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:

где E — энергия, потерянная в детекторе; m — наклон;

x — амплитуда выходного импульса;

b — пересечение (смещение энергетической шкалы).

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.

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