- •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
88 |
Дж. Паркер |
поддерживать эти две скорости счета равными. Стабилизаторы для детекторов NaI выполняются в виде модулей в стандарте NIM и могут содержать сочетания усилитель/стабилизатор или отдельные стабилизаторы. Когда в спектрах NaI отсутствуют пики, подходящие для стабилизации, в качестве их заменителя нельзя использовать пик от генератора импульсов, потому что он может только корректировать нестабильность предусилителя и усилителя; основной дрейф в системе анализа с детектором NaI связан с фотоумножителем. Хотя внешний источник гамма-излучения дает пик стабилизации, комптоновское распределение от источника может чрезмерно интерферировать с гамма-излучением рассматриваемых энергий. В качестве альтернативного решения можно использовать детектор со встроенным генератором световых импульсов. Кристаллы NaI могут быть выращены с внедрением небольшой примеси ядер, испускающих альфа-частицы (например, 241Am). Взаимодействие альфа-частиц с кристаллом NaI дает четкий пик с фиксированной скоростью счета и энергией, эквивалентной энергии гам- ма-излучения. Поскольку температурные зависимости сцинтилляции, вызванной альфа-частицами и гамма-излучением, не одинаковы, точная стабилизация для большого температурного диапазона может потребовать специальной цепи температурной компенсации.
4.8.3 Память многоканального анализатора, дисплей и анализ данных
После того как АЦП преобразует импульс напряжения от усилителя в двоич- ный адрес, этот адрес запоминается для последующего анализа. Все системы МКА имеют память, предназначенную для запоминания спектра, а большинство систем содержат спектральный дисплей и встроенные устройства анализа данных.
Хотя наиболее принятым размером памяти является 4096 каналов, имеются МКА с другими размерами памяти, такими как 1024, 8192 или 16384 канала. Меньший размер памяти обычно используется вместе с детекторами NaI, а также с германиевыми или кремниевыми детекторами при рассмотрении узкого энергетиче- ского диапазона. Чтобы иметь достаточное число каналов в пике полного поглощения, обычно требуется общее усиление системы порядка 0,1 кэВ/канал; однако с таким коэффициентом усиления 1024-канальный МКА может собрать данные в диапазоне с шириной до 100 кэВ. Большие системы МКА обычно могут принимать данные от нескольких АЦП одновременно. 16384-канальный МКА может собирать четыре 4096-канальных спектра одновременно. Имеются МКА с большим числом каналов (до 65536).
Максимальное число отсчетов, которое может быть записано в канал, часто является важной характеристикой, поскольку оно устанавливает предел сходимости результатов измерения, который может быть получен при одном измерении. Первые транзисторные МКА часто имели максимальную емкость 65536 от- счетов в канале. Современным стандартом обычно является 106 отсчетов в канале, однако, имеются большие МКА с числом отсчетов в канале, равным 1,6Ч107, 2,56×108 è äàæå 4×109 (последнее число, возможно, больше, чем когда-либо потребуется). Хотя действующий стандарт в 106 отсчетов в канале подходит для многих задач с низкой скоростью счета, он является определенным ограничением, например, для высокоточных измерений образцов высокой активности. Это ограниче-
Глава 4. Аппаратура для гамма-спектрометрии |
89 |
ние особенно заметно, когда необходимо измерить в одном спектре слабые и интенсивные пики, как это бывает во многих случаях измерения плутония. Время счета должно быть выбрано таким, чтобы самый интенсивный пик в рассматриваемой области не переполнял емкость канала; к сожалению, это время счета может давать неприемлемо низкие сходимости для определения площадей более слабых пиков. В результате потребуется проведение многократных измерений. Когда решаются вопросы о размере памяти МКА и требования к емкости, особенно внимательно следует рассматривать предполагаемые области пр именения.
Самый быстрый и полезный путь получения качественной и полуколичественной информации из спектра, записанного в памяти, это просмотр на графике содержимого канала. Большинство МКА имеют дисплей для отображения спектра, и многие предлагают широкий диапазон возможностей отображения на дисплее. Все дисплеи обладают вертикальными и горизонтальными шкалами, а многие имеют линейные и логарифмические масштабы. Большинство дисплеев имеют один или два курсора, которые могут перемещаться по спектру; номер канала, соответствующего положению курсора, и содержимое этого канала в численном виде отображаются на экране. Большинство МКА могут увеличивать отдельные рассматриваемые области или изменять цвет рассматриваемого диапазона, чтобы выделить конкретные спектральные характеристики. Хороший МКА может показать два или более спектров одновременно, а также наложить спектры для проведения тщательного визуального сравнения.
До недавнего времени в большинстве дисплеев МКА использовались катод- но-лучевые трубки с электростатическим отклонением, которое используется только для небольших экранов дисплеев, размером приблизительно 15Ч15 см. Сейчас большинство МКА используют магнитное отклонение, что позволяет получить больший размер экрана; изображение идентично телевизионному изображению. Некоторые дисплеи многоцветны, но большинство еще монохромны. В каждом типе дисплея канал представлен точкой или полосой, высота которой по вертикали пропорциональна содержимому канала. Жидкокристаллические дисплеи только начали производиться и используются, главным образом, для низкоэнергетических применений в портативных МКА.
Магнито-отклоняющие дисплеи с большими экранами экономичны и дают отличное изображение, но имеют один существенный недостаток. Генератор развертки в цепи магнитного отклонения генерирует импульсы электромагнитной помехи на частотах приблизительно 16 кГц; помеха легко проходит по линиям сигналов предусилителя и может вызвать значительное ухудшение качества спектра. Значительное внимание должно быть уделено заземлению, экранированию и расположению сигнальных кабелей, чтобы исключить или минимизировать эту проблему. Обычно используемые с большими МКА и компьютерными системами видеотерминалы также генерируют подобный шум; все сигнальные кабели должны быть проложены на значительном расстоянии от терминалов.
Большинство крупных МКА имеют несколько встроенных функций для проведения анализа, которые обычно определяют положения пиков и их ширину в числе каналов, проводят энергетическую градуировку, определяют полное число импульсов в выбранном диапазоне, а также площади пиков полного поглощения. Другие имеющиеся функции могут включать сглаживание, нормировку и вычи- тание фонового спектра. Результаты в численном виде обычно изображаются на экране или печатаются на терминале системы. Указанные функции обеспечива-