RU240078U1 - Бета-радиометр удельной (объемной) активности - Google Patents

Abstract

Бета-радиометр удельной активности на основе сцинтиллятора относится к средствам радиационного мониторинга и предназначается для оснащения подвижной лаборатории радиационного контроля и проведения измерения удельной активности бета-излучающих радионуклидов в условиях наличия сопутствующего альфа- и гамма-излучения в пробах воды и продуктов питания. Конструкция полезной модели представляет собой изготовленный из свинца корпус бета-радиометра и закрепленный в нем блок детектирования бета-излучения (БДБ) в форме цилиндра. В БДБ входит сцинтилляционный счетчик, построенный на основе фотоэлектронного умножителя и сцинтилляционного детектора на основе полистирола, оптимизированного по геометрическим размерам (∅80×1 мм), что позволяет совместить высокую чувствительность при минимальном влиянии фона и эффективную регистрацию полезного сигнала. Внешняя поверхность сцинтиллятора для защиты от альфа-излучения защищена фильтром майлара 40 мкм. При этом расстояние от внешней поверхности сцинтилляционного детектора до поверхности пробы составляет не более 5 мм, при толщине «тонких» проб ∅80 мм с наполнением кюветы в диапазоне высот от 70 мкм до 2 мм и «толстых» проб ∅80 мм с наполнением 15,5 мм. Техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого полезной модели, является создание радиометра, обладающего высокой чувствительностью к измеряемому бета-излучению и низкой чувствительностью к гамма-излучению в пробах воды и пищевых продуктов и фоновому излучению, а также исключением влияния альфа-излучения при широком температурном диапазоне (от +5 до +45)°С, что обеспечивает возможность эффективного применения заявляемого устройства в составе подвижной лаборатории радиационного контроля в условиях радиоактивного загрязнения местности.

Description

Полезная модель относится к средствам радиационного мониторинга и предназначается для оснащения подвижной лаборатории радиационного контроля и определения удельной активности бета-излучающих радионуклидов в условиях наличия сопутствующего альфа- и гамма-излучения в пробах воды и пищевых продуктов.

При проведении измерений в ходе радиационного мониторинга окружающей среды возникает задача регистрации бета-излучения с высокой чувствительностью в условиях сопутствующего гамма-излучения. Данная задача обусловлена тем, что при измерении удельной активности на величину нижней границы диапазона измерения влияет сопутствующее гамма-излучение. Для решения этой задачи необходимо уменьшить толщину детектора, чтобы снизить чувствительность к гамма-излучению, сохраняя при этом необходимую чувствительность к бета-излучению. Следует отметить, что идентификация бета-излучающих нуклидов по результатам измерения спектров бета-излучения возможна только для весьма ограниченного их количества в смеси (по сравнению, например, с аналогичной возможностью гамма-спектрометрии на основе сцинтилляционных детекторов), что ограничивает целесообразность применения бета-спектрометра по отношению к применению соответствующего бета-радиометра с тем же материалом детектора. Применение бета-радиометра позволяет использовать существенно меньшую толщину детектора по сравнению минимальной необходимой толщиной для бета-спектрометра, что позволяет снизить чувствительность к сопутствующему гамма-излучению и тем самым уменьшить величину нижней границы диапазона измерения удельной активности бета-излучающих радионуклидов.

Из уровня развития техники известен высокочувствительный бета-радиометр (Патент на изобретение №2098841; Научно-исследовательский институт импульсной техники), предназначенный для контроля радиоактивного загрязнения окружающей среды (проб грунта, воды, продуктов питания). Сущность изобретения заключается в том, что детектор защищен экраном от прямого воздействия бета- и гамма-излучения пробы и регистрирует только отражаемое от рассеивателя. Детектор окружен по периметру защитным экраном из свинца или вольфрама от прямого воздействия гамма-излучения и бета-излучения от счетного образца, а бета-излучение от счетного образца попадает в детектор после отражения от рассеивателя, изготовленного из свинца. Гамма-излучение, проходя сквозь рассеиватель, уходит из поля действия детектора. Бета-излучение, отражаясь от рассеивателя, регистрируется детектором. В качестве детектора бета-излучения для данного изобретения используются тонкие пластмассовые детекторы с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) или тонкие полупроводниковые детекторы.

