Спектрометрические приборы и измерения

Спектрометры ионизирующих излучений – это приборы, с помощью которых определяют распределение частиц или фотонов по одному или нескольким параметрам, например, по энергиям, по виду излучения (масса, заряд), а также по характеристикам движения в пространстве (угловая направленность, траектория
и т.п.). На АЭС используются преимущественно спектрометры для измерения распределения частиц и фотонов по энергиям – энергетические спектрометры.

Измерение энергетического распределения излучения, чаще всего g-излучения, используют для идентификации радионуклидов и определения их содержания в отбираемых пробах. В этих случаях задача пересекается с задачами радиометрии и может быть названа задачей многокомпонентной радиометрии.

Такие задачи обычно решают с помощью спектрометрии с линейным энергетически-амплитудным преобразованием, структурная схема которого представлена на рис. 10.14,а). Для реализации этого метода необходимо использовать детекторы, в которых амплитуда выходного сигнала пропорциональна энергии измеряемых частиц или квантов, оставляемой в чувствительном объеме детектора. Поэтому помимо линейного преобразования «переданная энергия-амплитуда» в детекторе необходимо обеспечить также полную передачу энергии. Тогда распределению по энергиям измеряемого излучения f(E) будет однозначно соответствовать распределение по амплитуде импульсов на выходе детектора j(А).

В связи с особенностями взаимодействия различных видов излучения с веществом детектора (см. главу 2), флуктуациями в процессе преобразования переданной энергии в самом чувствительном объеме и при усилении сигналов изображение моноэнергетического излучения в спектре амплитуд импульсов искажается; каждой энергии соответствует некоторая функция распределения, именуемая формой линии спектрометра или функцией отклика на определенную энергетическую линию, а если энергетический спектр f(E) содержит несколько энергетических линий, то амплитудное распределение j(А) складывается из форм линий для отдельных энергий. Подобное преобразование представлено на рис. 10.15,а), б).

Рис. 10.14. Структурная схема спектрометров:
а) с линейным энергетическо-амплитудным преобразованием;
б) с одновременной регистрацией двух параметров излучения;

f(E) – энергетический спектр излучения; j(А) – спектр амплитуд импульсов; y(I) – набор измеряемых параметров излучения

С помощью амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) весь измеряемый диапазон амплитуды А делится на некоторое количество интервалов-каналов. В процессе измерения регистрируются числа событий в каждом канале АЦП. Под событием подразумевается попадание амплитуды А сигнала детектора в интервал, соответствующий данному номеру канала. В итоге получается гистограмма, отображающая распределение j(А), как показано на рис. 10.15,в).

Дальнейшее преобразование накопленной в памяти АЦП информации производят с помощью компьютеров со специальным программным обеспечением в зависимости от поставленных задач.

Рис. 10.15. Преобразование информации в линейном спектрометре

При g-спектрометрических измерениях энергетический спектр линейчатый (см. раздел 1.2.2). Виды взаимодействия g-излучения с веществом таковы, что могут привести к полному поглощению энергии веществом детектора (см. раздел 2.2). Например, при фотопоглощении характеристическое излучение или электроны Оже могут передать свою энергию веществу детектора, и тогда суммарная переданная энергия будет равна энергии первичного фотона, попавшего в детектор. Если в чувствительном объеме произойдет многократное комптоновское рассеяние, то при этом также вся переданная веществу энергия будет равна энергии первичного фотона. При взаимодействии с образованием пар электрон-позитрон после аннигиляции позитрона оба g-кванта могут провзаимодействовать с чувствительным объемом детектора, особенно если этот объем достаточно велик, и снова вся энергия исходного g-кванта окажется переданной детектору. Таким образом, некоторая доля из попавших в детектор g-квантов полностью передаст энергию и сформирует так называемый пик полного поглощения (ППП). Площадь в гистограмме (рис. 10.15,в) под ППП будет соответствовать интенсивности данной g-линии; из этой площади можно определить содержание в источнике радионуклида, испускающего при распадах подобные g-кванты. Такой способ обработки линейчатого спектра наиболее простой и часто применяется при измерениях проб на АЭС. Если радионуклиды, входящие в состав измеряемого образца, испускают g-кванты с очень близкими энергиями, пики полного поглощения в измеренном распределении амплитуд будут сливаться в один, и для их разделения уже потребуются более сложные алгоритмы.

Энергетический спектр b-излучения, в отличие от спектра
g-излучения, непрерывный (см. раздел 1.2.4); и отклик спектрометра на b-излучение не будет иметь таких легко выделяемых структур как ППП. В этом случае, если в источнике немного радионуклидов (до четырех-пяти), испускающих b-частицы, то существуют реализованные в различных методиках измерений способы разложения суммарного амплитудного распределения на отдельные отклики, соответствующие конкретным радионуклидам. Спектрометрия b-излучения становится необходимой, когда некоторые радионуклиды являются чистыми b-излучателями и по g-спектру их содержание определить невозможно. На АЭС это пробы, содержащие ⁸⁹Sr, ⁹⁰Sr + ⁹⁰Y. Указанные продукты характеризуют выбросы и сбросы АЭС, поскольку являются продуктами деления. Их предшественники в цепочках распада осколков при делении ядер – инертные радиоактивные газы ⁸⁹Kr и ⁹⁰Kr – могут проникать сквозь трещины в оболочках твэлов в теплоноситель и уже потом, превратившись в ⁸⁹Sr, ⁹⁰Sr, попасть в окружающую среду. Опасны эти радионуклиды тем, что при попадании в организм человека они откладываются в костной ткани, замещая кальций, а b-частицы при их распаде могут облучать красный костный мозг.

Помимо представленного на рис. 10.14,а) спектрометра с линейным энергетическо-амплитудным преобразованием, имеющего один детектор, на АЭС применяются и спектрометры с одновременной регистрацией двух параметров излучения (рис. 10.14,б). Такие спектрометры применяются тогда, когда «полезный» сигнал очень трудно выделить на фоне «мешающего». Например, энергетический спектр регистрируется одним детектором, а другой детектор разрешает или запрещает регистрацию первым детектором, если в его чувствительный объем проникает сопутствующее излучение одновременно с излучением, проникшим в первый детектор. Такие спектрометры используют при регистрации излучения низких энергий, например, b-излучения радиоактивного изотопа водорода – трития, имеющего границу энергетического спектра b-частиц около 18 кэВ, что сравнимо с шумами регистрирующего устройства. Подготовленное вещество пробы непосредственно вводится в чувствительный объем детектора, и спектр фиксируется только тогда, когда импульсы двух регистраторов, подключенных к схеме «совпадений», появляются одновременно.

Глава 11