RU2159451C2

RU2159451C2 - Gamma-spectrometry technique

Info

Publication number: RU2159451C2
Application number: RU97104738A
Authority: RU
Inventors: Е.С. Кучурин; Н.Я. Шабалин; В.В. Каримов; А.А. Крысов
Original assignee: Казанская геофизическая экспедиция
Priority date: 1997-03-26
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 2000-11-20

Abstract

FIELD: applied nuclear geophysics, geology, geochemistry, and metallurgy. SUBSTANCE: gamma- spectrometry technique includes recording of natural or induced gamma- radiation by means of detectors, measuring intensity of spectral fluxes within preset energy spaces of each spectrum whose boundaries are determined by position of reference γ-line in first-detector spectrum. First detector is enclosed by screen that functions to absorb gamma-rays and lighting up X- rays. γ-spectra from each of detectors are recorded simultaneously in two energy ranges; to this end, threshold selection and signal amplification at gain factors of K₁ and K₂ are conducted; then channel numbers of gamma- radiation peaks of naturally radioactive nuclides are found in full γ-spectra, and energy scales of first-detector n₁-spectrum are calculated in first approximation using position of chamber number , maximum of X-ray peak E₁, and its energy γ- from definite formula. Minimal-error peak is found in main high-energy spectrum and approximate values of energy are calculated from definite formula using energy scale value. Minimal-error energy peak E

\binom{min}{i}

is identified using definite expressions. Second approximation for energy scale and calibration equation are calculated using found energy and chamber number of energy peak E

\binom{min}{i}

and n

\binom{min}{i}

and position of X-ray maximum ((E₁, n₁)) from definite expressions; energy value is identified for all other peaks in tight component spectrum of first detector, and true scale is calculated for all peaks of tight-component spectrum; for the purpose, calibration equation is derived using method of least squares. Energy scales are determined for remaining detectors in first approximation by position of E

\binom{min}{i}

and n

\binom{min}{i}

peaks in them; then calibration equations are found for each detector, approximate values of energy are calculated and identified for remaining peaks of each spectrum, final calibration equations and scales of detectors are found, then gain factors are corrected by definite times. EFFECT: improved measurement accuracy. 3 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Способ гамма-спектрометрии относится к прикладной ядерной геофизике, а более конкретно к группе методов, основанных на регистрации спектральных распределений гамма-излучения естественного или искусственного происхождения, и может быть использован в геологии, геофизике, геохимии, горной, нефтяной, газовой промышленности, металлургии и других областях народного хозяйства. The gamma spectrometry method relates to applied nuclear geophysics, and more specifically to a group of methods based on recording spectral distributions of gamma radiation of natural or artificial origin, and can be used in geology, geophysics, geochemistry, mining, oil, gas, metallurgy and other areas of the national economy.

Известен способ исследования спектрального состава гамма-излучения, основанный на последовательном измерении вначале спектра среды известного состава или спектра реперных источников с известными энергиями гамма-линий, а затем измерении спектра среды с неизвестным составом изотопов-излучателей. По первому спектру осуществляют градуировку аппаратуры в единицах энергии, используя которую определяют энергию и интенсивность потоков в заданных энергетических интервалах от исследуемой среды (1-ый аналог. Сцинтилляционный метод в радиометрии. В.О.Вяземский и др. - Госатомиздат, 1961). A known method of studying the spectral composition of gamma radiation, based on sequential measurement of the first spectrum of a medium of known composition or spectrum of reference sources with known energies of gamma lines, and then measuring the spectrum of a medium with an unknown composition of isotopes emitters. According to the first spectrum, the equipment is calibrated in units of energy, using which the energy and intensity of flows are determined in specified energy ranges from the medium under study (the first analogue. Scintillation method in radiometry. V.O. Vyazemsky et al. - Gosatomizdat, 1961).

Недостатком способа является необходимость выполнения 2-х операций, приводящих к снижению производительности и невозможности его реализации при дистанционных исследованиях. The disadvantage of this method is the need to perform 2 operations, leading to a decrease in productivity and the impossibility of its implementation in remote research.

Второй известный способ заключается в одновременной регистрации одним и тем же детектором реперного и информационного гамма-излучения, причем положение реперного фотопика на шкале спектрометра автоматически корректируется по заданному алгоритму с помощью системы автоматического регулирования усиления (АРУ). Располагая априорной градуировочной зависимостью в требуемом диапазоне энергий и спектром от исследуемой среды с фотопиками реперного гамма-излучения, легко осуществляется градуировка шкалы спектрометра в единицах энергии и соответственно определение энергии и интенсивности излучений в любом интервале аппаратурного спектра (2-ой аналог. Бухало О.П. Повышение стабильности каротажных гамма-спектрометрических систем. //АН УССР. Физико-механический институт им. Г.В.Карпенко, г.Львов. - 1985. - С. 58). The second known method consists in simultaneously registering reference and information gamma radiation with the same detector, and the position of the reference photopeak on the spectrometer scale is automatically corrected according to a predetermined algorithm using an automatic gain control (AGC) system. Having an a priori calibration dependence in the required energy range and spectrum on the medium under study with photopic peaks of gamma radiation, it is easy to calibrate the spectrometer scale in energy units and, accordingly, determine the energy and radiation intensity in any interval of the instrument spectrum (second analogue, Bukhalo O.P. Improving the stability of gamma-ray spectrometric systems. // Academy of Sciences of the Ukrainian SSR. Physicomechanical Institute named after G.V. Karpenko, Lviv. - 1985. - P. 58).

Основным недостатком способа является "загрязнение" исследуемого информационного спектра излучением реперного гамма-источника, что резко снижает статистическую точность измерений спектральных потоков в области энергий слева от гамма-линии реперного источника. Вторым недостатком является трудность его реализации при использовании многодетекторных систем регистрации (2-10), так как это сопровождается кратным увеличением числа реперных изотопов, требующихся для организации измерений по 2-му аналогу. The main disadvantage of this method is the "contamination" of the information spectrum under study by radiation from a reference gamma source, which sharply reduces the statistical accuracy of spectral flux measurements in the energy region to the left of the gamma line of the reference source. The second drawback is the difficulty of its implementation when using multi-detector registration systems (2-10), since this is accompanied by a multiple increase in the number of reference isotopes required for organizing measurements according to the 2nd analogue.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ стабилизации энергетической шкалы многодетекторной спектрометрической системы по а.с. СССР N 1589228 от 01.05.1990 г., МКИ G 01 T 1/40. The closest in technical essence and the achieved result is a method of stabilizing the energy scale of a multi-detector spectrometric system according to a.s. USSR N 1589228 from 05/01/1990, MKI G 01 T 1/40.

Сущность способа состоит в измерении спектральных потоков в n фиксированных интервалах (каналах), причем для калибровки одного из спектров (первого) используется реперный фотопик, положение которого во время измерений стабилизируется системой АРУ. Для других детекторов стабилизация спектров осуществляется по величине спектральных интенсивностей, регистрируемых i-ым детектором излучений (N_i) и первым детектором излучения (N₁) в характерных энергетических областях спектра.The essence of the method consists in measuring spectral fluxes in n fixed intervals (channels), and to calibrate one of the spectra (first), a reference photopic peak is used, the position of which during measurements is stabilized by the AGC system. For other detectors, stabilization of the spectra is carried out according to the magnitude of the spectral intensities recorded by the i-th radiation detector (N _i ) and the first radiation detector (N ₁ ) in the characteristic energy regions of the spectrum.

Основным недостатком способа является необходимость использования реперного источника с энергией, превышающей среднюю энергию спектра. В противном случае из-за смещения энергетической шкалы, всегда имеющей место при измерениях, точность градуировки снижается и соответственно погрешности определения интенсивностей спектральных потоков и энергии гамма-квантов возрастают. Другим недостатком является "загрязнение" информационного спектра первого детектора фоновым излучением источника. И наконец, способ трудно реализуем, если используются детекторы с разной эффективностью регистрации гамма-квантов, например, детекторы разных типов (NaI, CsI, BgO и др.) или размеров. В этом случае из-за различий формы спектров способ практически оказывается неработоспособным. The main disadvantage of this method is the need to use a reference source with an energy exceeding the average energy of the spectrum. Otherwise, due to the displacement of the energy scale that always occurs during measurements, the calibration accuracy decreases and, accordingly, the errors in determining the intensities of spectral flows and the energy of gamma rays increase. Another disadvantage is the "pollution" of the information spectrum of the first detector with background radiation from the source. And finally, the method is difficult to implement if detectors with different detection efficiencies of gamma quanta are used, for example, detectors of different types (NaI, CsI, BgO, etc.) or sizes. In this case, due to differences in the shape of the spectra, the method is practically inoperative.

