RU2400773C1 - Method of determining concentration of beta-radioactive gases - Google Patents

Method of determining concentration of beta-radioactive gases Download PDF

Info

Publication number
RU2400773C1
RU2400773C1 RU2009136025/28A RU2009136025A RU2400773C1 RU 2400773 C1 RU2400773 C1 RU 2400773C1 RU 2009136025/28 A RU2009136025/28 A RU 2009136025/28A RU 2009136025 A RU2009136025 A RU 2009136025A RU 2400773 C1 RU2400773 C1 RU 2400773C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
beta
gas
radioactive
concentration
pressure
Prior art date
Application number
RU2009136025/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Анатольевич Абрамов (RU)
Игорь Анатольевич Абрамов
Николай Тимофеевич Казаковский (RU)
Николай Тимофеевич Казаковский
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом"
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом", Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом"
Priority to RU2009136025/28A priority Critical patent/RU2400773C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2400773C1 publication Critical patent/RU2400773C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention can be used in technical monitoring or scientific research related with the study of the kinetics of interaction of beta-radioactive gases. A gas system having an absolute pressure sensor with an upper limit of 133 Pa also includes an additional sensor (β-electron detector) whose output value is potential (Uout) (dwg.1) which is proportional to the number of β-electrons formed during decay of atoms of beta-radioactive gases. The detector is calibrated using gaseous mixture of beta-radioactive gases with known concentration at absolute gas pressure less than 133 Pa. Pressure and potential values are recorded in pairs for the required number of times; based on the obtained values for calibrating (graduating) the detector, the sensitivity coefficient (KT) (dwg.2) is calculated as
Figure 00000042
, where P is the corrected value of pressure of the beta-radioactive gas taking into account concentration of the calibration gas;
Figure 00000043
is the average of the product of recorded pressure and potential values;
Figure 00000044
is the product of average values of pressure and potential;
Figure 00000045
Figure 00000046
is the average square and square of average values of potential respectively. Concentration of the beta-radioactive gas is calculated as
Figure 00000047
, where PΣ is absolute pressure of the analysed gaseous mixture in the gas system; Pβ is partial pressure of the beta-radioactive gas calculated using formula (2), Pβ=Kβ·Uβ.
EFFECT: direct determination of concentration of beta-radioactive atoms and molecular compounds based on said atoms in gaseous mixtures with precision and in a wide range of concentration independent of energy of beta-particles.
2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области радиохимии и может быть использовано при проведении технологического контроля или научно-исследовательских работ, связанных с изучением кинетики взаимодействия бета-радиоактивных газов, в частности трития, с различными металлами и сплавами, изотопно-обменных процессов в гетерогенных средах, в масс-спектрометрии и других областях науки и техники, где требуется проведение измерений концентрации бета-радиоактивных атомов (Т, 14С, 18F и др.) и их соединений в газовой фазе.The invention relates to the field of radiochemistry and can be used in technological control or research work related to the study of the kinetics of interaction of beta-radioactive gases, in particular tritium, with various metals and alloys, isotope-exchange processes in heterogeneous media, in mass spectrometry and other fields of science and technology, where measurements of the concentration of beta-radioactive atoms (T, 14 C, 18 F, etc.) and their compounds in the gas phase are required.

Известны различные способы регистрации бета-частиц: ионизационные, фотографические, химические, калориметрические, полупроводниковые и др. [1-4]. Конструктивно для регистрации бета-частиц применяют тонкостенные цилиндрические и торцевые бета-счетчики, а также проточные счетчики. Тонкостенными цилиндрическими счетчиками регистрируют бета-частицы с энергией не менее 500-700 кэВ, так как алюминиевые и стальные катоды этих счетчиков имеют условную предельную толщину 30-50 мг/см2. Бета-частицы с энергией от 100-200 кэВ регистрируют торцевыми счетчиками со слюдяными окнами, имеющими толщину 1-5 мг/см2 [2].There are various methods for detecting beta particles: ionization, photographic, chemical, calorimetric, semiconductor, etc. [1-4]. Structurally, for registration of beta particles thin-walled cylindrical and end beta counters are used, as well as flow counters. Thin-walled cylindrical counters register beta particles with an energy of at least 500-700 keV, since the aluminum and steel cathodes of these counters have a conditional ultimate thickness of 30-50 mg / cm 2 . Beta particles with energies of 100-200 keV are recorded by end counters with mica windows having a thickness of 1-5 mg / cm 2 [2].