Недостатком данного аналога является то, что конструкция измерительной установки не защищена от внешнего фонового гамма-излучения, которое может внести существенный вклад в создание помех при регистрации бета-излучения. Кроме того, результаты расчетов при помощи математического моделирования показали, что для радионуклидов ⁹⁰Sr+⁹⁰Y при использовании защитного экрана, описанного в изобретении, эффективность регистрации бета-излучения падает применено в 500 раз по сравнению с измерением без него. Отражательная способность свинца существенно зависит от энергии падающего на него бета-излучения, которая зависит от нуклидного состава источников бета-излучения. Отраженное бета-излучение не будет содержать первоначальной спектральной информации по энергии, что может снизить информативность результатов измерения.

Из уровня развития техники известен патент RU 2550313 C1 Спектрометр-радиометр для одновременного анализа характеристик смешанных полей альфа-бета- и гамма-излучений на основе составного детектора. Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано при создании аппаратуры радиационного контроля для определения спектрометрических, радиометрических и дозиметрических параметров загрязненной среды при одновременной регистрации альфа-, бета- и гамма-излучений. Сущность изобретения заключается в том, что спектрометр-радиометр, предназначенный для одновременного анализа характеристик смешанных полей альфа-, бета- и гамма-излучений на основе комбинированного детектора, состоит из полупроводникового «пролетного» детектора для регистрации альфа-излучения (в роли которого выступает кремниевый детектор толщиной 200-300 мкм), органического сцинтиллятора (в роли которого выступает паратерфенил толщиной 7 мм), и кристаллического сцинтиллятора NaI(Tl). Для регистрации бета-излучения используются сигналы кремниевого детектора и паратерфенила, регистрация гамма-излучений осуществляется с помощью сцинтиллятора NaI(Tl). Полупроводниковый кремниевый детектор расположен со стороны входного окна комбинированного детектора вплотную к паратерфенилу. Сцинтиллятор NaI(Tl) расположен за паратерфенилом и крепится вплотную к фотоэлектронному умножителю (ФЭУ). Между сцинтилляторами NaI(Tl) и паратерфенил установлено кварцевое стекло. Сборка: паратерфенил, NaI(Tl), кварцевое стекло и ФЭУ представляет собой фосвич-детектор из двух сцинтилляторов с существенной разницей во времени высвечивания органического и неорганического сцинтилляторов, что обеспечивает возможность эффективного разделения сигналов от этих сцинтилляторов. Тонкий «пролетный» кремниевый детектор толщиной 200-300 мкм используется для регистрации альфа-излучений. При регистрации бета-излучений в спектрометре-радиометре используются сигналы кремниевого детектора и паратерфенила, толщина которого составляет 7 мм, время высвечивания сцинтиллятора составляет 2 нс. Регистрация гамма-излучения осуществляется с помощью сцинтиллятора NaI(Tl). В кремниевом детекторе альфа-излучение поглощается полностью, а бета-излучение теряет лишь небольшую часть своей энергии. Полное поглощение бета-частиц происходит в органическом сцинтилляторе. Кварцевое стекло, установленное между паратерфенилом и NaI(Tl), предназначено для защиты NaI(Tl) от высокоэнергетического бета-излучения. Таким образом, конструктивно комбинированный детектор состоит из полупроводникового «пролетного» детектора и фосвич-детектора на основе двух сцинтилляторов различной толщины и различных характеристик. Технический результат - повышение эффективности разделения бета- и гамма-излучений.