Повышение точности измерений энергии и спектральных потоков гамма-квантов естественного происхождения, регистрируемых многодетекторными системами, может быть достигнуто за счет регистрации естественного гамма-излучения "D" детекторами, определении спектральных потоков N_i в заданных энергетических интервалах спектров каждого из "D" детекторов, границы которых определяют по положению реперной гамма-линии в спектре первого детектора, для чего создают по крайней мере в спектре первого детектора фотопик известной энергии. Способ отличается тем, что регистрацию естественного гамма-излучения каждым из "D" детекторов осуществляют в форме полных гамма-спектров "S_i", первый из "D" детекторов окружают защитным свинцовым экраном толщиной 0,1-0,2 мм, поглощающим мягкую компоненту рассеянного гамма-излучения и высвечивающего характеристическое рентгеновское излучение с энергией 75 кэВ, регистрацию гамма-спектров от каждого из "D" детекторов осуществляют одновременно в двух неперекрывающихся энергетических диапазонах 0-300 и 300-3000 кэВ, для чего осуществляют пороговую селекцию при энергии E_н = 250-350 кэВ и последующее усиление сигналов с коэффициентами, соответственно равными K₁ и K₂, причем K₁/K₂ выбирают приблизительно равными E_в/E_н, где E_в, E_н - верхняя и нижняя энергетические границы диапазонов, соответственно, низкоэнергетической и высокоэнергетической компонент спектров, затем в полных гамма-спектрах естественной радиоактивности находят номера каналов n_i, соответствующие локальным фотопикам гамма-излучения естественно-радиоактивных элементов урана, тория и калия, по положению номера канала n₁, соответствующего максимуму фотопика рентгеновского излучения от свинцового экрана и величине его энергии E₁, рассчитывают в первом приближении энергетический масштаб гамма-спектра первого детектора для низкоэнергетического диапазона m₁₁ = E₁/n₁ и высокоэнергетического диапазона m₁₂ = E₁/n₁•K₁/K₂. В высокоэнергетическом диапазоне спектра первого детектора находят фотопик с минимальной погрешностью измерения и, используя значение m₁₂, рассчитывают приблизительное значение энергии фотопика с минимальной погрешностью измерения по формуле E_i ^min = m₁₂•n_i ^min и осуществляют идентификацию энергии фотопика с минимальной погрешностью измерений, используя нижеследующие логические соотношения:
E_i ^min = 0,609 МэВ при 0,4 ≤ E_i ^min ≤ 0,80; E_i ^min = 1,46 МэВ при 1,20 ≤ E_i ^min ≤ 1,6; E_i ^min = 1,76 МэВ при 1,60 ≤ E_i ^min ≤ 2,00; E_i ^min = 2,614 при 2,30 ≤ E_i ^min ≤ 2,9,
по найденным энергии E_i ^min и номеру канала n_i ^min фотопика с минимальной погрешностью и положению максимума характеристического рентгеновского излучения от свинцового экрана с координатами E₁ и n₁ рассчитывают второе приближение для энергетического масштаба m₂ = (E_i ^min - E₁)/(n_i ^min - n₁•K₂/K₁) и калибровочное уравнение вида
E_i = E₀ + [(E_i ^min - E₁)/(n_i ^min - n_i•K₂/K₁)]•n_i,
где E₀ - ордината при n = 0, идентифицируют значение энергии для всех других фотопиков в спектре высокоэнергетической компоненты первого детектора, для чего используют нижеследующие логические соотношения
E_i = 0,609 МэВ при 0,55 ≤ E_i ≤ 0,65; E_i = 0,923 МэВ при 0,83 ≤ E_i ≤ 1,0; E_i = 1,12 МэВ при 1,01 ≤ E_i ≤ 1,25; E_i = 1,46 МэВ при 1,30 ≤ E_i ≤ 1,53; E_i = 1,6 МэВ при 1,54 ≤ E_i ≤ 1,65; E_i = 1,76 МэВ при 1,66 ≤ E_i ≤ 1,95; E_i = 2,1 МэВ при 2,0 ≤ E_i ≤ 2,14; E_i = 2,20 МэВ при 2,15 ≤ E_i ≤ 2,30; E_i = 2,45 МэВ при 2,31 ≤ E_i ≤ 2,50; E_i = 2,614 МэВ при 2,51 ≤ E_i ≤ 2,8,
по найденным значениям координат E_i и n_i для всех локальных фотопиков спектра высокоэнергетической компоненты первого детектора рассчитывают истинные значения энергетического масштаба m₃, для чего методом наименьших квадратов находят уравнение E_i = E₀ + m₃•n₁.Improving the accuracy of measurements of energy and spectral fluxes of gamma rays of natural origin recorded by multi-detector systems can be achieved by recording natural gamma radiation "D" detectors, determining the spectral fluxes N _i in the given energy intervals of the spectra of each of the "D" detectors, the boundaries which are determined by the position of the reference gamma line in the spectrum of the first detector, for which they create, at least in the spectrum of the first detector, photopic peaks of known energy. The method is characterized in that the registration of natural gamma radiation by each of the "D" detectors is carried out in the form of full gamma-spectra "S _i ", the first of the "D" detectors is surrounded by a protective lead shield 0.1-0.2 mm thick, absorbing soft component of scattered gamma radiation and emitting characteristic x-ray radiation with an energy of 75 keV, registration of gamma spectra from each of the "D" detectors is carried out simultaneously in two non-overlapping energy ranges of 0-300 and 300-3000 keV, for which a threshold cure at energy E _n = 250-350 keV and the subsequent amplification of signals with coefficients respectively equal to K ₁ and K ₂ , with K ₁ / K _{2 being} chosen approximately equal to E _in / E _n , where E _in , E _n are the upper and lower energy range, respectively, the low energy and high energy spectra of the component, then a full range spectra of natural radioactivity are channel numbers n _i, corresponding to local photopeak gamma radiation naturally radioactive uranium elements, thorium and potassium in position the channel number n _1, respectively, favoring maximum photopeak X-rays from the lead screen and the magnitude of its energy E ₁ is calculated in a first approximation, the energy scale of the gamma spectrum of the first detector for low energy m ₁₁ = E ₁ / n ₁ range and high-range m ₁₂ = E ₁ / n ₁ • K ₁ / K ₂ . In the high-energy range of the spectrum of the first detector, a photopeak with a minimum measurement error is found and, using the value of m ₁₂ , the approximate value of the photopeak energy with a minimum measurement error is calculated by the formula E _i ^min = m ₁₂ • n _i ^min and the photopeak energy is identified with a minimum measurement error, using the following logical relationships:
E _i ^min = 0.609 MeV at 0.4 ≤ E _i ^min ≤ 0.80; E _i ^min = 1.46 MeV at 1.20 ≤ E _i ^min ≤ 1.6; E _i ^min = 1.76 MeV at 1.60 ≤ E _i ^min ≤ 2.00; E _i ^min = 2,614 at 2,30 ≤ E _i ^min ≤ 2,9,
from the found energy E _i ^min and the channel number n _i ^{min the} photopeak with the minimum error and the position of the maximum characteristic x-ray radiation from the lead screen with coordinates E ₁ and n ₁ calculate the second approximation for the energy scale m ₂ = (E _i ^min - E ₁ ) / (n _i ^min - n ₁ • K ₂ / K ₁ ) and a calibration equation of the form
E _i = E ₀ + [(E _i ^min - E ₁ ) / (n _i ^min - n _i • K ₂ / K ₁ )] • n _i ,
where E ₀ is the ordinate at n = 0, the energy value for all other photopeaks in the spectrum of the high-energy component of the first detector is identified, for which the following logical relations are used
E _i = 0.609 MeV at 0.55 ≤ E _i ≤ 0.65; E _i = 0.923 MeV at 0.83 ≤ E _i ≤ 1.0; E _i = 1.12 MeV at 1.01 ≤ E _i ≤ 1.25; E _i = 1.46 MeV at 1.30 ≤ E _i ≤ 1.53; E _i = 1.6 MeV at 1.54 ≤ E _i ≤ 1.65; E _i = 1.76 MeV at 1.66 ≤ E _i ≤ 1.95; E _i = 2.1 MeV at 2.0 ≤ E _i ≤ 2.14; E _i = 2.20 MeV at 2.15 ≤ E _i ≤ 2.30; E _i = 2.45 MeV at 2.31 ≤ E _i ≤ 2.50; E _i = 2.614 MeV at 2.51 ≤ E _i ≤ 2.8,
from the found values of the coordinates E _i and n _i for all local photopic peaks of the spectrum of the high-energy component of the first detector, the true values of the energy scale m _{3 are} calculated, for which the equation E _i = E ₀ + m ₃ • n _{1 is} found by the least square method.