Аналогом предлагаемого способа служит способ регистрации заряженных частиц с использованием ионизационных камер-детекторов, основанных на измерении ионизационного тока в газах под воздействием энергии бета-частиц и представляющих собой конденсаторы различной формы. Число образующихся пар ионов в значительной мере зависит как от внутренних, так и внешних факторов, в частности: радиоактивности регистрируемого газа, энергии бета-частиц, состава, давления и температуры газа в ионизационной камере [1-3]. Различают два основных режима работы ионизационных камер: импульсный и токовый.An analogue of the proposed method is a method for detecting charged particles using ionization detector chambers based on measuring the ionization current in gases under the influence of beta particle energy and representing various forms of capacitors. The number of ion pairs formed largely depends on both internal and external factors, in particular: the radioactivity of the detected gas, beta-particle energy, composition, pressure and temperature of the gas in the ionization chamber [1-3]. There are two main modes of operation of ionization chambers: pulsed and current.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ токового режима работы ионизационной камеры. Принцип работы ионизационных камер в токовом режиме заключается в следующем: бета-частица, пролетая рабочее пространство датчика, в зависимости от энергии образует определенное число пар ионов газа, заполняющего объем датчика, что создает ток в регистрирующей цепи данного устройства. Таким образом, для количественного определения радиоактивности газа предварительно проводят калибровку ионизационной камеры путем соотнесения величины регистрируемого сигнала с известной радиоактивностью облучающего эталона. Конструктивно ионизационные камеры (плоские, цилиндрические, сферические, многоэлектродные и пр.) отличаются друг от друга по роду газа (воздух, аргон, трехфтористый бор и др.), наполняющего камеру, и по давлению данного газа в камере. Измерение бета-излучения с помощью ионизационных камер производится, в основном, для определения концентрации радиоактивных элементов (Т, 14C, 18F, 36Cl, 38Cl, 39Ar, 85Kr, 133Xe), для измерения препаратов искусственных радиоактивных изотопов, а также для измерений дозы или мощности дозы в поле бета-излучателей [1].Closest to the proposed method is a method of the current mode of operation of the ionization chamber. The principle of operation of ionization chambers in the current mode is as follows: a beta particle, flying through the sensor’s working space, forms a certain number of gas ion pairs, filling the sensor’s volume, depending on energy, which creates a current in the recording circuit of this device. Thus, to quantitatively determine the radioactivity of a gas, the ionization chamber is pre-calibrated by correlating the magnitude of the recorded signal with the known radioactivity of the irradiating standard. Structurally, ionization chambers (flat, cylindrical, spherical, multielectrode, etc.) differ from each other in the kind of gas (air, argon, boron trifluoride, etc.) that fills the chamber, and in the pressure of this gas in the chamber. Beta radiation is measured using ionization chambers mainly for determining the concentration of radioactive elements (T, 14 C, 18 F, 36 Cl, 38 Cl, 39 Ar, 85 Kr, 133 Xe), for measuring preparations of artificial radioactive isotopes, as well as for measuring dose or dose rate in the field of beta emitters [1].

Недостатками известного способа являются:The disadvantages of this method are:

- определение концентрации бета-радиоактивного газа основано на регистрации вторичного эффекта - тока, создаваемого при ионизации бета-частицами рабочего газа и зависящего от величины энергии бета-частиц, что, как следствие, влияет на точность получаемых результатов;- determination of the concentration of beta-radioactive gas is based on the registration of the secondary effect - the current generated during beta-particle ionization of the working gas and depending on the energy of the beta particles, which, as a result, affects the accuracy of the results;

- для каждого диапазона энергий регистрируемых бета-частиц требуется разработка индивидуальной конструкции измерительного устройства [2], в частности диапазон энергии бета-частиц может составлять от 0,0056 МэВ (7) до 4,11 МэВ (36Cl) [5];- for each energy range of detected beta particles, the development of an individual design of the measuring device is required [2], in particular, the energy range of beta particles can be from 0.0056 MeV (7) to 4.11 MeV ( 36 Cl) [5];

- зависимость регистрируемого значения тока от параметров газа в ионизационной камере: давления, температуры и состава газа [1];- the dependence of the recorded current value on the gas parameters in the ionization chamber: pressure, temperature and gas composition [1];

- наличие порогового значения тока насыщения, то есть при увеличении дозы излучения (концентрации бета-частиц) величина регистрируемого тока остается постоянной.- the presence of a threshold value of the saturation current, that is, with an increase in the radiation dose (concentration of beta particles), the magnitude of the recorded current remains constant.

Сумма перечисленных факторов отражает сложность и индивидуальность подхода при изготовлении регистрирующего устройства для каждого радиоактивного изотопа. Кроме того, каждое устройство работает в строгом диапазоне концентраций и энергий бета-частиц. Все это, как следствие, сказывается на точности определения радиоактивных изотопов в газовой фазе, и увеличение точности ведет к значительному возрастанию трудоемкости выполняемых работ.The sum of these factors reflects the complexity and individuality of the approach in the manufacture of a recording device for each radioactive isotope. In addition, each device operates in a strict range of concentrations and energies of beta particles. All this, as a consequence, affects the accuracy of determination of radioactive isotopes in the gas phase, and an increase in accuracy leads to a significant increase in the complexity of the work performed.

Таким образом, задачей изобретения является создание способа, позволяющего проводить прямые измерения концентрации бета-радиоактивных газов в газовых смесях с высокой точностью и достоверностью получаемых результатов. Кроме того, регистрируемый сигнал не должен зависеть от энергии бета-частиц, состава газа и должен иметь линейную зависимость от числа распавшихся ядер бета-радиоактивного газа.Thus, the object of the invention is to provide a method that allows direct measurements of the concentration of beta-radioactive gases in gas mixtures with high accuracy and reliability of the results. In addition, the detected signal should not depend on the energy of beta particles, the composition of the gas and should have a linear dependence on the number of decayed nuclei of a beta-radioactive gas.

