автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Оптимизация радиометрической установки для измерения цезия-137 в пищевых продуктах и в почве

- ч ц ?

Министерство народного образования РБ Белорусский государственный университет имени В.И.Ленина

На правах рукописи

В.АДЕ БАТИИ ХАННА

Оптимизация радиометрической установки для измерения цезия-137 в пищевых продуктах и в почле

05.11.10 - приборы для измерения иониолг излучений и рентгеновские прь-

диссертации на

\ ■' Автореферат

соискание ученой технических наук

степени кандидата

Минск - 1992

Работа выполнена на кафедре ядерной физики Белорусского ордена Трудового Красного Знамени государственного университета имени В.И.Ленина.

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук доцент ЛЮЦКО А.М.

Официальные, оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор РУДАК Эдуард Аркадьевич (Институт физики АН РБ)

кандидат технических наук ДАНИЛОВ Вячеслав Александрович (НИИ ®П)

Ведущая организация

НИИ ядерных проблем при Белгосунивер-ситете

Защита состоится "" апреля 1992 г. на заседании специализированного совета К 056.03.15 Белгосуниверситета имени В. Й. Ленина по адресу: 220080, г.Минск, проспект Ф.Скорины, 4, Б1У им.В.И.Ленина.

Автореферат разослан "То " /¿^у.УУ^ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного ^

совета В.А.Чудаков

Л с'-ь!

'■Л

аций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Вследствие быстрого развития ядерной

энергетики, широкого внедрения источников ионизирующих излучений в различных областях науки, техники и народного хозяйства, испытательных термоядерных взрывов, а также нескольких' крупномасштабных аварий на энергетических реакторах радиационный фон в последние три десятилетия увеличился повсеместно.

Из спектра техногенных радиоактивных источников в зонах, затронутых широкомасштабной аварией на ЧАЭС, в настоящее время наибольшую биологическую опасность представляют долгоживу-щие у -излучающие изотопы весьма подвижного цезия.

Большинство загрязненных территорий - это зоны интенсивного сельскохозяйственного производства, являющиеся источником распространения радиоактивности с продуктами питания. При этом чрезвычайную актуальность приобретает радиометрический контроль пищевых цепей, который в данных условиях не может быть ограничен отдельными лабораторными определениями.

Разработано и применяется множество специальных и многофункциональных радиометрических установок, позволяющих производить разнообразные, научные исследования. Однако проблема радиационной безопасности и защиты населения требует серийного-производства бытовых радиометрических приборов.

Таким образом, оптимизация радиометрии для конкретного использования, которая'диктуется экономическими условиями, в конечном счете определяет успешность решения проблемы безопас-нооти.

Цель работы. Поэтапно проанализировать метод инструментальной У-радиометрии, разработать конкретные конструкции

и критерии контрольных измерений дая создания экономичных установок массового использования, отвечающих по чувствительности принятым жестким нормативам загрязнения проб цезиеы-137.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Работа общим объемом 185 страниц, 65 рисунков, 12 таблиц, списка литературы из 93 наименований.

Научная новизна.На основании детального анализа факторов, ведущих к повышению добротности радиометрических устройств по отношению к излучению малоактивных препаратов теоретически и экспериментально обоснован выбор типа, геометрических размеров детектора, стандартов измеряемых источников, конструкции защитного экрана при "^-радиометрии С 5 -137 в природных образцах и продуктах питания дая массового контроля пищевых цепей в зонах радиоактивного загрязнения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретические и экспериментальные результаты исследования разных' сцинтилляторов и параметров геометрии источников в виде сосуда Маринелли позволяют найти оптимальный вариант (тип и размеры сцинтилляторов, параметры геометрии источника) детектирующего узла, обеспечивающего высокую добротность дая создания серийных бытовых у-радиометров.

2. Эксперименмалыше исследования характеристик различных защитных материалов и конструкций защиты у-радиометров позволяют найти наиболее эффективный защитный экран, который обеспечивает малые габариты конструкции и низкий уровень фона.

3. Экспериментальные результаты исследовании разных радио;»оа-

ричоских установок., полученные на основе ^¿здоддо дс.срог::о-

- & -

сти, светосилы, геометрических свойств однородных источников, фоновых характеристик, чувствительности, разрешающей способности, влияния стабильности у -радиометров дая измерения радиоактивности образцов с цезием-137, позволяют делать рекомендации по разработке компактных и экономичных приборов дая контроля пищевых цепей в зонах, пострадавших от радиационных аварий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш диссертации и сформулирована цель работы, приведено ее краткое содержание и основ:.™ научные положения, выносимые на защиту.

