- •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 |
71 |
Ðèñ. 4.5. Выходные импульсы от импульсно-оптического предусилите ля германиевого детектора. Из-за отсутствия резистора обратной связи уровен ь шума ниже, чем у предусилителей с резистором, и выходной уровень постоянн ого тока растет ступеньками и должен переустанавливаться при достижении ма ксимально возможного напряжения
который обычно обеспечивается другими типами предусилителей. Для гамма-из- лучения низких энергий (от < 100 до 200 кэВ) ограничение максимальной загрузки обычно не является проблемой.
В последние годы для работы при высоких скоростях счета были разработаны предусилители, которые используют модификации импульсно-оптического метода. В некоторых случаях оптическая связь заменяется транзисторной схемой. В других случаях восстановление осуществляется оптическими средствами, но предусилитель восстанавливается почти после каждого события, снижая тем самым время насыщения усилителя.
4.5 УСИЛИТЕЛЬ
После предусилителя импульсы от гамма-излучения усиливаются и формируются так, чтобы удовлетворить требованиям анализатора амплитуд импульсов, который располагается за основным усилителем. Большинство спектрометриче- ских усилителей являются модулями NIM одинарной или двойной ширины. Портативные многоканальные анализаторы часто имеют встроенный усилитель, который может подойти для намеченных целей.
Основной усилитель получает импульс низкого напряжения от предусилителя и усиливает его в линейном диапазоне напряжений, который для большинства усилителей находится в диапазоне от 0 до 10 В. В линейном диапазоне все входные импульсы усиливаются с одним и тем же коэффициентом. Усилитель не линеен для выходных импульсов, амплитуда которых превышает 10 В. Максимальное выходное напряжение или напряжение насыщения большинства усилителей приблизительно равно 12 В. Коэффициент усиления может быть установлен в широком диапазоне, как правило, от 10 до 5000. Усилитель обычно имеет два типа
72 |
Дж. Паркер |
управления усилением (грубое и тонкое), чтобы обеспечить непрерывную регулировку коэффициента усиления.
Функция формирования основного усилителя жизненно важна для получе- ния высококачественных спектров. Усиленные импульсы преобразуются по форме, чтобы оптимизировать отношение сигнал/шум и удовлетворить требованиям амплитудно-импульсного анализатора. Поскольку одноканальные и многоканальные анализаторы измеряют амплитуду входного импульса по отношению к внутреннему эталонному напряжению, выход усилителя между импульсами гам- ма-излучения должен быстро возвращаться к стабильному уровню напряжения, обычно равному нулю. Стабильность базового уровня напряжения чрезвычайно важна, поскольку любое его отклонение искажает измерение амплитуды импульса гамма-излучения и вносит вклад в уширение пика полного поглощения.
Узкая форма импульса позволяет быстро возвратиться к базовому уровню. Однако импульс должен быть достаточно широким, чтобы было достаточно времени для сбора всего заряда, освобожденного в результате взаимодействия гам- ма-излучения в детекторе. На рис. 4.4 показано, что интервал времени от 0,25 до 0,5 мкс может быть достаточен для полного сбора заряда. Форма импульса должна также обеспечивать такое отношение сигнал/шум, которое минимизирует отклонение амплитуды выходного импульса для данного количества заряда, поданного на вход предусилителя. К сожалению, ширина импульса, которая обеспе- чивает оптимальное отношение сигнал/шум, обычно больше требуемой для быстрого возврата на базовый уровень. При низкой скорости счета импульс может быть широким, поскольку мала вероятность того, что второй импульс поступит до того, как выход усилителя возвратится к базовому уровню. Однако, когда скорость счета увеличивается, возрастает вероятность того, что импульсы придут на возмущенный базовый уровень, и спектр исказится, несмотря на оптимальное отношение сигнал/шум. Более узкая ширина импульса, чем это требуется для оптимизации отношения сигнал/шум, дает обычно наилучшее разрешение при высоких скоростях счета; однако разрешение не так хорошо, как может быть получено при низких скоростях счета.
В усилителях, используемых с германиевыми и кремниевыми детекторами высокого разрешения, для получения требуемой формы импульса применяют операции электронного дифференцирования, интегрирования и активной фильтрации. Дифференцирование удаляет низкие частоты из сигнала, а интегрирование удаляет высокие частоты. Дифференцирование и интегрирование характеризуются постоянной времени, обычно составляющей единицы микросекунд, которая определяет степень ослабления сигнала как функцию частоты. Чем больше постоянная времени, тем сильнее ослабление низких частот дифференцированием и ослабление высоких частот интегрированием. Когда используются и дифференцирование, и интегрирование, низко- и высокочастотные составляющие сильно подавляются, и усиливается относительно узкая полоса средних частот. Большинство спектрометрических усилителей действуют наилучшим образом, когда постоянные времени дифференцирования и интегрирования равны. Поэтому выбирают постоянные времени в диапазоне от 0,25 до 12 мкс. Когда две постоянные времени равны, выходной импульс усилителя почти симметричен (см. рис. 4.6). Полная ширина импульса составляет приблизительно шесть постоянных времени. При низкой скорости счета большие коаксиальные германиевые детекторы обычно имеют оптимальное разрешение при использовании постоянных времени
Глава 4. Аппаратура для гамма-спектрометрии |
73 |
Ðèñ. 4.6. Однополярный и биполярный выходные сигналы типового спектрометрического усилителя с дифференциальным и интегральным формированием импульса
от 3 до 4 мкс. Небольшие планарные германиевые детекторы имеют наилучшее разрешение при постоянных времени от 6 до 8 мкс, а небольшие планарные кремниевые детекторы действуют лучше всего при значениях постоянных времени от 8 до 12 мкс. Проблема наложения импульсов становится более серьезной, когда для получения лучшего разрешения для небольших детекторов используются большие постоянные времени. Постоянная времени, используемая в конкретной ситуации, выбирается в зависимости от типа детектора, ожидаемой скорости сче- та и от того, какое требование является наиболее важным: к разрешению или к скорости счета.
