ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 1, с. 97-102
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 539.1.074.22
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО СПЕКТРОМЕТРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЗОНАНСНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ В АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ВЕЩЕСТВАХ © 2014 г. С. Н. Федотов, В. В. Кушин, С. Г. Покачалов
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 Поступила в редакцию 06.05.2013 г.
Описан однокоординатный сцинтилляционный спектрометр для измерения резонансного поглощения у-излучения в азотсодержащих образцах. Измерены энергетические и координатные характеристики спектрометра. Представлены результаты экспериментов по резонансному поглощению у-излучения с энергией 9.17 МэВ в образце мочевины.
БО1: 10.7868/80032816214010054
ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия активно разрабатываются методики обнаружения взрывчатых веществ (в.в.), основанные на резонансном поглощении у-излучения ядрами азота, повышенная концентрация которого характерна для в.в. [1—3].
Суть у-резонансного метода состоит в том, что поток у-квантов с энергией, равной энергии резонансного уровня азота 14М, при прохождении через в.в. испытывает ослабление не только за счет комптоновского эффекта и эффекта образования пар, но и в результате резонансного поглощения ядрами азота. Тогда наблюдение значимого отличия в коэффициентах ослабления, измеренных при облучении исследуемого вещества потоками у-квантов с резонансной и нерезонансной энергиями, будет свидетельствовать о присутствии азота в составе исследуемого вещества.
Для реализации метода наибольший интерес представляет резонансное поглощение у-квантов на ядрах азота в реакции 14М(у, р)13С с энергией резонансного уровня 9.17 МэВ. Полная ширина резонанса составляет Г0 = 122 ± 8 эВ, парциальная ширина у-перехода Гу = 6.3 эВ, а отношение Гу/Г0 = 0.052 [4], что приблизительно на 2—4 порядка превышает относительные парциальные ширины соседних резонансов [5]. Поскольку сечение резонансного поглощения, согласно формуле Брейта—Вигнера, пропорционально отношению Гу/Г0„ то сечение поглощения на данном резонансе достигает 2.4 б, что в ~5 раз превышает сечение нерезонансного поглощения [2].
Для генерации у-излучения с энергией 9.17 МэВ используется обратная реакция 13С(р, у)14М, которая реализуется на пучке протонов с энергией
Ер > 1.75 МэВ. Выход у-излучения в телесный угол 4я может составлять до 6 • 10-9 квантов/протон при использовании толстой мишени [2, 3].
Чрезвычайно сложной технической задачей при реализации рассматриваемого метода на практике является создание генератора резонансного у-излучения на базе ускорителя с прецизионным моноэнергетическим пучком протонов с током несколько десятков миллиампер [3, 6]. В связи с этим представляет интерес разработка методов регистрации, детекторов и средств обработки результатов измерений резонансного поглощения у-излучения, способных понизить уровень требований к пучку протонов. В литературе приведен ряд примеров применения различных методик для решения задачи обнаружения в.в. у-резонанс-ным методом, а также использования резонансного детектора и различных детекторов полного поглощения [2]. Резонансный детектор работает по принципу регистрации протона, возникающего в рабочем веществе детектора, обогащенного азотом, в результате реакции 14М(у, р)13С. Такой детектор имеет высокую избирательность по отношению к резонансному излучению, но обладает низкой эффективностью регистрации по сравнению с детекторами полного поглощения (№1, С81, ВОО, Ое и т.д.). В настоящее время в литературе отсутствуют сведения о применении позици-онно-чувствительных спектрометров для решения задач обнаружения в.в. гамма резонансным методом.
Целью данной работы является исследование возможностей позиционно-чувствительного спектрометра при проведении измерений резонансного поглощения у-излучения в азотсодержащем образце.
Конус резонансных энергий е = 80.7°; ле = 0.7°
Мишень 13С
Пучок протонов 1.75 МэВ
Контрольный детектор
■ Да
; :><
► Защита от свинца
► Щель коллиматора
- ► Сцинтиллятор NaJ(Tl) ФЭУ
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для генерации и измерения резонансного поглощения у-излучения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Схема экспериментальной установки для генерации и измерения резонансного поглощения у-излучения представлена на рис. 1. Пучок протонов с начальной энергией 1.75 МэВ при взаимодействии с углеродсодержащей мишенью образует в реакции 13С(р, у)1^ ядра в возбужденном состоянии на уровне 9.17 МэВ. Образующиеся при этом у-кванты имеют пространственное распределение, близкое к изотропному. Их энергия в лабораторной системе координат зависит от полярного угла вылета 9 к направлению протонного пучка и из-за допплеровского смещения изменяется в пределах 9.13—9.21 МэВ при углах вылета от 180° до 0° (рис. 1) [7]. Угол, соответствующий резонансной энергии у-квантов 9.17 МэВ, составляет 9р = 80.7°. При этом большая часть резонансных квантов сосредоточена в конусе с раствором Д9 = 0.7° (см. рис. 1) [4, 8]. Оценка относительного полезного выхода резонансных у-квантов с учетом кинематики реакции и полезной апертуры составляет 4 • 10-3[7].
