Глава 4

Аппаратура для гамма-спектрометрии

Джек Л. Паркер (Переводчик В. В. Свиридова)

4.1 ВВЕДЕНИЕ

Данная глава описывает назначение и работу отдельных составляющих гам- ма-спектрометрической системы. В главе 3 было показано, что амплитуда выходного импульса для большинства детекторов гамма-излучения пропорциональна энергии, которая потеряна в них гамма-излучением. Амплитудно-импульсный спектр для таких детекторов содержит серии пиков полного поглощения, расположенных на непрерывном комптоновском распределении. Хотя спектр может быть достаточно сложным (например, см. рис. 1.10 в главе 1) и поэтому трудным для анализа, он содержит много полезной информации о значениях энергии и относительной интенсивности гамма-квантов, испущенных источником. Информация, которая важна для количественного неразрушающего анализа (НРА) ядерных материалов, содержится в пиках полного поглощения. Назначением электронных устройств, которые следуют за детектором, является обеспечение точного представления амплитудно-импульсного спектра и выделение из этого спектра требуемой информации об энергии и интенсивности гамма-из лучения.

В этой главе приводится краткое описание различной аппаратуры, используемой в гамма-спектрометрии ядерных материалов, описываются функции каждой составляющей аппаратуры и дается информация о наиболее важных аспектах ее работы. Более подробное описание работы приборов читатель может найти в инструкции по эксплуатации, которая поставляется с каждым прибором. Вследствие быстрой модернизации современного гамма-спектрометрического оборудования, наилучшим источником свежей информации об измерительных приборах являются их производители и пользователи. Хотя изготовители приборов — наилучшие источники информации об электронных возможностях своей аппаратуры, пользователи гамма-спектрометров для НРА обычно являются наилучшим источником информации по эффективным методикам анализа и выбору аппаратуры для конкретного применения. Книги и статьи по гамма-спектрометриче- ской аппаратуре пользуются большим спросом и обычно исчезают из продажи вскоре после опубликования.

Гамма-спектрометрические системы могут быть разделены на два класса в соответствии с типом используемого анализатора: одноканального анализатора (ОКА) или многоканального анализатора (МКА). На рис. 4.1 и 4.2 показаны блок-схемы систем этих двух классов. Обе системы начинаются с детектора, в котором взаимодействие гамма-излучения с веществом приводит к образованию слабого электрического сигнала, пропорционального потерянной энергии. Раздел 4.2 посвящен процессу выбора соответствующего детектора для различных применений НРА. В разделах с 4.3 по 4.8 описываются основные составляющие

4.2ВЫБОР ДЕТЕКТОРА

Âэтом разделе даны некоторые основные рекомендации по осуществлению трудной операции выбора подходящего детектора для конкретного применения НРА. Для детектора существует несметное количество вариаций размеров, формы, конфигурации внешнего оформления, эксплуатационных характеристик и цены. Выбор детектора должен проводиться с учетом технических требований, которые определяются условиями применения, а также не технических, но часто решающих требований, определяемых бюджетными ограничен иями.

Первым и самым важным параметром, который должен быть рассмотрен, является разрешение детектора. Детектор с высоким разрешением обычно дает более точные результаты анализа, чем детектор с низким разрешением. Разрешение германиевого детектора, как правило, находится в диапазоне от 0,5 до 2,0 кэВ для энергий, представляющих интерес для НРА, в то время как разрешение детекторов NaI находится в диапазоне от 20 до 60 кэВ. Легче точно определить площадь пика полного поглощения в сложном спектре, когда пики не перекрываются, а вероятность перекрытия меньше для более узких пиков. Непрерывный фон под пиком полного поглощения легче вычесть из спектра с высоким разрешением, поскольку фон в этом случае является меньшей частью от общей интенсивности в области пика. Площади пиков полного поглощения также легче вычислить в спектрах с высоким разрешением, поскольку уменьшается интерференция от комптоновского рассеяния на малые углы. Гамма-кванты, которые подверглись рассеянию на малые углы, теряют лишь небольшое количество энергии. Если эти рассеянные гамма-кванты все еще попадают в область пика полного поглощения, вычисленная площадь пика полного поглощения, вероятно, будет неправильной. Эту проблему можно минимизировать, используя детектор высокого разрешения, который дает узкие пики полного поглощения.

