Бушуев Методы измерения ядерных материалов 2007

Метод

измерения

Аттестационные

измерения

Рис. 2.2. Схема контроля качества измерений

Повторяемость определяется дисперсией результатов, полученных одним оператором при измерениях одного образца в одинаковых условиях. Воспроизводимость определяется дисперсией результатов измерений одного образца, проведенных несколькими операторами в течение нескольких дней в разных условиях.

Точность измерений характеризует качество измерений и отражает близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность соответствует малым погрешностям всех видов, как систематическим, так и случайным. Систематическая погрешность есть средняя разность между измеренными значениями и истинным значением. Случайная погрешность характеризуется средним квадратичным отклонением (СКО) результатов измерений с указанием числа независимых наблюдений.

Правильность анализа характеризует полноту исключения систематических погрешностей.

Чувствительность – способность того или иного метода обнаружить с заданной вероятностью разницу между очень близкими величинами.

Метрология есть наука об измерениях, методах достижения их единства и требуемой точности [2.4]. Под единством измерений

32

понимают такое состояние измерений, при котором их результаты выражаются в принятых единицах и согласуются между собой на уровне требуемой точности определения этих величин. При этом обеспечивается достоверность (правильность) измерений и их единообразие.

2.3. Стандартные образцы (СО)

Для калибровки приборов и методов, применяемых для НРА, требуются СО [2.5, 2.6]. Подготовка СО зависит от метода, который выбран для измерения. Точность определения материального баланса прямо зависит от качества СО, использованных для калибровки. Система учета и контроля, не опирающаяся на точные и документированные СО, является системой с потенциально высокими систематическими ошибками. Неточность калибровки образует систематическую компоненту полной погрешности анализов. Качество любого результата анализа зависит от качества калибровки, которое определяется качеством СО. Все методы анализа должны калиброваться и контролироваться с помощью первичных или вторичных СО.

С помощью калибровочных измерений с СО устанавливают зависимость между показанием контрольного прибора и массой ЯМ в образце (или соотношением между отдельными нуклидами в образце). СО используют также для проведения испытаний, проверки или нормировки показаний измерительных приборов и систем.

Считается, что физические характеристики СО известны в абсолютных значениях благодаря особым способам их изготовления, анализа, документирования и контроля. «Истинные» значения параметров СО обычно определяют с помощью разрушающих анализов (РА), они не должны содержать значительных систематических погрешностей. Подготовка СО является дорогим и длительным процессом. Правильно понимая принципы, на которых основаны методы НРА, можно свести к минимуму число требуемых наборов СО.

Если метод НРА предполагает линейную связь между показаниями приборов и содержанием ЯМ в образце, то требуется небольшое число СО (3–5) для калибровки. При этом редко применяют СО с малой массой, поскольку статистика счета в этих случа-

33

ях плохая. Если связь нелинейная, то необходимо иметь много СО по всему диапазону планируемых анализов для аккуратного построения калибровочной кривой.

Некоторые СО трудно изготовить и хранить. Со временем их свойства могут измениться так, что он уже не будет относиться к категории контролируемого ЯМ. По этой причине потребуется изготовить новый СО вместо старого.

После того, как набор СО изготовлен, требуется обеспечить контроль за их качеством. Установлен максимальный период (5 лет) между перепроверками СО. Для этого используют методы НРА и программы обмена образцами.

Существуют две категории СО: государственные российские СО (ГСО) и рабочие СО (РСО). Зарубежными аналогами являются:

•аттестованные справочные материалы (CRM – Certified Reference Materials) – их изготовляют из высокочистых ЯМ. Они имеют хорошую химическую стабильность. CRM аттестовывают с использованием наиболее точных измерительных методов в нескольких лабораториях. Каждый CRM снабжают сертификатом. В США аттестацию проводят в лаборатории Нью-Брансвик (NBL), в Европе – в институте справочных материалов и измерений (IRMM)

вг. Гиле, Бельгия;

•рабочие справочные материалы (WRM) – их характеристики не столь точны как CRM. СО WRM обычно изготовляют для калибровки конкретных приборов НРА на том предприятии, где они требуются.

