Лабораторная работа № 2 «Измерение активности радионуклинов в данных образцах на сцинтилляционном гамма-спектрометре»

Кафедра: «Геофизические методы исследований»

Дисциплина: «Ядерная геофизика и радиометрия»

Лабораторная работа № 2

«Измерение активности радионуклинов в данных образцах на сцинтилляционном гамма-спектрометре»

Цель работы: определить -активность образцов, фоновое значение -активности.

Оборудование: компьютер, программно-аппаратурный комплекс «ПРОГРЕСС», сцинтилляционный блок детектирования (СБД), электроды, мешки с радиоактивной солью.

Теория

Для регистрации гамма-излучения от счетного образца используется гамма-спектрометрический тракт со сцинтилляционным блоком детектирования. (СБД)
СБД включает в себя сцинтиллятор, ФЭУ с делителем выского напряжения и спектрометрический усилитель импульсов. В качестве сцинтиллятора используются кристаллы NaJ или CsJ различных размеров и конфигураций.
СБД располагается в специальном свинцовом экране для его защиты от внешнего излучения.
В сцинтилляционном счетчике регистрация незаряженной частицы происходит благодаря возбуждению атомов и молекул вдоль траектории частицы. Возбужденные атомы в течение короткого времени переходят в основное состояние, испуская электромагнитное излучение. У ряда прозрачных веществ – фосфоров или люминофоров, часть спектра излучения приходится на область видимого света, т.е. прохождение заряженной частицы вызывает вспышку света. Для увеличения выхода света и уменьшения его поглощения в люминофор добавляют актватор таллий Tl. Гамма-кванты воздействуют на фосфор и выбивают поток быстрых электронов е или позитронов р, -кванты поглощаются. В результате соударений быстрых заряженных частиц с веществом (фосфора или люминофора) происходит ионизация, возбуждение его молекул и атомов. Происходит процесс флюоресценции – свечения атомов после возбуждения, который длится всего с. Затем атомы переходят в основное состояние и испускают кванты видимого света. Поскольку кристаллы обладают хорошей оптической прозрачностью, то обеспечивают сбор света на фотокатод ФЭУ со значительного объема люминофора.
Для большинства люминофоров зависимость U от линейна, это позволяет по амплитуде на выходе счетчика судить об энергии регистрируемых частиц, т.е. проводить спектральный анализ энергии излучения.

Рисунок 1 – Принципиальная схема сцинтилляционного счетчика: 1 – сцинтиллятор; 2 – корпус контейнера сцинтиллятора; 3 – отражатель; 4 – фотоны; 5 – корпус ФЭУ; 6 – фотокатод; 7 – фокусирующий динод; 8 –диноды; 9 – собирающий электрод (анод): R 1 - R n – делитель напряжения; R а – анодная нагрузка; C – разделительная емкость.

Фотоэлектронный умножитель состоит из фотокатода, анода и системы, расположенных между ними умножающих электродов (динодов) (рис.1). К аноду и фотокатоду прикладывается напряжение постоянного тока 1000-1500 В. На диноды с помощью делителя - подаются необходимые потенциалы. Потенциал каждого последующего динода превышает потенциал предыдущего на величину около 10 В, что обеспечивает ускорение электронов между ними.

При возникновении в сцинтилляторе световой вспышки фотоны, достигшие фотокатода умножителя, выбивают из него несколько десятков электронов, которые фокусируются и ускоряются электрическим полем и бомбардируют первый динод. При торможении в электроде каждый ускоренный электрон выбивает до 5-10 вторичных электронов. В дальнейшем эти электроны ускоряются под действием разности потенциалов, приложенной между первым и вторым динодами, бомбардируют второй динод и выбивают из него «третичные» электроны. Так происходит на каждом из динодов, вследствие чего общее количество электронов возрастает в геометрической прогрессии. Общее усиление потока в ФЭУ может достигать раз и более. Таким образом, при попадании вспышки света на фотокатод на входе ФЭУ на анодном сопротивленииR аобразуется импульс напряжения, через емкость С подаваемый на вход усилителя. Основными характеристиками сцинтиллятора являются световой выход, спектральный состав излучения и длительность сцинтилляций. Неорганические сцинтилляторы представляют собой кристаллы неорганических солей. Практическое применение в сцитилляционной технике имеют ,главным образом, галоидные соединения некоторых щелочных металлов.

