Радиометры

Для обнаружения и измерения интенсивности ядерных излучений применяются приборы, называемые радиометрами. Радиометры подразделяются:

1. Интегральные – измеряют суммарную интенсивность γ-излучения (или потока частиц) вне зависимости от их энергии.

2. Спектрометрические – измеряют распределение γ-квантов (частиц) по энергиям.

Интегральные радиометры. Полевые радиометры состоят из двух блоков: блока детектирования и блока регистратора.

Источником питания полевых радиометров являются батареи (акку­му­ляторы), находящиеся в блоке регистратора. Чтобы предотвратить ухуд­шение рабочих характеристик прибора из-за разряда батарей, все вну­трен­ние блоки питаются от внутреннего стабилизированного источника пита­ния. Например, в полевом радиометре СРП-68, в блоке батарей распо­ло­же­ны 9 элементов, которые обеспечивают начальное напряжение 13.5 вольт. На выходе стабилизированного источника питания – напряжение 5 вольт, что позволяет работать радиометру при разряде батарей до 8 вольт.

Важным элементом радиометра, определяющим его характеристики, является детектор. В настоящее время в полевых радиометрах наиболее широко используются сцинтилляционные детекторы, гораздо реже – газона­полненные. Как для первых, так и для вторых, для обеспечения их работо­спо­соб­ности необходимо на питание детектора подавать высокое напряже­ние (300 ¸ 1000 В). В целях безопасности и надежности, в полевых радио­мет­рах высоковольтный блок питания помещается в непосредственной бли­зи от детектора – в боке детектирования.

На выходе детектора (рис.1) наблюдается распреде­ление импульсов различной амплитуды (g-кванты различной энергии). Импульсы с детектора посту­па­ют на вход предварительного усилителя. Для пере­дачи импульсов без искажений первый каскад предусилителя имеет высокое входное сопротивле­ние и низкое выходное сопротивление. На выходе предусилителя (2) – не искаженные импульсы, но уже большей амплитуды, которые поступают на дискриминатор. Назначение дискриминатора – пропускать импульсы, амплитуда которых выше уровня дискриминации, и, соответственно, подав­лять импульсы ниже порога дискриминации (3). Уровень дискриминации должен соответствовать импульсам g-квантов с энергией» 30 Кэв (эффективность сцинтилляционных детекторов для g-квантов с энергией ниже 30 Кэв прак­тически равна 0). Формирователь предназначен для того, чтобы импульс после дискриминатора, а они разной амплитуды и длительности, преобразо­вать в импульс стандартной длительности, амплитуды и формы (4). Назна­че­ние интенсиметра – преобразовать стохастическую (случайную) последо­ва­тельность импульсов в постоянный ток, сила которого пропорциональна частоте импульсов (т.е. количеству импульсов в единицу времени), поступа­ющих с выхода формирователя (5).

В аналоговых приборах в качестве интенсиметра используют устрой­ство, основной элемент которого является интегрирующая ячейка. Интегри­рующая ячейка состоит из сопротивления R и емкости С. Если в первоначальный момент времени емкость раз­ряжена до нуля, то при поступлении на вход импу­льса, емкость начинает заряжаться. Как только импульс закончится, то емкость начинает разряжаться. Скорость заряда (разряда) емкости зависит от параме­тра интегрирующей ячейки t =RC (сек), называемой постоянной времени. Если импульсы поступают редко, то усредненная величина тока (напряжения) на выходе будет мала и наобо­рот. В качестве регистратора используются стрелочные приборы.

В цифровых приборах интенсиметр реализуется проще: за определен­ное время считаются импульсы с формирователя за определенное время. Пере­вод показаний имп/сек в единицы экспозиционной дозы (мкр/час) произ­водится при помощи радиоактивных эталонов с известной активностью в процессе эталонировки.

Спектрометр. В отличие от радиометров, к высоковольтному блоку пита­ния спектрометров предъявляются более жесткие требования к стабиль­ности выходного напряжения. Это связано с тем, что ФЭК сцинтилляцион­ного детектора имеет узкое плато со значительным наклоном, и нестабиль­ность напряжения ФЭУ искажает амплитуду импульса, что приводит к ухудшению энергетического разрешения детектора. В настоящее время, в современных спектрометрах, для привязки энергетической шкалы исполь­зуют калибровочный режим: на вход ФЭУ подают опорные световые импу­льсы и амплитуду опорного сигнала регулируют автомати­чески коэффи­ци­ен­том усиления усилителя. Это более эффективно, чем стабилизировать высоковольтное напряжение ФЭУ, потому что калибруется весь измери­тель­ный тракт.

