eng
Выпуск #8/2016
П.Руднев, Н.Моисеев, А.Дидык
Спектрометр-дозиметр SDMF-1206PRO.DB – эффективный инструмент для исследования нейтронного и γ-излучения
Спектрометр-дозиметр SDMF-1206PRO.DB – эффективный инструмент для исследования нейтронного и γ-излучения
Просмотры: 2790
Рассмотрены характеристики и преимущества спектрометра-дозиметра SDMF-1206PRO.DB, разработанного в ООО "Центр АЦП". Отмечено, что прибор может применяться в научно-исследовательских, испытательных и калибровочных лабораториях, на объектах использования атомной энергии, предприятиях, выпускающих радионуклидную продукцию и т. д.
Теги: gamma radiation mixed fields neutron radiation spectrometer-dosimeter гамма-излучение нейтронное излучение смешанные поля спектрометр-дозиметр
Специалистами ООО "Центр АЦП" [1] разработан и изготовлен спектрометр-дозиметр SDMF-1206PRO.DB, предназначенный для определения параметров полей нейтронного и фотонного излучения. Прибор, построенный на одном сцинтилляционном кристалле с фотоэлектронным умножителем, использует современные методы цифровой регистрации и специальные фильтрующие алгоритмы математической обработки поступающих сигналов.[1]
Наличие одного кристалла для одновременного определения параметров фотонного и нейтронного излучений значительно упрощает процедуру измерений. Стоит отметить, что применение других СИ для измерений в смешанных полях подразумевает использование отдельных блоков для каждого вида излучения, что влечет за собой дополнительные сложности.
Спектрометр состоит из следующих частей:
• блока детектирования, изготовленного на основе органического сцинтиллятора размером 25 Ч 25 мм;
• фотоумножителя с электронным модулем высокого напряжения;
• блока быстродействующего аналогово-цифрового преобразователя (АЦП); • ноутбука с установленным программным обеспечением для управления работой спектрометра.
Весь комплект оборудования умещается в небольшом кейсе (рис.1).
Основное преимущество прибора SDMF-1206PRO.DB – новый подход для разделения сигналов детектора, образующихся в результате регистрации нейтронов и гамма-квантов [2, 3]. В приборе реализован метод цифровой идентификации по форме импульса. Внедрение таких методов стало возможным благодаря развитию высокопроизводительных устройств: АЦП, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) и микропроцессоров.
Алгоритм использования метода в описываемом приборе заключается в преобразовании токового импульса, возникающего в анодной цепи фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) при регистрации ионизирующего излучения, в цифровую форму с помощью быстродействующего АЦП. Полученный массив данных впоследствии обрабатывается по специальному алгоритму, в результате чего определяется тип частицы, попавшей в детектор. В отличие от классического (аналогового) метода разделения частиц, реализованного, например, в спектрометре НС-3 [4], данный подход позволяет применять оптимальные фильтры, выполнять сложную математическую обработку полученных данных, что повышает эффективность работы системы разделения импульсов, позволяет управлять ей и производить ее тонкую настройку.
Спектрометр дает возможность измерять энергетические распределения плотности потока нейтронного излучения в диапазоне энергий нейтронов 0,1–15 МэВ и γ-излучения в диапазоне энергий γ-квантов 0,08–6,5 МэВ в смешанных полях гамма-нейтронного излучения. На основании измеренных спектра и плотности потока рассчитываются следующие параметры поля:
• мощность амбиентного эквивалента дозы (МАЭД) гамма- и нейтронного излучений;
• мощность кермы в воздухе и экспозиционной дозы гамма-излучения.
Переход от плотности потока к МАЭД осуществляется с использованием конверсионных коэффициентов, значения которых приведены в международных нормативных документах [5, 6].
Функция световыхода, связывающая амплитуду сигнала с энергией нейтронов, задается аналитически. Параметры функции световыхода определяются экспериментально на основе анализа аппаратурного спектра радионуклидного плутоний-бериллиевого (Pu-Be) источника нейтронов, имеющего хорошо известную резонансную структуру (рис.2).
Энергетическая калибровка спектрометра выполняется с помощью набора радионуклидных источников гамма-излучения. Предусмотрена возможность оперативной калибровки с использованием двух распространенных энергий – 0,661 МэВ (гамма-излучение радионуклида 137Cs) и 4,43 МэВ (гамма-излучение радионуклидного источника нейтронов типа Pu-Be). Реализована также возможность энергетической калибровки на произвольном источнике γ-квантов.