Определение энергетических масштабов регистрации спектров для остальных (D-1) детекторов осуществляют в первом приближении по положению в них фотопика с минимальной погрешностью измерений, значения энергии E_i ^min и E₀ для которых принимаются равными спектру первого детектора, после чего по координатам E_i ^min, n_i ^min и E₀, n = 0 для каждого (D-1)-ого детектора по уравнению вида E_i = E₀ + [(E_i ^min - E₀)/n_i ^min]•n_i, рассчитывают приближенные значения энергии для остальных фотопиков каждого из (S-1)-ого спектра, осуществляют их идентификацию по приведенным выше соотношениям и аналогичным образом по методу наименьших квадратов устанавливают окончательный вид калибровочных уравнений E_i = E₀ + m₃•n_i и энергетические масштабы регистрации m₃ для каждого из (D-1)-ого детектора, после чего находят отношения r(S_i) = m₃(S_i)/m₀(S_i), где m₀(S_i) - заданный масштаб регистрации S_i-ого гамма-спектра для D_i-ого детектора, и изменяют коэффициенты усиления спектрометрических трактов в r(S_i) раз, например, путем изменения высокого напряжения питания соответствующего сцинтилляционного гамма-детектора.The determination of the energy scales of the registration of spectra for the remaining (D-1) detectors is carried out as a first approximation by the position of the photopeak in them with a minimum measurement error, the energy values of E _i ^min and E ₀ for which are taken equal to the spectrum of the first detector, and then by the coordinates E _i ^min , n _i ^min and E ₀ , n = 0 for each (D-1) th detector according to an equation of the form E _i = E ₀ + [(E _i ^min - E ₀ ) / n _i ^min ] • n _i , approximate energy values for the remaining photopic peaks of each of the (S-1) -th spectrum, they are identified by the above Wearing and similarly the least squares establish the final form of calibration equations E _i = E ₀ + m ₃ • n _i and energy scales registration m ₃ for each of the (D-1) th detector, and then find the relationship r (S _i ) = m ₃ (S _i ) / m ₀ (S _i ), where m ₀ (S _i ) is the given registration scale of the S _{i th} gamma spectrum for the D _i detector, and the gain of the spectrometric paths is changed in r ( S _i ) times, for example, by changing the high voltage of the corresponding scintillation gamma detector.

Для корректного расчета координат фотопика с минимальной погрешностью E_i ^min и n_i ^min в S_i-спектрах результаты измерений суммируют по M реализациям или циклам измерений и приводят к одной экспозиции или к одному интервалу исследований.For the correct calculation of the coordinates of the photopeak with the minimum error E _i ^min and n _i ^min in the S _i spectra, the measurement results are summed up over M realizations or measurement cycles and lead to a single exposure or to a single research interval.

Способ отличается также тем, что определение соотношения коэффициентов усиления K₁/K₂ = (n_k-1 + I_k/I_k-1)/(n_н + I_н/I_н+1), осуществляют по отношению полного числа заполненных информацией каналов в спектре низкоэнергетического диапазона (n_k-1 + I_k/I_k-1) к числу первых незанятых информацией каналов в спектре высокоэнергетического диапазона (n_н + I_н/I_н+1), при этом дробная часть каналов в низкоэнергетическом диапазоне определяется по соотношению I_k/I_k-1, а в высокоэнергетическом диапазоне по отношению I_н/I_н+1, где I_k и I_k-1 - число импульсов, записанных в последний и предпоследний информационные каналы низкоэнергетического диапазона, I_н и I_н+1 - число импульсов, записанных в ближайшем и последующем информационных каналах высокоэнергетического диапазона.The method also differs in that the determination of the ratio of the gain K ₁ / K ₂ = (n _k-1 + I _k / I _k-1 ) / (n _n + I _n / I _{n + 1} ) is carried out in relation to the total number of filled channel information in the spectrum of the low-energy range (n _k-1 + I _k / I _k-1 ) to the number of the first unoccupied channels in the spectrum of the high-energy range (n _n + I _n / I _{n + 1} ), while the fractional part of the channels in the low-energy range range determined by the ratio of I _k / I _k-1, and in the high range with respect I _n / I _{n + 1,} where I _k and I _k-1 - the number of pulses stored in the n penultimate latter and the low energy range information channels, I _n and I _{n + 1} - counts recorded in the near and subsequent high-band data paths.

Указанные отличительные признаки не встречены в известных технических решениях, поэтому способ характеризуется новыми, ранее неизвестными технологическими признаками и особенностями, совокупность которых обеспечивает повышение точности гамма-спектрометрических измерений. These distinctive features are not found in the known technical solutions, therefore, the method is characterized by new, previously unknown technological features and features, the combination of which provides an increase in the accuracy of gamma-spectrometric measurements.

Сущность способа может быть понята из анализа гамма-спектров урановой, ториевой и калиевой руды и устройства для гамма-спектрометрии, представленных соответственно на фиг. 1, 2 и данных таблицы. На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - аппаратурные гамма-спектры урана (U), тория (Th) и калия (K) при отсутствии защитного экрана (алюминиевый корпус толщиной 4 мм) в энергетических диапазонах 0-300 и 300-3000 кэВ.The essence of the method can be understood from the analysis of the gamma spectra of uranium, thorium and potassium ore and the gamma spectrometry device shown in FIG. 1, 2 and table data. In FIG. 1 the following notation is accepted:
1 - hardware gamma spectra of uranium (U), thorium (Th) and potassium (K) in the absence of a protective shield (aluminum case 4 mm thick) in the energy ranges 0-300 and 300-3000 keV.

2 - то же при наличии свинцового экрана толщиной 0,1 мм. Энергия основных гамма-линий и их выход показаны соответственно стрелками на фиг. 1 и в таблице. 2 - the same in the presence of a lead shield 0.1 mm thick. The energy of the main gamma lines and their output are shown by arrows in FIG. 1 and in the table.

Анализ приведенных гамма-спектров свидетельствует, что независимо от спектрального состава при наличии свинцового экрана толщиной 0,1 мм во всех спектрах четко прослеживаются фотопик с энергией 75 кэВ, обусловленный рентгеновским излучением свинца в следствии возбуждения его атомов мягкой компонентой рассеянного излучения. An analysis of the gamma-ray spectra shown indicates that, regardless of the spectral composition, in the presence of a 0.1 mm thick lead screen, the photopic peaks with an energy of 75 keV are clearly traced in all spectra due to x-ray emission of lead as a result of excitation of its atoms by the soft component of scattered radiation.

Благодаря этому возможно по положению максимума рентгеновского излучения свинца 75,0 кэВ осуществлять энергетическое масштабирование спектра. Однако реальная точность определения энергетического масштаба составляет ±4-10%, что совершенно не отвечает решению практических задач. Столь невысокая точность градуирования по низкоэнергетическому реперу общеизвестна и объясняется двумя основными факторами: нелинейностью световыхода детектора от энергии гамма-квантов в диапазоне 0-300 кэВ и влиянием смещения нулевого уровня входных сигналов. В частности, даже если предположить что шкала спектрометра абсолютно линейна в диапазоне от 0 до E_max, а фотопик свинца находится в 10-ом канале, что соответствует энергетическому масштабу 7,5 кэВ/канал, то смещение нулевого уровня всего на 1 канал приводит к изменению энергетического масштаба на ±10,4%. Для снижения погрешности расчета энергетического масштаба низкоэнергетическая компонента спектра должна регистрироваться с шириной окна 2-2,5 кэВ. В этом случае фотопик свинца будет находиться в 25-35 каналах. Смещение его положения на один канал будет соответствовать погрешности расчета энергетического масштаба в пределах 3-4% относительных. Приведенные цифры характеризуют предельную точность градуировки энергетической шкалы спектрометра по низкоэнергетическому фотопику рентгеновского излучения свинца и соответственно свидетельствует о возможности только грубой оценки энергии гамма-квантов, но достаточной для однозначной идентификации фотопиков с минимальной погрешностью.Due to this, it is possible to perform energy scaling of the spectrum by the position of the maximum x-ray emission of lead 75.0 keV. However, the real accuracy in determining the energy scale is ± 4-10%, which does not meet the solution of practical problems. Such a low accuracy of calibration according to the low-energy reference point is well known and is explained by two main factors: nonlinearity of the detector light output from gamma-ray energy in the range of 0-300 keV and the influence of a zero level bias of the input signals. In particular, even assuming that the spectrometer scale is absolutely linear in the range from 0 to E _max , and the lead photopic peak is in the 10th channel, which corresponds to an energy scale of 7.5 keV / channel, then a zero level shift of only 1 channel leads to change in energy scale by ± 10.4%. To reduce the error in calculating the energy scale, the low-energy component of the spectrum should be recorded with a window width of 2-2.5 keV. In this case, the lead peak will be in 25-35 channels. A shift of its position by one channel will correspond to an error in calculating the energy scale within 3-4% relative. The given figures characterize the extreme accuracy of calibrating the energy scale of the spectrometer using the low-energy photopeak of lead x-ray radiation and, accordingly, indicate the possibility of only a rough estimate of the energy of gamma rays, but sufficient for unambiguous identification of photopeaks with a minimum error.

