Atomic-Energy.ru

Перспективный спектрометр на основе кристалла LaBr3

27 июля 2012
Рис. 1. Детектор γ-квантов на основе кристалла LaBr3 (Ø7,62x7,62см3) со встроенным цифровым спектрометром

Использование кристалла LaBrи нового подхода к анализу спектров позволит обследовать выводимые из эксплуатации объекты в условиях большого γ- и нейтронного фона.

При выводе из эксплуатации объектов атомной отрасли часто возникает задача определить степень загрязнения γ-излучающими нуклидами отдельных емкостей, трубопроводов и т.д. В ряде случаев набор таких нуклидов может быть очень большим, и измеряемые спектры имеют сложную структуру, состоящую из множества накладывающихся друг на друга пиков.

В этих условиях существующие серийно выпускаемые портативные сцинтилляционные спектрометры γ-излучения, позволяющие определять наличие в образцах ограниченного числа радиоактивных изотопов, применяться не могут, а использование спектрометров на основе высокочистого германия (HPGe), имеющих высокое энергетическое разрешение, ограничено требованием их постоянного охлаждения, невозможностью работы при высоких загрузках, а также чувствительностью к нейтронным полям.

Детектор γ-квантов на основе кристалла LaBrи цифрового спектрометра

Среди появившихся в последние годы новых сцинтилляционных материалов можно особо выделить кристалл LaBr(Ce), имеющий очень хорошее энергетическое разрешение (2,9% на линии 662 кэВ), короткие импульсы света (t~26 нс), большой световыход (63 фотона/кэВγ) и высокую плотность (5,29 г/см3). В настоящее время у производителя – французской фирмы Saint-Gobain Crystals – коммерчески доступны кристаллы с размерами до Ø7,62x7,62 см3.

 

Рис. 2. Плата цифрового спектрометра, встраиваемая в корпус детектора

 

Имеющийся в Радиевом институте детектор с кристаллом LaBr(Ø7,62x7,62 см3, рис. 1) оснащен цифровым спектрометром собственной разработки (рис. 2), позволяющим оцифровывать и обрабатывать импульсы в режиме реального времени и содержащим управляемую микросхему высоковольтного питания. Спектрометр связан с управляющим компьютером по протоколам USB2.0 или TCP/IP-UDP, причем при использовании интерфейса USB не требуется дополнительного электропитания детектора, так как оно берется от разъема USB. В свою очередь интерфейс, использующий стандартный кабель Ethernet, позволяет создавать распределенную сеть детекторов, к которым периодически можно производить подключение для сбора данных.

 

Рис. 3. Сравнение спектров от источников 60Co и 137Cs, измеренных детекторами на основе кристаллов BGO и LaBr3 (Ø7,62x7,62 см3 каждый). На графике указано полученное разрешение для данной линии в спектре

 

На рисунке 3 приведены спектры от источников 60Co и 137Cs, измеренные детекторами на основе кристаллов BGOи LaBr(Ø7,62x7,62 см3 каждый), оснащенными соответственно ФЭУ R6233-01 и XP5770B. При измерении использовались идентичные цифровые спектрометры. Полученные энергетические разрешения по линии 662 кэВ (2,9% для LaBrи 9% для BGO) соответствуют паспортным данным соответствующих кристаллов.

Известным недостатком кристаллов на основе лантана является наличие собственного γ-излучения из цепочки распада 138La, содержание которого в природном лантане составляет менее 0,1%. На рисунке 4 показан спектр фона, измеренный детектором на основе кристалла LaBr3.

 

Рис. 4. Спектр фона, измеренный детектором на основе кристалла LaBr3

 

В структуре этого спектра можно выделить следующие особенности:

  • пик рентгеновского излучения – в районе 30-40 кэВ;
  • в районе 750-1000 кэВ широкая группа, представляющая собой результат регистрации линии 789 кэВ в совпадении с β-частицами;
  • неразрешенные пики с энергиями 1436 кэВ и 1468 кэВ (1436 кэВ + рентген), которые из-за наложения на линию 1461 кэВ из распада 40Kмешают регистрации этого природного радионуклида;
  • группа линий между 1500 кэВ и 3000 кэВ из α-распадов в цепочке 227Ac, который по химическим свойствам близок к Laи присутствует в кристалле на уровне 1,3´10-13 атомов 227Ac на атом La.
  • линия 2614 кэВ из цепочки распада 232Th, присутствующего в окружающем веществе.

