамма-каналов, и поступают в селектор.
Селектор вырабатывает сигналы "признак " и "фронт", а также обеспечивает работу схемы светодиодной стабилизации. Сигнал "признак " (с инверсией) соответствует наличию сигнала по бета-каналу, что позволяет использовать один АЦП для одновременного измерения бета и гамма-спектров. Появление сигнала "фронт" во время цикла измерения сигнализирует о наличии наложений импульсов в аналоговом тракте и запись информации не производится.
Подготовка пробы к измерениям. Подготовка проб к измерениям включает в себя обработку проб и размещение ее в предварительно выбранной измерительной кювете.
Твердые продукты необходимо измельчить и уплотнить. Жидкие и сыпучие пробы тщательно перемешать, чтобы обеспечить равномерное распределение радионуклида по объему пробы.
Отобранные для анализа пищевые продукты предварительно подвергнуть обычной обработке, осуществляемой на первом этапе приготовления пищи, для удаления возможного поверхностного радиоактивного загрязнения.
В качестве измерительных кювет используются штатные сосуды и сосуд типа "Дента" (например, пластмассовая упаковка для зубного порошка). При выборе сосуда необходимо учесть:
реальный объем предъявленной для анализа пробы;
ожидаемый уровень радиоактивной загрязненности;
время и погрешность измерения.
При малой предполагаемой активности пробы следует использовать по возможности сосуд большего объема. Проба должна помещаться в радиационно-чистый измерительный сосуд. Заполнение сосуда до нужного объема проводить, используя выполненную на поверхности сосуда метку или мерный сосуд. Объем заполнения сосуда должен соответствовать номинальному значению с минимальной погрешностью. Масса пробы определяется взвешиванием до и после заполнения сосуда с погрешностью не более ±2 %.
Сцинтилляционная бета-спектрометрия. Определение максимальной энергии бета-спектра может производится в дифференциальном или интегральном режиме как тонких, так и толстых источников. Бета-спектрометры позволяют достаточно точно определять максимальную энергию бета-спектра с препаратом сравнительно небольшой активности.
Интегральный метод бета-спектрометрии основан на том факте, что зависимость числа отсчетов от положения порога интегрального дискриминатора при измерении бета-излучателя с простой схемой распада на сцинтилляционном спектрометре в основной своей части представляет прямую линию. Если эту прямолинейную часть продлить, то она пересечет ось абсцисс в точке, которая характеризует максимальную энергию излучения. Положение точки пересечения мало зависит от обратного отражения, толщины препарата, расстояния источник-детектор. Удобство интегрального метода заключается в возможности использования для определений не только сухих препаратов, но и растворов.
В случае смеси двух бета-излучателей кривая зависимости числа отсчетов от уровня дискриминации сначала криволинейна и переходит в прямую линию, когда мягкий компонент полностью дискриминируется. Экстраполируя прямую до оси ординат и вычитая ее из общей кривой, получают кривую для мягкого компонента.
С тонким источником дифференциальный метод дает непосредственно спектр бета-излучения с его характерной формой (рис. 3).
N
200
600 1000 1400 E,
кэВ
Рис. 3. Бета – спектр 40К
Однако при использовании метода встречается и ряд специфических трудностей, которые обусловлены искажениями формы бета-спектра под действием некоторых факторов. Чаще всего сильное искажение спектра происходит вследствие рассеяния бета-частиц в препарате и отражения от подложки, а также обратное рассеяние от сцинтиллятора.
На рисунке 4 приведен спектр электронов внутренней конверсии при распаде 207Bi.
n – номер канала
Рис. 4. Спектр электронов внутренней конверсии