Блок-схема одноканального аналогового спектрометра показана на рисунке. В блоке детектирования значимых различий между радиометром и спектрометром нет, за исключением сцинтиллятора – спектрометрах, для повышения эффективности детектора, применяются сцинтилляторы боль­ших размеров (диаметр 80 мм, высота 60 мм). Все отличие спектрометра от радиометра – в системе амплитудного анализа импульсов. Амплитудный анализ проводится устройством, в который входят два дискрими­натора (верхнего и нижнего уровня) и схемой антисовпадений (САС). САС на выходе даст сформированный импульс только в том слу­чае, если импульс будет выше нижнего уровня дискриминации, но ниже верхнего уровня. Раз­ность между уровнями дискриминации называют «окном». Обычно, на панели упра­вления спектрометром, выставляют «окно» и для получения спектра (амплитудного распределения) пошагово двигают нижний уровень – верхний уровень дискриминации выставляется автома­тически. В полевых g-спектрометрах обычно имеется три канала: канал урана (радия), канал тория и канал калия-40. Чтобы реализовать трехка­нальный спектрометр, необходимо иметь три независимых устройства анализа импульсов и три интенсиметра. Регистратор один на все каналы – опрос каналов ведется пошагово.

Современные цифровые спектрометры, как правило, многоканальные (255, 1023 или 2047 каналов). Это позволяет получать весь спектр g-излу­че­ния за короткое время, что резко поднимает представительность и точность анализа.

Блок детектирования цифрового спектрометра подобен блоку детек­ти­рования аналогового спектрометра, за исключением тракта калибровки энергетической шкалы. Аналоговый сигнал в виде импульса поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который измеряет макси­мальную амплитуду импульса и представляет показания в двоичном цифро­вом коде (на рисунке шина 2⁰ ÷ 2⁷). Выходная шина АЦП соединяется на­прямую с адресной шиной ОЗУ. Сигнал об окончании преобразования АЦП (ОП) добавляет в ячейку памяти ОЗУ по адресу, соответствующему ампли­туде импульса, единичку (+1). Таким образом, через заданное время накоп­ления спектра t, получаем энергетический спектр излучения. В данном слу­чае мы получаем спектр по 255 каналам (2⁸-1), потому что использован 8-разрядный АЦП. При использовании 12 и более разрядного АЦП получим большее число каналов. Управление спектрометром, обработка данных и визуализация спектра осуществляется при помощи ЭВМ.

Погрешности при радиометрических измерениях. Чувстви­тель­­ность и фон радиометров. Основными источниками погрешнос­тей при радиометрии явля­ются:

1. Нестабильность параметров аппаратуры.

2. Неточность эталонирования.

3. Статистический харак­тер радиоактивного распада и взаимодействия излучений.

По­грешности первых двух типов сходны с погрешностями других измерений. При тщательной ра­боте они могут быть менее 1—2% от изме­ряемой величины.

Рас­смотрим третий тип погрешностей, обусловленных случайными потоками частиц (квантов). Дисперсия σ и относительная погрешность из­мерений δ интенсивности излучения I за время t определяется формулой:

Отсюда видно, что уменьшения относительной погрешности изме­рений можно добиться увеличением времени измерений t и повышением скорости счета I. Последнее достигается увели­чением чувствительности детекторов (их размеров и эффектив­ности), а в методах ядерной геофи­зики, использующих искусствен­ные источники излучений, также повы­ше­нием мощности источ­ников (в пределах техники безопасности).

Одной из причин снижения точности измерения, особенно в случае аномалий малой интенсивности, является наличие радиоак­ти­в­ного фона. Фон приборов включает три составляющие: косми­чес­кий фон (КФ), излучение окружающих пород и собственный (остаточ­ный) фон, обусловленный радиоактивным загрязнением материалов счетчика и других частей радиометра.

Сумма космического и остаточного фона соста­вляет натураль­ный фон (НФ) прибора. Остаточный фон сцинтилляционных счет­чиков не превышает 1 мкР/ч, нату­ральный фон - 2 мкР/ч. Для опре­деления НФ можно применять также многократные измерения с экранами и без них. Когда величина натурального фона не опре­делена, за его значе­ние принимают показания на участках со слабо активными породами (чис­тые известняки, каменная соль и т. д.).

