RU237026U1 - Гамма-спектрометр на основе сцинтиллятора - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к средствам радиационного мониторинга и предназначается для оснащения подвижной лаборатории радиационного контроля и измерения энергетических спектров гамма-излучения для идентификации радионуклидного состава и определения удельной активности гамма-излучающих радионуклидов в пробах объектов окружающей среды, включая пробы воды (снега), пищевых продуктов, фуража, почвы и растительности. Измерения проб проводятся и осуществляются при помощи сосудов Маринелли емкостью 1 л и цилиндрических кюветах емкостью 290 мл и 78 мл с плотностью наполнителя в диапазоне от 0,2 до 1,6 г/см³ и содержащих радионуклиды ⁴⁰K, ²²⁶Ra, ²³²Th ¹³⁷Cs, ¹³⁴Cs, ¹³¹I, ¹⁰⁶Ru+¹⁰⁶Rh, ⁹⁵Zr+⁹⁵Nb, ⁶⁰Co и ¹⁵²Eu. Конструкция полезной модели представляет собой изготовленный из свинца толстостенный корпус гамма-спектрометра и закрепленный в нем СБДГ в форме цилиндра. В СБДГ входит сцинтилляционный счетчик, построенный на основе фотоэлектронного умножителя и сцинтилляционного детектора СДН 52 на основе кристалла NaI(Tl) размером ∅63×63 мм. Для обеспечения работоспособности гамма-спектрометра в сложных климатических условиях его корпус выполняется в герметичном исполнении с заполнением его внутреннего объема азотом, и в качестве термоизолятора между корпусом детектора и корпусом гамма-спектрометра используется слой пенопласта ПС-1-100 толщиной 5 мм. Техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемой полезной модели, является создание спектрометра, обеспечивающего возможность проводить измерения при широком температурном диапазоне (от -40 до +45)°С, способность работать от бортовой сети автомобиля и способность эффективно работать в составе подвижной лаборатории радиационного контроля при наличии повышенного фона внешнего гамма-излучения, в том числе в условиях радиоактивного загрязнения местности.

Description

Полезная модель относится к средствам радиационного мониторинга и предназначается для оснащения подвижной лаборатории радиационного контроля и измерения энергетических спектров гамма-излучения для идентификации радионуклидного состава и определения удельной активности гамма-излучающих радионуклидов в пробах объектов окружающей среды, включая пробы воды (снега), пищевых продуктов, фуража, почвы и растительности.

Для возможности оснащения подвижной лаборатории радиационного контроля большое значение имеют такие факторы как: расширенный температурный диапазон, по крайней мере от (+5 до +45)°С, способность работать от бортовой сети автомобиля, устойчивость к механическим воздействиям и способность эффективно работать при наличии повышенного фона внешнего гамма-излучения, в том числе в условиях радиоактивного загрязнения местности.

Для измерения энергетических спектров гамма-излучения обычно используются детекторы на основе кристаллического сцинтиллятора NaI(Tl) (кристалла йодида натрия (NaI), легированного таллием). NaI(Tl) - сцинтилляционный материал, обладающий высокой эффективностью регистрации гамма-квантов и рентгеновских частиц, удовлетворительной разрешающей способностью, высокой плотностью и приемлемым быстродействием. Сцинтиллятор NaI(Tl) отличается высоким световыходом и имеет высокую прозрачность к свету собственного излучения.

Однако основным недостатком сцинтилляционного материала NaI(Tl) является его значительная температурная нестабильность, что требует применения специальных методов и средств термостабилизации спектрометрического тракта при его использовании в составе подвижной лаборатории радиационного контроля, а также для дополнительного расширения диапазона рабочих температур.

Другим существенным недостатком детекторов на основе сцинтиллятора NaI(Tl) является ограниченный уровень загрузки детектора, при котором обеспечивается корректная работа спектрометра. Это ограничивает возможности его использования при высоком уровне содержания гамма-излучающих радионуклидов в пробах, возникающем в случае радиационной аварии, сопровождающейся значительным загрязнением радиоактивными веществами образцов проб объектов окружающей среды.

Из уровня развития техники известен МКС-01А «МУЛЬТИРАД», гамма-спектрометр сцинтилляционный «МУЛЬТИРАД-гамма».

[Установки спектрометрические МКС-01А «МУЛЬТИРАД» Описание типа средства измерений. Приложение к Свидетельству №25263 об утверждении типа средств измерений https://atomsnab.kz/wp-content/uploads/2020/09/Multirad-ot.pdf].