В первой гла^е сделан аналитический обзор литературных источников по методам радиометрии "У -препаратов. В обзоре рассматриваются параметры, влияющие на качество измерения, приводятся сравнительные характеристики приборов дая радиометрии С5 -137.

В второй главе исследован основной фактор, определяющий светосилу, влияние геометрии источника и сцинтилляциоююго детектора. Расчет сделан дая разных детекторов и источников в ви-.де цилиндра, устанавливаемого на поверхности детектора, и в виде сосуда Марпнелли. Результаты расчета показали, что геометрия сосуда Маринелли предпочтительна по двум причинам; а) дая нее светосила выше примерно на порядок; б) изменение измеряемого объема в широких пределах на результат измерения сказывается • намного меньше, чем для цилиндрических источников 35% при изменении объема от 200 до 1000 мл против 80$ и более). На основе этого сделан расчет оптимальных параметров источников сосуда Маринелли дая разных детекторов при фиксированном объеме (рис Л).

п

источника в виде сосуда Маринелли при фиксированном объеме: I) дал /иЫС77/

63 мм х 63 мм, объем "источника I л; 2) для /fa/Crt) 40мм х 40 ш, объем источника 0,5 л.

В третьей главе описаны результаты экспериментальных исследований разных ^-радиометрических установок. Первая установка представляет собой радиометр с большим кристаллом/^/¿^ $ 100мм х 150мм. Детектор окружен слоем свинца толщиной 10 см (вес защиты 400 кг). Для исследовании применялись стандартные сосуды, имеющие форму цилиндра трех объемов: 250 ш, 500 мл и 1000 мл. В сосуды наливались эталонные водные растворы С,5-137 с концентрацией активности 518 Бк/л. Рис.2 показывает изменения добротности установки £) в зависимости от ширины окна - при расширении окна влево от фиксированном точки (780 КэВ). В связи с тем, что Q пропорциональна квадрату свс-

- о -

госилы, для источника объемом 250 мл она наибольшая, а для ис-

окна для источников разных объемов: I) 0,25 л; 2) I л; 3) 0,5 л. •

В другой установке применяли детекторы и CSlc.77)

разных размеров: ф 40мм>х 40мм и 63мм х 63мм, геометрия источника в виде сосудов.Маринелли объемом 0,5 л для детекторов.

ф 40i.M х 40мм и I л для ф 63мм х 63мм. Сосуд также был наполнен эталонным водным раствором -137 с концентрацией активности 518 Бк/л. Исследовалось 3 варианта защитных экранов, их характеристики приведены в Табл. I и 2.

Таблица I

Характеристики исследованных .типов защит

№ защиты ! Состав защиты ! Толщина (см) ! Вес защиты (кг)

' I Си 0,5 Р& 2,5 Ге 1 14,2

2 № 4,55 /Ь 0.2 ) 50

3 С* 0,5 ■ ?Ь • I ь 5 } 44,11

4 % 10 - 400

Таблица 2 Фоновые характеристики исследованных 'у'-радиометри-.ческих устройств

Тип ■ защиты Сшштилляционный детектор

СЦСЛ) ф ! /Ш/С77; 4> ! 40ммх40мм ; 40ммх40мм; С57 С77/ ф !>1/<7ЛГ//У ф бЗммхбЗмм ! 63ммх63.:м

пу 1кратн| пф |кратн| и? имп/с ! осла б 1 имп/с 1 осла б! ими/с 1 кратн.1 пр ¡кратн. ослаб. ? имп/с 1 ослаб.

Без защиты 109 . I 97 I 277 I 255 I

Защитный эк' ран й I - 17 6,41 II 8,82 • 36 7,68 25 10,2

Защитный экран Л 2 - 10 10,90 4 24,25 22 12,54 9,5 26,84

Защитный экран Л 3 -II 9,91 4,5 21,55 24 11,54 II 23,18

Рис.3.иллюстрирует рассчитанные изменения добротности при различных энергетических разрешениях для кристалла С $ \СП)$ 40мм х 40мм в зависимости от ширины окна, которое расширяли . влево от точки равной 765 КэВ. Из рисунка видно, что,улучшение энергетического разрешения от 12% до &% ведет к повышению доб- 8 -

ротности в 1,5 раза. Следует также отметить, что при определении добротности ширина окна находится в обратной зависимости от энергетического разрешения.