При эталонировании полевых радио­метров и при полевых изме­рениях вводят также понятие нормаль­ного фона, обусловленного радиоактивностью окружающих пород с нормальным (кларковым) содержанием радиоактивных элементов.

Вычислим погрешность определения интенсивности излучения обра­з­ца при наличии фонового излучения I_ф. Через I’ обозначим интен­сивность излу­чения от образца, включая фон, через t и t_ф – соответст­венно время измерений с образцом и без образца (фонового измерения). Истинная интенсивность излучения образца (без фона) опреде­ляется по формуле: I = I’ – I_ф. Относительная погрешность измерений δ_I интенсив­ности в данном случае будет:

Отсюда видно, что увеличение фона суще­ственно снижает точ­ность измерений, если величины I и I_ф со­измеримы. Поэтому при иссле­до­ваниях слабоактивных образцов большое внимание уделяют умень­шению фона. Для этого выби­рают индикаторы с малым собственным фоном и помещают их в свинцовые домики для экранировки от косми­ческого излучения и излучения окружающих предметов.

Наличие фона ограничивает и так называемый порог чувствитель­ности — минимальную интенсивность излу­чения, надежно измеряемую радиометром. За порог чувствитель­ности радиометров обычно прини­мают трех- четырехкратное зна­чение среднеквадратического отклонения фона, что для различ­ных радиометров составляет от 0,5 до 2 мкР/ч.

Эталонирование радиометрической аппаратуры. Показания ра­ди­ометров зависят не только от интенсивности излучения, но и от инди­видуальных особенностей радиометра (типа счетчика, геометрии изме­рений и т. д.). Для перехода от измеренной интенсивности (в имп/мин или делениях шкалы) к истинной интенсивности (точнее к дозе) γ-излучения (в мкР/ч) необходимо установить характер зависимости между ними, назы­ваемый эталонировочной характеристикой или эталонировочным графиком. Эталонировочный гра­фик позволяет учитывать и чувствительность радиометров, и нелинейность зависимости показаний от интенсивности излучения, обусловленную просчетами импульсов счетной схемой.

Для получения и уточнения эталонировочного графика радио­метры до начала работ и систематически в процессе поисков (2—3 раза в месяц) эталонируют. Переэталонирование обязательно и после ремонта радио­мет­ров или при установлении изменений его чувствительности при еже­дне­в­ных проверках с помощью рабочего эталона.

Для эталонирования полевых радиометров выбирают участок 10 на 15 м с минимальной активностью пород и вдали от соору­жений и предме­тов, могущих создавать помехи за счет рассеяния излучения от эталон­но­го источника. На расстоянии 6—10 м друг от друга устанавливаются два столба высотой приблизительно 2 м, между которыми натягивается трос или провод. В верхней части одного из столбов устанавливается радио­метр. Ось радио­метра должна находиться на вертикальной плоскости, проходящей через трос, на 8—10 см ниже последнего. На тросе подве­ши­вается эталонный радиевый источник известной активности. Его центр располагается на одной высоте с центром детектора. Устанавливая источ­ник на различных расстояниях от детектора, создают раз­личную интен­сивность из­лучений. При этом интен­сивность излучения (в мкР/ч) рас­считывают по формуле:

I_γэт =840a / r²

где: а – активность радиевого источника в мКи; r – расстояние между источником и детектором, м; 840 мкР/ч – доза облучения от 1 мг радия на расстоянии 1 м.

По результатам измерений при различных значениях I_γэт строят эталонировочный график. Экстраполируя этот график до нулевых показаний прибора, на оси абсцисс от­счи­тывают интенсивность фона I_ф на пункте эталонирования, а сместив шкалу на оси абсцисс на вели­чину I_ф, получают окон­чательную шкалу I_γ эталонировочного графика (нижняя шкала).

Для спектрометрической аппара­туры, кроме того, эталонируют энер­гетическую шкалу, т. е. определяют связь между энергией излуче­ния и амплитудой им­пульсов на входе дискриминаторов (или иначе но­мером канала амплитудного анализатора). Для изучения этой зави­симости обычно проводят исследование спектра от нескольких исто­чников с различной энергией излучения и строят график связи между уровнем дискриминации в вольтах (номером канала) и энергией излу­чения. Для эталонирования энергетической шкалы используют источ­ники из Cs¹³⁷ (энергия излучения 0,662 МэВ), Со⁶⁰ (энергия излучения 1,17 и 1,33 МэВ).

Дата добавления: 2014-01-07