СО CRM для конкретного применения на предприятии далеко не всегда имеются, поэтому в лаборатории или на заводе существует необходимость изготовления рабочих СО. Образцы растворов Pu всегда изготовляют на перерабатывающих заводах. Подобные СО очень трудно передавать с объекта на объект из-за ограничений, налагаемых регулирующими органами.

Российское регулирование проведения калибровок, сертификации методик, требований к стандартным образцам изложено в соответствующих документах: ГОСТ 8.315–97 «Стандартные образцы состава и свойств вещества и материалов», ГОСТ 8.563–96 «Методики выполнения измерений» и др.

34

2.4. Изготовление стандартных образцов (СО) [2.7]

По определению стандартные образцы – это «единицы, физически и химически аналогичные анализируемым единицам». Они должны выбираться так, чтобы массы содержащихся в них нуклидов охватывали ожидаемый диапазон масс анализируемых единиц.

При планировании производства СО учитывают предполагаемое назначение, выбирают подходящий ЯМ и способ его изготовления, составляют план отбора и анализа проб ЯМ, выбирают упаковку СО, метод контрольных измерений и способ статистической обработки их результатов для установления эталонных величин и их погрешностей.

Сырьем для изготовления СО может служить материал, непосредственно взятый из производственного процесса, либо материал, преобразованный в форму, подходящую для СО. Например, высокочистый металлический уран можно растворить и после добавления определенного количества примесей и тщательного перемешивания перевести в двуокись урана с конкретным набором примесей.

После приготовления сырья его нужно гомогенизировать и проанализировать с помощью разрушающих методов. Поскольку химические анализы проводят, отбирая малые пробы из партии сырья, очень важно, чтобы сырье в партии было однородным. Гомогенность партии ЯМ можно приближенно (с погрешностью 1%) определить с помощью НРА, или с погрешностью до десятых долей процента с помощью РА. Как правило, если результаты анализов 5–6 проб из одной партии статистически согласуются, то партию считают гомогенной.

Очень важно, чтобы характеристики ЯМ, подготовленных для производства СО, не изменялись в течение срока его хранения. Гигроскопические материалы (например, оксид плутония) следует прокаливать до температуры 950–1200°С, что приводит их в стабильное состояние с малой способностью поглощать влагу. СО должен быть герметизирован, чтобы предохранить его от попадания влаги и примесей.

Количество материала в СО определяют с помощью взвешивания. Используют весы, пригодные для измерений в диапазоне масс изготавливаемых СО и способные обеспечить точность результатов

35

как минимум в десять раз более высокую, чем требуется от НРА. Весы необходимо проверять с помощью сертифицированных гирь.

Рассмотрим процесс изготовления СО из оксида плутония. Сначала взвешивают пустой внутренний контейнер. Затем в контейнер помещают оксид плутония и снова взвешивают. В результате находят чистую массу материала в СО. После этого контейнер герметизируют. Обычно в качестве упаковочных материалов для СО используют алюминий и нержавеющую сталь. Для герметизации контейнеры запаковывают, а затем проверяют отсутствие утечки ЯМ.

Как только набор СО для НРА, охватывающий требуемый диапазон масс ЯМ, произведен, проводят контрольные измерения для проверки согласованности показаний отдельных СО.

Государственные российские стандартные образцы (ГСО) изотопного состава и массы плутония выпущены в 2000 г.

(см. рис.2.3). Количество ГСО в комплекте 10 штук. Изотопные составы в разных комплектах 238Pu: 239Pu:240Pu:241Pu:242Pu равны

1,82:60,47:22,20:10,59:4,84 и 0,12:97,20:2,27:0,061:0,10. Относи-

тельная погрешность определения массовой доли плутония в ГСО составляет ±0,30% при доверительной вероятности 95%. Масса плутония в отдельных ГСО от 1 г до 2,5 кг.

