Способ определения радиоактивности веществ и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретения: при осуществлении способа определения радиоактивности вещества, основанного на методе ΔE -E, измеряемые от исследуемого вещества спектральные энергетические характеристики радионуклидов сравнивают с эталонными характеристиками отдельно по видам излучений, определяя тем самым вид радиоактивности и типы радионуклидов, после чего определяют массу радионуклидов по формуле где Т_1/2 - период полураспада; А - атомная масса нуклида; N_A - число Авогадро; t - время измерения дифференциального энергетического спектра излучений; N(E)- скорость счета, определяемая для каждого вида излучений отдельно; Е - энергия; Ω - телесный угол регистрации излучений. Устройство для осуществления данного способа отличается от известных тем, что в него введены 3 - 8 полупроводниковых детектора, зарядочувствительных усилителей и усилителей формирователей, а аналого-цифровая система сбора и преобразования и схема управления выполнены с числом каналов, равным числу детекторов, кроме того, в него введены однокристальная ЭВМ, постоянное запоминающее устройство и блок согласования уровней. В постоянном запоминающем устройстве записываются спектральные энергетические характеристики известных радионуклидов, что обеспечивает при сравнении их с измеряемыми характеристиками излучений, определение вида радиоактивности, типа радионуклида и массы содержания радионуклидов в исследуемом веществе, 2 с.п.ф-лы,5 ил.

Изобретение относится к ядерной физике и ядерной электронике, а именно к спектроскопии и дозиметрии ядерных излучений, и может быть использовано в спектрометрических и дозиметрических системах.

Известны способы определения радиоактивности веществ, основанные на измерении потока ионизирующих частиц, испускаемых исследуемым веществом различными детекторами ядерного излучения, в том числе полупроводниковыми /1/.

Известны устройства для определения радиоактивности веществ, представляющих собой дозиметры на газоразрядных, сцинтилляционных, ионизационных, полупроводниковых и других детекторах /2/.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения радиоактивности веществ /3/, основанный на применении системы и двух полупроводниковых детекторов ΔE и Е и измерении потока ионизирующих частиц или пропорциональных ему дифференциальных скоростей счета , где N скорость счета, E энергия частиц, и одновременном измерении спектральных энергетических характеристик -излучений, испускаемых исследуемым веществом.

Устройство /3/ для осуществления вышеописанного способа содержит индикатор, блок памяти программ и констант и систему из двух полупроводниковых детекторов, первый и второй выходы котоpой соединены со входами соответственно первого и второго блоков аналоговых измерений, первые выходы которых связаны с первыми входами соответственно первого и второго аналого-цифрового преобразователя, при этом с целью повышения информативности, увеличения динамического диапазона регистрируемых потоков и доз излучений и точности измерений путем одновременной регистрации всех видов радиоактивного излучения в него введен блок оперативной памяти, центральное процессорное устройство, клавиатура, буферный регистр, блок управления и блок стробируемых буферных усилителей, выход которого соединен через буферный регистр с общей шиной центрального процессорного устройства, с которой связаны блок памяти программ и констант, блок оперативной памяти, индикатор, клавиатура и первый вход блока управления, второй и третий выходы которого подключены к вторым входам соответственно первого и второго блоков аналоговых измерений, первый-третий выходы блока управления связаны соответственно со вторыми входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей и первым входом блока стробируемых буферных усилителей, второй и третий входы которого подключены к входам соответственно первого и второго аналогово-цифровых преобразователей.

Недостатками всех вышеуказанных способов и устройств являются невозможность определения одновременно с видом радиоактивности типа радионуклида в исследуемом веществе, так как этого не позволяет конструкция спектрометров-дозиметров (недостаток телескопической детекторной системы и электронной схемы прибора); невозможность определения массы радионуклида, обусловленная также недостатками в конструкции и электронной схеме приборов; относительно невысокая точность и надежность определения α, β, γ-радиоактивности, так как телескопическая детекторная система неоптимально адаптирована к видам радиоактивности; недостаточная скорость измерений параметров радиоактивности, обусловленная уровнем схемного решения.

