Характеристики модифицированного сцинтилляционного детектора на основе большого кристалла NaI(Tl) для измерения активности радона в воздухе

Введение

Природный радон (²²²Rn) представляет собой бесцветный, не имеющий запаха инертный газ. Он образуется в процессе радиоактивного распада природных радиоактивных элементов, которые содержатся в небольших количествах в горных породах, и постоянно поступает из земной коры в водную и воздушную среду [1–6].

Контроль за поступлением и концентрацией радона-222 и его дочерних продуктов распада (ДПР) в атмосферном воздухе имеет большое значение для решения важных задач метеорологии, сельского хозяйства, экологии и т. д. Так, в метеорологии радон-222 используется как маркер динамики воздушных масс и облачных систем.

Применяемые в настоящее время методы определения содержания радона-222 в воздухе с помощью электроосаждения его α-активных ДПР на поверностно-барьерные проводниковые детекторы имеют ряд неустранимых недостатков, связанных с малым измеряемым объёмом (что снижает точность), необходимостью тщательной осушки и очистки исследуемого воздуха от аэрозолей.

Указанные недостатки можно преодолеть с помощью предлагаемого в данной работе другого количественного метода определения содержания концентрации радона по γ-линиям дочерних продуктов ²¹⁴Pb, ²¹⁴Bi, собранных на аэрозольном фильтре.

Суть предлагаемого метода заключается в том, что гамма-активные ДПР ²¹⁴Pb, ²¹⁴Bi, являясь атомами металлов, с высокой вероятностью захватываются аэрозолями воздуха, концентрация которых (в городском воздухе до 10⁵ см^-3) достаточна для этого. При этом γ-спектр ²¹⁴Pb и ²¹⁴Bi измеряется с помощью модифицированного сцинтилляционного детектора на основе большого кристалла NaI(Tl) с колодцем.

Таким образом, наличие самих аэрозолей и влажность, влияющая на размер улавливаемых фильтром аэрозолей, только увеличивают точность метода.

Можно справедливо утверждать, что данный метод дополняет существующие методы определения содержания радона-222.

Цель исследования: повышение точности количественного метода определения содержания радона в воздухе по гамма линиям ДПР ²¹⁴Pb, ²¹⁴Bi путем улучшения энергетического разрешения детектора из кристалла NaI(Tl) большого размера за счет применения нового ФЭУ-173 со светоотражающим кольцом, что позволяет значительно увеличить эффективность светосбора.

Задача работы: модификация системы светосбора сцинтилляционного детектора из большого кристалла NaI(Tl).

В целях улучшения характеристик сцинтилляционного спектрометра БДЭГ-12 была выполнена модификация системы светосбора путем замены трех ФЭУ-110 на один ФЭУ-173 (рисунок 1).

Рисунок 1 – Модификация большого NaI (Tl) детектора с установкой ФЭУ-173, делителя с предусилителем и встроенным высоковольтным блоком и светоотражающего кольца: 1 – делитель для ФЭУ 173, включающий предусилитель и высоковольтный блок; 2 – система фиксации ФЭУ-173 на окне большого NaI кристалла; 3 – светоотражающее кольцо; 4 – большой кристалл NaI(Tl) 20 х 20см² с колодцем

в защитном кожухе; 5 – ФЭУ-173; 6 – светонепроницаемая уплотняющая прокладка для верхнего кожуха детектора; 7 – металлический конструктив для установки пассивной защиты из свинца

Мы ожидаем улучшение разрешения по энергии с 20 до 9 %, поскольку ФЭУ-173 имеет более высокую спектральную (410 нм), анодную, световую чувствительность 5·10^-2 А/Вт, 10 А/Лм, 10^-4 А/Лм,

соответственно. В целях оптимизации обработки аналогового сигнала, который раньше формировался от делителей трех ФЭУ-110, подававших на каждый фотокатод высокое напряжение порядка 1 кВ, на новом ФЭУ-173 использован более современный блок питания усиления БПУ-173 (рисунок 2), позволяющий дополнительно ввести предварительный каскад усиления первичного сигнала и формировать непосредственно нужное напряжение питания ФЭУ-173 (рисунок 3).

