26. Гаммаспектрометрические методы

Реализация радиационного экологического мониторинга предъявляет жесткие требования к методам анализа и спектрометрической аппаратуре для определения радионуклидного состава и измерений активности в объектах окружающей среды: необходимость обеспечить большой объем измерений и определенную точность и достоверность. Удельная активность радионуклидов в объектах окружающей среды очень мала: не превышает 10^–10-10^–12 Ки/кг, а в фоновых пробах еще меньше.

Существует несколько методов измерения энергетического распределения фотонного излучения. Наиболее распространены-сцинтилляционный и ионизационный методы.

Материал сцинтилляционного детектора в спектрометрии - кристаллы йодистого натрия, активированного таллием Naј(Tl), йодистого цезия, активированного таллием Csј(Tl) , а также пластические сцинтилляторы.

Детекторы из Naј(Tl) имеют высокую эффективность к излучению из-за возможности выращивания кристаллов больших размеров. В практике используются сцинтилляторы размером от 6363 до 150300 мм с колодцами и без них. Применение колодцев в сцинтилляторе позволяет увеличить эффективность регистрации излучения почти до 100%.

Детекторы, выполненные из кристаллов Csј(Tl), используются реже из-за более низкого разрешения, чем у кристаллов Naј(Tl).

Пластические сцинтилляторы имеют очень низкое энергетическое разрешение и почти не разделяют гамма-кванты по их энергии. Они дают возможность создавать очень большие по объему (до 1 м3) детекторы.

Ионизационный метод основан на измерении степени ионизации, возникающей в чувствительной области детектора при взаимодействии с ним излучения. В спектрометрии при использовании этого метода применяют полупроводниковый детектор (ППД)-полупроводниковый диод, на который прикладывается обратное напряжение. Чувствительная область ППД — высокоомный слой полупроводника, в котором происходит взаимодействие излучения и чувствительного объема этого детектора. Материалом для ППД служит Ge (германий).

Высокий уровень шумов в германиевых детекторах позволяет использовать их только при низких температурах (температура жидкого азота).

Площадь фотопика — показатель количества событий взаимодействий гамма-квантов с веществом детектора — пропорциональна активности радионуклида. Гамма-спектрометрические детекторы характеризуются параметрами: энергетическим разрешением, эффективностью регистрации, максимальной входной загрузкой.

Энергетическое разрешение сцинтилляционных спектрометров определяется статистическими флюктуациями процессов возбуждения света в сцинтилляторе, фокусировкой света на фотокатод, выходом электронов из фотокатода, собиранием фотоэлектронов на первом диноде ФЭУ, коэффициентом размножения в системе динодов и шумами электронной аппаратуры.

Эффективность регистрации — это отношение количества зарегистрированных гамма-квантов к активности источника в единицу времени.

Максимальная входная загрузка — зависимость изменения формы аппаратурного спектра при увеличении потока квантов.

Если сравнивать ППД и сцинтилляционный детектор по их техническим характеристикам ( по энергетическому разрешению и эффективности), то можно отметить, что за счет различных физических процессов в детекторах разрешение ППД на два порядка выше, чем в сцинтилляционных детекторах; эффективность регистрации сцинтилляционного детектора гораздо выше, чем у ППД. При регистрации фотопиков с близкими энергиями улучшение разрешения в 2 раза приводит к увеличению фотоэффективности в 8 раз. Сцинтилляционные детекторы из-за возможности получения кристаллов большого объема нашли применение в построении специальных гамма-спектрометров со схемами антисовпадений(сущность - основной детектор-анализатор, облучаемый исследуемым источником гамма-излучения, максимально возможно окружают дополнительным защитным детектором, который выполняют на основе детектора Naј(Tl) большого объема). Назначение защитного детектора -он регистрирует гамма-кванты, которые подверглись в детекторе-анализаторе комптоновскому рассеянию. Сигналы от защитного детектора закрывают вход многоканального анализатора для импульсов, одновременно зарегистрированных в основном детекторе-анализаторе.

Минимально детектируемая активность (МДА)-это основная характеристика для спектрометрических и радиометрических установок. Её величина определяет чувствительность анализа. Значение МДА зависит от типа детектора, эффективности регистрации гамма-квантов, времени измерения пробы, относительной погрешности измерения. Для гамма- и рентгеновских спектрометров используют полупроводниковые детекторы большого объема из особо чистого Ge - с максимальной чувствительностью анализирут всю энергетическую шкалу гамма-квантов.

Для проб с низким содержанием радиоактивности основ ным источником погрешностей служат статистические флюктуации. Сверхнизкие концентрации радионуклидов в пробах окружающей среды определяют после концентрирования или радиохимического выделения.

Сцинтилляционный метод позволяет измерять активность радионуклидов в пробах с основной относительной погрешностью в диапазоне 10...50%.

Методика рассчитана на равномерное распределение радионуклида по объему пробы, поэтому она должна быть тщательно перемешана и измельчена. При измерении удельной активности продуктов питания их подвергают очистке или мытью, как на первом этапе приготовления пищи, для удаления возможного поверхностного загрязнения.

При выборе измерительной кюветы нужно учитывать объем подготовленной на анализ пробы, ожидаемый уровень радиоактивного загрязнения, время и погрешность измерения. Объем заполнения должен соответствовать номинальному значению кюветы с погрешностью не более 10%. Массу пробы определяют взвешиванием до и после заполнения кюветы с погрешностью не более 2%. Для регистрации гамма-излучения от счетного образца используется гамма-спектрометрический тракт со сцинтилляционным блоком детектирования (СБД), который включает в себя сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель с делителем высокого напряжения и спектрометрический усилитель импульсов. СБД располагается в свинцовом защитном экране. Для проведения калибровки спектрометра по энергии и контроля за сохранностью параметров установки используют комбинированный источник ¹³⁷Cs + ⁴⁰K, который входит в состав спектрометра.

С целью преобразования аналогового спектрометрического сигнала, поступающего с выхода детектора, в цифровой применяют амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП). Управление работой АЦП осуществляется при помощи специальных программ, входящих в состав программного пакета «Прогресс». Обработку спектров, расчет активности и погрешности производят на ПЭВМ с использованием программного пакета «Прогресс». Перед вводом в эксплуатацию гамма-спектрометрического тракта проводят его метрологическую аттестацию, основными характеристиками которой являются: энергетический диапазон, чувствительность для каждого из измеряемых радионуклидов, зависимость чувствительности и эффективности регистрации гамма-квантов от энергии, минимально измеряемая активность и контрольная скорость счета от калибровочного источника в определенном энергетическом интервале. Значения чувствительности заносятся в программу матричной обработки в виде матрицы.