ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 2, с. 89-92
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 539.1.074
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ МЕТОДИКА ИДЕНТИФИКАЦИИ И ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОСТЕЙ КОРОТКОЖИВУЩИХ
РАДИОНУКЛИДОВ © 2013 г. С. В. Артемов, О. Ш. Жураев, А. А. Караходжаев, М. А. Каюмов,
В. П. Якушев|, О. Р. Тожибоев
Институт ядерной физики АН РУз Узбекистан, 100214, Ташкент, пос. Улугбек E-mail: juraev@inp.uz Поступила в редакцию 18.05.2012 г.
Представлена автоматизированная измерительная система, позволяющая определять постоянные распада и активности радионуклидов в образце. Используемая методика ориентирована на идентификацию радионуклидов, образующихся при облучении материалов быстрыми нейтронами. Достоинством методики является процедура измерения временной зависимости спада активности после завершения облучения, позволяющая набирать максимальную статистику при конкретной эффективности регистрации за счет минимизации пауз между отдельными измерениями. Созданная методика была апробирована при калибровке монитора потока нейтронов от генератора НГ-150. В качестве образца (активационного детектора) была использована медная фольга высокой химической чистоты с естественным изотопным составом.
DOI: 10.7868/S0032816213020018
ВВЕДЕНИЕ
В ядерной физике и в прикладных ядерно-физических задачах (например, активационный анализ проб, измерение потока нейтронов, измерение сечений и выходов реакций методом активации) необходимы идентификация радионуклидов по их периоду полураспада и измерение их активности.
Нейтронно-активационный анализ на быстрых нейтронах с применением пороговых реакций (п, р), (п, ^ и (п, 2п) широко используется для определения содержания легких элементов [1]. Обычно при активации легких элементов быстрыми нейтронами образуются Р+-активные изотопы — источники аннигиляционных у-квантов. При активации элементов в области масс от углерода до неона образующиеся радионуклиды излучают только позитроны (и соответственно только аннигиляционные кванты), а в области от натрия до меди интенсивность аннигиляционного излучения на 2 порядка и более превышает интенсивности других излучаемых у-линий.
В данной работе описана автоматизированная измерительная система, позволяющая определять постоянные распада и активности радионуклидов в образце.
ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ
Процедура анализа состоит из трех этапов.
1. Активация исследуемого образца (например, быстрыми нейтронами нейтронного генератора).
При этом, как правило, необходимо фиксировать время начала и окончания облучения и иметь постоянный в течение этого времени поток активирующего излучения (либо вести непрерывное измерение интенсивности потока во времени).
2. Набор информации. При этом накапливаются значения интенсивности каких-либо продуктов распада радионуклидов в пробе (например, выделенной у-линии) как функции времени. Спектрометрическая информация не накапливается.
3. Анализ набранной информации. Предусмотрены 2 варианта обработки данных — аналитический и графический.
В созданной методике эти этапы реализуются с использованием нейтронного потока генератора нейтронов НГ-150 ИЯФ АН РУз, сцинтилля-ционного спектрометра уу-совпадений, сопряженного с программно управляемыми счетчиками импульсов СИ собственной разработки [2] (см. блок-схему электроники на рис. 1) и специализированного программного обеспечения.
ПРОЦЕДУРА АКТИВАЦИИ
Исследуемые образцы активируются на нейтронном генераторе НГ-150 быстрыми нейтронами с энергией ~14 МэВ, генерируемыми в реакции Э + + Т —»- п + а с максимальным потоком ~1010 нейтронов/с в угол 4я. Поток нейтронов мониториру-ется по интенсивности сигналов от 3Не-содержа-
90
АРТЕМОВ и др.
Рис. 1. Блок-схема электроники автоматизированной системы измерения активностей и периодов полураспада. ДД — дифференциальный дискриминатор; ГИ— генератор импульсов; СС — схема совпадений; СИ — счетчик импульсов; НМ — нейтронный монитор; Д — детектор; ПК — персональный компьютер.
щего счетчика Гейгера, установленного вблизи три-тиевой мишени нейтронного генератора.
С началом облучения запускается счетчик импульсов монитора потока нейтронов СИ1 и генератор импульсов ГИ с фиксированной частотой следования импульсов, подаваемых на вход СИ3 — таймера-счетчика текущего времени М соответствующего интервалу времени от начала облучения до начала очередного отсчета монитора. Для протоколирования временной зависимости нейтронного потока показания М] счетчика СИ1 счи-тываются управляющей программой через программно задаваемые интервалы времени АХМ/.
Поток Ф быстрых нейтронов в угол 4я связан со скоростью счета пМ как Ф = кпМ, где к, нейтрон/импульс — константа монитора; пМ=М/А?М. Интенсивность потока нейтронов регулируется либо выходом нейтронов, либо расстоянием от облучаемых образцов до нейтронной мишени. Отметим, что использование генератора текущего времени позволяет учесть мертвое время, затрачиваемое на считывание и перезапуск счетчика СИХ.
При облучении фиксируется полное время облучения 11гг, соответствующее показанию счетчика СИ1 в момент прекращения облучения, и осуществляется накопление следующих массивов данных: {М} — отсчетов монитора нейтронного потока, {?М(} — значений астрономического времени начала каждого 1-го отсчета и {А?М(} — длительностей накопления каждого отсчета. По этим данным при необходимости можно учесть вариации потока нейтронов в процессе облучения.