Все это приводит к тому, что известные способы определения радиоактивности и устройства для их осуществления непригодны для определения широкого спектра параметров радиоактивности с высокой точностью, надежностью и быстродействием. Сущность изобретения состоит в том, что при осуществлении способа определения pадиоактивности веществ, основанном на применении метода DE на полупроводниковых детекторах, позволяющего одновременно и раздельно определять три вида радиоактивности (α, β, γ), путем измерения пропорциональных потоку ионизирующих излучений скоростей счета dN(E)/dt, где N скорость счета, Е энергия излучения и одновременного измерения спектральных энергетических характеристик dN(E)/dE α, β, γ-излучений, испускаемых исследуемым веществом, при измерении используют систему, состоящую из 3 до 8 детекторов, причем их число определяется диапазоном энергии регистрируемых радионуклидов, а спектральные энергетические характеристики dN(E)/dE измеряемых радионуклидов сравнивают с известными (эталонными) характеристиками, отдельно по видам излучений a,β,γ;; определяя тем самым вид радиоактивности и типы радионуклидов, после чего массу радионуклидов определяют по формуле где Т_1/2 период полураспада; А атомная масса радионуклида; t - время измерения дифференциального энергетического спектра излучений; N(E) - скорость счета, определяемая для каждого вида излучений отдельно; Ω - - телесный угол регистрации излучений.

Поставленная цель также достигается тем, что устройство для осуществления данного способа, содержащее систему из полупроводниковых детекторов, выходы которых связаны с входами зарядовочувствительных предусилителей, выходы которых связаны с входами усилителей-формирователей, первые выходы которых подключены к входам аналого-цифровой системы сбора и преобразования, а вторые выходы подсоединены к схеме управления, выходы которой и выходы аналого-цифровой системы сбора и преобразования через буферные усилители связаны с блоком оперативного запоминающего устройства, отличается тем, что в него введено от трех до восьми полупроводниковых детекторов, зарядовочувствительных предусилителей и усилителей-формирователей, а аналого-цифровая система сбора и преобразования и схема управления выполнены с числом каналов соответствующих числу детекторов, кроме того, в него введены однокристальная ЭВМ, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и блок согласования уровней, при этом однокристальная ЭВМ через общую шину связана с выходами ПЗУ, с совмещенными входами-выходами оперативного запоминающего устройства, выходами аналого-цифровой системы сбора и преобразования, а вход блока согласования уровней подключен к однокристальной ЭВМ, а выход к внешней ПЭВМ.

Техническим результатом изобретения является то, что предлагаемые способ и устройство для определения радиоактивности веществ характеризуются обеспечением возможности одновременно с видом радиоактивности определять также и типы радионуклидов благодаря новым приемам при осуществлении способа (сравнение с эталоном, новая математическая зависимость), а также благодаря новой конструкции системы полупроводниковых детекторов (введение дополнительных детекторов), а также новому решению электронной схемы (введение ОЭВМ, ПЗУ и др, и их новых связей);
обеспечением возможности определения массы радионуклидов, обусловленное вышеперечисленными причинами;
высокой точностью определения вида излучений и типа радионуклидов благодаря применению полупроводниковой системы, надежно отделяющей один вид излучения от другого и применению ПЗУ, в котором зафиксированы значения параметров большинства известных радионуклидов;
непрерывностью измерений, обусловленной тем, что устройство определяет все виды излучений и типы радионуклидов одновременно;
высокой надежностью измерений, ибо устройство устойчиво к механическим, термическим и электромагнитным воздействиям, а также к изменениям среды;
возможностью использовать устройство в любых условиях, начиная от лабораторных до полевых, а также в глубоком вакууме;
высокой экономичностью, так как в устройстве использованы серийно выпускаемые детали и экономические микросхемы.

На фиг. 1 изображена схема реализующего способ устройства для измерения радиоактивности веществ; на фиг.2,3,4 приведены результаты измерения параметров α, β, γ-радиоактивности соответственно от радиоактивных изотопов. (они же в дальнейшем используются в составе эталонов);
на фиг.5 приведен пример определения параметров a-радиоактивности от исследуемой пробы вещества (видны характерные пики альфа-излучения с энергией ≈6.1 МжВ и ≈7.5 МэВ.

Способ осуществляется следующим образом.

Поток ионизирующих частиц a, β, γ-излучений, испускаемых исследуемым веществом, определяют путем измерения пропорциональных потоку, дифференциальных скоростей счета , где N скорость счета; Е энергия частиц. Одновременно измеряют спектральные энергетические характеристики -излучений, испускаемых исследуемым веществом.

Затем измеренные спектральные энергетические характеристики сравниваются с эталонными энергетическими спектрами известных изотопов α, β, γ-излучения. (Например Pu²³⁹- a-излучатель; Sr⁹⁰ b излучатель; Cs¹³⁷ g -излучатель, имеющиеся в дозиметрических лабораториях).

Спектральные энергетические характеристики эталонных радиоактивных веществ предварительно заносят в ПЗУ. В случае совпадения характерных энергетических характеристик эталонов с измеренными производят идентификацию типа или типов радионуклидов, содержащихся в исследуемом веществе, а также видов радиоактивности (α,β или γ)..

