- •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
104 |
Дж. Паркер |
Ðèñ. 5.4. График спектра 137Cs, полученного с помощью сцинтилляционного детектора NaI с чувствительной областью 7,62´7,62 см и ОКА. График показывает способ оценки центра пика с помощью визуального подбора пересечения ли ний, которые проходят вдоль сторон пика
ем прямых линий вдоль обеих сторон пика через центры полос. Пересечение двух линий и является центром пика.
5.1.6 Определение положения пика методом первых моментов
Центроида положительной функции y(x) определяется выражен ием:
|
|
∫xx2 x y(x) dx |
|
∑ x |
y |
|
, |
(5.9) |
|
x = |
≈ |
i |
|||||||
1 |
i |
|
|||||||
∫x2 y(x) dx |
∑ yi |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
x1 |
|
|
|
|
|
|
ãäå x1 è x2 — границы рассматриваемой площади; yi — число отсчетов в канале xi.
Этот способ называется методом первых моментов потому, что числитель уравнения (5.9) является первым моментом y(x). Для функции Гаусса (уравнение (5.6)) x = x0. При вычислениях интегралы заменяются суммами, которые являются хорошим приближением к ним. Функция Гаусса стремится к нулю при x f%∞; однако суммирования в диапазоне трех FWHM обычно вполне достаточно. Если пик симметричен, а диапазон суммирования симметричен по отношению к пику, даже без вычитания фона под пиком получаются хорошие результаты. Результаты таких вычислений будут ошибочными, если под пиком имеется большой фон, а диапазон суммирования расположен асимметрично. Если фон под пиком вычи- тается, погрешность в вычислении положения пика, обусловленная асимметрией диапазона суммирования, мала. На рис. 5.5 показаны примеры правильного и неправильного выбора диапазона суммирования. Методы вычитания фона рассматриваются в этой главе далее.
Метод первых моментов особенно полезен для пиков с относительно небольшим числом отсчетов в каналах. Для пиков с явной асимметрией этот метод следу-
Глава 5. Основные вопросы пассивного анализа гамма-излучения |
105 |
Ðèñ. 5.5. Участок спектра с пиком, на котором представлены правильн о и неправильно выбранные диапазоны суммирования при определении центрои ды пика методом первого момента
ет использовать осторожно, поскольку рассчитанная центроида не будет совпадать с центроидой функции Гаусса, которая должна определяться при энергетической градуировке. Для использования процедуры первых моментов не требуется, чтобы пик имел форму функции Гаусса, но необходимо, чтобы он был симметричным.
5.1.7Определение положения пика с помощью метода пяти каналов
Для оценки центроиды пика с помощью метода пяти каналов используется канал с максимальным числом отсчетов и два смежных с ним канала с каждой стороны. Соответствующая формула имеет следующий вид:
x0 |
= xm + |
ym+1 |
(ym − ym−2 )− ym−1 |
(ym − ym+2 ) |
, |
(5.10) |
|
ym+1(ym − ym−2 )+ ym−1(ym − ym+2 ) |
|||||||
|
|
|
|
где m — номер канала с максимальным числом отсчетов; yi — число отсчетов в канале xi.
106 |
Дж. Паркер |
Уравнение (5.10) предполагает, что форма пика близка к форме кривой Гаусса. Подобная формула может быть выведена в предположении, что вершина пика имеет параболическую форму. Уравнение (5.10) хорошо работает, когда выше точки FWHM имеется от 6 до 30 каналов, а также достаточное число отсчетов в пяти каналах для четкого описания формы верхушки пика. Для широких пиков, измеренных с низкой точностью, метод пяти каналов работает не так хорошо, как метод первых моментов. Однако метод пяти каналов менее чувствителен по сравнению с методом первых моментов к асимметричным хвостам для плохих детекторов.
5.1.8Определение положения пика с помощью подгонки линеаризованной функцией Гаусса
Эта процедура преобразует пик в форме кривой Гаусса в линейную функцию, а затем подгоняет линию к преобразованному пику. Наклон и пересечение подгоняемой линии связаны с параметрами x0 и σ. Фон под пиком предварительно вы- читается так, чтобы подгонка выполнялась только к пику, который имеет форму кривой Гаусса.
Преобразования, которые линеаризуют функцию Гаусса, стали применяться совсем недавно для определения параметров пиков гамма-излучения [7]. Простейшим типом подобных преобразований является функция
Q(x) = ln |
y(x − 1) |
= |
2 |
x − |
2x0 |
, |
(5.11) |
y(x + 1) |
2 |
2 |
|||||
|
|
σ |
|
σ |
|
|
где y(x) — число отсчетов в канале x.