Несмотря на наличие мешающего собственного излучения, использование кристалла LaBrпозволяет определять большее количество нуклидов, и делать это в среднем в два-три раза быстрее, чем при использовании стандартного кристалла NaI[1]. Исключение составляет изотоп 40K, для обнаружения которого детектором на основе LaBrтребуется примерно в два раза более длительное измерение, чем NaI.

Важное свойство LaBr– короткие сигналы, позволяющие использовать его при высоких загрузках. На рисунке 5 приведена зависимость числа зарегистрированных γ-квантов от интенсивности потока падающих γ-квантов для детекторов на основе BGO и LaBr3. Видно, что «просчеты», связанные с наложениями импульсов, для кристалла LaBrпроисходят при загрузке около 106c-1, что на порядок выше, чем для BGO (105 с-1). Примерно при этих же загрузках начинается заметное искажение формы спектров. Возможность работы при таких высоких загрузках связана как со свойствами самого кристалла, так и с использованием цифровой обработки сигналов в реальном времени.

 

Рис. 5. Число зарегистрированных γ-квантов в зависимости от потока, падающего на детектор

 

Таким образом, кристаллы на основе LaBrможно использовать для проведения спектрометрических измерений в условиях больших загрузок, например, при выводе из эксплуатации объектов использования атомной энергетики.

Обработка спектров

Обработка γ-спектров, состоящих из большого числа линий, представляет собой трудную задачу. В существующих спектрометрах обработка энергетических спектров обычно состоит в выделении энергетических диапазонов, соответствующих отдельным линиям в спектрах, и подсчете числа событий в этих интервалах, иногда с последующим вычитанием фона. Этот метод более или менее удовлетворительно работает для изотопов, в спектрах которых существует одна доминирующая линия (например, 40K и 137Cs). Однако для γ-излучателей со сложным спектром (например, 152,154Eu) такой подход либо вообще неприменим из-за наложения различных линий, либо (при использовании детекторов на основе HPGe) приводит к потере информации и необходимости усреднять значения, полученные для одного и того же нуклида по разным линиям.

Для решения этой задачи нами был применен мощный метод многомерного регрессионного анализа на основе алгоритма частичных наименьших квадратов (PLS1 [2]). Этот метод предполагает, что отдельные линии в спектре не рассматриваются, а вместо этого производится разложение измеренного спектра на ортогональный набор компонент, получаемый из функций отклика прибора на γ-излучение от отдельных нуклидов.

Применяемый нами вариант метода PLS позволяет раскладывать сложные спектры на практически любое число компонент и получать значения вкладов от отдельных изотопов, даже если эти концентрации малы по сравнению с величиной мешающего фонового излучения.

Заключение

Таким образом, использование новых сцинтилляционных материалов, таких как LaBr3, позволяет создать портативные спектрометры, работающие в условиях высоких загрузок и позволяющие получать детальные спектры γ-квантов с разрешением, сравнимым с получаемым на детекторах на основе HPGe. Новый подход к анализу спектров γ-квантов на основе алгоритма PLS позволяет определять наличие широкого класса природных и техногенных нуклидов.

Предлагаемые спектрометры могут найти применение при выводе из эксплуатации объектов использования атомной энергетики, когда необходимо проводить обследование емкостей, трубопроводов и других подобных объектов в условиях высокого фона γ- и нейтронного излучения.

Литература

  1. B.D. Milbrath et al., “Comparison of LaBr3:Ce and NaI(Tl) Scintillators for Radio-Isotope Identification Devices”, NIM A: Vol. 572 N2, pp. 774-784 (2007). См. также: http://www.pnl.gov/main/publications/external/technical_reports/PNNL-15831.pdf
  2. Метод PLS иногда расшифровывают как «проекция на скрытые структуры» (Projection to Latent Structures), что значительно точнее передает его суть

Авторы

Д.Н. ВАХТИН,
к.ф.-м.н.
И.Ю. ГОРШКОВ,
к.ф.-м.н.
А.В. ЕВСЕНИН А.В. КУЗНЕЦОВ,
к.ф.-м.н.
О.И. ОСЕТРОВ Д.В. ПОСТОВАРОВА П.Д. ЮРМАНОВ