Способ позволяет определять с высокой точностью и массу содержащихся в исследуемом веществе радионуклидов. Масса радионуклидов в веществе пропорциональна активности того или иного содержащегося в веществе радионуклида m_pk A_p, где k- коэффициент пропорциональности; A_p- активность радионуклида. Далее определяют активность радионуклида A_p путем измерения энергетических спектров α, β и g-излучений радионуклидов по всем энергиям от E_min до E_max , а также путем учета геометрии измерения, т.е. отношения полного угла излучения 4π к телесному углу регистрации частиц прибором W для каждого вида радиации. Таким образом математическая формула для определения массы радионуклида имеет вид

где T_1/2 период полураспада; A атомная масса нуклида; N_A- число Авогадро; t время измерения дифференциального энергетического спектра излучений; N(E)- скорость счета, определяемая для каждого вида излучений отдельно; Ω- телесный угол регистрации каждого вида радиации.

Телескопическая полупроводниковая система на основе метода-dE-E-E позволяет одновременно измерять все три вида радиоактивности (a, β и γ) и также определять массу наиболее известных радионуклидов.

Устройство (фиг.1), реализующее описанный выше способ измерения радиоактивности, состоит из следующих основных элементов: полупроводниковых детекторов 1-8; зарядово-чувствительных усилителей (ЗЧУ) 9-16; усилителей-формирователей 17-24 (при этом число детекторов 1-8 и соответственно число зарядово-чувствительных усилителей 9 16 и усилителей-формирователей 17-24 в зависимости от диапазона регистрируемых энергий бета и гамма-излучения может варьироваться от трех до восьми; восьмиразрядной восьмиканальной аналого-цифровой системы сбора и преобразования данных (АЦСП) 25; схемы управления (СУ) 26; однокристальной электронно-вычислительной машины (ОЭВМ) 27; постоянного запоминающего устройства (ОЗУ) 29; устройства согласования уровней (УСУ) 30.

Детекторы 1-8 предназначены для регистрации радиоактивного излучения; функционально они состоят из трех групп: первый это детектор для регистрации a-излучения, вторая группа детекторы для регистрации b-излучения, число детекторов во второй группе может варьироваться от одного до трех в зависимости от энергетического спектра измеряемого b-излучения радионуклида. Для регистрации гамма-излучения число детекторов составляет от одного до четырех в зависимости от диапазона регистрации гамма квантов; зарядовочувствительные предусилители 9-16 служат для формирования электрического импульса с амплитудой пропорциональной энергии зарегистрированного радиоактивного излучения; усилители-формирователи обеспечивают усиление сигнала и запоминание его на время преобразования аналогового сигнала, амплитуда которого пропорциональна энергии зарегистрированного излучения, в двоичный цифровой код; схема управления 26 вырабатывает сигнал прерывания ОЭВМ 27, а также формирует код-идентификатор, определяющий, в каких детекторах было зарегистрировано радиоактивное излучение; высокопроизводительная ОЭВМ 27 под управлением программы, хранящиеся в резидентном ПЗУ, используя эталонные спектры, записанные в ПЗУ 28 и текущие данные из ОЗУ 29, обеспечивает реализацию алгоритма набора и идентификации спектров радиоактивных веществ; устройство согласования уровней 30 преобразует однополярный сигнал ОЭВМ 27 к стандарту RS 232 и обеспечивает последовательный асинхронный двунаправленный обмен с внешним устройством (ПЭВМ).

Устройство функционирует следующим образом.

При регистрации какого-либо излучения заряд, выделенный в детекторе 1-8 в результате прохождения частицы (кванта), преобразуется зарядовочувствительным усилителем 9 16 в электрический импульс с амплитудой, пропорциональной энергии излучения. Далее сигнал усиливается и запоминается в усилителе-формирователе 17-24. Одновременно идентифицирующий импульс с усилителя-формирователя 17-24 поступает на схему управления 26, которая формирует сигнал прерывания ОЭВМ 27 и код-идентификатор. С выхода усилителя-формирователя 17-24 сформированный импульс поступает на соответствующий вход аналого-цифровой системы 25 и преобразуется в код. Код автоматически заносится во внутреннее ОЗУ АЦС 25 и хранится там до следующего цикла преобразования в этом же канале. После поступления сигнала прерывания со схемы управления 26 ОЭВМ 27 через восьмиразрядную шину считывает данные из внутреннего ОЗУ аналого-цифровой системы 25. Данные в виде спектра накапливаются и хранятся ОЗУ 29. Идентификация изотопов, а также определение количества радиоактивных веществ осуществляется по программе, хранящейся в резидентном ПЗУ ОЭВМ 27, с использованием эталонных энергетических спектров, записанных в ПЗУ 28.

