Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

СПЕКТРОМЕТРИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ




 

Распад радионуклида обычно сопровождается гамма-излучением, кото- рое возникает при снятии возбуждения дочернего ядра. Время жизни пос- леднего, как правило, составляет менее 10-9 с, т.е. испускание кванта проис- ходит практически сразу же после ядерного превращения. Иногда в силу действия правил отбора мгновенный переход в основное состояние оказы- вается затрудненным и возникает метастабильное состояние (изомер), пе- риод полураспада которого может дости- гать сотен дней.

Схемы распада радионуклидов могут быть сложными, тогда для количествен- ных расчетов нужно точно знать выход регистрируемого гамма-излучения. Рас- смотрим для примера схему распада 40К (рис.1). Этот радионуклид претерпевает бета-распад, но по двум конкурирующим ветвям. Основная часть ядер 40К путем β-перехода оказывается в основном состоянии дочернего ядра (40Са). Здесь гамма-излучение отсутствует. В 11% случаев ядра 40К испытывают электронный захват с переходом на возбужденный уровень 40Ar. Мгно- венное снятие возбуждения дает гамма-кванты с энергией 1,46 МэВ. По этому γ-излучению 40К надежно обнаруживается во многих природных объектах.

Гамма-излучение радионуклида представляет собой поток электро-магнитного излучения, которое является моноэнергетическим с очень уз- кой естественной шириной линии. Некоторые радионуклиды имеют слож- ный спектр гамма-излучения, т.е. испускают несколько групп квантов. В целом энергия гамма-излучения радионуклидов заключена в широком ин- тервале от нескольких кэВ до 3 МэВ.

Важным свойством гамма-излучения оказывается высокая проника- ющая способность, которая возрастает с увеличением энергии излучения. Поэтому гамма-спектрометрическую регистрацию радионуклидов можно проводить с достаточно большими пробами (до нескольких сот граммов), не вводя поправку на самоослабление, что упрощает процедуру пробопод- готовки и снимает проблему представительности материала. Взаимодей- ствие гамма-излучения с веществом детектора имеет сложный характер и включает в себя три основных процесса: 1– фотоэффект; 2 – комптоновское рассеяние; 3 – образование пар.

Фотоэффект. В этом процессе под воздействием гамма-кванта про- исходит удаление одного из электронов атома с передачей ему всей энергии (за вычетом энергии связи электрона). Квант при этом прекращает свое существование. Фотоэффект происходит только на связанных элек- тронах , находящихся на К- или L- оболочке средних или тяжелых ядер. Образовавшийся возбужденный атом возвращается в стабильное состо- яние, испуская рентгеновские кванты или электроны Оже.

Комптоновское рассеяние. При взаимодействии гамма-квантов со свободными или слабосвязанными электронами происходит процесс рас- сеяния с передачей только части энергии. В зависимости от угла рассеяния кванта энергия комптоновского электрона принимает значение в области от нуля до предельного значения, лежащего на 0,2−0,3 МэВ ниже энергии ис- ходного гамма-излучения. В указанном интервале комптоновское рассеяние создает непрерывное распределение сигналов детектора по амплитуде.

Образование пар. Если энергия гамма-излучения выше 1,02 МэВ, то при его взаимодействии с полем ядра становится возможным процесс обра- зования пар, т. е. поглощения кванта с появлением электрона и позитрона. Суммарная кинетическая энергия частиц равна

Екин = Еγ – 2m0c2,

где m0 – масса покоя электрона (позитрона), с – скорость света (m0c2 =0,511 МэВ). После потери кинетической энергии на ионизацию атомов позитрон аннигилирует при взаимодействии с одним из электронов среды с образо- ванием двух квантов, которые разлетаются в противоположных направ- лениях, имея энергию 0,511 МэВ каждый.

Сечения рассмотренных выше процессов зависят от энергии гамма-из- лучения и материала детектора. В прецизионной спектрометрии ли- дирующие позиции заняли детекторы из монокристаллов особочистого германия (HP Ge). Для этого элемента сечения вышеупомянутых процессов представлены на рис.2.

HP Ge относится к полупроводниковым материалам, удельное сопротив- ление которых при температуре жидкого азота (770К) достигает 1010 Ом∙см. При таком сопротивлении подача на детектор напряжения питания (примерно 2–2,5 кВ) дает ничтожный ток собственной проводимости (~ 0,1–0,2 мка). Появление в рабочем объеме детектора быстрого электрона от воздействия гамма-кванта приводит к образованию электронно-дырочных пар, которые

обуславливают кратковременную проводимость, фиксируемую электрон- ными системами (предусилителем и усилителем) При этом амплитуда им- пульса напряжения на выходе усилителя пропорциональна энергии эле- ктрона, потерянной в детекторе. На образование одной пары электрон-дыр- ка в HP Ge эатрачивается 3 эВ.

