Способ определения энергетического спектра гамма-излучения

 

Использование: экспериментальные исследования в области ядерной энергетики, радиационной медицины, радиационной геологии. Сущность изобретения: в способе определения спектра гамма-излучения, основанном на использовании кремниевого детектора, выбирают толщину чувствительного слоя не менее 2 мм, а остальные размеры этого слоя - не менее, чем в три раза больше толщины. Детектор устанавливают так, чтобы наименьшая сторона его чувствительного слоя была бы перпендикулярна к потоку измеряемого излучения, подают на детектор напряжения 200 - 600 В. Измерения производят с порогом не менее 30 кэВ с последующим дифференцированием и преобразованием в матричную форму. 1 з. п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.

Изобретение относится к средствам измерения интенсивности радиоактивного излучения с помощью полупроводниковых детекторов, а точнее к способам измерения спектров гамма-излучения и может быть использовано в экспериментальных исследованиях в области ядерной энергетики, радиационной медицины, радиационной геологии.

В настоящее время большое распространение получили способы гамма-спектрометрии, основанные на использовании в качестве детекторов полупроводников [1] Сущность этих способов заключается в том, что полупроводниковый детектор (ППД) является прямым преобразователем поглощенной в нем энергии заряженной частицы в электрический сигнал. Определение энергии гамма-квантов, регистрируемых с помощью ППД, осуществляется по вторичным электронам, образующимся при взаимодействии гамма-квантов с материалом ППД.

Наиболее распространен способ спектрометрии гамма-излучения, основанный на использовании германиевого детектора, который хранят и эксплуатируют при охлаждении. [2] Этот способ довольно эффективен, главное его преимущество высокое энергетическое разрешение, порядка 1 (от 1 до 6 кэВ для больших детекторов).

Для спектрометрии с германиевым ППД необходимо подавать довольно высокое напряжение около 3 кВт, что затрудняет реализацию способа в полевых условиях.

Известен способ определения спектров гамма-излучения с использованием кремниевых детекторов [3] Основной недостаток этого способа заключается в том, что использование кремниевого детектора сужает определяемый энергетический спектр гамма-излучения, так как объем чувствительной области кремния не велик и использовать их можно для регистрации и спектрометрии частиц с небольшим пробегом, осколков деления, альфа-частиц и протонов небольших энергий. Кроме того, сечение Z взаимодействия гамма-квантов с атомом, приводящее к исчезновению кванта и, следовательно, к однозначной связи энергии появившегося электрона и энергии гамма-кванта значительно меньше для кремния, так как его Z равен 14, тогда как у германия Z 32.

Известен способ [4] в котором используется кремниевый датчик для определения энергетического спектра гамма-излучения, при этом для расширения диапазона энергий определяемого спектра датчик охлаждают до криогенных температур порядка 77К.

Как известно, быстрые вторичные электроны, создающие носители заряда в чувствительном объеме ППД, возникают в основном в результате трех процессов взаимодействия гамма-квантов с веществом: фотоэффекта, комптоновского рассеяния и рождения пары электрон-позитрон, поэтому функция отклика спектрометра с ППД получается довольно сложной и интерпретация реальных аппаратурных спектров с широким набором энергетических линий бывает затруднена.

В кремниевых детекторах практически не наблюдается пиков полного поглощения для гамма-квантов с энергией больше 0,5 1 Мэв. В этом способе можно получить спектры энергий импульсов только от комптоновского процесса.

Даже охлаждение до криогенных температур не позволяет расширить диапазон энергий измеряемых излучений.

Использование этого способа ограничено, так как необходимо охлаждение ППД, при чем до очень низких температур (порядка 180^oC, что затрудняет измерения в полевых условиях, так как, даже в преобразующей части используемого устройства необходимо наличие охлаждающих средств, например головной каскад на полевом транзисторе предусилителей должен быть с устройством охлаждения.

Технический результат предлагаемого изобретения расширение диапазона энергий определяемого спектра гамма-излучения без охлаждения до криогенных температур.