Недостатком аналога является то, что нижняя граница диапазона измерения плотности потока бета-частиц фосвич-детектором, как правило, существенно выше, чем у известных бета-детекторов с одиночным чувствительным элементом, что не дает возможности для их использования в качестве детекторов для измерения проб воды и пищевых продуктов. Существенным недостатком такого типа детекторов также является непроработанный вопрос об обеспечении термостабилизации детекторов, состоящих из разных сцинтилляционных материалов и подключенных к одному ФЭУ. Это обстоятельство имеет существенное значение для решения вопроса по применению таких детекторов в составе подвижной лаборатории радиационного контроля.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является альфа- бета-радиометр для измерения малых активностей УМФ-2000. [Альфа-бета радиометры для измерений малых активностей УМФ-2000 Описание типа средства измерений. Приложение к Свидетельствуя» 71929 об утверждении типа средств измерений. Внесены в Государственный реестр средств измерений. Регистрационный №16297-18, https://all-pribors.ru/opisanie/16297-18-umf-2000?ysclid=1ve12pd8n0931308047#ot].

Радиометр предназначен для измерений активности альфа- и бета-излучающих радионуклидов в счетных образцах. Радиометр также может использоваться при измерениях, выполняемых по соответствующим методикам измерений, для определения суммарной активности бета-излучающих нуклидов в счетных образцах из проб пищевых продуктов, почвы, воды, на воздушных фильтрах и сорбентах, а также измерения активности нуклидов в пробах, полученных после селективной радиохимической экстракции. Для снижения вклада в результат измерений внешнего радиоактивного фона используется пассивная и активная защита детектора. Радиометр применяется в лабораториях, контролирующих содержание радионуклидов в природной и питьевой воде, пищевых продуктах и объектах окружающей среды. Устройство детектирования содержит: полупроводниковый детектор из высокоомного кремния, легированного алюминием, с площадью рабочей поверхности 500 или 1000 мм² и держатель счетных образцов с устройством для подачи их в фиксированное положение вблизи детектора. Полупроводниковый детектор преобразует энергию попадающих в него альфа- и бета-частиц в электрические импульсы с помощью зарядочувствительного предусилителя.

Недостатками прототипа является применение полупроводниковых кремниевых детекторов. Плотность кремния значительно превышает плотность сцинтилляторов на основе органических материалов. Повышенная плотность детектора влечет отражение заряженных частиц в объеме материала, что повышает значения фона, регистрируемого устройством. Повышение фона часто ведет к тому, что становится невозможно различить импульсы, соответствующие энергиям разных нуклидов, что снижает точность измерения активности.

Цель полезной модели - создание радиометра с улучшенными техническими характеристиками, а именно обладающего высокой чувствительностью к измеряемому бета-излучению и низкой чувствительностью к гамма-излучению при широком температурном диапазоне (от +5 до +45)°С.

В качестве детектора для бета-радиометра наиболее предпочтительным является использование сцинтилляционного детектора на основе полистирола. Он обладает сравнительно высокой конверсионной эффективностью к бета-излучению, имеет малый коэффициент обратного рассеяния частиц от поверхности детектора (например, по сравнению с ионными кристаллическими детекторами) и характеризуется высоким быстродействием (его постоянная времени высвечивания составляет порядка τ ≈ 3 нс). При регистрации потока бета-частиц негативным фактором, существенно влияющим на величину нижней границы диапазона измерения удельной активности, является регистрация сопутствующего гамма-излучения.

Кроме того, в процессе создания полезной модели были применены следующие технические решения:

- реализация блока детектирования бета-излучения в виде моноблока, зафиксированного в низкофоновой камере, изготовленной из свинца;

- оптимизация размера детектора, что позволяет получить оптимальный результат по соотношению полезный сигнал-шум и обеспечивает оптимальное сопряжение с данной электронной схемой с учетом световыхода материала детектора;

- экранирование детектора от альфа-излучения и света слоем майлара, (состоящего из основного и дополнительного заменяемого фильтров), общей толщиной 40 мкм;

- выбор термостабильной и высокочастотной радиотехнической схемотехники;

- выбор минимального расстояния между детектором и пробой;

- защита сцинтилляционного детектора от возможных радиоактивных загрязнений при проведении измерений дополнительным заменяемым в случае загрязнения защитным фильтром из майлара.