Спектрометр предназначен для измерений в специально приготовленных образцах продуктов питания, кормов для сельскохозяйственных животных, воды, воздуха, почвы, лесоматериалов, строительных материалов активности гамма-излучающих нуклидов. Принцип действия «МУЛЬТИРАД» основан на преобразовании поглощенной в чувствительном объеме детектора энергии ионизирующих излучений в электрические импульсы, которые с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) преобразуются в цифровой сигнал. Цифровой сигнал в дальнейшем обрабатывается посредством программного обеспечения «Прогресс», установленном на персональном компьютере. Для регистрации гамма- излучения используются сцинтилляционный блок детектирования на основе NaI(Tl) с кристаллом ∅63×63 мм БДКС-63-01А1 или блок детектирования на основе NaI(Tl) с кристаллом ∅150×150 мм БДИГ-150-01А со свинцовой защитой толщиной 50 мм.

Программное обеспечение позволяет провести обсчет и сравнение результатов измерений со значениями нормативов из действующей нормативно-методической документации, а также вести всю необходимую документацию (журналы, протоколы) в электронном виде с возможностью вывода на печать любого документа по усмотрению пользователя.

Питание ПК от сети переменного тока ~220 В, 50 В.

Питание измерительного тракта от источника постоянного тока 5 В.

Диапазон рабочих температур (от +10 до +40)°С.

Максимальное значение входной загрузки статистически распределенных импульсов измерительного тракта, не менее 5×10⁴ имп/с.

Аттестованная геометрия измерений и значения минимальной измеряемой активностью определяются при проведении первичной поверки для счетного образца массой 1 кг (сосуда Маринелли объемом 1 л) для следующих нуклидов: ¹³⁷Cs, ²²⁶Ra, ²³²Th, ⁴⁰K.

Известны спектрометры энергий гамма-излучения сцинтилляционные Гамма-1С.

[Спектрометры энергий гамма-излучения сцинтилляционные Гамма-1С. Описание типа средства измерений. Приложение к Свидетельству №71929 об утверждении типа средств измерений. Внесены в Государственный реестр средств измерений. Регистрационный №15294-08, Сайт ALL-Pribors.ru - Каталог измерительных приборов ГРСИ РФ. Справочники компаний-производителей и поверителей измерительного оборудования. https://all-pribors.ru/opisanie/15294-08-gamma-1s-7746].

Спектрометр энергий гамма-излучения сцинтилляционный «ГАММА-1С» предназначен для измерения энергетического распределения гамма-квантов. Спектрометр «ГАММА-1С» может применяться для проведения качественного и количественного анализа проб окружающей среды (продукты питания, строительные материалы, сырье и пр.) на содержание гамма-излучающих радионуклидов. Области применения спектрометра - радиохимические лаборатории для контроля технологических процессов, лаборатории служб внешней дозиметрии, радиологические лаборатории Госсанэпиднадзора, ветеринарных и сельскохозяйственных служб; ядерно-физические центры. Используются в лабораторных условиях. Производитель - ЗАО НПЦ «Аспект», г. Дубна, Московская обл.

Спектрометр состоит из следующих функциональных узлов: сцинтилляционного блока детектирования гамма-излучения БДС-Г; свинцового экрана-защиты; персонального компьютера со встроенным АЦП; печатающего устройства.

Компьютер вместе со встроенной платой АЦП и программным обеспечением представляют собой многоканальный амплитудный анализатор импульсов.

Блок БДС-Г с целью уменьшения влияния внешнего гамма-фона и повышения точности измерений активности размещается внутри свинцового экрана-защиты. Исследуемый образец (проба) помещается в измерительный сосуд (сосуд «Маринелли» - 1 л, сосуд «Дента» - 0,1 л или другой сосуд соответствующей геометрии, по которой проведена калибровка по эффективности) и устанавливается на блоке БДС-Г внутри экрана-защиты.

Для устранения нестабильности фотоприемника в блоке БДС-Б применена специальная система стабилизации, охватывающая весь измерительный тракт. Эталонным репером системы стабилизации является импульс света специального карбид-кремниевого светодиода. Сформированный импульс напряжения поступает на вход АЦП, предназначенный для преобразования амплитуды входного импульса в цифровой код, являющийся двоичным номером канала анализатора, и накопления получаемой информации в буферном запоминающем устройстве.

Измерение амплитуды импульсов происходит по принципу времяимпульсного кодирования, известного как метод Вилкинсона. События, представленные в цифровой форме, накапливаются в буферной памяти, образуя спектр амплитуд импульсов. Полученный спектр выводится на экран компьютера и может быть сохранен в цифровой форме на жестком и (или) гибком дисках. Программное обеспечение позволяет организовать управление процессами накопления, отображения, обработки информации и вывода результатов обработки на внешние устройства компьютера. АЦП имеет собственную инкрементную память и таймер «живого» времени, что обеспечивает автономность процесса накопления информации и позволяет использовать компьютер для решения любых других задач во время набора спектра. Кроме того, организация накопления аппаратным методом значительно сокращает общее время преобразования.