для кристалла СИ С77) 0 40мм х 40 мм I) ¡1 = &%■, 2) Ц = 0%1 3) = 10$; 4) Л = 12%

Исследования, разных радиометрических установок показало, что увеличение размеров кристалла а/с/К^ приводит к увеличению Р . Добротность для кристалла /х/а/(с77) $ бЗммхбЗмм оказалась в 2 раза больше, чем ^ для тех же кристаллов 0 40мм х 40мм при одинаковой защите и ширине окна.

В таблице И 3 приведен расчет минимального времени измерения с погрешностью 10$ для-тех значений удельной активности, которые соответствуют принятым нормативам для разных радиометрических установок. Расчет отражает влияние типа защиты на минимальное время измерения. Для кристаллов разных

размеров минимальное время измерения в защите № 2 меньше, чем в защите № 3, которое, в свою очередь, меньше времени в защите В I. Результаты, приведенные в таблице 3 доказывают, что установка на основе кристалла ф 63ш х 63мм и

ф 40мм х 40мм с источниками в виде сосудов Маринелли при защите .№ 2 практичнее, чем установки на основе большого кристал ла 100мм х 150мм с цилиндрическим источником; при защите аесом 50 кг минимальное время измерения разных удельных активностей для установок первого типа оказалось меньше или цоч ги таким же, как при защите весом 400 кг для установки второго типа.

Рис. 4 отражает влияние нестабильности тракта в результате сдвига энергетической шкалы на погрешность измерения удельной активности для разных кристаллов.

Судя по графикам, можно сделать вывод о том, чтр при радиометрических измерениях образцов почвы, продуктов питания и т.д., когда требуется, определение удельной активности с погрешностью не более 10$, коэффициент нестабильности энергетической шкалы '"с 2% приводит к дополнительной погрешности измерения удельной- активности в пределах 4-6$. Таким образом, для радиометрических измерений С.Г -137 прибор должен содержать систему стабилизации измерительных параметров. ,

В четвертой главе рассмотрен вопрос о методах и средствах стабилизации энергетической шкалы у -радиометра. В ка честве источника реперного сигнала были выбраны светодиоды, поскольку они обеспечивают отличную возможность моделировать импульсы сцинтилляторов, подлежащих стабилизации, а также оптимальное согласование опорного сигнала но измеряемому спектру, при этом замеряемый спектр вносится в минимальный фон. Од- 10 -

Таблица 3

Минимальное время измерения удельной активности для разных установок с погрешностью 10%

мин

^л/я/С/?; ^ \ ул/и/СЯУ

40мм х !100мм х х 40т в !х 150мм защите й 3!источник источник ¡цилиндриче-типа Ыари-!ский, объе-нелли,объ-!мом 0,5 л. емом 0,5л !

I

I \ л/ч^ф |

! й^мм тг ! РЛиУ! У !

А

¿к/л

40мм х х 40 ми в защите'й I источник типа Мари-нелли.объемом 0,5л.

40мм х х 40км в защите ¡¡? 2 источник типа Мари-нелли.объемом 0,5 л

!63ым х !х 63мм в ¡защите I ■! источник •¡типа Маря-

Iнелли,объ-!емом I л.

! 63мм х ! !х 63мм в ! !! защите )62! ¡источник ! ¡типа Мари! ¡нелли, ! !объемом ! II л. !

63мм х *! х 63мм е ! защите ¡йЗ! источник ! типа Мари! нелли, ! объемом ! I л. !

л^г/^/р

100мм х х 150мм источник цилиндрический, объемом I л.

10

220

50

60

55

170

40

44

40

18,5 68 16 18 16 50 II 13 12

37 18 5,5 6,0 К5 12 3,3 3,8 3,3

100 3,2 1,1 1,1 0.8 1.7 0,66 ' 0,7 0,66

370 0,44 0,22 0,24 0,12 0,18 0,1 0,1 0,1

Рис. 4. Влияние нестабильности энергетической шкалы на ' дополнительную погрешность измерения, удельной активности для разных кристаллов.

-х- ф 40ш х 40мм

63мм х 63ш -о- СГ/С77/ 0 63мм х 63мм

нако, светодиода имеют два недостатка: изменение светового выхода светодиода в зависимости от температуры и от времени. Эти недостатки легко преодолеть, использовав в качестве эталонного детектора кремниевый -фотодиод для стабилизации свето-

диода. ;

Существенной характеристикойр},4/-фотодиода,' как эталонного элемента, является их долговременная- стабильность и независимость' их рабочих характеристик от температуры .

