36 |
Г. Нельсон и Д. Райлли |
Ðèñ. 2.12. Массовые коэффициенты ослабления некоторых элементов. П оказаны энергии гамма-квантов, используемые обычно при НРА урана и плутон ия
диапазон энергий и атомных номеров. На нем ярко показано взаимное соотношение трех процессов. Коэффициент ослабления для всех элементов, за исключением водорода, имеет резкий подъем в области низких энергий, который указывает, что в этой области преобладающим процессом взаимодействия является фотоэлектрическое поглощение. Расположение этого подъема сильно зависит от атомного номера. Выше подъема в области низких энергий значение массового коэффициента ослабления постепенно снижается, определяя область, в которой преобладающим взаимодействием является комптоновское рассеяние. Массовые коэффициенты ослабления для всех элементов с атомным номером меньше, чем 25 (железо), практически идентичны в энергетическом диапазоне от 200 до 2000 кэВ. В диапазоне от 1 до 2 МэВ кривые ослабления сходятся для всех элементов. Форма кривой массового ослабления водорода показывает, что взаимодействие гамма-квантов с энергией больше 10 кэВ проходит почти исключительно путем комптоновского рассеяния. При энергиях выше 2 МэВ для элементов с высоким Z важным становится процесс взаимодействия с образованием пар, и массовый коэффициент ослабления снова начинает расти. Понимание основных закономерностей (см. рис. 2.12) очень полезно для понимания ме тодик НРА.
2.4 ФИЛЬТРЫ
Во многих видах анализа измерение легче провести, если гамма-кванты более низких энергий будут поглощены до того, как они достигнут детектора. Эти низкоэнергетические гамма-кванты, если их не вывести из пучка, могут вызвать зна-
Глава 2. Взаимодействие гамма-излучения с веществом |
37 |
чительный рост числа просчетов, обусловленных большой загрузкой детектора, и искажение спектра. Процесс выведения гамма-квантов определенной энергии из пучка часто называется фильтрацией. Идеальный материал фильтра должен иметь коэффициент пропускания, равный нулю для гамма-квантов с энергией ниже рассматриваемого порога, и коэффициент пропускания, равный бесконеч- ности для энергий выше этого порога. Как видно из рис. 2.12, такого материала не существует. Тем не менее, приемлемые фильтры могут быть получены путем выбора поглотителей с таким атомным номером, чтобы резкий рост сечения фотоэлектрического эффекта находился вблизи энергии гамма-квантов, которые должны быть ослаблены, но значительно ниже энергии анализируемых гамма-кван- тов.
Обычно фильтрация применяется для измерений спектров гамма-излучения плутония. Все плутониевые образцы, кроме только что прошедших процесс химического разделения от америция, имеют значительное количество 241Am, который испускает очень интенсивное гамма-излучение с энергией 60 кэВ. В большинстве образцов это гамма-излучение является преобладающим в спектре и должно быть ослаблено для проведения точных измерений гамма-квантов плутония. Обычно для ослабления излучения 241Am используется тонкий лист кадмия. В табл. 2.1 показано влияние кадмиевого фильтра на спектр излучения от диска из металлического плутония весом 2 г. В отсутствие фильтра в спектре преобладают гамма-кванты с энергией 60 кэВ, которые могут даже парализовать работу детектора. Кадмиевый фильтр толщиной от 1 до 2 мм существенно ослабляет линию 60 кэВ и лишь незначительно ослабляет линии плутония более высоких энергий. Спектр плутония в области энергий ниже 250 кэВ обычно измеряется с кадмиевым фильтром. Когда рассматриваются только гамма-кванты 239Pu с энергией 414 кэВ, в качестве материала фильтра может быть использован свинец, поскольку он ослабит гамма-кванты с энергией в диапазоне от 100 до 200 кэВ и поглотит большинство гамма-квантов с энергией 60 кэВ. Интересно отметить, что при энергии 60 кэВ массовые коэффициенты ослабления свинца и кадмия практически равны, несмотря на высокий атомный номер свинца 82 по сравнению с атомным номером кадмия 48. Это обусловлено тем, что K-край свинца появляется при 88 кэВ, как было показано на рис. 2.5 в разделе 2.3.1.
Таблица 2.1 — Влияние кадмиевого фильтра на спектр плутония
|
|
Сигнал |
от плутония, имп./с* |
|
|
Толщина поглотителя, см |
60 êýÂ |
129 êýÂ |
208 êýÂ |
414 êýÂ |
|
0 |
3,57 × 106 |
1,29 |
× 104 |
8,50 × 104 |
2,02 × 104 |
0,1 |
2,40 × 104 |
0,67 |
× 104 |
6,76 × 104 |
1,85 × 104 |
0,2 |
1,86 × 102 |
0,34 |
× 104 |
5,37 × 104 |
1,69 ×104 |
|
|
|
|
|
|
* 241Am = 0,135 %; 239Pu = 81,9 %; 241Pu = 1,3 %. Сигнал от диска металлического плутония весом 2 г, диаметром 1 см, толщиной 0,13 см.