Диапазоны измеряемой удельной активности приводятся для нуклидов: ¹³⁷Cs, ²²⁶Ra, ²³²Th, ⁴⁰K.

Электропитание: напряжение переменное - 220 В, частота - 50 Гц.

Условия эксплуатации - для приборов группы В1 по ГОСТ 52931-2008. Подразумевающие: диапазон температуры окружающего воздуха, (от +10 до +35)°С; место размещения при эксплуатации: обогреваемые и (или) охлаждаемые помещения без непосредственного воздействия солнечных лучей, осадков, ветра, песка и пыли, отсутствие или незначительное воздействие конденсации.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является гамма-спектрометр сцинтилляционный «Прогресс-гамма».

[Комплекс спектрометрический для измерений активности альфа-, бета- и гамма-излучающих нуклидов «Прогресс» гамма-спектрометр сцинтилляционный «Прогресс-гамма». Руководство по эксплуатации ФВКМ.412131.002-03РЭ.

https://www.doza.ru/docs/radiation_control/Progress_gamma.pdf?ysclid=m48cvczvmb444011914].

Внесен в Государственный реестр средств измерений. Регистрационный №15235-01.

Гамма-спектрометр сцинтилляционный «Прогресс-гамма» (далее - гамма-спектрометр) применяется для оценки активности гамма-радионуклидов (¹³⁷Cs, ²³²Th, ²²⁶Ra, ⁴⁰K) в пробах и образцах.

Гамма-спектрометр предназначен для измерений активности гамма-излучающих нуклидов в пробах пищевых продуктов, в биологических пробах, пробах воды, почвы и других объектах окружающей среды в лабораторных условиях. Гамма-спектрометр может быть использован для радиационного контроля на атомных электростанциях, на предприятиях и объектах, производящих и использующих источники ионизирующего излучения. Гамма-спектрометр входит в состав комплекса спектрометрического для измерения активности альфа-, бета- и гамма-излучающих нуклидов «Прогресс» и может эксплуатироваться самостоятельно.

Гамма-спектрометр представляет собой стационарную установку со сцинтилляционным блоком детектирования, ПЭВМ с программным обеспечением «Прогресс» (программа «Прогресс») для управления всеми режимами работы на всех этапах выполнения измерений, обработки результатов и их протоколирования.

Гамма-спектрометр содержит: сцинтилляционный блок детектирования на основе кристалла NaI(Tl), блок питания и усиления импульсов, плату АЦП, свинцовую защиту блока детектирования от фонового излучения. Блок питания и усиления импульсов, а также АЦП конструктивно расположены в блоке детектирования. Для экспонирования счетных образцов применяются различные измерительные кюветы. Для проведения калибровки гамма-спектрометра по энергии и контроля за сохранностью параметров в его состав включается комбинированный контрольный источник ОИСН-137-1, выполненный в геометрии «сосуд Маринелли - 1 литр».

Принцип действия гамма-спектрометра заключается в получении аппаратного спектра импульсов от детектора, регистрирующего излучение счетного образца, экспонируемого в фиксированных условиях измерения. Активность радионуклида в исследуемой пробе определяется путем обработки полученной спектрограммы на ПЭВМ с помощью программы «Прогресс». Программа «Прогресс» позволяет управлять работой гамма-спектрометра, анализировать спектрограмму и идентифицировать радионуклиды, определять активность соответствующих нуклидов в пробе, рассчитывать погрешность измерения активности и протоколировать результаты измерений. Предусмотрен автоматический учет плотности вещества счетного образца.

Гамма-спектрометр имеет следующие технические характеристики.

Детектор - кристаллический сцинтиллятор NaI(Tl), размером ∅63×63 мм.

Минимально измеряемая активность в пробе приводится для нуклидов: ¹³⁷Cs, ²²⁶Ra, ²³²Th, ⁴⁰K (в геометрии сосуда Маринелли объемом 1 л).

Максимальное значение загрузки измерительного тракта 5×10⁴ имп/с.

Электропитание осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц.

Диапазон рабочих температур (от +10 до +35)°С.

Масса защиты не более 170 кг.