Это достигается тем, что в способе определения энергетического спектра гамма-излучения, основанном на измерении амплитудного распределения импульсов, поступающих с детектора, в качестве которого используют кремниевый детектор, с толщиной чувствительного слоя не менее 2 мм, и остальными размерами не менее, чем в три раза большими толщины, размещают детектор относительно источника излучения так, чтобы наименьшая сторона его чувствительного слоя была бы перпендикулярна к потоку измеряемого излучения, подают на детектор напряжение 200 600 В, а измерения амплитудного распределения импульсов производят с порогом не менее 30 кэВ с последующим дифференцированием, после чего определяют энергетический спектр гамма-излучения по формуле где определяемый энергетический спектр фотонов в векторном виде; поправочная матрица; спектр после дифференцирования в векторном виде.

Для того чтобы улучшить энергетическое разрешение охлаждают полупроводниковый детектор до температуры 40^oC.

От прототипа предлагаемое решение отличается тем, что в качестве ППД используют кремниевый детектор с толщиной чувствительного слоя не менее 2 мм, и остальными размерами не менее, чем в три раза большими толщины, размещают детектор так, чтобы наименьшая его сторона была перпендикулярна к потоку измеряемого излучения, подают на детектор напряжение 200 600 В, а измерение производят с порогом не менее 30 кэВ. Таким образом, предлагаемое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнительный анализ известных решений в данной области техники не выявил в них признаки, отличающие предлагаемое от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения заключается в следующем.

Как известно, чувствительный объем кремния не велик, поэтому чтобы увеличить его, минимальный размер чувствительного слоя (толщина) выбран так, чтобы в нее укладывался пробег электронов. Такую толщину можно определить по выражению где R_экс, см экстропалированный пробег электронов;
Е_е энергия электронов в МэВ [2]
Для Е_е 1 МэВ R_экс 1,6 мм;
Е_е 2 МэВ R_экс 3,7 мм;
Е_е 3 МэВ R_экс 5,9 мм.

Исходя из этих расчетов и был определен минимальный предел толщины детектора 2 мм.

Расположение детектора перпендикулярно потоку измеряемого потока излучения увеличивает эффективность чувствительного объема детектора с одновременным улучшением функции отклика.

Рабочий интервал напряжений, подаваемых на детектор (200 400 В) выбран, исходя из многочисленных экспериментов, которые показали (табл.1), что при напряжении менее 200 В, искажается форма отклика детектора и увеличивается относительный вклад шумов, а следовательно резко уменьшается энергетическое разрешение ППД, а если будет подано напряжение выше 600 В, то вероятен пробой детектора. Порог (не менее 30 кэВ) выбран, исходя из аппаратурных шумов, определяемых разрешением (табл. 1).

Как известно [3] понижение температуры детектора обеспечивает уменьшение обратных токов и, следовательно, шумов с одновременным резким улучшением энергетического разрешения. Кремниевые детекторы не требуют охлаждения, их можно использовать и без охлаждения, однако, если понизить температуру хотя бы до -16^oC, то энергетическое разрешение улучшается больше, чем на 50 (табл. 2), при дальнейшем понижении температуры энергетическое разрешение улучшается менее значительно и после -40^oС, дальнейшее понижение температуры становится не нужным. Для охлаждения кремниевого детектора до таких температур не нужен громоздкий криогеновый охладитель, до -40^oC, можно использовать простой и негромоздкий портативный электрический холодильник.

Такое энергетическое разрешение для практических целей является достаточным, а дальнейшее его улучшение, достигаемое путем дальнейшего охлаждения до очень низких температур экономически неоправдано.

Анализ отличительных признаков изобретения показал, что при такой совокупности признаков достигается иной результат, а именно: расширение диапазона энергий определяемого спектра гамма-излучения при исключении низкотемпературного охлаждения ППД без снижения качества измерений, что позволят судить о соответствии предлагаемого способа критерию изобретения "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показаны кривые распределения числа импульсов вторичных электронов по энергиям гамма-квантов при измерении излучения радионуклидных источников Cs (Е 0,661 МэВ) и Na (Е 1,35 и 2,75 МэВ) с использованием кремниевого детекторов; на фиг. 2 - энергетический спектр гамма-излучения, полученный после преобразования измерений, показанных на фиг. 1; на фиг. 3 принципиальная схема устройства с помощью которого можно осуществить способ.

На фиг. 1 на горизонтальной оси указаны энергии гамма-излучения, а на вертикальной оси число импульсов; сплошная кривая это кривая распределения числа импульсов непосредственно с детектора, а пунктирная кривая это же распределение, но после дифференцирования.

На фиг. 2 показана на вертикальной оси плотность группового потока в кв на см в сек. а на горизонтальной оси энергия гамма-квантов в мэВ, заштрихованная часть статистическая погрешность.