ПРОЦЕДУРА ИЗМЕРЕНИЯ
В момент прекращения облучения по сигналу с пульта оператора НГ-150 программа управления прекращает чтение информации от счетчика монитора СИ1, считывает показания счетчиков и пе-
резапускает счетчик текущего времени СИ3, который измеряет время от завершения облучения до начала измерения (время охлаждения ?е).
После установки облученного образца в позицию измерения (с помощью пневмопочты или вручную) производится считывание содержимого и перезапуск счетчика СИ3. Затем запускается счетчик СИ2, регистрирующий импульсы либо от дифференциального дискриминатора ДД, окно которого настроено на фотопик выбранной у-ли-нии распада определяемого радионуклида, либо от схемы совпадений СС (см. рис. 1), сигналы которой соответствуют регистрации двух совпадающих аннигиляционных у-квантов при Р+-распаде интересующего радионуклида.
В случае, когда Р+-распад происходит в основное состояние стабильного ядра, окна дифференциальных дискриминаторов могут пропускать весь спектр амплитуд — от нижнего порога, дискриминирующего шумы, до фотопика аннигиляционных у-квантов, что повышает эффективность регистрации и, следовательно, экспрессность анализа.
В процессе измерения автоматически осуществляется запись числа импульсов от ДД (или СС) и ГИ с задаваемым оператором периодом Аt набора импульсов совпадений (10, 60 или 600 с в зависимости от периода полураспада наиболее короткоживущего радионуклида в пробе). Период набора можно программно изменять в процессе измерения.
Процесс измерения по длительности в принципе не ограничен и может быть автоматически прекращен, когда интенсивность регистрируемых событий становится близкой к фоновой. При измерениях анализируемой пробы осуществляется накопление следующих массивов данных: {Л/} — отсчетов зарегистрированных пар аннигиляционных у-квантов от пробы (/ = 1, ...,./щах); {т/ — значений времен начала счета каждого /-го отсчета; {А/ — длительностей накопления каждого отсчета.
ПРОЦЕДУРА АНАЛИЗА
Пусть анализируется информация, набранная через время ^ после окончания облучения при регистрации двумя детекторами числа совпадений у-квантов с энергией 511 кэВ. Эффективность е регистрации числа совпадений спектрометром (см. рис. 1) определяется с помощью образцового спектрометрического у-источника аннигиляци-онного излучения (например, №22).
Предусмотрены 2 варианта обработки данных. Первый вариант используется при наличии априорных сведений о том, какие могут образоваться в пробе радионуклиды, второй вариант — при отсутствии таких сведений.
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ МЕТОДИКА ИДЕНТИФИКАЦИИ
91
s,
Sy, k
S>
1У+1
A/y.
Рис. 2. Поправки к временным интервалам (см. текст).
Первый вариант. Пусть для определенности проба содержит ктах радионуклидов с постоянными распада Хк и выходами позитронов Ук. Рассчитывается массив значений интенсивностей п = = N /Л} — р где пр — интенсивность фонового счета совпадений, через набранные массивы отсчетов и массив значений астрономического времени /}, к, соответствующего "центру тяжести" интервала измерения в каждом отсчете:
/., k
: tc + Tj + Ö^k.
(1)
В выражении (1) 8}к — коррекция, учитывающая экспоненциальную неравномерность "мгновенной" интенсивности излучения от к-го радионуклида по интервалу времени измерения Л/}. Коррекция 8} к находится из условия равенства числа распадов и ¿2 во временных интервалах 8} к и Л/ — 8} к (рис. 2).
Сдвиг 8} к легко находится из условия:
tf+5
tj+А
e ~Xxd т = J ti+5
e d т
5 = 1[ln2 - ln(l + e)], (2)
X
т.е. время от момента прекращения облучения до момента, приписываемого j-му отсчету интенсивности, различно для радионуклидов с различными периодами полураспада (в пределах интервала измерения этой интенсивности). Отметим, что эта коррекция становится пренебрежимо малой, если время измерения A/j много меньше периода полураспада наиболее короткоживущего радионуклида.
Значения начальной активности Ак каждого радионуклида (к = 1, ..., kmax) отыскиваются методом наименьших квадратов. Соответствующий функционал х2 имеет следующий вид (jmax > kmax):
ln(n) 17 е-
16 15 14 13 12 11
А0(Бк)
71/2(расчет)
45906.5 ,2
60000
80000 | t, с 1
Рис. 3. Вид набранной информации и результатов анализа, выводимых на экран программой. 1, 2 — апроксимирующие прямые для спада активностей 64Си и 62Си соответственно.
jmax kmax
I \ n - в I [ Л
у e~XktJ,k kJke
П =
(3)
= X — min.
Отсюда получим систему из kmax линейных уравнений относительно искомых активностей Ак. Эти значения вместе с соответствующими значениями периодов полураспада, выходов и х2 выводятся программой в качестве результата.
Второй вариант. Радионуклидный состав пробы предполагается неизвестным. Первоначально
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.