При реализации описанного выше устройства были использованы кремниевые полупроводниковые детекторы: имеющиеся разработки зарядово-чувствительных предусилителей 140 серии; АЦС К572ПВ4; ОЭВМ семейства IMCS-51; репрограммируемое ПЗУ 32к х 8 и ОЗУ 128к х 8. Устройство было испытано в лаборатории НИИЯФ МГУ и в полевых условиях (Москва и Московская область). Результаты измерений приведены на фиг.2 5.

Пример 1. На фиг.2 приведен измеренный энергетический спектр радиоактивного изотопа Pu²³⁹ альфа излучатель (E_α≈ 5.1 МэВ), активность A_p 1 мккюри.

Пример 2. На фиг.3 приведен энергетический спектр радиоактивного изотопа Sr⁹⁰-бета излучатель. Максимум в спектре на 700-800 кэВ. A_p ≈ 1,5 мккюри.

Пример 3. На фиг.4 приведен энергетический спектр радиоактивного изотопа Cs¹³⁷-гамма излучатель E_γ=661 кэВ. A_p≈2 мккюри.
Далее приведены примеры расчета массы радионуклидов m_p согласно формуле
1) Для Pu²³⁹ A=239; T_1/2 24360 лет ≈ 7.7·10¹¹ с.

A_p= 1 мккюри= 3.7·10⁴ Бк; Ω≈2π.

2) Для Sr⁹⁰ A 90; T_1.2 30 лет ≈ 9,5 ·10⁸ с.

A_p 1.5 мккюри 1.5 · 3,7 ·10⁴ Бк; Ω≈2π..

3) Для Cs¹³⁷ A 137; T_1/2=30 лет ≈ 9,5·10⁸ с.

A_p= 2 мккюри= 5,4·10⁴ Бк; Ω≈2π.

Таким образом созданы способ определения радиоактивности веществ и устройство для его осуществления, характеризующиеся по сравнению с известными способностью определять с высокой точностью, надежностью и быстродействием одновременно вид радиоактивности, тип и массу радионуклида. Данное устройство может найти широкое применение, начиная с бытовой дозиметрии высокой точности до специальных научных исследований, в том числе в биологии, экологии и медицине.

Формула изобретения

1. Способ определения радиоактивности веществ, основанный на применении метода ΔE-E на полупроводниковых детекторах, позволяющего одновременно и раздельно определять три вида радиоактивности (α, β, γ) путем измерения пропорциональных потоку ионизирующих излучений скоростей счета dN(E)dt, где N скорость счета, Е энергия излучения и одновременного измерения спектральных энергетических характеристик dN(E)/dE α, β, γ - излучений, испускаемых исследуемым веществом, отличающийся тем, что при измерении используют систему, состоящую из 3 8 детекторов, причем их число определяется диапазоном энергии регистрируемых радионуклидов, а спектральные энергетические характеристики dN(E)/dE измеряемых радионуклидов сравнивают с известными (эталонными) характеристиками отдельно по видам излучений α, β, γ определяя тем самым вид радиоактивности и типы радионуклидов, после чего массу радионуклидов определяют по формуле

где T_1/2 период полураспада;
А атомная масса радионуклида;
t время измерения дифференциального энергетического спектра излучений;
N(Е) скорость счета, определяемая для каждого вида излучений отдельно;
Ω - телесный угол регистрации излучений.

2. Устройство определения радиоактивности веществ, содержащее систему из полупроводниковых детекторов, выходы которых соединены с входами зарядовочувствительных предусилителей, выходы которых связаны с входами усилителей-формирователей, первые выходы которых подключены к входам аналого-цифровой системы сбора и преобразования, а вторые выходы подсоединены к схеме управления, выходы которой и выходы аналого-цифровой системы сбора и преобразования через буферные усилители связаны с блоком оперативного запоминающего устройства, отличающееся тем, что устройство содержит от трех до восьми полупроводниковых детекторов, зарядовочувствительных предусилителей и усилителей-формирователей, а аналого-цифровая система сбора и преобразования и схема управления выполнены с числом каналов, соответствующим числу детекторов, кроме того в устройство введены однокристальная ЭВМ, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и блок согласования уровней, при этом однокристальная ЭВМ через общую шину связана с выходами ПЗУ, с совмещенными входами-выходами оперативного запоминающего устройства, выходами аналого-цифровой системы сбора и преобразования, а вход блока согласования уровней подключен к однокристальной ЭВМ, а выход к внешней ПЭВМ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5