В 2015 году специалисты ФГУП "ВНИИМ
им. Д.И.Менделеева" провели предварительные испытания и калибровку спектрометра SDMF-1206PRO.DB в полях фотонного и нейтронного излучений. Измерения выполнялись на установках из состава Государственного первичного эталона единиц потока и плотности потока нейтронов ГЭТ 10-81 и Государственного вторичного эталона единиц кермы в воздухе, мощности кермы в воздухе, экспозиционной дозы, мощности экспозиционной дозы, амбиентного, направленного и индивидуального эквивалентов дозы, мощностей амбиентного, направленного и индивидуального эквивалентов дозы гамма-излучения ГВЭТ 8-2 [7].
По результатам измерений установлено, что энергетическое разрешение спектрометра составляет:
• 7–7,5% по линии 0,661 МэВ (137Cs);
• 4,5–5% по линии 1,33 МэВ (60Co, рис.3).
Энергетическое разрешение нейтронного канала спектрометра определялось с использованием моноэнергетических нейтронов с энергией ~14,5 МэВ из реакции T (d, n) 4He и оказалось равным 2,5–3% (рис.4).
Результаты предварительных испытаний и калибровка позволяют сделать выводы о возможности использования прибора в качестве:
• средства измерения энергетического распределения плотности потока нейтронов и гамма-квантов за биологической защитой ядерно-энергетических установок;
• устройства для обнаружения и идентификации источников гамма-излучения;
• дозиметра МАЭД гамма- и нейтронного излучений;
• средства передачи размера единицы плотности потока и МАЭД нейтронов.
Таким образом, в ООО "Центр АЦП" разработан компактный многофункциональный прибор для определения основных характеристик полей гамма- и нейтронного излучений.
Прибор может применяться в научно-исследовательских, испытательных и калибровочных лабораториях, на объектах использования атомной энергии, предприятиях, выпускающих радионуклидную продукцию и т. д.
В ближайшем будущем планируется проведение дополнительных исследований метрологических и технических характеристик прибора с последующим проведением процедуры утверждения типа средства измерения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сайт ООО "Центр АЦП" (www.centeradc.ru).
2. Sellin P. J., Jaffar G. and Jastaniah S.D. Performance of digital algorithms for n/γ pulse shape discrimination using a liquid scintillation detector, 2003 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference Record. Vol. 2. РР. 1057–1060.
3. Application Note AN2506 – Digital Gamma Neutron discrimination with Liquid Scintillators rev.3 – 09 September 2016
4. Kharitonov I.A., Tchitchikaluk J.A., Rasko M.A., Moiseev N.N. Experimental investigation of the metrological characteristics of the scintillation spectrometer in mixed gamma-neutron field // NEUSPEC 2000. Р. 476. Proceedings of the International Workshop on Neutron Field Spectrometry in Science, Technology and Radiation Protection, Pisa, Italy, June 4–8, 2000.
5. Стандарт ISO 4037, X and gamma reference radiation for calibrating dosimeters and dose rate meters and for determining their response as a function of photon energy.
6. Стандарт ISO 8529, Reference neutron radiations.
7. Российская метрологическая энциклопедия. Т. 1. – СПб, 2015. С. 676, 689.
Наличие одного кристалла для одновременного определения параметров фотонного и нейтронного излучений значительно упрощает процедуру измерений. Стоит отметить, что применение других СИ для измерений в смешанных полях подразумевает использование отдельных блоков для каждого вида излучения, что влечет за собой дополнительные сложности.
Спектрометр состоит из следующих частей:
• блока детектирования, изготовленного на основе органического сцинтиллятора размером 25 Ч 25 мм;
• фотоумножителя с электронным модулем высокого напряжения;
• блока быстродействующего аналогово-цифрового преобразователя (АЦП); • ноутбука с установленным программным обеспечением для управления работой спектрометра.
Весь комплект оборудования умещается в небольшом кейсе (рис.1).
Основное преимущество прибора SDMF-1206PRO.DB – новый подход для разделения сигналов детектора, образующихся в результате регистрации нейтронов и гамма-квантов [2, 3]. В приборе реализован метод цифровой идентификации по форме импульса. Внедрение таких методов стало возможным благодаря развитию высокопроизводительных устройств: АЦП, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) и микропроцессоров.
Алгоритм использования метода в описываемом приборе заключается в преобразовании токового импульса, возникающего в анодной цепи фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) при регистрации ионизирующего излучения, в цифровую форму с помощью быстродействующего АЦП. Полученный массив данных впоследствии обрабатывается по специальному алгоритму, в результате чего определяется тип частицы, попавшей в детектор. В отличие от классического (аналогового) метода разделения частиц, реализованного, например, в спектрометре НС-3 [4], данный подход позволяет применять оптимальные фильтры, выполнять сложную математическую обработку полученных данных, что повышает эффективность работы системы разделения импульсов, позволяет управлять ей и производить ее тонкую настройку.