Технический результат, получаемый при использовании изобретения, заключается в том, что:The technical result obtained by using the invention is that:

- реализуется возможность проводить прямое определение концентрации бета-радиоактивных атомов и молекулярных соединений на их основе (HT, DT, T2, CHxT4-x, l4CH4, 39Ar, 133Kr, 133Xe и др.) в газовых смесях с прецизионной точностью и в широком диапазоне концентраций вне зависимости от энергии бета-частиц, применяя одно устройство для любого радиоактивного газа.- it is possible to directly determine the concentration of beta-radioactive atoms and molecular compounds based on them (HT, DT, T 2 , CH x T 4-x , l4 CH 4 , 39 Ar, 133 Kr, 133 Xe and others) in gas mixtures with precision accuracy and in a wide range of concentrations, regardless of the energy of beta particles, using one device for any radioactive gas.

Поставленная задача решается тем, что при осуществлении способа, включающего проведение калибровки регистрирующего устройства, регистрации выходного сигнала и расчете концентрации бета-радиоактивного газа, согласно изобретению регистрируют абсолютное давление газа в системе, в качестве выходного сигнала регистрируют потенциал (Uβ), создаваемый на сопротивлении нагрузки при прохождении тока бета-частиц, образующихся в результате радиоактивного распада ядер бета-радиоактивного газа в регистрирующем устройстве, а расчет концентрации бета-радиоактивного газа выполняют по формулеThe problem is solved in that when implementing the method, including calibrating the recording device, registering the output signal and calculating the concentration of beta-radioactive gas, according to the invention, the absolute gas pressure in the system is recorded, and the potential (U β ) generated at the resistance is recorded as the output signal load during the passage of beta-particles current resulting from the radioactive decay of beta-radioactive gas nuclei in the recording device, and the concentration calculation beta-radioactive gas is performed according to the formula

Figure 00000001
Figure 00000001

где PΣ - абсолютное давление исследуемой газовой смеси;where P Σ is the absolute pressure of the investigated gas mixture;

Pβ - парциальное давление бета-радиоактивного газа в исследуемой газовой смеси, вычисляемое по формулеP β - partial pressure of beta-radioactive gas in the test gas mixture, calculated by the formula

Figure 00000002
Figure 00000002

где Kβ - коэффициент чувствительности датчика [Па/В], определяемый при калибровке на газовой смеси с известной концентрацией бета-радиоактивного газа;where K β is the sensitivity coefficient of the sensor [Pa / V], determined during calibration on a gas mixture with a known concentration of beta-radioactive gas;

Uβ - регистрируемое выходное значение потенциала регистрирующего устройства [В].U β is the recorded output value of the potential of the recording device [B].

Другим отличием способа является то, что калибровку датчика регистрации бета-частиц проводят с использованием газовой смеси бета-радиоактивного газа известной концентрации (Cβ), регистрируют попарно значения абсолютного давления (P) и выходное значение потенциала регистрирующего устройства (Uβ) необходимое число раз (n), на основании полученных значений определяют калибровочный коэффициент чувствительности датчика бета-частиц (Kβ) по формулеAnother difference of the method is that the calibration of the beta-particle detection sensor is carried out using a gas mixture of beta-radioactive gas of known concentration (C β ), the absolute pressure values (P ) and the output value of the recording device potential (U β ) are recorded in pairs times (n), on the basis of the obtained values, the calibration coefficient of sensitivity of the beta particle sensor (K β ) is determined by the formula

Figure 00000003
Figure 00000003

где Pβ=P·Cβ;where P β = P · C β ;

Figure 00000004
- среднее значение суммы произведений величин Pβ и Uβ;
Figure 00000004
- the average value of the sum of the products of the quantities P β and U β ;

Figure 00000005
- произведение средних значений величин Pβ и Uβ;
Figure 00000005
- the product of the average values of P β and U β ;

Figure 00000006
- среднее значение суммы квадратов величины Uβ,
Figure 00000006
- the average value of the sum of the squares of the quantity U β ,

Figure 00000007
- квадрат среднего значения величины Uβ.
Figure 00000007
- the square of the average value of U β .

В основе предлагаемого способа заложен принцип регистрации тока заряженных бета-частиц, образующихся при радиоактивном распаде бета-радиоактивного газа, находящегося в газовой смеси при давлении, не превышающем 133 Па (1 мм рт.ст.). При данном давлении длина свободного пролета бета-частицы будет соизмерима с размерами регистрирующего устройства [1] и эффект ионообразования исходного газа будет минимальным. Кроме того, выходной регистрируемый сигнал (Uout) датчика (фиг.1) пропорционален (линейно) количеству образующихся бета-частиц в соответствии с законом радиоактивного распада (4), уравнением состояния идеального газа (5) и током (6), создаваемым бета-частицами.The basis of the proposed method is the principle of recording the current of charged beta particles generated during the radioactive decay of beta-radioactive gas in the gas mixture at a pressure not exceeding 133 Pa (1 mmHg). At a given pressure, the beta particle free span will be commensurate with the size of the recording device [1] and the ionization effect of the source gas will be minimal. In addition, the detected output signal (U out ) of the sensor (Fig. 1) is proportional to (linearly) the number of beta particles formed in accordance with the law of radioactive decay (4), the ideal gas equation of state (5), and the current (6) generated by beta -particles.

