- •Глава 1
- •1.2 Характеристики ядерного распада
- •1.2.1 Процессы ядерного распада. Общие сведения
- •1.2.2 Альфа-распад
- •1.2.3 Бета-распад
- •1.3 Образование рентгеновского излучения
- •1.3.1 Модель атома Бора
- •1.3.2 Процессы образования рентгеновского излучения
- •1.4.1 Типичные спектры
- •1.4.2 Основные характеристики гамма-излучения, используемые для анализа ядерных материалов
- •1.4.3 Гамма-излучение продуктов деления
- •1.4.4 Радиационный фон
- •1.5.1 Тормозное излучение
- •Глава 2
- •2.1 Введение
- •2.2 Экспоненциальное ослабление
- •2.2.1 Основной закон ослабления гамма-излучения
- •2.2.2 Массовый коэффициент ослабления
- •2.3 Процессы взаимодействия
- •2.3.1 Фотоэлектрическое поглощение
- •2.3.2 Комптоновское рассеяние
- •2.3.3 Образование пар
- •2.3.4 Полный массовый коэффициент ослабления
- •2.4 Фильтры
- •2.5 Защита
- •Глава 3
- •3.1 Введение
- •3.2 Типы детекторов
- •3.2.1 Газонаполненные детекторы
- •3.2.2 Сцинтилляционные детекторы
- •3.2.3 Твердотельные детекторы
- •3.3 Характеристики регистрируемых спектров
- •3.3.1 Общий отклик детектора
- •3.3.2 Спектральные характеристики
- •3.3.3 Разрешение детектора
- •3.3.4 Эффективность детектора
- •3.4 Выбор детектора
- •Глава 4
- •4.1 Введение
- •4.2 Выбор детектора
- •4.3 Высоковольтные источники напряжения смещения
- •4.4 Предусилитель
- •4.5 Усилитель
- •4.5.1 Схема "полюс-ноль"
- •4.5.2 Цепь восстановления базового уровня
- •4.5.3 Цепь режекции наложений
- •4.5.4 Усовершенствование схемы усилителей
- •4.6 Одноканальный анализатор
- •4.8 Многоканальный анализатор
- •4.8.1 Аналого-цифровой преобразователь
- •4.8.2 Стабилизаторы спектра
- •4.8.3 Память многоканального анализатора, дисплей и анализ данных
- •4.9 Вспомогательное электронное оборудование
- •4.10 Заключительные замечания
- •Глава 5
- •5.1 Энергетическая градуировка и определение положения пика
- •5.1.1 Введение
- •5.1.2 Линейная энергетическая градуировка
- •5.1.3 Определение положения пика (центроиды)
- •5.1.4 Визуальное определение положения пика
- •5.1.5 Графическое определение положения пика
- •5.1.6 Определение положения пика методом первых моментов
- •5.1.7 Определение положения пика с помощью метода пяти каналов
- •5.1.8 Определение положения пика с помощью подгонки линеаризованной функцией Гаусса
- •5.1.9 Определение положения пика с использованием подгонки параболаризованной функцией Гаусса
- •5.1.10 Определение положения пика с помощью сложных программ подгонки спектра
- •5.2 Измерения разрешения детектора
- •5.2.1 Введение
- •5.2.3 Графическое определение ширины пика
- •5.2.4 Определение ширины пика с помощью аналитической интерполяции
- •5.2.5 Определение ширины пика с помощью метода вторых моментов
- •5.2.6 Определение ширины пика с помощью подгонки линеаризованной функцией Гаусса
- •5.2.7 Определение ширины пика с помощью подгонки параболаризованной функцией Гаусса
- •5.3 Определение площади пика полного поглощения
- •5.3.1 Введение
- •5.3.2 Выбор рассматриваемых областей
- •5.3.3 Вычитание линейного комптоновского фона
- •5.3.4 Вычитание сглаженной ступеньки комптоновского фона
- •5.3.5 Вычитание комптоновского фона при использовании единственной рассматриваемой области фона
- •5.3.6 Вычитание комптоновского фона с помощью процедуры двух стандартных образцов
- •5.3.7 Использование сумм числа отсчетов в рассматриваемых областях для измерения площадей пиков
- •5.3.8 Использование простых подгонок функцией Гаусса для измерения площади пика
- •5.3.9 Использование известных параметров формы для измерения площадей пиков в мультиплетах
- •5.3.10 Использование сложных вычислительных программ для измерения площади пика
- •5.4.1 Введение
- •5.4.2 Зависимость просчетов от входной загрузки
- •5.4.3 Пропускная способность спектрометрических систем
