- •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 |
75 |
Ðèñ. 4.8. Эффект регулировки схемы "полюс-ноль" на выходе усилителя (слева) и форма пика полного поглощения (справа). Верхние рисунки показыв ают недокомпенсацию схемы "полюс-ноль", которая вызывает "недолет" усилителя и затягивание "хвоста" на низкоэнергетической стороне пика МКА. Средние рисунки показывают правильную компенсацию схемы "полюс-ноль". Нижние рисун ки показывают перекомпенсацию схемы "полюс-ноль", которая вызывает "пере лет" усилителя и затягивание "хвоста" на высокоэнергетической стороне пик а МКА
усилителю. Регулировку следует проверять всякий раз, когда изменяют постоянную времени усилителя.
4.5.2 Цепь восстановления базового уровня
Цепи восстановления базового уровня (ВБУ) были добавлены в спектрометрические усилители вскоре после введения схем "полюс-ноль". Подобно схеме "полюс-ноль", цепь ВБУ помогает поддерживать стабильный базовый уровень. Схема "полюс-ноль" расположена на входе усилителя и является очень простой;
76 |
Дж. Паркер |
цепь ВБУ расположена на выходе усилителя и часто довольно сложна. Схема "по- люс-ноль" предохраняет от "недолета", обусловленного конечным временем спада выходного импульса предусилителя; цепь ВБУ подавляет дрейф базового уровня, вызванный сложением однополярных выходных импульсов переменного тока. Хотя в некоторых усилителях цепь ВБУ действует автоматически, другие усилители имеют цепь управления для оптимизации рабочих характеристик усилителя для различных скоростей счета и различных типов предусилителей. Оптимальная установка параметров цепи ВБУ часто определяется методом проб и ошибок.
4.5.3 Цепь режекции наложений
Цепи режекции наложений были добавлены во многие наиболее совершенные усилители для улучшения их характеристик при высоких скоростях счета. Режектор наложений использует временной цикл для обнаружения и отсеивания событий перекрытия двух или более импульсов от гамма-излучения. Такие события дают объединенную амплитуду импульса, которая не является характеристикой какого-либо одного гамма-кванта, а только увеличивает высоту уровня фона в полученном спектре. На рис. 4.9 показано, как перекрываются два импульса гамма-излучения, и образуется наложение импульсов. Для германиевых детекторов минимальное расстояние между импульсами, которое может быть разрешено режектором наложений, приблизительно равно 0,5 мкс. Режектор наложений обычно дает логический импульс, который может быть использован для режекции наложений. В случаях высоких скоростей счета режектор наложений может дать лучшее разрешение и более низкий уровень фона; в результате упрощается определение площадей пиков полного поглощения. На рис. 4.10 показано улуч- шение качества спектра, которое может быть достигнуто при использовании режектора наложений. На рисунке также показано, что режектор наложений может привести к обострению формы суммарных пиков таким образом, что они могут быть ошибочно приняты за реальные пики полного поглощени я.
Режекция наложений достигается за счет усложнения работы и более жестких требований к выходному импульсу предусилителя, который должен быть свободен от высокочастотного сигнала, вызывающего ложные признаки наложения во временных цепях. Он также должен быть свободен от высокочастотных помех источников питания, пересчетных приборов, компьютеров и видеотерминалов. Такой высокочастотный сигнал обычно отфильтровывается в основном
Ðèñ. 4.9. Природа и эффект наложения импульсов на выходе усилителя спектрометра. Когда два импульса разделены друг от друга меньше, чем на время нарастания напряжения усилителя, амплитуда результирующего импульса не характеризует ни один из входных импульсов
Глава 4. Аппаратура для гамма-спектрометрии |
77 |
Ðèñ. 4.10. Спектр изотопа 137Cs, полученный при высокой скорости счета (50000 имп./с), демонстрирующий улучшенное качество спектра при исполь зовании режекции наложений (РН). Сверху: весь спектр. Посередине: пик полного по глощения при 661,6 кэВ. Внизу: суммарный пик при 1323,2 кэВ; режекция наложения ум еньшает континуум наложений в окрестности суммарного пика в 25 раз , но не приводит к значительному снижению амплитуды суммарного пика
78 |
Дж. Паркер |
усилителе, но может вызвать ложные признаки наложения в цепи режекции и привести к чрезмерной режекции импульсов гамма-излучения и искажениям спектра. Значительное внимание должно быть уделено настройке цепей режекции наложений.
Правильное использование схемы "полюс-ноль", цепей восстановления базового уровня и режекции наложений может значительно улучшить качество измеренного спектра гамма-излучения. Так как осциллограф крайне необходим для установки оптимальных характеристик этих цепей, каждому пользователю гам- ма-спектрометрической системы следует иметь хороший осциллограф. Пользователям следует понимать работу осциллографа так же хорошо, как работу спектрометрической системы. Они скорее могут обнаружить и предотвратить различ- ные проблемы путем правильного использования осциллографа, чем при применении какого-либо другого оборудования.
4.5.4 Усовершенствование схемы усилителей
Два последних усовершенствования схемы усилителей улучшают способность гамма-спектрометрических систем работать при высоких загрузках без чрезмерного ухудшения спектра. Обе идеи используют узкую форму импульса для снижения потерь от наложений с одновременным сохранением хорошей формы пика, отношения сигнал/шум и разрешения.
В одной из схем на выходе стандартного высококачественного усилителя добавляется запирающий интегратор. Амплитуда выходного импульса интегратора пропорциональна интегралу выходных импульсов усилителя. Выходной сигнал интегратора преобразуется в цифровой код с помощью аналогово-цифрового преобразователя. Для конкретного типа взаимодействия гамма-излучения время сбора заряда зависит от напряжения электрического поля в детекторе и места взаимодействия. Носители заряда, которые образуются далеко от собирающих электродов или в областях, где электрическое поле слабее, достигают электродов позднее. Заряд, который собирается очень поздно, может не дать вклада в часть импульса предусилителя, несущую информацию; вероятно такой заряд вызывает баллистический дефицит. Если постоянные времени усилителя сравнимы со временем сбора заряда, интеграл выходных импульсов усилителя в большей степени пропорционален собранному заряду, чем амплитуда импульса. Если оценивать качественно, то интегратор позволяет увеличить период сбора заряда и уменьшает баллистический дефицит. С комбинацией усилитель-интегратор могут использоваться меньшие значения постоянных времени, чем в случае одного усилителя. Малые постоянные времени уменьшают потери при наложении импульсов и увеличивают пропускную способность. На рис. 4.11 показаны выходные импульсы усилителя и соответствующего интегратора.
Во второй схеме вместо обычных дифференциально-интегральных фильтров используются временные фильтры. Методика требует специальных предусилителей и аналогово-цифровых преобразователей, она действует при таких высоких загрузках, как 106 имп./с, при номинальной пропускной способности 80000 имп./с. На рис. 4.12 показано, что форма выходного импульса этой системы существенно отличается от формы импульса привычной функции Гаусса.