Скорость радиоактивного распада (А) описывается уравнением видаThe rate of radioactive decay (A) is described by an equation of the form

Figure 00000008
Figure 00000008

где λ - постоянная радиоактивного распада, с-1;where λ is the decay constant, s -1 ;

Nβ - число бета-радиоактивных атомов.N β is the number of beta-radioactive atoms.

Число атомов (молекул) связано с парциальным давлением уравнением состояния идеального газаThe number of atoms (molecules) is related to the partial pressure by the equation of state of an ideal gas

Figure 00000009
Figure 00000009

где NM - число молекул (атомов) газа;where N M is the number of gas molecules (atoms);

V - объем регистрирующей системы; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.V is the volume of the recording system; k is the Boltzmann constant; T is the absolute temperature.

Например, ядро изотопа водорода-трития распадается по схеме

Figure 00000010
со скоростью A (4) с образованием β-электрона, имеющего заряд е=-1.6-10-19 Кл. Вследствие этого в регистрирующем устройстве (фиг.1) будет протекать ток, который пропорционален числу распавшихся ядер трития. Таким образом, уравнение для тока β-электронов (Iβ) можно представить следующим образом:For example, the nucleus of the hydrogen-tritium isotope decays according to the scheme
Figure 00000010
with a speed of A (4) with the formation of a β-electron having a charge of e = -1.6-10 -19 C. As a result, a current will flow in the recording device (FIG. 1), which is proportional to the number of decayed tritium nuclei. Thus, the equation for the current of β-electrons (I β ) can be represented as follows:

Figure 00000011
Figure 00000011

В соответствии со схемой, представленной на фиг.1, регистрируемый потенциал на выходе усилителя с коэффициентом усиления (Ky) составитIn accordance with the scheme shown in figure 1, the recorded potential at the output of the amplifier with a gain (K y ) will be

Figure 00000012
Figure 00000012

Введя замену в уравнении (7) всех констант на Z=λ·e·R·Ky, получаемIntroducing the replacement of all constants in equation (7) by Z = λ · e · R · K y , we obtain

Figure 00000013
Figure 00000013

Уравнение (8) показывает, что регистрируемый сигнал (Uout) линейно зависит от числа атомов трития. В работе [6] показано, что при давлении свыше 3 мм рт.ст. газовой смеси, содержащей тритий (30%), начинается нелинейная область, связанная с влиянием процесса радиационного ионообразования в газовой смеси. Таким образом, выбор верхнего предела рабочего давления в 133 Па считается вполне обоснованным.Equation (8) shows that the detected signal (U out ) linearly depends on the number of tritium atoms. In [6], it was shown that at pressures above 3 mm Hg gas mixture containing tritium (30%), begins a nonlinear region associated with the influence of the process of radiation of ion formation in the gas mixture. Thus, the choice of the upper limit of the working pressure of 133 Pa is considered quite reasonable.

На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства регистрации бета-частиц. На фиг.2 приведена градуировочная характеристика устройства регистрации бета-частиц, выполненная при концентрации трития 97,0%. На фиг.3 представлен термодесорбционный спектр выделения трития и радиогенного гелия-3 из тритида титана при линейном нагреве образца.Figure 1 presents a schematic diagram of a device for registering beta particles. Figure 2 shows the calibration characteristic of the device for registering beta particles, performed at a tritium concentration of 97.0%. Figure 3 presents the thermal desorption spectrum of the allocation of tritium and radiogenic helium-3 from titanium tritide during linear heating of the sample.

Устройство на фиг.1 состоит из следующих деталей: 1 - фланец напуска газа; 2 - корпус, изготовленный из нержавеющей стали типа 12Х18Н10Т и имеющий внешний нагреватель до температуры не менее 200°С; 3 - рабочий объем не менее 10 см3; 4 - анод; 5 - сетка, изготовленная из сплошной медной проволоки таким образом, что перекрывается свободный пролет бета-частиц в объеме датчика; 6 - сопротивление нагрузки (1-10 МОм) согласуется с внутренним сопротивлением усилителя; 7 - усилитель термостабилизированный, с коэффициентом усиления (Ky) не менее 1000; 8 - высокоточный источник питания.The device in figure 1 consists of the following parts: 1 - gas inlet flange; 2 - a case made of stainless steel type 12X18H10T and having an external heater to a temperature of at least 200 ° C; 3 - working volume of at least 10 cm 3 ; 4 - anode; 5 is a grid made of solid copper wire in such a way that the free passage of beta particles in the sensor volume is blocked; 6 - load resistance (1-10 MΩ) is consistent with the internal resistance of the amplifier; 7 - thermally stabilized amplifier, with a gain (K y ) of at least 1000; 8 - high-precision power source.

