В работе рассмотрены характеристики модифицированного сцинтилляционного детектора на основе большого кристалла NaI(Tl) с колодцем для количественного метода определения концентрации радона в воздухе по гамма-спектрам дочерних продуктов свинца и висмута. Предлагается методика улучшения энергетического разрешения детектора за счет применения одного ФЭУ-173 с установкой светоотражающего кольца на окно кристалла NaI(Tl) вместо трех ФЭУ-110, что позволяет увеличить эффективность светосбора, повышая в конечном итоге точность количественного метода.
The characteristics of a modified scintillation detector based on a large NaI(Tl) crystal with a well for a quantitative method of determining the concentration of radon in the air by measuring the gamma spectra of daughter products lead and bismuth are considered in the paper. A technique is proposed to improve the energy resolution of the detector by using one FEU-173 with the installed reflective ring on the window of the NaI(Tl) crystal instead of using of the three FEU-110. Such modification makes it possible to increase the efficiency of light collection, ultimately increasing the accuracy of the quantitative method.
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.
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 %.
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 %.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.