Сложность спектра оказывает влияние на выбор детектора; чем сложнее анализируемый спектр, тем более желательным становится высокое разрешение. Плутоний имеет намного более сложный спектр, чем уран, поэтому для анализа плутония значительно чаще используются германиевые или кремниевые детекторы, чем для анализа урана.

Вторым параметром, который следует учитывать при выборе детектора, является его эффективность, определяющая ожидаемую скорость счета, время измерения, необходимое для достижения заданной точности, и чувствительность, которая может быть достигнута. Стоимость конкретного типа детектора тем выше, чем выше его эффективность, но заданную эффективность в детекторе NaI низкого разрешения дешевле получить, чем в германиевом детекторе высокого разрешения. Существуют весомые причины использования менее дорогого детектора с меньшим разрешением, если он может обеспечить удовлетворительные результаты анализа.

Должны учитываться и другие требования, такие как размеры детектора, требования к его охлаждению и портативности, которые иногда бывают доминирующими. Выбор подходящего детектора часто затруднен и может привести к необходимости болезненного компромисса между противоречивыми требованиями. После того, как выбор сделан, следует уделить особое внимание подготовке для предполагаемого продавца полного перечня необходимых параметров, чтобы гарантировать получение нужного детектора.

4.3ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ИСТОЧНИКИ НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ

Обычно все используемые детекторы гамма-излучения требуют высоковольтных источников напряжения смещения для создания электрического поля, в котором собирается заряд, образованный при взаимодействии гамма-излучения в детекторе. Источник напряжения смещения не является составляющей системы, через которую проходит сигнал, но необходим для работы детектора. Он обычно является самой надежной составляющей в спектрометрической системе и самой легкой в реализации.

Германиевые и кремниевые диодные детекторы требуют очень низких значе- ний токов, обычно < 10-9 А. Требуемое напряжение изменяется в диапазоне от сотен вольт для небольших кремниевых детекторов до нескольких тысяч вольт для больших коаксиальных германиевых детекторов. Источник напряжения смещения для германиевых и кремниевых детекторов обычно обеспечивает до 5 кВ и 100 мкА. Требования к напряжению и низкочастотному фильтрованию не жесткие, поскольку в детекторе отсутствует усиление заряда. Обычно напряжение можно непрерывно изменять в диапазоне от 0 до 5 кВ. Раньше при включении детектора или замене источника напряжения смещения необходимо было изменять напряжение очень медленно (< 100 В/с), поскольку полевой транзистор, используемый в первом каскаде предусилителя, легко повреждался при внезапном скач- ке напряжения. Однако сейчас защита, создаваемая фильтром, включенным во все высококачественные предусилители, настолько хороша, что полевой транзистор редко выходит из строя по этой причине. Иногда для создания напряжения смещения для германиевых и кремниевых детекторов используются портативные, не создающие шумов батареи. В качестве "источника питания" в течение нескольких часов может быть использован заряженный конденсатор в высоковольтном фильтре, помещенном в предусилитель, который может обеспечивать работоспособность детектора в течение одного или двух часов.

Требования к напряжению смещения для фотоумножителей (ФЭУ), используемых в сцинтилляционных детекторах, являются более строгими, чем для твердотельных диодных детекторов. Требуемое напряжение обычно составляет несколько тысяч вольт, а требуемый ток обычно находится в диапазоне от 1 до 10 мА. Поскольку коэффициент усиления фотоумножителя сильно зависит от приложенного напряжения, стабильность и фильтрация напряжения должны быть очень высокими. Ток питания, равный 100 мкА, который используется для германиевых детекторов, обычно не подходит для фотоумнож ителя.

Напряжение смещения обеспечивается различными способами. Наиболее часто используемыми являются модули в стандарте NIM (Nuclear Instrumentation Module), которые вставляют в каркас или "крейт" (NIM-"крейт"), питающий модуль необходимым напряжением постоянного тока. NIM-модули отвечают международным стандартам по размерам, напряжениям, электрической проводке и соединениям и широко используются в аппаратуре НРА. Другие источники напряжения смещения совместимы с NIM-"крейтами", но получают энергию от обычного источника переменного тока. Источники напряжения смещения с высокими значениями тока, используемые для питания цепей фотоумножителей, часто устанавливают в стандартных каркасах шириной 45,7 см.