На фиг.2 показан градуировочный график для определения коэффициента чувствительности датчика трития, выполненный при концентрации трития 97%,Figure 2 shows a calibration graph for determining the sensitivity coefficient of the tritium sensor, performed at a tritium concentration of 97%,

Kβ=16,975·133,33·0,97=2,195·103 Па/В.K β = 16.975 · 133.33 · 0.97 = 2.195 · 10 3 Pa / V.

На фиг.3, в качестве примера, представлен термодесорбционный спектр выделения трития и радиогенного гелия-3 из тритида титана при линейном нагреве, 1 - значения потенциала датчика регистрации бета-электронов, 2 - значения абсолютного давления газа в системе. Как видно из фиг.3, начало выделения газа (3He) происходит при температуре 450 К. При этом тритий не выделяется, о чем свидетельствуют показания датчика бета-электронов. Выделение трития происходит в диапазоне температур 650-950 К.Figure 3, by way of example, shows the thermal desorption spectrum of the release of tritium and radiogenic helium-3 from titanium tritide by linear heating, 1 is the potential of the beta-electron detection sensor, 2 is the absolute pressure of the gas in the system. As can be seen from figure 3, the start of gas evolution ( 3 He) occurs at a temperature of 450 K. In this case, tritium is not released, as evidenced by the readings of the beta-electron sensor. The release of tritium occurs in the temperature range of 650-950 K.

Способ осуществляется следующим образом: согласно изобретению калибровку датчика проводят по газовой смеси с известной концентрацией бета-радиоактивного газа путем одновременной регистрации абсолютного давления газовой смеси и регистрации выходного сигнала датчика. Градуировку датчика на примере трития проводят следующим образом. Выполняют балансировку регистрирующего тракта усилителя для того, чтобы выполнялось условие: Uout=0 при P=0, где Uout=Iβ·R·Ky - потенциал на выходе электрометрического усилителя, с коэффициентом усиления Ky, R - сопротивление нагрузки, Iβ - ток бета-электронов; P - показания датчика абсолютного давления с верхним пределом измерения 133 Па. Проводят напуск трития известной концентрации (CT2) в регистрирующую систему до давления P≈120 Па. Регистрируют значения Uout(j), P(j). Далее, уменьшая давление на 10 Па, проводят регистрацию значений Uout(j), P(j) до остаточного давления 10 Па. Выполняют данную процедуру в обратном порядке, то есть начинают с минимального давления, постепенно повышая, достигают максимума и повторяют весь цикл не менее трех раз. На основании полученного массива значений Uout(j=1…n), P(j=1…n), где n - статистически значимое количество измерений, вычисляют среднеарифметические значения U, Р и их среднеквадратические отклонения. Делают поправку для значений Р с учетом реальной концентрации трития CT2, то есть PT2=CT2·Р.The method is as follows: according to the invention, the sensor is calibrated using a gas mixture with a known concentration of beta-radioactive gas by simultaneously recording the absolute pressure of the gas mixture and registering the sensor output signal. The calibration of the sensor on the example of tritium is as follows. The balancing of the recording path of the amplifier is performed in order to satisfy the condition: U out = 0 at P = 0, where U out = I β · R · K y is the potential at the output of the electrometric amplifier, with the gain K y , R is the load resistance, I β is the current of beta electrons; P - absolute pressure sensor readings with an upper measurement limit of 133 Pa. Tritium is injected with a known concentration (C T2 ) into the recording system to a pressure of P≈120 Pa. The values of U out (j), P (j) are recorded. Further, reducing the pressure by 10 Pa, the values of U out (j), P (j) are recorded to a residual pressure of 10 Pa. Perform this procedure in the reverse order, that is, start with a minimum pressure, gradually increasing, reach a maximum and repeat the entire cycle at least three times. Based on the obtained array of values U out (j = 1 ... n), P (j = 1 ... n), where n is a statistically significant number of measurements, the arithmetic mean values of U, P and their standard deviations are calculated. A correction is made for the values of P, taking into account the actual concentration of tritium C T2 , that is, P T2 = C T2 · P.

На основании полученных значений (Uout(j=1…n), PT2(j=1…n)) определяют методом наименьших квадратов коэффициент корреляции (ρPV), калибровочный коэффициент (KT2) и его среднеквадратическое отклонение (σK) по формулам (9-12)Based on the obtained values (U out (j = 1 ... n), P T2 (j = 1 ... n)), the correlation coefficient (ρPV), calibration coefficient (K T2 ) and its standard deviation (σK) are determined by the least squares method by the formulas (9-12)

Figure 00000014
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

Figure 00000016
Figure 00000016

Figure 00000017
Figure 00000017

где

Figure 00000018
- дисперсия результатов измерения;
Figure 00000019
; Pj - среднеарифметическое значение величины давления; аналогично вычисляются и остальные величиныWhere
Figure 00000018
- variance of the measurement results;
Figure 00000019
; P j is the arithmetic mean value of pressure; the remaining quantities are calculated similarly

Figure 00000020
Figure 00000021
,
Figure 00000022
,
Figure 00000023
,
Figure 00000024
,
Figure 00000025
.
Figure 00000020
Figure 00000021
,
Figure 00000022
,
Figure 00000023
,
Figure 00000024
,
Figure 00000025
.