Изготовлены комплекты ГСО состава и массы урана. Комплект включает 8 образцов с массой от 20 г до 2000 г оксида урана с изо-

топным составом 234U:235U:236U:238U равным 1,05:87,79:0,22:10,94.

Математическое моделирование методом Монте-Карло дало возможность существенно уменьшить потребность в СО. Определив таким способом форму калибровочной кривой, можно ее отнормировать с помощью одного или нескольких СО.

Еще одна возможность уменьшить необходимое число СО – перекрестная калибровка. Основная идея перекрестной калибровки заключается в проведении тщательной градуировки одного прибора из ряда аналогичных приборов с перекрытием широкого диапазона изменений контролируемого параметра (например, массы ЯМ в образцах m). Полученные характеристики этого «справочного» прибора фиксируют и используют для интерпретации результатов измерений с другими аналогичными приборами.

36

Рис. 2.3. Схема упаковки российского плутониевого ГСО: 1 – крышка стакана; 2 – крышка ампулы; 3 – прокладка; 4 – корпус стакана; 5 – корпус ампулы; 6 – РuO2 плотностью 3,1 г/см3

При этом предполагают, что форма градуировочной кривой K = = f(m) отображает свойства всего ряда аналогичных приборов. В результате снижается потребность в СО и расход времени для градуировки всех приборов этого ряда. К тому же на многих предприятиях отсутствуют наборы подходящих СО.

В процессе перекрестной калибровки проводят измерение одного образца ЯМ или источника излучения на справочном и новом приборе с целью определения калибровочного коэффициента

и построения градуировочной кривой для нового прибора: Kn= = N f(m).

Для проведения успешной перекрестной калибровки требуется: 37

•обеспечить надежную работу электроники;

•сделать точные поправки на «мертвое время»;

•сделать точные поправки на возможное различие контейнеров

ЯМ;

•обеспечить одинаковую геометрию измерений.

СО используют для межлабораторных сличений результатов. Для этого используют несколько СО, изготовленных из одной партии хорошо аттестованных материалов. Одинаковое количество материала помещают в несколько контейнеров, которые посылают на разные предприятия. Измерения проводят с помощью однотипных систем НРА: нейтронных счетчиков, гамма-спектрометров, калориметров. Сравнение полученных результатов позволяет выявить и оценить систематические погрешности измерений на отдельных предприятиях. Таким путем, например, могут быть установлены причины различий в данных отправителя и получателя ЯМ. Обнаруженное смещение результата может быть откорректировано.

2.5. Гамма-спектрометрические НРА

Используемое МАГАТЭ оборудование для НРА главным образом основано на измерениях γ-излучений и нейтронов, испускаемых разными ЯМ (рис. 2.4 и табл. 2.1). Такие методы обеспечивают получение информации, не подверженной внешнему вмешательству.

Измерения гамма-излучения обладают рядом преимуществ:

•для их проведения не требуется извлекать материал из контейнера;

•они осуществляются малочисленным персоналом;

•во многих случаях для расшифровки результата анализа не требуется калибровка;

•результат получают сразу после окончания измерения;

•погрешности результатов относительно малы.

Гамма-спектрометрия служит для определения обогащения урана, изотопного состава плутония, а также для денситометрии рас38

Таблица 2.1

Данные о наиболее интенсивных γ-излучениях ЯМ,

используемых для неразрушающих анализов

Гамма-методом проводят измерения отложений ЯМ в технологическом оборудовании. Для измерений фторидов и соединений U и Be используют нейтронный метод. Измерения отложений можно лишь условно считать количественными, поскольку неопределенность результатов может достигать 30%. Это вызвано неопределенностью конфигурации и толщины слоя отложений, а также меняющимся радиационным фоном.

Порядок операций при γ-анализе:

•измеряется скорость счета импульсов в пиках полного поглощения γ-квантов в детекторе;

•определяются и вносятся поправки на искажения в электронном тракте;

•определяются и вносятся поправки на поглощение γ-квантов в образце и по пути от образца в детектор;

40