При ширине окна ΔE = 2,5 кэВ/канал для регистрации полного спектра естественного гамма-излучения в диапазоне от 0 до 3000 кэВ необходим спектрометр с числом каналов n = 3000:2,5 = 1200 каналов, например, типа АИ-1024. В случае использования сцинтилляционных детекторов с энергетическим разрешением 12-18% по гамма-линии 662 кэВ изотопа Cs-137, такой спектрометр является избыточным при регистрации высокоэнергетической компоненты спектра (300-3000 кэВ) и оптимальным для регистрации низкоэнергетической компоненты спектра (0-300 кэВ). Поэтому для практической реализации способа регистрацию спектра целесообразно осуществлять при двух разных коэффициентах усиления K₁ и K₂ с помощью одновременного амплитудного анализа низкоэнергетической и высокоэнергетической компонент путем пороговой селекции излучения, при заданном энергетическом уровне. Функциональная схема такой спектрометрической системы представлена на фиг. 2. Она включает в себя сцинтилляционный блок детектирования на основе монокристалла NaJ(Tl) размером, например, 50х250 мм с ФЭУ-151 (3), окруженного свинцовым экраном толщиной 0,1-0,2 мм (4), предварительный усилитель (5), компаратор (6), линию задержки (7), два линейно пропускающих ключа (8 и 9), дополнительный линейный усилитель (10), многоканальный анализатор импульсов с возможностью независимой регистрации 2-х и более гамма-спектров (11).With a window width of ΔE = 2.5 keV / channel, for recording the full spectrum of natural gamma radiation in the range from 0 to 3000 keV, a spectrometer with the number of channels n = 3000: 2.5 = 1200 channels, for example, type AI-1024, is required. In the case of using scintillation detectors with an energy resolution of 12-18% along the 662 keV gamma line of the Cs-137 isotope, such a spectrometer is redundant when recording the high-energy component of the spectrum (300-3000 keV) and optimal for recording the low-energy component of the spectrum (0-300 keV ) Therefore, for the practical implementation of the method, it is advisable to register the spectrum at two different amplification factors K ₁ and K ₂ using simultaneous amplitude analysis of low-energy and high-energy components by threshold radiation selection at a given energy level. A functional diagram of such a spectrometric system is shown in FIG. 2. It includes a scintillation detection unit based on a NaJ (Tl) single crystal with a size of, for example, 50x250 mm with a PMT-151 (3) surrounded by a lead shield 0.1-0.2 mm thick (4), a preamplifier (5 ), a comparator (6), a delay line (7), two linearly transmitting keys (8 and 9), an additional linear amplifier (10), a multi-channel pulse analyzer with the possibility of independent recording of 2 or more gamma spectra (11).

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии на выходе компаратора (6) логический ноль, линейно-пропускающий ключ 8 открыт, а ключ 9 закрыт. На второй вход компаратора (6) подано опорное напряжение U_оп, соответствующее амплитуде гамма-кванта с энергией порядка 300 кэВ. С выхода сцинтилляционного детектора (3) информационный сигнал с амплитудой пропорциональной энергии гамма-кванта усиливается предварительным усилителем (5) и поступает одновременно на входы линии задержки на 0,5-1,0 мкс и прямой вход компаратора 6. В том случае, если амплитуда сигнала превышает опорное напряжение компаратора на его выходе формируется сигнал логической единицы, открывающий ключ 9 и закрывающий ключ 8 на время, несколько превышающее длительность входного импульса. Благодаря этому задержанный информационный сигнал с выхода элемента 7 через ключ 9 поступает на второй вход многоканального анализатора импульсов, где записывается в соответствующий канал. На первый вход АИ информационный сигнал естественно не проходит. В том случае, если амплитуда информационного сигнала ниже опорного напряжения компаратора (6) с выхода линии задержки (7) сигнал проходит через линейно-пропускающий ключ (8) и после дополнительного усиления (10) поступает на первый вход многоканального анализатора импульсов, где также регистрируется по своему адресу. Таким образом, исходный спектр делится на две компоненты, каждая из которых регистрируется независимо, но с разными коэффициентами усиления. Высокоэнергетическая компонента усиливается только предварительным усилителем 5 с коэффициентом K₂, низкоэнергетическая компонента усиливается линейными усилителями 5 и 10 с коэффициентом усиления K₁. При уровне компарации равном примерно 300 кэВ и диапазонах регистрации для низкоэнергетической компоненты 0-300 кэВ (0-E_н), а высокоэнергетической 300-3000 кэВ (E_н-E_в), соотношение в коэффициентах усиления выбирается K₁/K₂ ≈ E_в/E_н. В этом случае каждая из компонент регистрируется в равном количестве каналов АИ, например, 128. Пример регистрации двух компонент спектра с описываемым спектрометрическим устройством показан на фиг. 1. В данном случае низкоэнергетическая компонента занимает в первом спектре полных 84 канала. В последнем n_к канале информация регистрируется при ширине канала, меньшей шага квантования амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) из-за произвольного выбора U_оп компаратора. Точная ширина последнего канала равна разности между опорным напряжением компоратора (U_оп) и уровнем опорного сигнала АЦП АИ для (n_к-1) канала: ΔU•(n_к-1), где ΔU - ширина младшего разряда квантования сигнала по амплитуде. Дробную часть ширины последнего канала легко определить по соотношению числа импульсов (I) в последнем I(n_к) и предпоследнем I(n_к-1) информационных каналах, считая, что скорости счета в смежных каналах примерно одинаковыми. Тогда ширина последнего информационного канала составит ΔU(n_к) = I(n_к)/I(n_к-1). Следовательно, в низкоэнергетической области спектра информацией заполняются n_к-1 + I(n_к)/I(n_к-1) каналов, где n_к-1 и n_к - соответственно предпоследний и последний каналы, заполненные информацией. Первый информационный канал в спектре высокоэнергетической компоненты также оказывается частично заполненным из-за уменьшения шага квантования. Реальная ширина первого информационного канала может быть найдена по отношению числа импульсов I(n_н) и I(n_н+1) (фиг. 1) в ближайшем и последующем информационных каналах. В итоге полное число незаполненных начальных каналов при регистрации высокоэнергетической компоненты спектра составит: n_н + I(n_н)/I(n_н+1), где n_н и n_н+1 - номера каналов, соответственно последнего незаполненного и последующего частично заполненного информацией в спектре высокоэнергетической компоненты гамма-излучения. С учетом отмеченного легко найти соотношение в коэффициентах усиления низкоэнергетической и высокоэнергетической компонент спектра, которое определяется формулой:
K₁/K₂ = [(n_к-1 + I(n_к)/I(n_к-1)]/[n_н + I(n_н)/I(n_н+1)]. (1)
В выражении (1) числитель отражает полное количество каналов в спектре низкоэнергетической компоненты, заполненных информацией, в знаменателе - количество каналов в спектре высокоэнергетической компоненты, наоборот, незаполненных информацией (импульсами).The device operates as follows. In the initial state, the output of the comparator (6) is a logical zero, the linearly transmitting key 8 is open, and the key 9 is closed. The second input of the comparator (6) is supplied with a reference voltage U _op corresponding to the amplitude of a gamma quantum with an energy of the order of 300 keV. From the output of the scintillation detector (3), an information signal with an amplitude proportional to the energy of the gamma quantum is amplified by a preliminary amplifier (5) and simultaneously arrives at the inputs of the delay line by 0.5-1.0 μs and the direct input of the comparator 6. In the event that the amplitude the signal exceeds the reference voltage of the comparator at its output, a logical unit signal is formed, opening the key 9 and closing the key 8 for a time slightly exceeding the duration of the input pulse. Due to this, the delayed information signal from the output of element 7 through key 9 is fed to the second input of a multi-channel pulse analyzer, where it is recorded in the corresponding channel. The information signal naturally does not pass to the first AI input. In the event that the amplitude of the information signal is lower than the reference voltage of the comparator (6) from the output of the delay line (7), the signal passes through a linearly transmitting switch (8) and, after additional amplification (10), is fed to the first input of a multi-channel pulse analyzer, where it is also recorded at your address. Thus, the initial spectrum is divided into two components, each of which is recorded independently, but with different gain factors. The high-energy component is amplified only by pre-amplifier 5 with a coefficient of K ₂ , the low-energy component is amplified by linear amplifiers 5 and 10 with a gain of K ₁ . Komparatsii at a level of about 300 keV and low energy ranges for registering components 0-300 keV (0-E _n) and the high-energy of 300-3000 keV (E _n -E _in), the ratio of amplification factors in the selected K ₁ / K ₂ ≈ E _in / E _n . In this case, each of the components is registered in an equal number of AI channels, for example, 128. An example of the registration of two spectrum components with the described spectrometric device is shown in FIG. 1. In this case, the low-energy component occupies 84 channels in the first spectrum. In the last n _{to the} channel, information is recorded at a channel width smaller than the quantization step of the amplitude-to-digital converter (ADC) due to the arbitrary choice of U _op comparator. The exact width of the last channel is equal to the difference between the reference voltage of the comparator (U _op ) and the level of the reference signal of the A / D converter for the (n _k-1 ) channel: ΔU • (n _k-1 ), where ΔU is the width of the least significant digit of the signal in amplitude. The fractional part of the width of the last channel can be easily determined by the ratio of the number of pulses (I) in the last I (n _k ) and the penultimate I (n _k-1 ) information channels, assuming that the count rates in adjacent channels are approximately the same. Then the width of the last information channel will be ΔU (n _k ) = I (n _k ) / I (n _k-1 ). Therefore, in the low-energy region of the spectrum, information is filled with n _k-1 + I (n _k ) / I (n _k-1 ) channels, where n _k-1 and n _k are the penultimate and last channels, respectively, filled with information. The first information channel in the spectrum of the high-energy component is also partially filled due to a decrease in the quantization step. The actual width of the first information channel can be found by the ratio of the number of pulses I (n _n ) and I (n _{n + 1} ) (Fig. 1) in the nearest and subsequent information channels. As a result, the total number of unfilled initial channels when registering the high-energy component of the spectrum will be: n _n + I (n _n ) / I (n _{n + 1} ), where n _n and n _{n + 1} are the channel numbers, respectively, of the last unfilled and subsequent partially filled information in the spectrum of the high-energy component of gamma radiation. Given the above, it is easy to find the ratio in the gain of the low-energy and high-energy components of the spectrum, which is determined by the formula:
K ₁ / K ₂ = [(n _k-1 + I (n _k ) / I (n _k-1 )] / [n _n + I (n _n ) / I (n _{n + 1} )]. (1)
In expression (1), the numerator reflects the total number of channels in the spectrum of the low-energy component filled with information; in the denominator, the number of channels in the spectrum of the high-energy component, on the contrary, unfilled with information (pulses).