Оценку диапазона регистрируемых концентраций выполняют следующим образом. Удельная активность газообразного трития при максимальном рабочем давлении 133 Па (1 мм рт.ст.) составляет 1,266·108 Бк·см-3. С учетом свободного объема датчика V0=10 см3 максимальная активность в рабочем объеме датчика составит Amax=12,66·108 Бк. Учитывая полученное значение Amax и параметры электрической схемы (R=1,0 МОм, Ky=103), находят граничные значения концентрации трития. Для этого определяют максимально-возможный ток (Imax) в цепи датчика и напряжение на выходе усилителя (Uout)The assessment of the range of recorded concentrations is as follows. The specific activity of gaseous tritium at a maximum working pressure of 133 Pa (1 mmHg) is 1.266 · 10 8 Bq · cm -3 . Given the free volume of the sensor V 0 = 10 cm 3 the maximum activity in the working volume of the sensor will be A max = 12.66 · 10 8 Bq. Given the obtained value of A max and the parameters of the electrical circuit (R = 1.0 MΩ, K y = 10 3 ), the boundary values of the tritium concentration are found. To do this, determine the maximum possible current (I max ) in the sensor circuit and the voltage at the output of the amplifier (U out )

Imax=Amax·e=12,66·108·1,6·10-19=2·10-10 А;I max = A max · e = 12.66 · 10 8 · 1.6 · 10 -19 = 2 · 10 -10 A;

Umax=Imax·R=2·10-10·106=2·10-4 B,U max = I max · R = 2 · 10 -10 · 10 6 = 2 · 10 -4 B,

Uout=K y·Umax=103·2·10-4=0,2 В.U out = K y · U max = 10 3 · 2 · 10 -4 = 0.2 V.

Таким образом, при условии 100% концентрации трития и давлении 133 Па регистрируемый сигнал с датчика составит 0,2 В. Система регистрации аналогового сигнала состоит из 12-разрядного АЦП (4095 градаций) типа PCL-818HG с минимальным диапазоном измерения ±0,005 В. Тогда, принимая отношение минимального сигнала (Umin) к младшему разряду АЦП, равное 2, и отбрасывая младший разряд, получаютThus, under the condition of 100% tritium concentration and a pressure of 133 Pa, the recorded signal from the sensor will be 0.2 V. The analog signal registration system consists of a 12-bit ADC (4095 gradations) of the PCL-818HG type with a minimum measurement range of ± 0.005 V. Then taking the ratio of the minimum signal (U min ) to the least significant bit of the ADC equal to 2, and discarding the least significant bit, get

Figure 00000026
Figure 00000026

Следовательно, минимально определяемая концентрация трития будет составлять 2,5-10-3 %. Что в абсолютных единицах будет соответствовать пределу чувствительности датчика по парциальному давлению трития и составит 3,3·10-3 Па (2,5·10-5 мм рт.ст.). На основании полученных значений динамический диапазон измерения концентрации трития соответственно составляет 105, что сопоставимо по чувствительности с масс-спектрометрическим методом анализа, в частности, для масс-анализатора МХ-7304.Therefore, the minimum detectable concentration of tritium will be 2.5-10 -3 %. That in absolute units will correspond to the limit of sensitivity of the sensor for the partial pressure of tritium and will be 3.3 · 10 -3 Pa (2.5 · 10 -5 mm Hg). Based on the obtained values, the dynamic range for measuring tritium concentration, respectively, is 10 5 , which is comparable in sensitivity to the mass spectrometric method of analysis, in particular, for the MX-7304 mass analyzer.

Оценку методической относительной погрешности определения концентрации трития в газовой смеси выполняют следующим образом.Evaluation of the methodological relative error in determining the concentration of tritium in the gas mixture is performed as follows.

Исходные данные:Initial data:

- относительная погрешность датчика давления (σp) фирмы Varian не превышает 0,15% [7];- the relative error of the pressure sensor (σ p ) from Varian does not exceed 0.15% [7];

- относительная погрешность содержания трития в калибровочной смеси (σP) не более 0,2%;- the relative error of the tritium content in the calibration mixture (σ P ) is not more than 0.2%;

- относительная погрешность электрометрического усилителя (σT), согласно [8, 9], не превышает 5-10-4%.- the relative error of the electrometric amplifier (σ T ), according to [8, 9], does not exceed 5-10 -4 %.

Относительная погрешность измерения концентрации трития (σДТ) зависит от следующих основных составляющих ее погрешностей: σK - погрешность содержания трития в эталонном газе (относится к систематической погрешности), σP - погрешность определения давления (при градуировке датчика и при проведении измерений), σU - суммарная погрешность регистрирующего канала. Кроме того, доминирующей и систематической погрешностью измерения будет служить погрешность полученного градуировочного коэффициента KβГК).The relative error in measuring the tritium concentration (σ DT ) depends on the following main components of its errors: σ K is the error of the tritium content in the reference gas (refers to the systematic error), σ P is the error in determining the pressure (when calibrating the sensor and during measurements), σ U is the total error of the recording channel. In addition, the error of the obtained calibration coefficient K βGK ) will serve as the dominant and systematic measurement error.

Подставляя значения, получимSubstituting the values, we obtain

Figure 00000027
;
Figure 00000027
;

Figure 00000028
.
Figure 00000028
.