- •5.4.4 Методы введения поправок. Общие замечания
- •5.4.6 Введение поправок на мертвое время и наложения импульсов с помощью генератора импульсов
- •5.4.7 Метод образцового источника для введения поправок на мертвое время и наложения
- •5.5 Эффекты закона обратного квадрата
- •5.6 Измерения эффективности детектора
- •5.6.1 Абсолютная эффективность регистрации пика полного поглощения
- •5.6.2 Собственная эффективность регистрации пика полного поглощения энергии
- •5.6.3 Относительная эффективность
- •5.6.5 Эффективность в зависимости от энергии и положения
- •Глава 6
- •6.1 Введение
- •6.2 Процедуры
- •6.2.1 Предварительные замечания
- •6.2.2 Общее описание процедуры анализа
- •6.2.3 Необходимые требования при определении коэффициента поправки на самоослабление
- •6.2.4 Методы определения линейного коэффициента ослабления образца
- •6.3 Формальное определение коэффициента поправки на самоослабление
- •6.3.1 Общее определение
- •6.3.2 Удобные типовые формы образцов
- •6.4 Основные параметры коэффициента поправки на самоослабление
- •6.5 Аналитические зависимости для коэффициента поправки на самоослабление в дальней геометрии
- •6.5.1 Образцы в форме пластины
- •6.5.2 Цилиндрические образцы
- •6.5.3 Образцы сферической формы
- •6.6 Численные расчеты для ближней геометрии
- •6.6.1 Общие положения
- •6.6.2 Одномерная модель
- •6.6.3 Двухмерная модель
- •6.6.4 Трехмерная модель
- •6.6.5 Приближенные формулы и интерполяция
- •6.6.6 Влияние абсолютной и относительной погрешностей при расчете коэффициента поправки на самоослабление
- •6.6.7 Точность определения коэффициента поправки на самоослабление и полной скорректированной скорости счета
- •6.9 Примеры анализа
- •6.9.2 Интерполяция и экстраполяция коэффициента пропускания излучения
- •6.9.4 Анализ раствора плутония-239 в ближней геометрии
- •6.9.5 Сегментное сканирование с поправкой на пропускание излучения
- •7.3.2 Двухкомпонентная задача (уран и материал матрицы)
- •7.4 Методики анализа по отношению пиков
- •7.6 Измерения обогащения по нейтронному излучению
- •7.7 Поправки на ослабление в стенках контейнера
- •7.7.1 Прямое измерение толщины стенки
- •7.8.1 Измерение концентрации
- •7.8.2 Соотношение компонентов в смешанном оксидном топливе
- •8.2 Основные сведения
- •8.2.1 Характеристики распада изотопов плутония
- •8.2.2 Характеристики распада изотопа 241Pu
- •8.2.3 Определение концентрации изотопа 242Pu
- •8.2.4 Спектральная интерференция
- •8.2.5 Практическое применение измерений изотопного состава плутония
- •8.3 Спектральные области, используемые для изотопных измерений
- •8.3.1 Область энергии 40 кэВ
- •8.3.2 Область энергии 100 кэВ
- •8.3.3 Область энергии 125 кэВ
- •8.3.4 Область энергии 148 кэВ
- •8.3.5 Область энергии 160 кэВ
- •8.3.6 Область энергии 208 кэВ
- •8.3.7 Область энергии 332 кэВ
- •8.3.8 Область энергии 375 кэВ
- •8.3.9 Область энергии 640 кэВ
- •8.4 Основы измерений
- •8.4.1 Измерение изотопных отношений
- •8.4.2 Измерение абсолютной массы изотопа
- •8.4.3 Изотопная корреляция 242Pu
- •8.5 Получение данных
- •8.5.1 Электроника
- •8.5.2 Детекторы
- •8.5.3 Фильтры
- •8.5.4 Скорость счета и геометрия образец/детектор
- •8.5.5 Время измерения
- •8.6.1 Суммирование по рассматриваемой области
- •8.6.2 Подгонка пика
- •8.6.3 Анализ по функции соответствия
- •8.7 Приборное оснащение
- •8.7.1 Компания Рокуэлл-Хэнфорд
- •8.7.2 Лос-Аламосская национальная лаборатория
- •8.7.3 Установка Маундской лаборатории
- •8.7.5 Обзор погрешностей измерений
- •Глава 9
- •9.1 Введение
- •9.2 Моноэнергетическая плотнометрия
- •9.2.1 Измерение концентрации и толщины
- •9.2.2 Точность измерений
- •9.3 Многоэнергетическая плотнометрия
- •9.3.1 Анализ двухэнергетического случая
- •9.3.2 Точность измерения
- •9.3.3 Распространение на случай большего числа значений энергий