При известном соотношении коэффициентов усиления двух компонент спектра по положению фотопика характеристического излучения свинца в низкоэнергетической области нетрудно рассчитать энергетические масштабы как для низкоэнергетического (m₁₁), так и высокоэнергетического (m₁₂) диапазонов гамма-спектров. Очевидно для низкоэнергетической (m₁₁) и высокоэнергетической (m₁₂) компонент энергетические масштабы могут быть найдены из следующих соотношений:
m₁₁ = E₁/n₁ и m₁₂ = E₁/(n₁•K₂/K₁), (2)
где n₁ - номер канала фотопика рентгеновского гамма-излучения от свинца в спектре низкоэнергетической компоненты первого детектора. Однако, как отмечалось выше, точность определения энергетического масштаба m₁₂ даже при таком способе измерений составляет не выше ±5%. Дальнейшее повышение точности определения энергетического масштаба может быть обеспечено за счет дополнительного использования информационных гамма-линий, проявляющихся в гамма-спектрах в виде локальных фотопиков.Given the known ratio of the gain of the two components of the spectrum according to the position of the photopeak of the characteristic radiation of lead in the low-energy region, it is easy to calculate the energy scales for both the low-energy (m ₁₁ ) and high-energy (m ₁₂ ) gamma-ray ranges. Obviously, for the low-energy (m ₁₁ ) and high-energy (m ₁₂ ) components, the energy scales can be found from the following relationships:
m ₁₁ = E ₁ / n ₁ and m ₁₂ = E ₁ / (n ₁ • K ₂ / K ₁ ), (2)
where n ₁ is the channel number of the photopic x-ray gamma radiation from lead in the spectrum of the low-energy component of the first detector. However, as noted above, the accuracy of determining the energy scale m ₁₂ even with this method of measurement is not higher than ± 5%. A further increase in the accuracy of determining the energy scale can be achieved through the additional use of information gamma lines, which are manifested in gamma spectra in the form of local photopeaks.

Из таблицы следует, что спектры урановых, ториевых, калиевых и смешанных руд образуются за счет излучения по крайней мере 2-х десятков гамма-линий основных изотопов, а также пиков комптовского рассеяния и образования пар. Например, в рудах ториевой природы от гамма-линии 2,614 МэВ образуются очень контрастные полупарные и парные пики с энергиями, соответственно равными 2,614-0,51 = 2,104 МэВ и 2,614-1,02 = 1,594 МэВ. От гамма-линий урана с энергией 2,2 и 1,76 МэВ в урановых рудах могут рождаться парные и полупарные линии с энергией 1,18; 1,70 МэВ и 1,24; 0,74 МэВ. В чисто калиевых рудах (калийные соли) может образоваться пик, обусловленный обратным отражением (на 180^o) из детектора гамма-квантов с энергией 1,24 МэВ и т.д. Некоторые из гамма-линий, образованные вследствие вторичных эффектов, интерферируют с основными, другие могут четко выделяться в спектре. В итоге в реальных спектрах, как правило, проявляются следующие десять основных линий: 0,609 кэВ (уран), 0,923 кэВ (торий), 1,12 МэВ (уран), 1,46 МэВ (калий), 1,6 МэВ (торий), 1,76 МэВ (уран), 2.1 МэВ (торий), 2,2 МэВ (уран), 2,45 МэВ (уран), 2,614 МэВ (торий). Эти гамма-линии могут проявляться в любых сочетаниях, что исключает идентификацию их энергии по соотношению номеров каналов, в которых зафиксированы фотопики, и чрезвычайно затрудняют однозначное определение их энергии по энергетическому масштабу, определенному по низкоэнергетическому фотопику рентгеновского гамма-излучения от экрана. Исходя из приведенного выше ряда основных гамма-линий для однозначной их идентификации относительная погрешность определения энергии должна быть менее половины разности энергии наиболее близких гамма-линий, отнесенной к их суммарной энергии, т. е. для гамма-линий 1,46 и 1,6 МэВ δ ≤ (1,60-1,46):(1,46+1,6)•100% ≤6,7%, для гамма-линий 1,6 и 1,76 МэВ, ε ≤ (1,76-1,60):(1,60+1,76)•100% ≤ 7,1%, для гамма-линий 1,12 и 1,24 МэВ, δ ≤ 5,1%, для гамма-линий 2,1 и 2,2 МэВ, δ ≤ 2,3%. Т.е. погрешность определения энергии по низкоэнергетическому фотопику рентгеновского излучения не должна быть более 5%, а в случае раздельной идентификации гамма-линий 2,1 и 2,2 МэВ, δ ≤ 2,0%. В противном случае в ториевой руде фотопик с энергией 2,1 МэВ может быть отнесен к гамма-линии урана с энергией 2,2 МэВ и наоборот. В связи с этим и опираясь на опыт работ, а также исходя из квантового выхода естественно радиоактивных изотопов и эффективности сцинтилляционных детекторов для снижения требований и точности определения энергии фотопиков предлагается введение дополнительного признака - погрешности измерения фотопика с энергией E_i при наличии фона Ф. Последняя определяется соотношением величины фона и площади анализируемого фотопика (Σ):

Анализ таблицы 1 и реальных спектров от сцинтилляционных детекторов показывает, что в рудах любого состава минимальные погрешности измерений отмечаются для фотопиков с энергиями 0,609 МэВ (уран), 1,46 МэВ (калий), 1,76 МэВ (уран) и 2,614 МэВ (торий). Все остальные гамма-линии при любых условиях измерений регистрируются с погрешностью, превышающей погрешность хотя бы одного из выделенных четырех фотопиков. Благодаря этому представляется возможным примерно в 2 раза снизить требования к допустимой точности определения энергетического масштаба по низкоэнергетическому гамма-реперу. Легко показать, что для указанного ряда основных линий допустимая погрешность идентификации по наиболее сближенным линиям урана и калия может оставлять δ ≤ (1,46-1,76)/(1,46+1,76)•100% ≤ ±9,3%. Энергетический масштаб при такой допустимой погрешности определения энергии основных гамма-линий может быть рассчитан по энергии и положению (номеру канала) фотопика рентгеновского излучения свинца в спектре первого детектора экранированного листовым свинцом толщиной 0,1-0,2 мм. Используя значение m₁₂ можно найти первое приближение энергии фотопика с минимальной погрешностью измерения E_i ^min по формуле
E_i ^min = m₁₂•n_i ^min, (4)
где E_i ^min и n_i ^min - энергия и номер канала фотопика с минимальной погрешностью измерения.It follows from the table that the spectra of uranium, thorium, potassium, and mixed ores are formed due to the emission of at least 2 tens of gamma lines of the main isotopes, as well as peaks of Compt scattering and pair formation. For example, in thorium ores from the gamma line of 2.614 MeV, very contrasting semi-paired and paired peaks are formed with energies of 2.614-0.51 = 2.104 MeV and 2.614-1.02 = 1.594 MeV, respectively. From gamma lines of uranium with energies of 2.2 and 1.76 MeV in uranium ores, paired and semi-paired lines with an energy of 1.18 can be generated; 1.70 MeV and 1.24; 0.74 MeV. In pure potassium ores (potassium salts), a peak may form due to back reflection (by 180 ^° ) from a gamma-ray detector with an energy of 1.24 MeV, etc. Some of the gamma lines formed as a result of secondary effects interfere with the main ones, others can clearly stand out in the spectrum. As a result, the following ten basic lines, as a rule, appear in real spectra: 0.609 keV (uranium), 0.923 keV (thorium), 1.12 MeV (uranium), 1.46 MeV (potassium), 1.6 MeV (thorium) , 1.76 MeV (uranium), 2.1 MeV (thorium), 2.2 MeV (uranium), 2.45 MeV (uranium), 2.614 MeV (thorium). These gamma lines can occur in any combination, which eliminates the identification of their energy by the ratio of the channel numbers in which the photopes are recorded, and extremely unambiguous determination of their energy by the energy scale determined by the low-energy photopeak of x-ray gamma radiation from the screen. Based on the above series of basic gamma lines for their unambiguous identification, the relative error in determining the energy should be less than half the difference in energy of the closest gamma lines related to their total energy, i.e., for gamma lines 1.46 and 1.6 MeV δ ≤ (1.60-1.46) :( 1.46 + 1.6) • 100% ≤6.7%, for gamma lines 1.6 and 1.76 MeV, ε ≤ (1.76 -1.60) :( 1.60 + 1.76) • 100% ≤ 7.1%, for gamma lines 1.12 and 1.24 MeV, δ ≤ 5.1%, for