Относительная методическая погрешность измерения концентрации трития составляет не более 0,3%.The relative methodological error in measuring tritium concentration is not more than 0.3%.

Использование изобретения позволит проводить определение концентрации атомов бета-радиоактивных газов, находящихся в любой молекулярной структуре в газовой смеси независимо от состава этого газа и энергии образующихся бета-частиц, при этом точность измерений зависит только от точности измерения давления и потенциала.Using the invention will allow determination of the concentration of atoms of beta-radioactive gases located in any molecular structure in the gas mixture, regardless of the composition of this gas and the energy of the resulting beta particles, while the accuracy of the measurements depends only on the accuracy of pressure and potential measurements.

Применение данного способа как в комбинации с масс-спектрометрическим анализом, так и отдельно является перспективным инструментом в исследовании процессов изотопного обмена водорода и его взаимодействия с металлами и сплавами.The application of this method both in combination with mass spectrometric analysis and separately is a promising tool in the study of hydrogen isotope exchange processes and its interaction with metals and alloys.

Источники информацииInformation sources

1. Росси Б., Штауб Г. Ионизационные камеры и счетчики. Под ред. Жданова Г.Б. М.: Иностранная лит., 1951.1. Rossi B., Staub G. Ionization chambers and counters. Ed. Zhdanova G.B. M .: Foreign lit., 1951.

2. Сидоренко В.В., Кузнецов Ю.А., Оводенко А.А. Детекторы ионизирующих излучений. Справочник. Л., Судостроение, 1984.2. Sidorenko V.V., Kuznetsov Yu.A., Ovodenko A.A. Detectors of ionizing radiation. Directory. L., Shipbuilding, 1984.

3. Лукьянов В.Б. Измерение и идентификация бета-радиоактивных препаратов // Госатомиздат, 1963.3. Lukyanov VB Measurement and identification of beta-radioactive drugs // Gosatomizdat, 1963.

4. Методы измерения трития. США: Пер. с англ. Под ред. Ю.В.Сивинцева. - М.: Атомиздат, 1978. - США, 1976.4. Methods for measuring tritium. USA: Per. from English Ed. Yu.V. Sivintseva. - M.: Atomizdat, 1978. - USA, 1976.

5. Изотопы и свойства элементов. Справ. изд. / Куликов И.С., Металлургия. 1990.5. Isotopes and properties of elements. Ref. ed. / Kulikov I.S., Metallurgy. 1990.

6. David R. Voorhees, Richard L. Rossmassler, Gretchen Zimmer, Tritium analysis at TFTR, Prinston Plasma Physics Laboratory, Prinston University, Contract # DE-AC02-76-CH03037, 1995.6. David R. Voorhees, Richard L. Rossmassler, Gretchen Zimmer, Tritium analysis at TFTR, Prinston Plasma Physics Laboratory, Prinston University, Contract # DE-AC02-76-CH03037, 1995.

7. Calibration Test Report. Varian CMR 401, Accuracy max. 0.15% of reading.7. Calibration Test Report. Varian CMR 401, Accuracy max. 0.15% of reading.

8. Low Noise Preamplifier Model 5113. AMETEK Advanced Measurement Technology, Inc.8. Low Noise Preamplifier Model 5113. AMETEK Advanced Measurement Technology, Inc.

9. Манойлов В.В., Мелешкин А.С. и др. Аппаратное обеспечение систем автоматизации изотопных масс-спектрометров. Приборы и техника эксперимента, №3, 1997.9. Manoilov V.V., Meleshkin A.S. et al. Hardware for automation systems of isotopic mass spectrometers. Instruments and experimental equipment, No. 3, 1997.

Claims (2)