Полная передача энергии кванта веществу детектора непосредственно через фотопоглощение или многократное рассеяние с конечным фотопог- лощением дает сигнал, амплитуда которого пропорциональна энергии ис- ходного гамма-излучения. Иными словами, детектор и усилитель превра- щают поток гамма-квантов в заданном энергетическом интервале в ампли- тудное распределение в соответствующем динамическом диапазоне. Зада- ча анализирующей части спектрометра сводится к преобразованию ампли- тудного распределения (аналоговая форма) в цифровой формат, который позволяет применить для получения искомой информации современные вычислительные средства (микроэвм). Эту операцию выполняет так назы- ваемый амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП), который разбива- ет динамический диапазон амплитуд на определенное число дискретных уровней (каналов), каждый из которых имеет свой номер. При регистрации импульса на выходе АЦП появляется цифра (в двоичном коде ), которая пропорциональна его амплитуде. В спектрометрах высокого разрешения число каналов обычно составляет 4000.

Цифровая последовательность от регистрируемого излучения накапли- вается в блоке памяти, где в конце измерения формируется распределение номер канала (цифра) – число отсчетов (импульсов) в канале, так назы- ваемое амплитудное распределение. В нем амплитуды импульсов соот- ветствующие полной энергии исходных гамма-квантов, выделяются в виде пиков, форма которых близка к гаусовой (рис.3). Комптоновское взаи- модействие дает сплошное амплитудное распределение.


В случае образцов, гамма-излучение которых состоит из большого набора линий, в результате измерения получается сложная картина ам- плитудного распределения с частоколом пиков на комптоновском рас- пределении от более жестких компонентов (рис.4). Чтобы из нее извлечь

требуемые данные по качественному и количественному составу радио- нуклидов в пробе, нужно должным образом провести обработку заре-

 

 
 

гистрированного массива данных. Однако для подобных расчетов исполь- зуемый гамма-спектрометр должен быть предварительно прокалиброван по энергии и эффективности регистрации гамма-излучения. Для этого при- меняются эталонные источники с хорошо установленными значениями энергии гамма-излучения (энергетическая шкала) или его интенсивности (шкала эффективности).

В амплитудном распределении гам- ма-излучения исследуемого образца положение индивидуальной линии фиксируется как номер канала, на который приходится максимальное значение пика (рис.5). Форма пика близка к гауссиану. Для перехода от номера канала к энергии исходного излучения гамма-спектрометр дол- жен быть прокалиброван по эталон- ным источникам. Из них составля- ют набор или берут один многоком- понентный радионуклид. Важно, что- бы излучение источников перекры- вало весь рабочий диапазон спектро- метра.

В простейшем случае фиксируют положение одного из пиков в низко- энергетической (нэ) части, а другого пика в высокоэнергетической (вэ)

 

части спектра. Тогда имеем соотношение

,

где Е – энергия, эВ; k- номер канала; Uшк – ширина канала, эВ. Эта запись означает, что сигналы, энергия которых лежит в интервале Ек ± 1/2Uшк составляют одну совокупность. По этой причине наблюдаемый спектр представляет собой гистограмму.

Рабочий диапазон полупроводникового спектрометра обычно охваты- вает область энергий 0,05–2 МэВ, что при числе каналов 4096 дает ширину канала ~ 480 эВ/канал. Определив положение максимума пика в исследуе- мом спектре, легко рассчитать его энергию по соотношению

Ех= Ереп +Uшк ( kx – kреп)

Приведенное соотношение справедливо для расчета энергии неизвестного пика, который в амплитудном распределении располагается правее репер- ного пика.

Однако у серийных конструкций спектрометров обычно имеет место заметное отклонение энергетической шкалы от линейности, что может при- вести к смещению измеренной энергии пика на 1–2 канала от средневзве- шенного значения. Чтобы уменьшить влияние этого фактора на точность определения энергии пиков, полный диапазон спектрометра разбивают на 5 – 6 участков, которые калибруют отдельно. Для этой цели удобно исполь- зовать радионуклиды с большим набором гамма-линий, рассредоточенных в широкой области энергий (152Eu, 226Ra). Перечень радионуклидов – репе- ров энергии гамма-излучения представлен в приложении.