Для проведения калибровки гамма-спектрометра по энергии и контроля за сохранностью параметров установки в состав спектрометра включается комбинированный контрольный источник + в специальном сосуде для его экспонирования.
Для экспонирования счетных образцов в зависимости от геометрической конфигурации сцинтилляционного кристалла применяются различные измерительные кюветы.
Для преобразования аналогового спектрометрического сигнала, поступающего с выхода детектора, в цифровой применяется амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП), выполненный либо в виде платы, встроенной в ПЭВМ, либо в виде отдельного блока, подключенного к порту ПЭВМ.
Управление работой АЦП производится при помощи специальных программ (драйверов), входящих в состав программного пакета ПРОГРЕСС.
Обработка спектров, расчет значений активности и погрешности производитсятна ПЭВМ с использованием программного пакета ПРОГРЕСС.
При вводе гамма-спектрометрического тракта в эксплуатацию должна быть проведена его метрологическая аттестация.
Метрологическими характеристиками, определяемыми при аттестации, являются:

-энергетический диапазон работы спектрометрического тракта;

- значения чувствительности для каждого из измеряемых нуклидов в измерительных энергетических интервалах;

- зависимость энергетического разрешения и эффективности регитстрации гамма-квантов от энергии;

-значения минимальной измеряемой активности;

- контрольная скорость счета от калибровочного источника в определенном энергетическом интервале.

Подготовка аппаратуры к измерению.

Включить питание компьютера и гамма-детектора.
Загрузить программную оболочку «ПРОГРЕСС» в оперативную память компьютера, запустив файл и выбрать мышью в основной таблице оболочки строку, соответствующую гамма-спектрометрическому тракту.
Запустить набор калибровочного спектра и убедиться в наличии гамма-спектра + на экране (Рис.2)

Рисунок 2. Спектр калибровочного источника

Прогреть аппаратуру в течение 40 минут.

Как проводят калибровку

Для исключения дополнительной погрешности, возникающей из-за температурного дрейфа усиления спектрометрического тракта, калибровку по энергии следует проводить перед каждым измерением активности или фона.
Калибровка сциттилляционного гамма-спектрометрического тракта по энергии проводится автоматически по вершинам пиков полного поглощения радионуклидов и в спектре двухкомпонентного калибровочного источника, входящего в состав установки. Стандартное время калибровочного измерения составляет 150 с.
По окончании процесса калибровки программа автоматически находит номера каналов анализатора, отвечающее вершинам пиков полного поглощения радионуклидов + , присваивает им значения энергии 662 кэВ и 1461 кэВ, соответственно, и записывает вновь полученные калибровочные коэффициенты в память компьютера. На экран монитора помимо результатов калибровки выдается значение контрольной скорости счета от калибровочного источника в определенном интервале энергий. Сохранность этого значения в пределах 10 % от значения, указанного в свидетельстве о метрологической аттестации установки, является критерием работоспособности спектрометра в течение межповерочного периода .
Для проведения энергетической калибровки гамма-спектрометрического тракта необходимо выполнить следующие операции:

-нажать мышью кнопку «пуск»;
-выбрать мышью в списке задач строку «эн. калибровка»;
-поместить калибровачный источник на детектор;
-закрыть крышку свинцовой защиты;
- нажать кнопку «продолжить»;
-по истечении 150 с сравнить результаты калибровки с контрольными значениями, полученными при первичной установке;
-убрать с экрана сообщение о результатах энергетической калибровки,щелкнув левой клавишей мыши в любом месте экрана.

Измерение фона

Измерение фона производить в любое время не реже одного раза в каждый рабочий день. Проведение фонового измерения в начале рабочего дня не обязательно.
Стандартное время фонового измерения – 1800 с (30 мин.)
Для проведения измерения фона необходимо выполнить следующие операции:
-нажать кнопку «пуск»;
-выбрать задачу «контроль фона» и подтвердить свой выбор повторным щелчком мыши;
-убрать калибровочный источник с детектора;
-закрыть крышку свинцовой защиты;
-нажать кнопку «продолжить» .

По окончании набора программа рассчитывает значения скорости счета в измерительных энергетических интревалах для вновь измеренного фонового спектра и для спектра фона, измеренного ранее, который хранится в специальном файле на диске ПЭВМ. После этого программа сравнивает значения, полученные для обоих спектров между собой. В том случае , если эти значения совпадают в пределах погрешности программа складывает измеренный спектр со спектром, измеренным ранее, со статическими вечами 0,4 и 0,6 соответственно. Результат усреднения записывается в файле онового спектра на место старого.
В случае отличия измеренного фона от старого хотя бы в одном из измерительных интервалов на величину, превышающую значение погрешности, их усреднение не имеет смысла.