- •9.4 Плотнометрия по краю поглощения
- •9.4.1 Описание методики измерений
- •9.4.2 Точность измерения
- •9.4.3 Чувствительность измерения
- •9.4.4 Эффекты матрицы
- •9.4.5 Выбор методики измерений
- •9.4.6 Источники излучения
- •9.5 Моноэнергетические плотномеры
- •9.6 Двухэнергетические плотномеры
- •9.7 Плотномеры по краю поглощения
- •Глава 10
- •10.1 Введение
- •10.2 Теория
- •10.2.1 Образование рентгеновского излучения
- •10.2.2 Выход флюоресценции
- •10.2.3 Пропускание фотонов
- •10.2.4 Геометрия измерений
- •10.3 Типы источников
- •10.4 Поправка на ослабление в образце
- •10.4.1 Эффекты ослабления в образце
- •10.4.2 Основное уравнение анализа
- •10.4.3 Методы поправки на ослабление
- •10.5 Области применения и аппаратура
- •Глава 11
- •11.1 Введение
- •11.2 Спонтанное и вынужденное деление ядер
- •11.3 Нейтроны и гамма-кванты деления
- •11.5 Нейтроны других ядерных реакций
- •11.6 Изотопные нейтронные источники
- •11.7 Выводы
- •Глава 12
- •12.1 Введение
- •12.2 Микроскопические взаимодействия
- •12.2.1 Понятие сечения взаимодействия
- •12.2.2 Соотношение энергия-скорость для нейтронов
- •12.2.3 Типы взаимодействий
- •12.2.4 Зависимость сечения взаимодействия от энергии
- •12.3 Макроскопические взаимодействия
- •12.3.1 Макроскопические сечения
- •12.3.2 Длина свободного пробега и скорость реакции
- •12.4 Эффекты замедления в большом объеме вещества
- •12.5 Эффекты размножения в массивных образцах вещества
- •12.6 Защита от нейтронов
- •12.7 Методы расчета переноса нейтронов
- •12.7.1 Метод Монте-Карло
- •12.7.2 Метод дискретных ординат
- •Глава 13
- •13.1 Механизмы регистрации нейтронов
- •13.2 Основные свойства газонаполненных детекторов
- •13.4 Газонаполненные детекторы
- •13.4.3 Камеры деления
- •13.4.4 Детекторы с покрытием из 10B
- •13.5 Пластмассовые и жидкие сцинтилляторы
- •13.5.1 Введение
- •13.5.3 Дискриминация по форме импульса
- •13.6 Другие типы детекторов нейтронов
- •13.7 Измерение энергетических спектров нейтронов
- •13.7.1 Введение
- •13.7.2 Методы измерений
- •Глава 14
- •14.1 Введение
- •14.1.1 Теория регистрации полного потока нейтронов
- •14.1.2 Сравнение методов регистрации полного потока нейтронов и нейтронных совпадений
- •14.2 Источники образования первичных нейтронов
- •14.2.1 Соединения плутония
- •14.2.2 Соединения урана
- •14.2.3 Примеси
- •14.2.4 Эффекты влияния энергетического спектра нейтронов
- •14.2.5 Эффекты тонкой мишени
- •14.3 Перенос нейтронов в образце
- •14.3.1 Умножение нейтронов утечки
- •14.3.2 Спектр нейтронов утечки
- •14.4 Эффективность регистрации нейтронов
- •14.4.1 Расположение гелиевых счетчиков в замедлителе
- •14.4.2 Конструкция замедлителя
- •14.4.3 Влияние энергетического спектра нейтронов
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
64 |
Дж. Паркер |
Ðèñ. 4.1. Блок-схема гамма-спектрометрической системы, основанной на одноканальных анализаторах, для простых случаев НРА
гамма-спектрометрических систем; рассмотрение каждой составной части системы происходит в порядке, в котором электрический сигнал проходит через измерительную систему. В разделе 4.9 представлена вспомогательная электронная аппаратура. Чтобы скомпоновать работоспособную систему НРА, обычно необходимо добавить составляющие, отличные от тех, которые показаны на рис. 4.1 или рис. 4.2. В последующих главах, в которых представлены конкретные методики анализа и аппаратура, описаны защитные экраны, коллиматоры, держатели и манипуляторы образца, сканирующие механизмы и заслонки ист очника.
Ðèñ. 4.2. Блок-схема гамма-спектрометрической системы на базе мног оканального анализатора для сложных случаев НРА
Глава 4. Аппаратура для гамма-спектрометрии |
65 |
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.
66 |
Дж. Паркер |
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.