При соблюдении указанной предосторожности положение каждого гам- ма-пика в исследуемом спектре может быть фиксировано с ошибкой ± 1/2 Uшк . Следует заметить, что энергетическая калибровка спектрометра в ходе ра- боты испытывает медленный дрейф, который связан с колебаниями темпе- ратуры или напряжения питания в электрической сети. Поэтому в течение рабочего дня стабильность калибровки требуется эпизодически контролировать.

Когда энергии всех пиков в амплитудном спектре образца установле- ны, необходимо соотнести их с известными гамма-излучателями, то есть произвести идентификацию радионуклидов. Это делается с помощью спра- вочников, где все известные радионуклиды рсположены в порядке возрас- тания энергии гамма-излучения. Поскольку погрешность определения энер- гии пика в рядовых анализах составляет ± 1 кэВ для гамма-излучения с близкой энергией может возникнуть неопределенность в идентификации. Тогда необходимо привлечь дополнительную информацию (период полу- распада, наличие других гамма-пиков, способ получения и т.д.). Кстати, энергетическое разрешение спектрометра, т.е. возможность раздельной регистрации при наличии в спектре двух пиков близкой энергии, характе- ризуется шириной пика на половине его высоты (рис. 5). Для полупровод- никовых детекторов Δ0,5 =2–3 кэВ для линии 1,333МэВ (60Со).

Количественной мерой интенсивности гамма-излучения радионуклида является площадь пика, которая представляет собой число отсчетов, на- копленное за время регистрации. В простейшем варианте проводится суммирование числа отсчетов в области пика с введением поправки на вклад комптоновского распределения от жестких гамма-линий по «методу трапеции». Сущность способа ясна из рис. 6.

Поскольку теперь микроэвм стала обязательным компонентом любого спектрометра, обработка амплитудных распределений выполняется прог- раммными средствами либо в режиме диалога, либо полностью автома- втоматически. Точность результатов в любом случае значительно повы- шается, поскольку используется аппроксимация пика гауссианом, а ком -

Номер канала
Номер канала

комптоновского распределения – полиномом. Загрузка в память компью- тера библиотеки данных радионуклидов существенно ускоряет процесс их надежной идентификации.

Важнейшими объектами радиометрического контроля являются разнообразные объекты окружающей среды. Уровень содержания какого-либо радионуклида в твердых пробах выражается в Бк/кг. Исходя из результатов измерений, конечный расчет делается по уравнениям

Aрн = Рпик/ ε(Eγ ) τи m ξ, ( 1 )

lg ε(Eγ ) = kспlg Eγ, Eγ в кэВ, ( 2 )

где Aрн – содержание радионуклида, Бк/кг; ε(Eγ ) – эффективность регис- трации детектором гамма-излучения данной энергии; Рпик – чистая площадь пика, отсчеты; τи – длительность измерения, с; m – масса пробы, кг; ξ – вы- ход гамма-излучения при распаде радионуклида, kсп − константа, харак- терная для фиксированной позиции регистрации радиоактивности анали- зируемых проб. Лабораторный гамма-спектрометр, с помощью которого выполняются приведенные ниже задания, имеет kсп= -0,93, а уравнение 2 действительно при Eγ≥150 кэВ.

Поскольку подлежащие контролю уровни загрязнений достаточно ма- лы, да и распределение радионуклидов в контролируемой зоне может быть неоднородным, представительные навески имеют значительные массы (в интервале 0,1–1 кг). Высокая проникающая способность гамма-излучения позволяет проводить инструментальный радиометрический анализ с таки- ми навесками. Имеющее место некоторое самоослабление гамма-излучения в мягкой области энергий учитывается при калибровке спектрометра по эффективности с применением эталонной пробы. При необходимости удельная активность может быть пересчитана в единицах концентрации радионуклида (элемента) в пробе.

Оценить минимальное значение площади пика, которое может быть зафиксировано в спектре с предельно допустимой относительной пог- решностью (обычно 0,2), можно по уравнению

( 3 )

где Pкомпт – фоновая поправка, рассчитанная по методу трапеции; δmax – пре- дельная относительная погрешность результата. Подстановка Рмин в урав- нение 1 позволять оценить минимальную концентрацию радионуклида в пробе, которая может быть зафиксирована с заданной погрешностью в принятых условиях регистрации.

 


Поможем в написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой





Дата добавления: 2015-08-12; просмотров: 2311. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2022 год . (0.025 сек.) русская версия | украинская версия
Поможем в написании
> Курсовые, контрольные, дипломные и другие работы со скидкой до 25%
3 569 лучших специалисов, готовы оказать помощь 24/7