Последнее выражение в уравнении (5.11) справедливо, если y(x) является обыч- ной функцией Гаусса. Линейная функция Q(x) имеет наклон m и пересечение b, определяемые как
m = 2/σ2;
b = –2x0/σ2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5.12) |
||||||||||||||
Решая эти уравнения относительно σ2 è x0, получаем |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
σ2 = 2/m; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
x0 = –b/m. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5.13) |
||||||||||
Уравнение (5.14) дает выражения для наклона и пересечения линии подгон- |
||||||||||||||||||||||||||||||||
ки к набору точек [x, Q(x)] методом взвешенных наименьших квадр атов: |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
b = |
|
1 |
|
|
xi2 |
|
Qi |
− |
|
|
|
|
xi |
|
|
xiQi |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
∑ |
|
|
|
|
|
∑ |
|
|
|
|
∑ |
|
|
|
∑ |
|
|
|
; |
|
|
||||||||
|
|
|
|
si2 |
|
|
|
|
si2 |
|
si2 |
|
|
si2 |
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
x Q |
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
Q |
|
, |
(5.14) |
|||||||
m = |
|
|
|
|
∑ |
|
|
|
∑ |
|
i |
i |
− ∑ |
|
i |
|
∑ |
2i |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
2 |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
si |
|
|
|
si |
|
|
|
|
|
|
si |
|
|
si |
|
|
|
||||||
ãäå = ∑ |
1 |
|
|
|
|
x2 |
|
|
|
|
|
x |
i |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
∑ |
|
|
|
i |
|
|
− |
|
∑ |
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
si |
|
|
|
|
|
si |
|
|
|
|
|
si |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
si2 — оцененная дисперсия величины Q(x).
Глава 5. Основные вопросы пассивного анализа гамма-излучения |
107 |
Оцененная дисперсия Q(x) является функцией только неопределенностей |
|
â y(x): |
|
s2 [Q(x)]= sr2 [y(x −1)]+ sr2 [y(x +1)], |
(5.15) |
ãäå sr (y) ≡ s(y)/ y |
|
Если фон так мал, что им можно пренебречь, то |
|
sr2 [y(x)]≈1/ y(x) . |
(5.16) |
Если фон вычитается с помощью прямой линии по процедуре, показанной позднее в разделе 5.3.3, для оценки s2[y(x)] используется следующее выражение:
|
2 |
[y(x)]= y |
|
(x) + |
1 |
|
2 Bh |
+ (2 − k) |
2 Bl |
|
|
|
||
s |
|
t |
|
k |
|
|
|
|
|
, |
(5.17) |
|||
|
4 |
|
N2 |
|
N2 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
h |
|
|
l |
|
|
= 2(x − x ) ãäå k − l .
(xh xl)
Значение yt(x) является общим числом отсчетов в канале x, а значения других параметров даны в разделе 5.3.3.
Для линейной подгонки существуют простые выражения для оценок дисперсий s2 значений m и b:
s2 |
(m)~ |
|
1 |
∑ |
1 |
|
; |
||||
|
|
si2 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5.18) |
||
s |
2 |
(b)~ |
|
1 |
∑ |
xi |
|||||
|
. |
||||||||||
|
|
|
|
si2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Несмотря на то, что описанная процедура подгонки может казаться до некоторой степени сложной, она может производиться с помощью короткой вычислительной программы всего за несколько секунд. Чтобы избежать трудностей из-за хвостов пика, форма которых отличается от формы кривой Гаусса, и из-за неточ- ных данных, функцию Гаусса следует подгонять только к верхней части пика, составляющей от трех четвертей до двух его третей. n каналов в пике позволяют определить n-2 параметра функции Q(x). Когда при подгонке используются не менее четырех или пяти значений, их более чем достаточно, чтобы определить центроиды пиков, значения которых необходимы для энергетической градуировки. К сожалению, используя эту процедуру подгонки, очень трудно оценить статистическую неопределенность значения x0. Однако опыт показывает, что для пиков, имеющих приемлемые точности, значения x0 получаются с погрешностью ~ 0,1 канала или лучше.
При автоматизированной обработке необходимо создать критерий для проверки пригодности функции Гаусса для описания входных данных. Приведенная статистика хи-квадрат χ2/ν обеспечивает такой критерий. При линейной подгонке функции Q(x) по отношению к x значения этой статистики определяются из выражения:
|
2 |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
χ |
/ ν = |
|
[Q |
|
− (mx |
|
+ b) ] |
|
|
|
||||
|
|
∑ |
|
i |
i |
|
|
, |
(5.19) |
|||||
|
n − 2 |
s2 |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|