Германиевые и кремниевые детекторы высокого разрешения являются относительно медленными и требуют больших постоянных времени, чем другие типы детекторов. Сцинтилляционные детекторы NaI, которые имеют разрешение в 10–20 раз хуже чем разрешение германиевых детекторов, работают хорошо при постоянных времени от 0,25 до 1,0 мкс. Органические сцинтилляционные детекторы, которые практически не имеют энергетического разрешения, могут работать только при постоянных времени 0,01 мкс. Когда требования к энергетическому разрешению не существенны, но имеется высокая загрузка, такие детекторы очень полезны. К сожалению, в настоящее время нет детектора, который имеет одновременно очень высокое разрешение при очень высокой загрузке.
Спектрометрические усилители обычно дают две различные формы выходного импульса: однополярную и биполярную. Биполярный обычно получается при дифференцировании однополярного импульса. На рис. 4.6 показаны однополярный и биполярный выходные сигналы типового спектрометрического усилителя. Однополярный выходной сигнал имеет наилучшее отношение сигнал/шум и обычно используется для анализа энергии, в то время как биполярный выходной сигнал обеспечивает наилучшую временную информацию и способность к восстановлению от перегрузки. Форма биполярного импульса обычно лучше подходит для задач по отсчету времени, потому, что точка пересечения нуля (точ- ка, где биполярный импульс изменяет знак) определяется достаточно легко и очень стабильна. Точка пересечения соответствует пику однополярного импульса и почти не зависит от амплитуды выходного импульса.
В схемах формирования импульса могут быть использованы линии задержки. Формирование с использованием линий задержки может давать однополярные или биполярные сигналы в зависимости от того, используются одна или две линии задержки. Усилители с линией задержки экономичны и обладают характеристиками, отвечающими всем требованиям при использовании детекторов низ-
74 |
Дж. Паркер |
кого разрешения; они редко используются с германиевыми и кремниевыми детекторами, поскольку уровень шума этих усилителей выше уровня шума в усилителях, использующих дифференцирование и интегрирование. Форма выходного импульса усилителя с линией задержки заметно отличается от формы импульса усилителей с дифференцированием и интегрированием. На рис. 4.7 показаны однополярный и биполярный выходные сигналы от типового усилителя с линией задержки.
Ðèñ. 4.7. Однополярный и биполярный выходные сигналы усилителя с формированием импульса с помощью линии задержки
4.5.1 Схема "полюс-ноль"
Чтобы обеспечить стабильность базового уровня, большинство усилителей содержит схему "полюс-ноль", которая была введена приблизительно в 1967 г. и являлась, после появления транзисторов, первым главным усовершенствованием
âконструкции усилителей. Она существенно улучшает характеристики усилителя при высоких скоростях счета. Термин "полюс-ноль" происходит от терминологии методов преобразования Лапласа, используемых для решения простого дифференциального уравнения, описывающего поведение электрической схемы. Схема очень проста: она состоит из регулируемого резистора, подсоединяемого параллельно входному сопротивлению усилителя. Несмотря на простоту схемы, точность ее регулировки чрезвычайно важна для правильной работы большинства современных усилителей. Когда схема "полюс-ноль" отрегулирована должным образом, выход усилителя возвращается к базовому уровню за минимально возможное время. Когда схема настроена неправильно, получаются следующие результаты. За выходными импульсами следует длительный "недолет" или "перелет", которые искажают выходной базовый уровень и значительно ухудшают характеристики усилителя при высоких скоростях счета. Как следствие, пики полного поглощения расширяются и часто имеют низко- и высокоэнергетические хвосты,
âзависимости от того, имеется "недолет" или "перелет". В этом случае точное определение площади пика полного поглощения затруднено. На рис. 4.8 показаны формы импульсов усилителя и пика полного поглощения, которые соответствуют правильной и неправильной регулировкам схемы "полюс -íîëü".
Регулировка схемы "полюс-ноль" проста и наилучшим образом производится с помощью осциллографа, который используется для контроля формы выходного импульса усилителя и последующих процедур, приводимых в инструкции к