gamma lines

2, 1 and 2.2 MeV, δ ≤ 2.3%. Those. the error in determining energy from the low-energy photopic of the x-ray radiation should not be more than 5%, and in the case of separate identification of gamma lines of 2.1 and 2.2 MeV, δ ≤ 2.0%. Otherwise, in thorium ore, photopic peaks with an energy of 2.1 MeV can be assigned to the gamma line of uranium with an energy of 2.2 MeV and vice versa. In this regard, based on the experience of work, as well as on the basis of the quantum yield of naturally occurring radioactive isotopes and the efficiency of scintillation detectors to reduce the requirements and the accuracy of determining photopic peaks, an additional feature is proposed - the measurement error of the photopic peak with energy E _i in the presence of background F. The latter is determined the ratio of the background and the area of the analyzed photopeak (Σ):

An analysis of Table 1 and real spectra from scintillation detectors shows that in ores of any composition, the minimum measurement errors are observed for photopic peaks with energies of 0.609 MeV (uranium), 1.46 MeV (potassium), 1.76 MeV (uranium), and 2.614 MeV (thorium ) All other gamma lines under any measurement conditions are recorded with an error exceeding the error of at least one of the selected four photopic peaks. Due to this, it seems possible to reduce the requirements for the permissible accuracy of determining the energy scale by low-energy gamma reference by about 2 times. It is easy to show that for the indicated series of main lines, the permissible error of identification by the most closely approximated lines of uranium and potassium can leave δ ≤ (1.46-1.76) / (1.46 + 1.76) • 100% ≤ ± 9.3 % The energy scale with such an allowable error in determining the energy of the main gamma lines can be calculated from the energy and position (channel number) of the photopeak of lead x-ray in the spectrum of the first detector shielded by sheet lead with a thickness of 0.1-0.2 mm. Using the value of m ₁₂ we can find the first approximation of the photopic energy with the minimum measurement error E _i ^min according to the formula
E _i ^min = m ₁₂ • n _i ^min , (4)
where E _i ^min and n _i ^min - energy and channel number of the photopeak with a minimum measurement error.

Дальнейшая идентификация энергии фотопиков осуществляется путем использования нижеследующих логических соотношений: E_i ^min = 0,609 МэВ, если 0,5 ≤ E_i ^min ≤ 0,7 МэВ; E_i ^min = 1,46 МэВ, если 1,30 ≤ E_i ^min ≤ 1,60 МэВ; E_i ^min = 1,76 МэВ, если 1,61 ≤ E_i ^min ≤ 2,00 МэВ; E_i ^min = 2,614 МэВ, если 2,35 ≤ E_i ^min ≤ 2,8 МэВ.Further identification of the photopeak energy is carried out by using the following logical relationships: E _i ^min = 0.609 MeV, if 0.5 ≤ E _i ^min ≤ 0.7 MeV; E _i ^min = 1.46 MeV, if 1.30 ≤ E _i ^min ≤ 1.60 MeV; E _i ^min = 1.76 MeV, if 1.61 ≤ E _i ^min ≤ 2.00 MeV; E _i ^min = 2.614 MeV, if 2.35 ≤ E _i ^min ≤ 2.8 MeV.

Таким образом, точное определение энергии фотопика с минимальной погрешностью измерения достигается при грубой оценке энергетического масштаба по энергии и номеру канала, соответствующим фотопику рентгеновского излучения в спектре низкоэнергетической компоненты первого детектора. После идентификации и точного определения значения энергии и номера канала фотопика с минимальной погрешностью измерений (E_i ^min, n_i ^min) для спектра первого детектора рассчитывается второй приближенный энергетический масштаб
m₂ = (E_i ^min - E₁)/(n_i ^min - n₁•K₂/K₁) (5)
и составляется уравнение для приближенного расчета энергии других локальных фотопиков в спектре
E₁ = E₀ + [(E_i ^min - E₁)/(n_i ^min - n₁•K₂/K₁)]•n_i (6)
Уравнение (6) обеспечивает точность определения энергии любых фотопиков в интервале от E₁ до E_i ^min с погрешностью ±1,5-2,0%. Благодаря этому однозначное определение энергии выделенных выше десяти фотопиков может быть обеспечено исходя из следующих условий: E_i = 0,609 МэВ, если 0,55 ≤ E_i ≤ 0,67 МэВ; E_i = 0,923 МэВ если 0,83 ≤ E_i ≤ 1,0 МэВ; E_i = 1,12 МэВ, если 1,01 ≤ E_i ≤ 1,19 МэВ; E_i = 1,24 МэВ, если 1,20 ≤ E_i ≤ 1,29 МэВ; E_i = 1,46 МэВ, если 1,30 ≤ E_i ≤ 1,53 МэВ; E_i = 1,6 МэВ, если 1,54 ≤ E_i ≤ 1,65 МэВ; E_i = 1,76 МэВ, если 1,66 ≤ E_i ≤ 1,95 МэВ; E_i = 2,1 МэВ, если 2,0 ≤ E_i ≤ 2,14 МэВ; E_i = 2,20 МэВ, если 2,15 ≤ E_i ≤ 2,30 МэВ; E_i = 2,45 МэВ, если 2,31 ≤ E_i ≤ 2,50 МэВ; E_i = 2,614 МэВ, если 2,51 ≤ E_i ≤ 2,8 МэВ. Далее по найденным координатам (E_i, n_i) локальных фотопиков спектра первого экранированного детектора легко рассчитать истинное значение энергетического масштаба m₃ и градуировочную зависимость E_i = f(n_i) для определения границ энергетических интервалов, энергии гамма-квантов и их интенсивности в любом участке спектра. Наиболее точные результаты обеспечиваются методом наименьших квадратов, минимизирующего погрешности измерений, допускаемые при определении номеров каналов, соответствующих i-ым фотопикам. Окончательная градуировочная зависимость имеет вид
E_i = E₀ = m₃•n_i, (7)
где E₀ и m₃ - ордината при n_i = 0 и истинный энергетический масштаб регистрации спектра.Thus, an accurate determination of the photopic peak energy with a minimum measurement error is achieved by a rough estimate of the energy scale by the energy and channel number corresponding to the x-ray photopic peak in the spectrum of the low-energy component of the first detector. After identification and accurate determination of the energy value and the number of the photopeak channel with a minimum measurement error (E _i ^min , n _i ^min ) for the spectrum of the first detector, the second approximate energy scale is calculated
m ₂ = (E _i ^min - E ₁ ) / (n _i ^min - n ₁ • K ₂ / K ₁ ) (5)
and an equation is compiled for an approximate calculation of the energy of other local photopeaks in the spectrum
E ₁ = E ₀ + [(E _i ^min - E ₁ ) / (n _i ^min - n ₁ • K ₂ / K ₁ )] • n _i (6)
Equation (6) ensures the accuracy of determining the energy of any photopeaks in the range from E ₁ to E _i ^min with an error of ± 1.5-2.0%. Due to this, an unambiguous determination of the energy of the above ten photopic peaks can be ensured based on the following conditions: E _i = 0.609 MeV, if 0.55 ≤ E _i ≤ 0.67 MeV; E _i = 0.923 MeV if 0.83 ≤ E _i ≤ 1.0 MeV; E _i = 1.12 MeV, if 1.01 ≤ E _i ≤ 1.19 MeV; E _i = 1.24 MeV, if 1.20 ≤ E _i ≤ 1.29 MeV; E _i = 1.46 MeV, if 1.30 ≤ E _i ≤ 1.53 MeV; E _i = 1.6 MeV, if 1.54 ≤ E _i ≤ 1.65 MeV; E _i = 1.76 MeV, if 1.66 ≤ E _i ≤ 1.95 MeV; E _i = 2.1 MeV, if 2.0 ≤ E _i ≤ 2.14 MeV; E _i = 2.20 MeV, if 2.15 ≤ E _i ≤ 2.30 MeV; E _i = 2.45 MeV, if 2.31 ≤ E _i ≤ 2.50 MeV; E _i = 2.614 MeV, if 2.51 ≤ E _i ≤ 2.8 MeV. Further, using the found coordinates (E _i , n _i ) of the local photopic peaks of the spectrum of the first shielded detector, it is easy to calculate the true value of the energy scale m ₃ and the calibration dependence E _i = f (n _i ) to determine the boundaries of the energy intervals, the energy of gamma rays and their intensity in any part of the spectrum. The most accurate results are provided by the least squares method, which minimizes the measurement errors allowed when determining the channel numbers corresponding to the i-th photopic peaks. The final calibration dependence has the form
E _i = E ₀ = m ₃ • n _i , (7)
where E ₀ and m ₃ are the ordinate at n _i = 0 and the true energy scale of spectrum registration.