Одним из наиболее эффективных способов снижения чувствительности детектора к гамма-излучению при обеспечении необходимого значения чувствительности к бета-излучению является оптимизация толщины детектора. Для получения количественных характеристик этого эффекта и для выбора параметров радиометра были проведены расчеты показаний радиометра для спектров бета-излучения радионуклидов ⁹⁰Sr+⁹⁰Y и гамма-излучения радионуклидов ¹³⁷Cs+^137mBa при помощи математического моделирования для толщины детектора от 6 мм до 25 мкм. Результаты расчетов показали, что чувствительность радиометра к бета-излучению остается практически неизменной, в то время как чувствительность по гамма-излучению падает примерно в 14 раз.

Помимо данного эффекта при выборе толщины детектора бета-радиометра необходимо учитывать и тот факт, что полистирол обладает сравнительно низким световыходом и при малой толщине детектора сигнал от него может быть недостаточно сильным для регистрации ФЭУ. Учитывая эти конкурирующие факторы, толщина детектора из полистирола на основании результатов экспериментальных исследований была выбрана равной 1 мм.

Оценка эффективности характеристик бета-радиометра производилась путем сравнения значений минимально измеряемой удельной активности радионуклидов, полученной на основе расчетов по бета-спектрам ⁹⁰Sr+⁹⁰Y и величине фона для детекторов и проб различных размеров. В свою очередь, спектры бета-частиц ⁹⁰Sr+⁹⁰Y были получены в результате математического моделирования процессов переноса и регистрации ионизирующих излучений методом Монте-Карло для заданных геометрий измерения.

Из рассмотренных вариантов была выбрана геометрия измерения, в которой бета-радиометр позволяет совместить высокую чувствительность при минимальном влиянии фона и эффективную регистрацию полезного сигнала, а также обеспечить защиту детектора от засветки и от загрязнения материалом пробы.

Указанной геометрии соответствует конструкция бета-радиометра с блоком детектирования на основе полистирола размерами ∅80×1 мм с фильтром, изготовленным из майлара толщиной не менее 40 мкм, расстоянием между детектором и поверхностью пробы 5 мм, при толщине «тонких» проб ∅80 мм с наполнением кюветы в диапазоне высот от 70 мкм до 2 мм, и «толстых» проб ∅80 мм с наполнением 15,5 мм. Указанная геометрия измерения при толщине защиты из свинца, равной 5 см, выбрана в качестве основы конструкции для построения сцинтилляционного бета-радиометра.

Конструкция полезной модели представляет собой изготовленный из свинца корпус бета-радиометра и закрепленный в нем блок детектирования бета-излучения (БДБ) в форме цилиндра. Управление бета-радиометром обеспечивается по CAN интерфейсу бортовой управляющей ПЭВМ подвижной лаборатории радиационного контроля. Электропитание осуществляется от бортовой сети.

Свинцовый корпус бета-радиометра зачищает БДБ от гамма-излучения внешних источников и космического фона и фиксирует геометрию измерения, обеспечивая минимальное расстояние между поверхностью пробы и поверхностью БДБ, не допуская при этом загрязнения БДБ от материала пробы. В нижней части корпуса размещается защитная дверца, совмещенная с устройством для подачи проб. Пробы устанавливаются таким образом, что расстояние от внешней поверхности сцинтилляционного детектора БДБ до поверхности пробы составляет не более 5 мм.