2.10^ /С )• -

Для исследования температурных и временных характеристик светодиодов собрана экспериментальная, установка. Исследовались температурные характеристики сцинтилляционного спектрометра со светодиодом как.красного АИ102 ГМ, так и зеленого АЛ102 ДО цвета излучения. Благодаря использованию -фо-

тодиода ФД272 для стабилизации зеленого светодиода М102 ДМ, его температурная и временная стабильность были улучшены в 8 раз.

На рис.5 приведена структурная электрическая схема бытового ""у'-рада[0метРа, которая предлагается для измерения удельной активности радионуклида С- 5 -137. На основе этого радиометра можно измерить удельную активность, которая соответствует принятым нормативам загрязненных проб (2$ -137 .с высокой точностью. В то же время система стабилизации, которая входит в радиометр, обеспечивает нестабильность энергетической шкалы радиометра 0,2$ или, если'перевести эту з-стабильнссть в дополнительную погрешность измерения удельной активности, то она составляет 0,5$.

Выводи

По итогам работы модно сделать следующие вывода.

1. Но сравнению с цилиндрическим источником устанавливаемым на поверхности детектора, источник в виде сосуда Маринел- ' ни тлеет два источника: для ыего светосила выше примерно на порядок, и изменения измеряемого объема в широта пределах на результаты измерения сказывается намного меньше,чем для. цилиндрических источников.

2. Для разных кристаллов сделан расчет оптимальных параметров источника в виде сосуда Маринелли при разных объемах,которые позволяют получить максимальные значения эффективности регистрации и,следовательно,наибольшую светосилу для, заданного кристалла и объема источника.

3. Наибольшее значение светосилы для кристаллов /Уа1сТ11 $ 100мм х. 150лм обеспечивается для малых цилиндрических образцов (0,25 л). Соответственно лучшие Р и ¿"мин наблюдаются в узком спектрометрическом окне, охватывающем пик полного поглощения. Узкое окно, в свою очередь, предъявляет более высокие требования к стабильности измерительного тракта. Еще один недостаток радиометра с большим кристаллом - увеличение защиты, что целает установку громоздкой.

4. В сравнении с С$1сТ/) .предпочтительны кристаллы ,^£//¿77/ , обеспечивающие выигрыш в светосиле в 2-3 раза при прочих одинаковых условиях, в добротности - в 2-5 раз.

5. Улучшение разрешайщей способности сцшшшштора от 12%

цо ь% улучшает в 1,5 раза.

С. Гз псслодошшшх кристаллов л/гг/сТ)} 40мм х 40мм и

ф 63мм х 63мл последние без существенного увеличения габаритов установки позволяют измерять большие образцы, что улучшает £)

:юч-1'л ¡з н ::аз';.

7. Исследовались различные варианты защиты разного веса

и сложности (от 14 кг до 400 кг с использованием слоеь аелеза

«

свинца и меди). Использование защиты сшвкает фон в 6-26 раз. Выбор многослойной защиты не оправдан, так как она эффективна в низкоэнергетической части спектра фона, которая не использу ется для измерения.

8. При радиометрических измерениях образцов почвы, проду

тов питания и т.д., когда требуется, определение удельной акти

ности с погрешностью не более 10$, коэффициент нестабильности

энергетической шкалы 2$ приводит к дополнительной погрешности

измерения удельной активности в пределах 4-6$. Таким образом,

ТЯ7

для радиометрических измерений прибор должен содержа!

систему стабилизации измерительных параметров.

9. В целях преодоления трудностей нестабильности свотовс выхода световода разработана система стабилизации светового i хода зеленого светодиода MI02 ДМ на базе кремниевого р)//

фотодиода ФД272. Долговременная и температурная нестабильное^ светодиода была улучшена в 8 раз.

10. В результате экспериментального исследования предаа1 ется радиометр для массовых измерений образцов почвы и проду! тов питания, имеющий следующие характеристики:

1) сщштилляционный кристалл ^Л/alcfl) ф 63мм х СЗмм или <f>40мм х 40мм с сосудом Маринелли объемом I л и 0,5 л.соотв«

отвенно';

2) ширина окна в пределах 140-770 КэВ;

3) защита из свинца толщиной 4,55 см, весом около 50 кг

4) система стабилизации энергетической идеалы, обеспечив:

тельной относительной ошибки определения удельной активности

ющая ее стабильность

пересчете для дополни-