Предусмотрены следующие эксплуатационные ограничения. Гамма-спектрометр размещают стационарно в лабораторном помещении, обеспечивающем нормальные условия эксплуатации. Блок детектирования с защитой должен монтироваться в той части помещения, где возможность возникновения вибрации минимальна (ближе к углу или стене комнаты). Лабораторный стол должен быть установлен таким образом, чтобы не возникало проблем с подключением блоков к сетевым розеткам и с их заземлением. Желательно исключить попадание прямых солнечных лучей на монитор, а также на защиту в месте расположения детектора. Гамма-спектрометр должен эксплуатироваться в помещениях, исключающих возможность увеличения фона гамма-излучения от естественного уровня.

К недостаткам прототипа следует отнести указанные выше эксплуатационные ограничения, которые не обеспечивают возможности эффективного применения прототипа в составе подвижной лаборатории радиационного контроля при наличии повышенного фона внешнего гамма-излучения, в том числе в условиях радиоактивного загрязнения местности.

Общим недостатком приведенных выше аналогов и прототипа является их изначальное предназначение для оснащения стационарных спектрометрических лабораторий по требованиям и условиям эксплуатации - для приборов группы В1 по ГОСТ 52931-2008, подразумевающими диапазон температуры окружающего воздуха, (от +10 до +35)°С. Таким образом, для них не предусматривался расширенный температурный диапазон и электропитание от бортовой сети автомобиля.

Цель полезной модели - создание гамма-спектрометра с улучшенными техническими характеристиками, обеспечивающего возможность выполнения измерения при широким температурном диапазоне, по крайней мере (от +5 до +45)°С; способность работать от бортовой сети автомобиля; способность эффективно работать в составе подвижной лаборатории радиационного контроля при наличии повышенного фона внешнего гамма-излучения, в том числе в условиях радиоактивного загрязнения местности.

В качестве детектора для гамма-спектрометра был выбран сцинтилляционный детектор на основе кристалла NaI(Tl).

В процессе создания полезной модели были применены следующие технические решения:

выбор термостабильных и высокочастотных радиотехнических комплектующих изделия,

корпус блока детектирования гамма-излучения (СБДГ) выполняется в герметичном исполнении с заполнением его внутреннего объема азотом, и в качестве термоизолятора между корпусом детектора и корпусом гамма-спектрометра используется слой пенопласта ПС-1-100 толщиной 5 мм,

выбран современный принцип цифровых методов обработки сигналов от детектора излучения.

Конструкция полезной модели представляет собой изготовленный из свинца корпус гамма-спектрометра и закрепленный в нем спектрометрический СБДГ в форме цилиндра. Управление гамма-спектрометром обеспечивается бортовой управляющей ПЭВМ подвижной лаборатории радиационного контроля. Электропитание гамма-спектрометра осуществляется от бортовой сети автомобиля.

Свинцовый корпус гамма-спектрометра с толщиной стенок 5 см зачищает СБДГ от гамма-излучения внешних источников и космического фона и фиксирует геометрию измерения. Для проведения измерений во внутреннюю часть корпуса устанавливается измерительная кювета, положение которой фиксируется. СБДГ фиксируется в свинцовом корпусе так, чтобы в его верхней части располагался сцинтилляционный детектор гамма-излучения. Для установки кюветы верхняя часть корпуса выполнена в форме двухстворчатой раздвижной крышки, закрепленной на одной вертикальной петле.

СБДГ предназначен для регистрации ионизирующих излучений, формирования спектрометрического сигнала и накопления спектрометрической информации с последующей передачей ее в ПЭВМ. В состав СБДГ входит сцинтилляционный счетчик, построенный на основе ФЭУ-183 и сцинтилляционного детектора СДН 52 на основе кристалла NaI(Tl) размером ∅63×63 мм. Конструкция обеспечивает защищенность электронных узлов от пыли и влаги. Также конструкция СБДГ обеспечивает защищенность ФЭУ от внешних источников света.

Сцинтилляционный счетчик предназначен для преобразования энергии излучения в заряд импульсов анодного тока ФЭУ. Счетчик выполнен на базе сцинтилляционного детектора и ФЭУ. Детектор осуществляет преобразование поглощенной в чувствительном объеме энергии, оставленной пролетающими частицами, в интенсивность коротких световых вспышек-сцинтилляций, а ФЭУ преобразует интенсивность этих сцинтилляций в заряд импульсов анодного тока ФЭУ. Амплитуда импульса тока пропорциональна интенсивности световой вспышки, а, следовательно, и энергии гамма-излучения, поглощенной в кристалле. Последующие электронные схемы преобразуют импульс тока в импульс напряжения с параметрами, допускающими непосредственную его подачу на вход АЦП, предназначенного для преобразования амплитуды входного импульса в цифровой код, являющийся двоичным номером канала анализатора, и накопления получаемой информации в буферном запоминающем устройстве. Полученные данные после необходимой обработки передаются на бортовую управляющую ПЭВМ по CAN интерфейсу.