При измерении 235U часто используется кадмиевый фильтр, поскольку он ослабляет гамма-кванты и рентгеновские кванты с энергией в диапазоне от 9 до
38 |
Г. Нельсон и Д. Райлли |
120 кэВ и не оказывает значительного влияния на гамма-кванты с энергией 186 кэВ от 235U. Фильтры также могут использоваться в измерениях с облученным топливом. Гамма-кванты продуктов деления 144Ce-144Pr с энергией 2186 кэВ измеряются в некоторых случаях в качестве индикаторов остатков топливного материала в выщелоченных отходах (шелухе), полученных на перерабатывающей установке (см. главу 18). Основная активность гамма-квантов продуктов деления находится в области от 500 до 900 кэВ и может быть выборочно снижена для гамма-квантов с энергией 2186 кэВ при использовании свинцового фильтра толщиной от 10 до 15 см.
Для ослабления характеристических рентгеновских квантов от основного материала фильтра перед тем как они провзаимодействуют с детектором иногда используют комбинированные фильтры из двух и более материалов. Когда гам- ма-кванты поглощаются в основном материале фильтра, в результате взаимодействия образуется большое количество рентгеновских квантов. Например, когда гамма-кванты 241Am с энергией 60 кэВ поглощаются в тонком кадмиевом фильтре, может образоваться значительный поток рентгеновских квантов с энергией 23 кэВ. Если эти рентгеновские кванты перегружают детектор, их можно легко ослабить с использованием очень тонкого листа меди. Поскольку энергия рентгеновских квантов K-серии меди равная 8 кэВ, как правило, достаточно низка, они не мешают проведению измерений. Если материалом основного фильтра является свинец, для поглощения характеристических рентгеновских квантов K-серии свинца с энергиями 73 и 75 кэВ используется кадмий, а для поглощения характеристических рентгеновских квантов K-серии кадмия с энергией 23 кэВ используется медь. В комбинированных фильтрах материал с самым низким Z всегда располагается ближе к детектору.
2.5ЗАЩИТА
Âприборах НРА для ограничения отклика детектора от гамма-квантов фона и для защиты оператора и детектора от источников излучения пропускания и активации требуются защита и коллиматоры. Материалы защиты от гамма-излуче- ния должны иметь высокую плотность и высокий атомный номер, так чтобы они имели высокий полный линейный коэффициент ослабления и высокую вероятность фотоэлектрического поглощения. Наиболее распространенным материалом защиты является свинец, поскольку он легко доступен, имеет плотность 11,35 г/см3, атомный номер 82 и относительно недорог. Свинец может быть запрессован во множество форм; однако, вследствие высокой пластичности, он с трудом подвергается механической обработке или не держит заданную форму без фиксации более жестким материалом.
Âнекоторых случаях вместо свинца используется сплав вольфрама (атомный номер 74), потому что он имеет значительно более высокую плотность (17 г/см3), легче повергается механической обработке и хорошо сохраняет форму. В табл. 2.2 показаны некоторые ослабляющие свойства этих двух материалов. Для повышения возможности механической обработки, вольфрам сплавляется с никелем и медью. В табл. 2.2 показано, что при энергиях свыше 500 кэВ благодаря более высокой плотности сплав вольфрама имеет значительно более высокий линейный коэффициент ослабления, чем свинец. Таким образом, тот же защитный
Глава 2. Взаимодействие гамма-излучения с веществом |
39 |
эффект может быть достигнут, используя более тонкую защиту. При энергиях ниже 500 кэВ разность между ослабляющими свойствами двух материалов является менее значительной; более высокая плотность вольфрамового сплава нейтрализуется более низким атомным номером. Вольфрамовый сплав используется, когда объем защиты строго ограничен, или когда важны возможность механи- ческой обработки и механическая прочность. Однако вольфрам более чем в три раза дороже свинца, поэтому его расходуют экономно и практически никогда не используют для массивных защит. Сплав часто применяют для конструкционной поддержки интенсивных источников гамма-излучения, предназначенных для измерения коэффициентов пропускания, или для коллимации детекторов гам- ма-излучения.
Таблица 2.2 — Ослабляющие свойства свинца и вольфрама
Коэффициент ослабления, см-1 |
Толщина, см* |
|||
энергия, кэВ |
свинец |
вольфрам** |
свинец |
вольфрам** |
|
|
|
|
|
1000 |
0,77 |
1,08 |
2,98 |
2,14 |
500 |
1,70 |
2,14 |
1,35 |
1,08 |
200 |
10,6 |
11,5 |
0,22 |
0,20 |
100 |
60,4 |
64,8 |
0,038 |
0,036 |
|
|
|
|
|
* Толщина поглотителя с 10 %-ным пропусканием. ** Сплав: 90 % вольфрама, 6 % никеля, 4 % меди.
ЛИТЕРАТУРА
1.R.D. Evans, The Atomic Nucleus (McGraw-Hill Book Co., New York, 1995).
2.G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement (John Wiley & Sons, New York, 1979).
3.E. Storm and H. Israel, "Photon Cross Sections from 0,001 to 100 MeV for Elements 1 through 100", Los Alamos Scientific Laboratory report LA-3753 (1967).
4.J.H. Hubbel, "Photon Cross Sections, Attenuation Coefficients, and Energy Absorption Coefficients from 10 keV to 100 GeV", National Bureau of Standards report NSRDS-NSB 29 (August 1969).