БДБ предназначен для регистрации ионизирующих излучений, формирования спектрометрического сигнала и накопления спектрометрической информации с последующей передачей ее в ПЭВМ. В состав БДБ входит сцинтилляционный счетчик, построенный на основе ФЭУ-183 и сцинтилляционного детектора на основе полистирола, оптимизированного по геометрическим размерам GGG80×1 мм, что позволяет совместить высокую чувствительность при минимальном влиянии фона и эффективную регистрацию полезного сигнала. Внешняя поверхность сцинтиллятора для защиты ФЭУ от воздействия дневного света защищена майларом в два слоя при толщине каждого слоя 20 мкм. Конструкция обеспечивает защищенность электронных узлов от пыли и влаги. Также конструкция БДБ обеспечивает защищенность ФЭУ от внешних источников света.

Сцинтилляционный счетчик предназначен для преобразования энергии излучения в заряд импульсов анодного тока ФЭУ. Счетчик выполнен на базе сцинтилляционного детектора и ФЭУ. Детектор осуществляет преобразование поглощенной в чувствительном объеме энергии, оставленной пролетающими частицами, в интенсивность коротких световых вспышек-сцинтилляций, а ФЭУ преобразует интенсивность этих сцинтилляций в заряд импульсов анодного тока ФЭУ. ФЭУ регистрирует вспышки и преобразует их в импульсы тока. Амплитуда импульса тока пропорциональна интенсивности световой вспышки, а, следовательно, и энергии гамма-излучения, поглощенной в чувствительном объеме детектора. Последующие электронные схемы преобразуют импульс тока в импульс напряжения с параметрами, допускающими непосредственную его подачу на вход аналого-цифровой преобразователя, предназначенного для преобразования амплитуды входного импульса в цифровой код, являющийся двоичным номером канала анализатора, и накопления получаемой информации в буферном запоминающем устройстве. Полученные данные после необходимой обработки передаются по CAN интерфейсу бортовой управляющей ПЭВМ.

Для построения сцинтилляционного тракта детектирования выбран современный принцип цифровых методов обработки сигналов от детектора излучения (по альтернативе к более ранним, аналоговым методам). При таком подходе к построению спектрометрического тракта он становится слабо чувствительным к внешним наводкам и температурным дрейфам, т.к. оцифровка происходит на более раннем этапе, чем в аналоговых системах.

Как показали результаты математического моделирования и экспериментальных исследований, применение заявленной полезной модели бета-радиометра позволяет использовать существенно меньшую толщину детектора по сравнению с минимально необходимой толщиной детектора из того же материала для бета-спектрометра. Это дает возможность снизить чувствительность к сопутствующему гамма-излучению и, тем самым, уменьшить величину нижней границы диапазона измерения удельной активности бета-излучающих радионуклидов примерно на порядок.

Техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого полезной модели, является создание радиометра, обладающего высокой чувствительностью к измеряемому бета-излучению и низкой чувствительностью к гамма-излучению в пробах воды и пищевых продуктов и фоновому излучению, а также исключением влияния альфа-излучения, при широком температурном диапазоне (от +5 до +45)°С, что обеспечивает возможность эффективного применения заявляемого устройства в составе подвижной лаборатории радиационного контроля в условиях радиоактивного загрязнения местности.

Claims (1)

1. Бета-радиометр удельной активности, предназначенный для измерения бета-излучения в пробах, содержащих альфа-, бета- и гамма-излучающие радионуклиды, включающий свинцовый корпус и блок детектирования бета-излучения, содержащий сцинтилляционный детектор, фотоэлектронный умножитель и модуль электроники, отличающийся тем, что корпус изготовлен из свинца толщиной 5 см, а детектор выполнен на основе сцинтиллятора из полистирола диаметром 80 мм и толщиной 1 мм, внешняя поверхность которого покрыта майларовой пленкой суммарной толщиной не менее 40 мкм, при этом бета-радиометр выполнен с возможностью размещения пробы на расстоянии не более 5 мм от внешней поверхности сцинтилляционного детектора до поверхности пробы.