Измерения резонансного поглощения по схеме, изображенной на рис. 1, проводились на базе ускорителя Ван де Граафа. Использовался пучок протонов с энергией Ер = 1.75 МэВ, током I = 5 мкА при диаметре пучка на мишени d = 3 мм.
В эксперименте использовались мишени в форме диска диаметром 10 мм, изготовленные спеканием углеродного порошка на танталовой подложке толщиной 10 мкм. Содержание изотопа 13С в мишени составляло 85%.
Сцинтилляционный детектор NaJ(Tl) располагался за свинцовой защитой толщиной 9.5 см на расстоянии 7 см от нее. Расстояние мишень-
детектор составляло 50 см. Облучение осуществлялось через прямоугольную вертикальную щель -коллиматор - шириной 4 мм, ориентированную вдоль поверхности конуса резонансных энергий (см. рис. 1) под углом а к направлению протонного пучка. (Угол а отсчитывался от середины щели коллиматора.) Указанные размеры обеспечивали инструментальную угловую ширину потока у-квантов Да ~ 0.5°. Система детектор-коллиматор размещалась на гониометрическом столе (на рис. 1 не показан) и устанавливалась под одним из двух углов: а = 9р = 80.7° (резонансное положение) или а = 78.1° (нерезонансное положение).
Относительный выход у-квантов из мишени измерялся контрольным детектором NaJ(Tl) размером 040 х 40 мм, работавшим в счетном режиме в диапазоне энергий 1.5-9.5 МэВ. Число протонов на мишени от начала измерений оценивалось измерителем заряда (на рис. 1 не показан).
ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ГАММА-СПЕКТРОМЕТР
Детекторный блок спектрометра выполнен из поликристаллического NaJ(Tl)-сцинтиллятора с габаритами 450 х 150 х 75 мм, свет с которого собирался пятью парами фотоэлектронных умножителей ФЭУ. Пространственная координата Х (см. рис. 1) определялась вдоль направления максимальной грани кристалла NaJ(Tl). Для улучшения координатного разрешения каждая пара ФЭУ собирала свет через световоды специальной формы, позволяющей обеспечить высокую крутизну амплитудно-пространственной характеристики. Применение этих световодов в совокупности со специальной настройкой коэффициентов усиле-
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО... 99
ния каждого ФЭУ в паре позволило минимизировать вариацию светосбора пары при перемещении световой вспышки в направлении, перпендикулярном оси Х (при перемещении от одного ФЭУ пары к другому). Такая конфигурация обеспечила максимальный светосбор по всему объему детектора при высоком координатном разрешении и минимальном числе анализируемых сигналов (пять амплитуд), что особенно важно для получения координатной информации в режиме реального времени. Х-координата сцинтилляции определялась по соотношению сигналов, поступающих с каждой пары ФЭУ.
Электронное обеспечение детектора состояло из пяти спектрометрических каналов, быстродействующего канала запуска, пяти амплитудно-цифровых преобразователей АЦП, буферной памяти и персонального компьютера ПК. Сигналы с каждой пары ФЭУ через усилители поступали в АЦП, работавшие в режиме совпадений. Сигнал запуска АЦП на преобразование формировался как сумма сигналов, снимаемых с последних динодов каждого ФЭУ. Коды, поступающие с АЦП и соответствующие каждой сцинтилляции, накапливались в буферной памяти. При заполнении буферной памяти входы АЦП блокировались, и массив данных пересылался в ПК.
Поступающие в ПК коды корректировались, вычислялась энергия и координата каждой сцинтилляции и формировался двумерный спектр Щ(Е, X) размером 128 х 128 каналов. Наличие двумерного спектра позволяло выполнять анализ изображения в выбранном энергетическом диапазоне, а также проводить спектрометрию для выделенной области координатного спектра. Для улучшения координатного и энергетического разрешения пози-ционно-чувствительного спектрометра настройка детектора осуществлялась таким образом, чтобы вариация сигнала по полю детектора была минимальной. Так как построение изображения происходило в режиме реального времени, алгоритм вычисления координаты сцинтилляции должен быть по возможности наиболее быстрым. Нами использовался алгоритм, аналогичный предложенному в работе [9].
ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕКТРОМЕТРА
Для измерения характеристик спектрометра проведена его калибровка и выбран рабочий энергетический диапазон. Калибровка по энергии осуществлялась по двум линиям азота с энергиями 2.31 и 9.17 МэВ. Спектрометр настраивался таким образом, чтобы энергетическая ширина канала составляла 100 кэВ. Затем, для исключения неинформативного счета фона у-квантов и линии 2.31 МэВ, устанавливался энергетический порог Еп > 3 МэВ. Результатом измерений были двумерные спектры Щ(Е, х), содержащие инфор-
Отсчеты в канале 10000 г
8000
6000 -
4000
2000 -
30
50
70
90 110 Номер канала
Рис. 2. Амплитудное распределение, измеренное спектрометром в резонансном положении детектора в отсутствие поглотителя. Сплошная линия — аппроксимация экспериментального распределения с учетом резонансных лини
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.