Рисунок 2 – Состав БПУ-173: 1 – рецизионный регулируемый высоковольтный

блок питания (ПРВБП); 2 – делитель напряжения для ФЭУ; 3 – усилитель аналогового сигнала; 4 – интегральный дискриминатор; 5 – формирователь импульса логического сигнала

Рисунок 3 – Общий вид ФЭУ-173

С целью исключения потерь полезных событий при светосборе, ввиду разного диаметра окна (200 мм) большого кристалла NaI(Tl) и окна ФЭУ-173 диаметром 170 мм, было выполнено сопряжение окон с установкой кольца из светоотражающего материала. Внешний диаметр кольца составляет 20 см, а внутренний – 17 см.

Выполнение измерений и обсуждение результатов

Калибровочный спектр, набранный на большом кристалле NaI(Tl), с оснасткой из трех ФЭУ-110

от источника ²²⁶Ra представлен на рисунке 4. На спектре видны  -линии: ²¹⁴Pb – 0,352 МэВ (1); а также

²¹⁴Bi – 0,609 МэВ (2) и 1,764 МэВ (3). Линии же ²¹⁴Bi: 1,12-1,238 МэВ, 1,4 МэВ и 2,12 МэВ не проявились из-за невысокого разрешения по энергии. Величину разрешения по ширине пиков 609 и 1764 кэВ на полувысоте находим по формуле

  %,

где ΔЕ – ширина пика на полувысоте, К₀ – центр тяжести пика.

В анализируемом спектре пик 1 в ~70 канале соответствует энергии 0,352 МэВ, в пике 2 (609 кэВ) разрешение ɛ составляет 19 %, а в пике 3 (1768 кэВ) разрешение составило 20 %, соответственно. Очевидно, разрешение ФЭУ-110 в МэВ-ной области, где вклад фона минимален, не позволяет проводить точный количественный анализ.

Рисунок 4 – Гамма спектр источника ²²⁶Ra. 5 минутная экспозиция набрана кристалле NaI с ФЭУ-110, указаны гамма-линии дочерних продуктов ²²² Rn: ²¹⁴Pb – 0,352 МэВ (1); ²¹⁴Bi: – 0,609 МэВ (2), 1,764 МэВ (3)

На рисунке 5 представлен новый гамма спектр источника ²²⁶Ra. Пятиминутная экспозиция набрана модифицированным сцинтилляционным детектором с ФЭУ-173, с модернизированным делителем и светоотражающим кольцом. Результаты оценки энергетического разрешения модифицированного детектора по ширине пиков 609 и 1764 КэВ представлены на рисунке 5.

В результате улучшения разрешения по энергии проявились линии ²¹⁴Bi: 1,12, 1,138, 1,4 МэВ, а также слабо, но проявилась линия 2,12 МэВ.

Рисунок 5 – Гамма-спектр, набранный на большом кристалле NaI(Tl) с модифицированным светосбором. Стрелками указаны гамма-линии дочерних продуктов ²²² Rn. ²¹⁴Pb: 1 – 0,352 МэВ; ²¹⁴Bi: 2 – 0,609 МэВ,

3 – 1,12 МэВ, 4 – 1,238 МэВ, 5 – 1,4 МэВ, 6 – 1,764 МэВ, 7 – 2,12 МэВ

По результатам анализа спектра определено энергетическое разрешение детектора: для линии

609 кэВ разрешение составляет 12 %, и для линии 1764 кэВ разрешение составило также 12 %.

Выводы

На большом кристалле NaI(Tl) выполнена замена трех ФЭУ-110 на ФЭУ 173. Для устранения потерь в процессе светосбора на ФЭУ-173 на окне сцинтиблока NaI(Tl) было установлено светоотражающее кольцо.

Представлен гамма-спектр ДПР радона-222 от источника радия-226, набранный на большом кристалле NaI с тремя ФЭУ-110 до модификации светосбора. Разрешение по энергии линиям ²¹⁴Bi: 0,609, 1,4, 1,764 МэВ составляет 18–20 %.

Представлен гамма-спектр ДПР радона-222 от источника радия-226, набранный на большом кристалле NaI с ФЭУ-173 после модификации. Обозначены основные гамма линии ДПР ²¹⁴Pb, ²¹⁴Bi: 0,352, 0,609, 1,12, 1,4, 1,764 МэВ.

Сравнительный анализ показал, что разрешение по энергии в самом ярком (47 %) пике полного поглощения 0,609 МэВ значительно выше и соответствует ~12 %.