Измерение активности

Для проведения измерения активности на гамма-спектрометре программа предлагает оператору список всех аттестованных геометрии, измерение которых возможно на данной установке.
Проведение измерений с использованием неаттестованных геометрий недопустимо.
Установленное время экспонирования счетного образца составляет 1800 секунд (30 мин.). Однако, по желанию оператора набор спектра может быть как прекращен досрочно, так и продолжен по истечении установленного времени. Для проведения активности счетного образца необходимо выполнить следующие операции:

- приготовить счетный образец к измерению, заполнив сосуд Маринелли или чашку Петри или другой стандартный сосуд;
- взвесить счетный образец;
-нажать мышью кнопку «пуск»;
-выбрать мышью из предложенного списка геометрию измерения, соответствующую приготовленному счетному образцу, и подтвердить свой выбор повторным щелчком мыши;
-установить счетный образец на детектор ;
-закрыть крышку свинцовой защиты;
-при помощи клавиатуры напечатать ответы на предложенные программой вопросы, нажимая клавишу ENTER для ввода каждого из ответов;
- нажать мышью кнопку «продолжить».
По истечении установленного времени экспозиции или после нажатия мышью на кнопку «стоп» происходит автоматическая остановка набора с переходом к обработке набранной спектрограммы матричным способо с использованием матрицы эффективности. При этом программа позволяет оператору вносить изменения в ответы на вопросы, введенные перед пуском измерения.

По окончании обработки спектра матричным методом помимо рассчитанных значений активности гамма-излучающих радионуклидов и семейств нуклидов,значение которых в счетном образце подразумевалось при выборе типа измерения, на экран выводятся соответствующие им значения статической составляющей абсолютной погрешности измерения, рассчитанные для доверительного интервала 95 %. В нижней части сообщения о результатах обработке приводятся значения скорости счета в используемых при обработке энергетических интервалах для обрабатываемого, расчетного спектра.
Для сохранения результата матричной обработки спектра следует нажать мышью кнопку «сохранить результат». При этом полученный результат передается в специальный файл и хранится в нем до момента следующей обработки гамма-спектра.
Программа генераторной обработки дает оператору возможность внести изменения в ответы на вопросы, введенные перед пуском измерения.
Для запуска обработки следует нажать кнопку «Обработать генераторным методом»
При обработке генераторным методом программа выводит на экран не только рассчитанные значения активности нуклидов и статистической составляющей абсолютной погрешности измерения, но и вид расчетной спектрограммы, позволяя, таким образом, проводить визуальную оценку совпадения ее с измеренной. Совпадение измеренного и расчетного спектров во всем рабочем диапазоне спектрометра является критерием соответствия списка радионуклидов и семейств радионуклидов, значения активности которых рассчитываются, радионуклидов значения счетного образца.
Критерием достоверности результатов обработки спектра генераторным методом является совпадение расчетной и обрабатываемой спектрограмм. В процессе обработки оператору предоставляется возможность, исходя из вида обрабатываемой спектрограммы, добавлять в список измеряемых радионуклидов и удалять из него любые гамма-излучающие нуклиды и семейства нуклидов, а также значения энергии зарегистрированных пиков полного поглощения, которые не удалось идентифицировать.
Таким образом, программа генератора спектров является инструментом для проверки гипотез оператора относительно радионклидного состава счетного образца.
Выход из программы генератора спектров с автоматической записью результатов обработки осуществляется при помощи кнопки «Выход».

Просмотр, оформление и хранение результатов измерений

Программное обеспечение «ПРОГРЕСС» позволяет выводить результаты измерений в виде протокола на принтер и текстовой файл. Кроме того, для хранения и дальнейшей обработки больших массивов данных результаты измерений удобно записывать в базу данных – электронную таблицу, конфигурация полей которой настраивается при введении комплекса в эксплуатацию.
Для просмотра результатов обработки спектрограммы, оформления протокола измерения и формирования соответствующей записи в электронной таблице используется кнопка «результат».
В протоколе приводятся значения удельной активности радионуклидов в исходной пробе, расчитанные с учетом коэффициентов всех типов концентрирования, примененных при приготовлении счетного образца. В значении относительной погрешности измерения, проводимом в протоколе, помимо статической учитывается также систематическая составляющая.

Ход работы

1)Включаем компьютер, питание детектора и прогреваем установку в течение 30 минут.
2)Входим в программу «ПРОГРЕСС 3.2.».
3) Проводим калибровку по энергии в течение 150 с.
4) Измеряем фон в течение 30 минут.

1.Проводим первый замер : измеряем активность

Проводим второй замер :

3.Проводим третий замер:

Вывод: в ходе данной лаботаторной работы мы изучили принцип работы сцинтилляционного гамма-спектрометра, научились работать с программным обеспечением «ПРОГРЕСС» и с помощью них определили -активность радионуклидов.

Скачать:  2-laba.rar [2,8 Mb] (cкачиваний: 37)