1. Способ определения концентрации бета-радиоактивного газа в газовой смеси, заключающийся в проведении калибровки регистрирующего устройства, регистрации выходного сигнала и расчете концентрации бета-радиоактивного газа,
отличающийся тем, что дополнительно регистрируют абсолютное давление газа в системе, в качестве выходного сигнала регистрируют потенциал (Uβ), создаваемый на сопротивлении нагрузки при прохождении тока бета-частиц, образующихся в результате радиоактивного распада бета-радиоактивного газа в регистрирующем устройстве, а расчет концентрации бета-радиоактивного газа определяют по формуле:
Figure 00000029
,
где P - абсолютное давление исследуемой газовой смеси;
Pβ - парциальное давление бета-радиоактивного газа в исследуемой газовой смеси, вычисляемое по формуле:
Pβ=Kβ·Uβ,
где Kβ - коэффициент чувствительности датчика, Па/В, определяемый при калибровке на газовой смеси с известной концентрацией бета-радиоактивного газа;
Uβ - регистрируемое выходное значение потенциала датчика бета-частиц, В.
1. The method of determining the concentration of beta-radioactive gas in the gas mixture, which consists in calibrating the recording device, registering the output signal and calculating the concentration of beta-radioactive gas,
characterized in that the absolute pressure of the gas in the system is additionally recorded, the potential (U β ) generated by the load resistance during the passage of beta particles generated by the radioactive decay of beta-radioactive gas in the recording device is recorded as an output signal, and the concentration calculation beta radioactive gas is determined by the formula:
Figure 00000029
,
where P is the absolute pressure of the investigated gas mixture;
P β is the partial pressure of beta-radioactive gas in the test gas mixture, calculated by the formula:
P β = K β · U β ,
where K β is the sensitivity coefficient of the sensor, Pa / V, determined during calibration on a gas mixture with a known concentration of beta-radioactive gas;
U β is the recorded output value of the potential of the beta particle sensor, V.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что калибровку датчика регистрации бета-частиц проводят с использованием газовой смеси бета-радиоактивного газа известной концентрации (Cβ), регистрируют попарно значения абсолютного давления (P) и выходное значение потенциала датчика бета-частиц (Uβ) необходимое число раз (n), на основании полученных значений определяют калибровочный коэффициент чувствительности датчика бета-частиц (Kβ) по формуле:
Figure 00000030
,
где Pβ=P·Cβ;
Figure 00000031
- среднее значение суммы произведений величин Pβ и Uβ,
Figure 00000032
- произведение средних значений величин Pβ и Uβ,
Figure 00000033
- среднее значение суммы квадратов величины Uβ,
Figure 00000034
- квадрат среднего значения величины Uβ.
2. The method according to claim 1, characterized in that the calibration of the beta particle detection sensor is carried out using a gas mixture of beta-radioactive gas of known concentration (C β ), the absolute pressure values (P ) and the output value of the beta sensor potential are recorded in pairs particles (U β ) the required number of times (n), on the basis of the obtained values determine the calibration coefficient of sensitivity of the beta particle sensor (K β ) by the formula:
Figure 00000030
,
where P β = P · C β ;
Figure 00000031
- the average value of the sum of the products of the quantities P β and U β ,
Figure 00000032
- the product of the average values of P β and U β ,
Figure 00000033
- the average value of the sum of the squares of the quantity U β ,
Figure 00000034
- the square of the average value of U β .
RU2009136025/28A 2009-09-28 2009-09-28 Method of determining concentration of beta-radioactive gases RU2400773C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009136025/28A RU2400773C1 (en) 2009-09-28 2009-09-28 Method of determining concentration of beta-radioactive gases

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009136025/28A RU2400773C1 (en) 2009-09-28 2009-09-28 Method of determining concentration of beta-radioactive gases

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2400773C1 true RU2400773C1 (en) 2010-09-27

Family

ID=42940478

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009136025/28A RU2400773C1 (en) 2009-09-28 2009-09-28 Method of determining concentration of beta-radioactive gases

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2400773C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
РОССИ Б., ШТАУБ Г. ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ И СЧЕТЧИКИ. / ПОД РЕД. Г.Б. ЖДАНОВА. - М.: ИНОСТРАННАЯ ЛИТ., 1951. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kocher et al. Cross sections for proton-deutron scattering from 1.0 to 10.0 MeV
Jaklevic et al. A. beta.-gage method applied to aerosol samples
Ohno et al. Determination of strontium 90 in environmental samples by triple quadrupole ICP-MS and its application to Fukushima soil samples
Mostafa et al. A primary standard source of radon-222 based on the HPGe detector
US7368726B2 (en) Method and apparatus for detecting high-energy radiation using a pulse mode ion chamber
Gerdung et al. Operation and application of tissue equivalent proportional counters
Johnson et al. Small Deviations Observed in Beta Spectra: In 114, Y 90, and P 32
Waker Experimental uncertainties in microdosimetric measurements and an examination of the performance of three commercially produced proportional counters
Wilkinson et al. External beam normalization measurements using atmospheric argon gamma rays
Révay Calculation of uncertainties in prompt gamma activation analysis
US10031239B2 (en) Method for measuring dosage by means of a radiation detector, especially an X-radiation or gamma-radiation detector, used in the spectroscopic mode, and dosage measurement system using said method
Jesus et al. Excitation function and cross-sections of the reaction 19F (p, p′ γ) 19F
RU2400773C1 (en) Method of determining concentration of beta-radioactive gases
Yu et al. A simple and versatile 222Rn/220Rn exposure chamber
Gils et al. A 4πβ-γ-coincidence spectrometer using Si (Li) and NaI (Tl) detectors
Adam et al. Precision half-life measurement of 140La with Ge-detector
Bahar-Gogani et al. Long-term stability of liquid ionization chambers with regard to their qualification as local reference dosimeters for low dose-rate absorbed dose measurements in water
Oropesa et al. A procedure for the standardization of gamma reference sources for quality assurance in activity measurements of radiopharmaceuticals
US8415638B2 (en) Method for detecting high-energy radiation using low voltage optimized ion chamber
Goel et al. Noble gas activity monitor with gamma compensation
Stanga et al. Improvements in the absolute standardization of large-area reference sources
Arib et al. Development of a motorized system for the characterization of the RQR reference x-ray beams at the KFSHRC's SSDL using an extrapolation chamber
Aglintsev et al. The standardization of radioactive preparations
CN113866819A (en) Device and method for calibrating transuranic nuclide aerosol on-line monitoring equipment
Schlegel-Bickmann et al. Measurement of kU values of argon-filled magnesium ionisation chambers