Определение энергетических масштабов для спектров других (D-1) детекторов, в том числе неэкранированных и не имеющих низкоэнергетических рентгеновских гамма-реперов в многодетекторной системе базируется на следующих принципах. Все детекторы системы регистрируют гамма-кванты в идентичных условиях, т. е. от одного и того же объекта исследований и при одинаковых параметрах окружающей среды (температуре, геометрии измерений). Тогда энергия фотопика с минимальной погрешностью в информационных спектрах каждого из (D-1)-ого детектора будет соответствовать энергии фотопика с минимальной погрешностью в спектре экранированного детектора. Следовательно, отыскав положение всех фотопиков в информационном спектре (D-1)-ого детектора и определив их погрешность измерений (δ_i), по минимуму погрешности сразу идентифицируется значение энергии одной из основных гамма-линий, имеющей координаты (E_i ^min, n_i ^min). E₀ также можно принять равным значению энергии при n_i = 0 для первого экранированного детектора из формулы (7), поскольку все детекторы имеют идентичные схемы и работают в одних и тех же условиях окружающей среды.The determination of the energy scales for the spectra of other (D-1) detectors, including unshielded and not having low-energy X-ray gamma rappers in a multi-detector system, is based on the following principles. All detectors of the system register gamma-quanta under identical conditions, i.e., from the same research object and at the same environmental parameters (temperature, measurement geometry). Then the photopic peak energy with a minimum error in the information spectra of each of the (D-1) -th detector will correspond to the photopic peak energy with a minimum error in the spectrum of the shielded detector. Therefore, after finding the position of all the photopikes in the information spectrum of the (D-1) detector and determining their measurement error (δ _i ), the energy value of one of the main gamma lines having coordinates (E _i ^min , n _i ^min ). E ₀ can also be taken equal to the energy value at n _i = 0 for the first shielded detector from formula (7), since all detectors have identical circuits and operate in the same environmental conditions.

Тогда для расчета энергии остальных фотопиков во втором приближении с точностью ±1,5-2,0% будет справедливо соотношение:
E₁ = [(E_i ^min - E₀)/n_i ^min]•n_i + E₀. (8)
Дальнейшая идентификации энергии гамма-линий спектра (D-1)-ого детектора осуществляется аналогично, как для 10-ти локальных фотопиков экранированного детектора, используя вышеприведенные неравенства.Then, to calculate the energy of the remaining photopic peaks in the second approximation, with the accuracy of ± 1.5-2.0%, the following ratio will be valid:
E ₁ = [(E _i ^min - E ₀ ) / n _i ^min ] • n _i + E ₀ . (eight)
Further identification of the energy of the gamma lines of the spectrum of the (D-1) detector is carried out in the same way as for 10 local photopic peaks of the shielded detector using the above inequalities.

При известных координатах локальных фотопиков (E_i, n_i) также по методу наименьших квадратов устанавливается окончательный вид уравнений E_i = E₀ + m₃•n_i и энергетические масштабы регистрации m₃ для каждого из (D-1)-ого детектора. Затем для каждого из D-детекторов определяется величина отношения r(S_i) = m₃(S_i)/m₀(S_i), характеризующая уход энергетических спектров S_i детекторов от заданного энергетического масштаба m₀(S_i). Коррекция работы аппаратуры достигается обычным путем - изменением коэффициента усиления спектрометрического тракта D-ого детектора. При передаче информации от D детекторов по единому спектрометрическому тракту корректировка усиления достигается изменением высокого напряжения питания соответствующего детектора. В связи с большим объемом вычислительных операций, требующихся для практической реализации способа, он особенно эффективен при использовании для обработки данных бортовых микроЭВМ типа IBM-PC/AT. В этом случае обработка спектров от D-детекторов реализуется в реальном масштабе времени, что позволяет своевременно корректировать коэффициенты усиления по любому детектору. Для реализации способа измерения спектров от D детекторов приводятся к единым условиям: одному интервалу исследований, или времени измерений. При невысоких активностях исследуемых сред для более точного определения градуировочных зависимостей и энергетических масштабов каждого из S_i детекторов данные могут суммироваться или определяться по нескольким реализациям с записью промежуточных результатов на дисковод или другой накопитель информации. В этом случае градуировочные зависимости E_i = f(n_i) и энергетические масштабы для промежуточных спектров принимаются равными параметрам суммарного или осредненного спектра. Поиск положения (номера канала) фотопиков в информационных спектрах, в том числе фотопика рентгеновского излучения при машинной обработке проводится исходя из следующего логического неравенства < N_ф-2 < N_ф-1 < N_ф > N_ф+1 > N_ф+2, где N_ф, N_ф-1 и N_ф-2, N_ф+1 и N_ф+2 - соответственно интенсивности спектральных потоков в максимуме фотопика, первом и втором каналах, располагающихся слева и справа от фотопика по шкале спектрометра. Для исключения ложных фотопиков, обусловленных статистикой отсчетов, налагаются дополнительные условия: разность в скоростях счета в любых смежных каналах должна превышать абсолютную статистическую погрешность измерений (N_i - N_i+1) >

. Для расчета погрешности измерения i-ого фотопика используется формула (3).With the known coordinates of the local photopeaks (E _i , n _i ), the final form of the equations E _i = E ₀ + m ₃ • n _i and the energy scales of registration m ₃ for each of the (D-1) -th detectors are also established by the least squares method. Then, for each of the D-detectors, the ratio r (S _i ) = m ₃ (S _i ) / m ₀ (S _i ) is determined, which characterizes the deviation of the energy spectra of S _i detectors from the given energy scale m ₀ (S _i ). Correction of the operation of the equipment is achieved in the usual way - by changing the gain of the spectrometric path of the D-th detector. When transmitting information from D detectors along a single spectrometric path, gain correction is achieved by changing the high voltage of the corresponding detector. Due to the large volume of computational operations required for the practical implementation of the method, it is especially effective when using onboard microcomputers such as IBM-PC / AT for data processing. In this case, the processing of the spectra from the D-detectors is implemented in real time, which allows you to timely adjust the gain for any detector. To implement the method of measuring the spectra from D detectors are reduced to uniform conditions: one research interval, or measurement time. At low activities of the studied media, for more accurate determination of the calibration dependences and energy scales of each of the S _i detectors, the data can be summed up or determined by several implementations with the recording of intermediate results on a drive or other information storage device. In this case, the calibration dependences E _i = f (n _i ) and energy scales for the intermediate spectra are taken equal to the parameters of the total or averaged spectrum. The search for the position (channel number) of the photopic peaks in the information spectra, including the photopic peak of x-ray radiation during machine processing, is based on the following logical inequality <N _f-2 <N _f-1 <N _f > N _{f + 1} > N _{f + 2} , where N _f , N _f-1 and N _f-2 , N _{f + 1} and N _{f + 2} are the spectral flux intensities at the maximum of the photopeak, the first and second channels, located to the left and right of the photopeak on the spectrometer scale, respectively. To exclude false photopiks caused by the statistics of readouts, additional conditions are imposed: the difference in the count rates in any adjacent channels should exceed the absolute statistical measurement error (N _i - N _{i + 1} )>

. To calculate the measurement error of the ith photopic peak, formula (3) is used.

В отличии от известных технических решений предложенный способ характеризуется высокой точностью определения энергетического масштаба. В свою очередь это позволяет достичь предельно возможной точности определения энергии регистрируемых гамма-квантов во всем диапазоне спектральных распределений без использования реперного гамма-источника. In contrast to the known technical solutions, the proposed method is characterized by high accuracy in determining the energy scale. In turn, this makes it possible to achieve the maximum possible accuracy in determining the energy of recorded gamma rays in the entire range of spectral distributions without using a reference gamma source.

В прототипе решение задачи осуществляется параметрически по величине отношения потоков излучения в характерных областях спектров без учета смещения уровня сигналов (E₀) и фактически по значению энергии одной только реперной гамма-линии. Вследствие этого точность стабилизации энергетической шкалы оказывается ниже по сравнению с предложенным способом.In the prototype, the problem is solved parametrically in terms of the magnitude of the ratio of radiation fluxes in the characteristic spectral regions without taking into account the shift of the signal level (E ₀ ) and, in fact, by the energy value of the gamma line alone. As a result, the accuracy of stabilization of the energy scale is lower compared with the proposed method.