Спектрометр дает возможность измерять энергетические распределения плотности потока нейтронного излучения в диапазоне энергий нейтронов 0,1–15 МэВ и γ-излучения в диапазоне энергий γ-квантов 0,08–6,5 МэВ в смешанных полях гамма-нейтронного излучения. На основании измеренных спектра и плотности потока рассчитываются следующие параметры поля:
• мощность амбиентного эквивалента дозы (МАЭД) гамма- и нейтронного излучений;
• мощность кермы в воздухе и экспозиционной дозы гамма-излучения.
Переход от плотности потока к МАЭД осуществляется с использованием конверсионных коэффициентов, значения которых приведены в международных нормативных документах [5, 6].
Функция световыхода, связывающая амплитуду сигнала с энергией нейтронов, задается аналитически. Параметры функции световыхода определяются экспериментально на основе анализа аппаратурного спектра радионуклидного плутоний-бериллиевого (Pu-Be) источника нейтронов, имеющего хорошо известную резонансную структуру (рис.2).
Энергетическая калибровка спектрометра выполняется с помощью набора радионуклидных источников гамма-излучения. Предусмотрена возможность оперативной калибровки с использованием двух распространенных энергий – 0,661 МэВ (гамма-излучение радионуклида 137Cs) и 4,43 МэВ (гамма-излучение радионуклидного источника нейтронов типа Pu-Be). Реализована также возможность энергетической калибровки на произвольном источнике γ-квантов.
В 2015 году специалисты ФГУП "ВНИИМ
им. Д.И.Менделеева" провели предварительные испытания и калибровку спектрометра SDMF-1206PRO.DB в полях фотонного и нейтронного излучений. Измерения выполнялись на установках из состава Государственного первичного эталона единиц потока и плотности потока нейтронов ГЭТ 10-81 и Государственного вторичного эталона единиц кермы в воздухе, мощности кермы в воздухе, экспозиционной дозы, мощности экспозиционной дозы, амбиентного, направленного и индивидуального эквивалентов дозы, мощностей амбиентного, направленного и индивидуального эквивалентов дозы гамма-излучения ГВЭТ 8-2 [7].
По результатам измерений установлено, что энергетическое разрешение спектрометра составляет:
• 7–7,5% по линии 0,661 МэВ (137Cs);
• 4,5–5% по линии 1,33 МэВ (60Co, рис.3).
Энергетическое разрешение нейтронного канала спектрометра определялось с использованием моноэнергетических нейтронов с энергией ~14,5 МэВ из реакции T (d, n) 4He и оказалось равным 2,5–3% (рис.4).
Результаты предварительных испытаний и калибровка позволяют сделать выводы о возможности использования прибора в качестве:
• средства измерения энергетического распределения плотности потока нейтронов и гамма-квантов за биологической защитой ядерно-энергетических установок;
• устройства для обнаружения и идентификации источников гамма-излучения;
• дозиметра МАЭД гамма- и нейтронного излучений;
• средства передачи размера единицы плотности потока и МАЭД нейтронов.
Таким образом, в ООО "Центр АЦП" разработан компактный многофункциональный прибор для определения основных характеристик полей гамма- и нейтронного излучений.
Прибор может применяться в научно-исследовательских, испытательных и калибровочных лабораториях, на объектах использования атомной энергии, предприятиях, выпускающих радионуклидную продукцию и т. д.
В ближайшем будущем планируется проведение дополнительных исследований метрологических и технических характеристик прибора с последующим проведением процедуры утверждения типа средства измерения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сайт ООО "Центр АЦП" (www.centeradc.ru).
2. Sellin P. J., Jaffar G. and Jastaniah S.D. Performance of digital algorithms for n/γ pulse shape discrimination using a liquid scintillation detector, 2003 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference Record. Vol. 2. РР. 1057–1060.
3. Application Note AN2506 – Digital Gamma Neutron discrimination with Liquid Scintillators rev.3 – 09 September 2016
4. Kharitonov I.A., Tchitchikaluk J.A., Rasko M.A., Moiseev N.N. Experimental investigation of the metrological characteristics of the scintillation spectrometer in mixed gamma-neutron field // NEUSPEC 2000. Р. 476. Proceedings of the International Workshop on Neutron Field Spectrometry in Science, Technology and Radiation Protection, Pisa, Italy, June 4–8, 2000.
5. Стандарт ISO 4037, X and gamma reference radiation for calibrating dosimeters and dose rate meters and for determining their response as a function of photon energy.
6. Стандарт ISO 8529, Reference neutron radiations.
7. Российская метрологическая энциклопедия. Т. 1. – СПб, 2015. С. 676, 689.
Отзывы читателей