Устройство (фиг. 3) содержит кремниевый детектор 1, предусилитель 2, амплитудно-цифровой преобразователь 3, блок вычислительный 4, блок 5 управления и блок 6 питания.

Из-за относительно малого атомного веса кремния функция отклика детектора обусловлена в основном комптоновскими электронами. Энергетическое распределение комптоновских электронов имеет вид ступеньки "с резкой границей при их максимальной энергии. Если "ступенька" имела бы идеальную прямоугольную форму, то энергетический спектр импульсов легко было бы получить при помощи известной формулы дифференцирования, которая выведена для органического сцинтилятора [3]

где К эмпирически определяемая нормированная константа связи между амплитудой импульса V и энергий электрона ЕБЬмЮеБВЮ, при этом V K x E_e;
U (V) аппаратурное распределение импульсов, определяемое также эмперически;
e (E) эффективность детектора, max;
Е_е максимальная энергия комптоновских электронов, которую можно определить по выражению
E^m_e^ax= 2E(2E+0,511) (3)
Как видно из фиг. 1, форма амплитудного распределения вторичных электронов по энергиям гамма-квантов далека от идеальной и после дифференцирования и по такой форме отклика не возможно определить энергетический спектр гамма-излучения.

Для того, чтобы все-таки получить возможность определить энергетический спектр гамма-излучения необходимо преобразовать форму амплитудного распределения так, чтобы она была близка к прямоугольной. Для этого преобразуют амплитудное распределение после дифференцирования в векторную форму и умножают (Е) из выражения (2) на поправочную матрицу, которую определяют предварительно экспериментально для используемой аппаратуры по эталонным источникам излучения.

Таким образом, определяют энергетический спектр по формуле

где определяемый энергетический спектр;
поправочная матрица;
спектр после дифференцирования по формуле (2).

Ступенчатая форма функции отклика кремниевого детектора позволяет определить непрерывный энергетический спектр гамма-излучения для энергий больше 30 кэВ.

Определяют энергетический спектр следующим образом.

На предполагаемый источник излучения направляют детектор 1, который устанавливают так, чтобы наименьшая сторона чувствительного слоя (толщина) была бы перпендикулярна к потоку излучения. Проводят измерения за выбранное или задаваемое автоматически время экспозиции. В предусилителе 2 токовые сигналы детектора преобразуют в импульсы напряжение, которые далее усиливаются до уровня, необходимого для неискаженной передачи информации на последующие устройства. С предусилителя полученные импульсы подаются на амплитудно-цифровой преобразователь 3, на выходе которого получают амплитудное распределение импульсов, которое поступает в вычислительный блок 4, где преобразуется в энергетический спектр.

В табл. 3 приведены результаты определения энергетического спектра гамма-излучения и определенная по полученным данным мощность дозы, которую определяют, согласно [1] по формуле

вектор фазовых коэффициентов;
плотность потока по формуле

где вектор, каждый компонент которого равен единице.

Данный пример иллюстрирует конкретную реализацию способа определения энергетического спектра гамма-излучения по измеренному амплитудному распределению для определения мощности дозы гамма-излучения радионуклидных источников Cs¹³⁷ и Na²⁴ с использованием кремниевого детектора, выполненного в виде параллелепипеда, толщина чувствительного слоя которого 2,7 мм, длина и высота чувствительного слоя в этом детекторе 24 мм и 12 мм соответственно. 2

Формула изобретения

1. Способ определения энергетического спектра гамма-излучения, включающий измерение амплитудного распределения импульсов, поступающих с кремниевого детектора, отличающийся тем, что используют кремниевый детектор с толщиной чувствительного слоя не менее 2 мм и остальными размерами не менее чем в 3 раза больше толщины, устанавливают детектор так, чтобы наименьшая сторона его чувствительного слоя была бы перпендикулярна к потоку измеряемого излучения, подают на детектор напряжение 200-600 В, а измерения амплитудного распределения импульсов проводят с порогом на менее 30 кэВ с последующим дифференцированием и определяют энергетический спектр гамма-излучения по формуле

где определяемый энергетический спектр фотонов в векторном виде;
поправочная матрица, предварительно определенная для используемой аппаратуры по эталонным источникам излучения;
спектр после дифференцирования в векторном виде.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при измерении охлаждают детектор до температуры -40°С.

РИСУНКИ

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