Практическая реализация способа может быть осуществлена с любой спектрометрической аппаратурой, в комплект которой входит микроЭВМ, например с анализатором импульсов АИ-1024 или 4096, комплектуемые микроЭВМ ЕС-1841 (совмещенной с IBM-PC/AT). Регистрация спектров от D детекторов в АИ-4096 возможна в различные области ОЗУ с минимальным числом каналов 512. Прилагаемое к микроЭВМ ЕС-1841 программное обеспечение позволяет реализовать поиск фотопиков и расчет энергетических масштабов регистрации спектров одновременно от 8-ми детекторов. Для практической реализации предложенного способа дополнительно были разработаны программы, реализующие весь вычислительный процесс с индикацией на дисплее энергетических масштабов по каждому спектру. Изменение коэффициентов усиления по каждому детектору осуществлялось путем изменения высокого напряжения питания соответствующих фотоэлектронных умножителей. При такой регулировке представилось возможным обеспечить точность энергетических масштабов по 4-ем детекторам, три из которых неэкранированы, а один помещен в экран из с листового свинца толщиной 0,1 мм, на уровне 0,5-1% при изменении температуры окружающей среды в диапазоне от 20 до 80^oC. По базовому способу (прототипу) точность измерения спектра энергии гамма-квантов при температуре более 50^oC снижалась до 2-2,5% из-за смещения нулевого уровня сигналов.The practical implementation of the method can be carried out with any spectrometric equipment, the set of which includes a microcomputer, for example, with an AI-1024 or 4096 pulse analyzer, equipped with an EC-1841 microcomputer (combined with IBM-PC / AT). The registration of spectra from D detectors in AI-4096 is possible in various areas of RAM with a minimum number of 512 channels. The software included with the EC-1841 microcomputer allows you to search for photopic peaks and calculate the energy scales for recording spectra from 8 detectors simultaneously. For the practical implementation of the proposed method, additional programs have been developed that implement the entire computational process with indication on the display of energy scales for each spectrum. The gain for each detector was changed by changing the high voltage of the respective photoelectronic multipliers. With this adjustment, it was possible to ensure the accuracy of the energy scales for 4 detectors, three of which are unshielded, and one is placed on the screen from 0.1 mm thick sheet lead, at a level of 0.5-1% when the ambient temperature changes in the range from 20 to 80 ^o C. According to the basic method (prototype), the accuracy of measuring the energy spectrum of gamma rays at a temperature of more than 50 ^o C decreased to 2-2.5% due to a shift in the signal level zero.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает высокоточную коррекцию энергетической шкалы и позволяет существенно расширить методические возможности гамма-спектрометрии за счет безфоновой регистрации низкоэнергетической компоненты естественного гамма-излучения. Thus, the proposed method provides high-precision correction of the energy scale and allows you to significantly expand the methodological capabilities of gamma spectrometry due to the backgroundless recording of the low-energy component of natural gamma radiation.

Возможности способа неизмеримо возрастают благодаря разработке программно-управляемой многодетекторной системы, работающей в диалоговом режиме с бортовой микроЭВМ. The capabilities of the method are growing immeasurably due to the development of a software-controlled multi-detector system operating in dialogue mode with an onboard microcomputer.

Claims

1. The method of gamma spectrometry, which consists in recording natural gamma radiation by D detectors, determining the spectral fluxes N _i in the given energy intervals of the spectra of each of D detectors, the boundaries of which are determined by the position of the reference gamma line in the spectrum of the first detector, which is done by at least in the spectrum of the first detector known photopeak energy, characterized in that the registration of natural gamma radiation detectors each of D is carried out in the form of full range spectra (S _i), the first of the detector D The orors are surrounded by a protective lead shield 0.1 - 0.2 mm thick, absorbing the soft component of scattered gamma radiation and highlighting characteristic x-ray radiation with an energy of 75 keV, gamma spectra from each of D detectors are recorded simultaneously in two non-overlapping energy ranges 0 - 300 and 300 - 3000 keV, for which threshold selection is carried out at an energy of E _n = 250 - 350 keV and subsequent amplification of signals with amplification factors respectively equal to K ₁ and K ₂ , with K ₁ / K _{2 being} selected approximately about equal to E _in / E _n , where E _in and E _n are the upper and lower energy boundaries of the ranges of the low-energy and high-energy components of the spectra, respectively, then in the full gamma-ray spectra of natural radioactivity find the channel numbers n _i corresponding to the local photopics of gamma radiation of naturally radioactive elements of uranium, thorium, potassium, according to the position of the channel number n ₁ corresponding to the maximum photopic peak of x-ray radiation from the lead screen and the value of its energy E ₁ , calculated in the first approximation of the energy the gamma-ray spectrum scale of the first detector for the low-energy range m ₁₁ = E ₁ / n ₁ and the high-energy range m ₁₂ = (E ₁ / n ₁ ) • (K ₁ / K ₂ ); in the high-energy range of the spectrum of the first detector, find the peaks with the minimum the measurement error E _i ^min using the value of m ₁₂ , calculate the approximate values of the photopic energy with a minimum measurement error according to the formula E _i ^min = m ₁₂ • n _i ^min and identify the photopic energy with a minimum measurement error using the following logical relations the case of: E _i ^min = 0.609 MeV at 0.4 ≤ E _i ≤ 0.80; E _i ^min = 1.46 MeV at 1.20 ≤ E _i ≤ 1.6; E _i ^min = 1.76 MeV, at 1.60 ≤ E _i ≤ 2.00; and E _i ^min = 2.614 at 2.30 ≤ E _i ≤ 2.9, from the found energy E _i ^min and channel number n _i ^{min the} photopeak with the minimum error and the position of the maximum characteristic x-ray radiation from the lead screen with coordinates E ₁ , n ₁ calculate the second approximation for the energy scale
m ₂ = E _i ^min - E ₁ ) / (n _i ^min - n ₁ • K ₂ / K ₁ )
and a gauge equation of the form
E _i = E ₀ + [(E _i ^min - E ₁ ) / (n _i ^min - n ₁ • K ₂ / K ₁ )] • n _i ,
where E ₀ is the energy value at n = 0, the energy values for all other photopeaks in the spectrum of the high-energy component of the first detector are identified, for which the following logical relations are used: E _i = 0.609 MeV at 0.55 ≤ E _i ≤ 65; E _i = 0.923 MeV at 0.83 ≤ E _i ≤ 1.0; E _i = 1.12 MeV at 1.01 ≤ E _i ≤ 1.25; E _i = 1.46 MeV at 1.30 ≤ E _i ≤ 1.53; E _i = 1.6 MeV at 1.54 ≤ E _i ≤ 1.65; E _i = 1.76 MeV at 1.66 ≤ E _i ≤ 1.95; E _i = 2.1 MeV at 2.0 ≤ E _i ≤ 2.14; E _i = 2.20 MeV at 2.15 ≤ E _i ≤ 2.30; E _i = 2.45 MeV at 2.31 ≤ E _i ≤ 2.50; E _i = 2.614 MeV at 2.5 ≤ E _i ≤ 2.8, using the found values of the coordinates E _i , n _i for all local photopic peaks of the spectrum of the high-energy component of the first detector, calculate the true value of the energy scale m ₃ , for which the equation uses the least squares method E _i = E ₀ + m ₃ • n _i , the energy detection scales for the spectra of the remaining D-1 detectors are determined as a first approximation by the position of the photopikes in them with a minimum measurement error, the energy values of E _i ^min and E ₀ for which are taken equal to the spectrum the first detector, after which, according to the coordinates E _i ^min , n _i ^min and E ₀ , n = 0 for each (D-1) th detector according to an equation of the form
E _i = [(E _i ^min - E ₀ ) / n _i ^min ] n _i + E ₀
calculate the approximate energy values for all the photopic peaks of each of the (S - 1) -th spectrum, carry out their identification by the above relations and in the same way using the least squares method establish the final form of the calibration equations
E _i = E ₀ + m ₃ • n _i
and energy scales of registration m ₃ for each of the (D-1) -th detector, and then find the ratio
r (S _i ) = m ₃ (S _i ) / m ₀ (S _i ),
where m ₀ (S _i ) is the specified registration scale S _{i of the} gamma spectrum of the D-1st detector and the gain of the spectrometric paths is adjusted r (S _i ) times, for example, by changing the high voltage of the photoelectron multiplier of the corresponding scintillation gamma detector .

2. The method according to claim 1, characterized in that for the correct calculation of the coordinates of the photopeak with a minimum error E _i ^min , n _i ^min in the S _i - spectra, the measurement results are summed over M measurement cycles and lead to a single exposure or a single research interval.

3. The method according to claim 1, characterized in that the determination of the ratio of the amplification factors is carried out according to the total number of channels filled with information in the spectrum of the low-energy range [n _k-1 + I (n _k ) / I (n _k-1 )] to the number the first channels unoccupied by information in the spectrum of the high-energy range [n _n + I (n _n ) / I (n _{n + 1} )] according to the formula
K ₁ / K ₂ = [n _k-1 + I (n _k ) / I (n _k-1 )] / [n _n + I (n _n ) / I (n _{n + 1} )],
wherein the fractional part of the channels in the low energy range is determined by the relation I (n _k) / I (n _k-1), the high-range ratio I (n _n) / I (n _{n + 1),} where I (n _k) and I (n _k-1 ) - the number of pulses recorded in the last and penultimate information channels of the low-energy range I (n _n ) and I (n _{n + 1} ) - the number of pulses recorded in the nearest and subsequent information channels of the high-energy range.