Для построения спектрометрического тракта детектирования выбран современный принцип цифровых методов обработки сигналов от детектора излучения (по альтернативе к более ранним, аналоговым методам). При таком подходе к построению спектрометрического тракта он становится слабо чувствительным к внешним наводкам и температурным дрейфам, т.к. оцифровка происходит на более раннем этапе, чем в аналоговых системах. Исключение аналоговых операций в спектрометрическом тракте также позволяет резко повысить быстродействие, так как длительность импульса в спектрометрическом тракте остается минимальной, не увеличивается в процессе улучшения отношения сигнал/шум и, соответственно, не подвергается искажениям при этих операциях.

Для расширения температурного диапазона изделия используется ряд технологических приемов, реализуемых при построении конструкции СБДГ. Для обеспечения работоспособности гамма-спектрометра в сложных климатических условиях корпус СБДГ выполняется в герметичном исполнении с заполнением его внутреннего объема азотом, что предохраняет от образования конденсата при низких температурах. В качестве термоизолятора между корпусом детектора и корпусом СБДГ используется слой пенопласта ПС-1-100 толщиной 5 мм, который в данном технологическом исполнении приклеен к внешней поверхности корпуса СБДГ. В результате применения указанных технологических решений удалось существенно понизить значение нижней границы диапазона рабочих температур по сравнению с известными аналогами, что существенно для применения изделия в зимнее время на территории РФ. Диапазон рабочих температур изделия (от -40 до +45)°С. Для обеспечения возможности оснащения подвижной лаборатории радиационного контроля достаточно обеспечивать работоспособность в температурном диапазоне (от +5 до +45)°С.

Градуировка гамма-спектрометра проводилась путем математического моделирования процессов переноса и регистрации ионизирующих излучений методом Монте-Карло для проб в сосудах Маринелли емкостью 1 л и цилиндрических кюветах емкостью 290 мл и 78 мл с плотностью наполнителя в диапазоне от 0,2 до 1,6 г/см³ и содержащих радионуклиды ⁴⁰K, ²²⁶Ra, ²³²Th ¹³⁷Cs, ¹³⁴Cs, ¹³¹I, ¹⁰⁶Ru+¹⁰⁶Rh, ⁹⁵Zr+⁹⁵Nb, ⁶⁰Co и ¹⁵²Eu.

Градуировка гамма-спектрометра для расширенного перечня радионуклидов, включающего ¹³⁴Cs, ¹³¹I, ¹⁰⁶Ru+¹⁰⁶Rh, ⁹⁵Zr+⁹⁵Nb, ⁶⁰Со и ¹⁵²Eu, позволяет определять их удельную активность в пробах и учитывает ожидаемый перечень радионуклидов, гамма-излучение которых будет доминировать в условиях радиоактивного загрязнения местности вследствие радиационной аварии с выходом радиоактивных продуктов топливно-энергетического цикла.

Для данной технической реализации полезной модели максимальное значение загрузки измерительного тракта на менее 5×10⁴ имп/с.

Использование в спектрометрическом тракте высокочастотных радиотехнических комплектующих, а также использование при измерении градуированных кювет емкостью 290 мл и 78 мл с плотностью наполнителя в широком диапазоне (от 0,2 до 1,6 г/см³) позволяет проводить измерения при высоком уровне содержания гамма-излучающих радионуклидов в пробах различных материалах без их разбавления.

Основным техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемой полезной модели, является создание спектрометра, штатно функционирующего в широком температурном диапазоне (от -40 до +45)°С.

Кроме того, спектрометр способен эффективно работать в составе подвижной лаборатории радиационного контроля, получая питание от бортовой сети автомобиля и функционируя в условиях повышенного фона внешнего гамма-излучения, в том числе в условиях радиоактивного загрязнения местности.

Claims (1)

1. Гамма-спектрометр на основе сцинтиллятора, предназначенный для измерения энергетических спектров гамма-излучения в пробах, включающий свинцовый корпус гамма-спектрометра и встроенный в него спектрометрический блок детектирования гамма-излучения, содержащий сцинтилляционный детектор на основе кристалла NaI(Tl), фотоэлектронный умножитель и модуль электроники, отличающийся тем, что для расширения рабочего температурного диапазона корпус блока детектирования выполнен герметичным, при этом его внутренний объем заполнен азотом, между корпусом блока детектирования и корпусом гамма-спектрометра введен термоизолятор, кроме того, в спектрометрическом тракте использованы термостабильные комплектующие изделия.