Модификации ионизационных

УДК 539.1.074
МОДИФИКАЦИИ ИОНИЗАЦИОННЫХ -СПЕКТРОМЕТРОВ ДЛЯ МАССОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
-СПЕКТРОВ ДОЛГОЖИВУЩИХ РАДИОНУКЛИДОВ
Васильев И.А.
При выполнении проекта # KR-072 определение изотопного состава и
содержания урана в объектах исследований проводилось на ионизационных спектрометрах различных модификаций, разработанных в радиометрической
лаборатории Института физики (ИФ) Национальной академии наук Кыргызской
Республики. Среди них: а) базовая модель с разрешающей способностью 1-1,5%,
фоном  3 расп./час.МэВ; б) спектрометр совпадений с разрешающей способность 
1%, верхним пределом фона 0,4 расп./час.МэВ; в) спектрометр для одновременного
измерения трех образцов.
1. Базовая модель
Основными узлами спектрометра являются: плоскопараллельная импульсная
ионизационная камера с сеткой, предварительный и основной усилители,
многоканальный анализатор импульсов (буферный накопитель) и персональный
компьютер. В состав основного усилителя входит формирователь импульсов,
дискриминатор нижнего уровня и масштабный усилитель. Полный объем камеры около 10 л. Сетка изготовлена из нихромовой нити диаметром ~0,1 мм, расстояние
между нитями ~1мм, прозрачность сетки около 0,004. В качестве рабочего газа в
камере использовалась смесь чистого аргона со спектрально чистым толуолом или
метаном. В камере поддерживалось избыточное давление (по сравнению с
атмосферным) чтобы исключить проникновение в ее объем кислорода из атмосферы.
Высокое напряжение на электроды камеры подается от стабилизированного источника
высокого напряжения: -1500 В на катод камеры, -900 В на сетку.
Базовая модель подробно описана в работах [1, 2].
Блок-схема спектрометра показана на рис.1.
Рис.1. Блок схема ионизационного -спектрометра
и.и.к. - импульсная ионизационная камера (1 - анод, 2 - сетка, 3 - катод);
п.у. - предварительный усилитель, о.у. - основной усилитель; а.и. - анализатор
импульсов (буферный накопитель информации) ПЭВМ - персональный компьютер,
Uп - напряжение питания ионизационной камеры (1,5-2,5 kV).
Предварительный усилитель. На рис.2 представлена схема использованного в
ионизационном -спектрометре предварительного усилителя (п.у.). В предварительном
усилителе используется отрицательная обратная связь по постоянному напряжению для
стабилизации головного каскада путем введения высокоомного делителя в цепь затвора
транзистора V1, выполняющего роль динамической нагрузки. При этом динамическое
сопротивление этого транзистора для постоянного тока мало, а для импульсного
сигнала достигает 0,1 МОм и больше [3]. Это обстоятельство позволяет использовать
на первом каскаде транзисторы без предварительного подбора по параметрам и
однополярный источник постоянного тока напряжением 24-27В. Смещение на
инвертируемом входе операционного усилителя выбрано равным 7В, что облегчает
тепловой режим транзистора V1 и уменьшает помехи по цепям питания.
Рис.2. Принципиальная электрическая схема
предварительного усилителя (п.у.)
R1 - 6,8 Гом; R2, R3 - 100 Ом; R4 - 4,4 кОм; R5 - 51 Ом; R6 - 560 Мом; C1 - 68 нФ;
С2 - 0,1 мкФ; V1-V3 - КП303Г (КП307Б,Ж, КП314А); V4 - КС170А; DA1 - КР544УД2А.
Основной усилитель. Схема основного усилителя (о.у.) показана на рис.3. Этот
усилитель обеспечивает:

формирование переднего фронта импульса для исключения зависимости
амплитуды от угла вылета -частиц при радиоактивном распаде;

формирование импульса с определенной длительностью (по максимальному
отношению сигнал/шум);

выбор и изменение изучаемого участка спектра при регистрации на анализаторе
импульсов;

линейность работы в диапазоне напряжений, соответствующих участку спектра
анализируемых изотопов;

стабильность работы спектрометра при длительных экспозициях (10 и более
часов).
Усилитель состоит из формирователя импульсов (ф.н.ч. и ф.в.ч.) - рис.3а,
построенного по принципу, предложенному в работе [4].
В качестве дискриминатора нижнего уровня (экспандера) используется
прецизионный ограничитель [5], обладающий стабильностью порога дискриминации и
высокой линейностью. Для согласования уровней сигнала с выхода дискриминатора
нижнего уровня и анализатора импульсов используется обычный масштабный
усилитель. Предварительный и основной усилители собраны на операционных
усилителях 544 серии.
Рис.3. Принципиальная электрическая схема основного усилителя (о.у.)
а) формирователь импульсов (ф.н.ч. и ф.в.ч.)
б) дискриминатор нижнего уровня и масштабный усилитель
R1, R5-R8 - 27 кОм, R2 - 16 кОм, R3, R4 - 470 Ом, R9 - 5,1 кОм, R10, R11, R13, R14 - 10 кОм,
R12 - 750 Ом, С1-С4 - 2200 пФ, С5,С6 - 0,1 мкФ.
2. Ионизационный a -спектрометр совпадений
для анализа препаратов с низкой активностью
Известно, что фон ионизационного -спектрометра может быть уменьшен
применением совпадений по времени импульсов с анода и катода ионизационной
камеры. При этом достигается уменьшение фона спектрометра по сравнению с
простейшими его вариантами до 100 раз [6]. Использование схем совпадений по
времени и амплитуде позволяет осуществить коллимацию -частиц [1, 6, 7]. Однако
применение этих схем [8] искажает относительную интенсивность -линий, поэтому
эти схемы целесообразно использовать для уменьшения фона спектрометра.
Реализации этой функции достигается применением еще одного предварительного
усилителя, который через высоковольтный конденсатор подключается к катоду
камеры. Чтобы согласовать п.у. с линейным пропускающим устройством
регистрирующей схемы необходим усилитель-формирователь, собранный например по
схеме показанной на рис.4. Вход усилителя непосредственно (без разделительного
конденсатора) подключен к выходу предварительного усилителя.
Большего снижения фона можно достичь изменением конструкции катода
камеры [9]. Сущность этого приема заключается в том, что импульс для схемы
совпадения снимается не со всего катода камеры, а лишь с радиоактивного препарата,
площадь которого значительно меньше площади катода, что существенно (почти на два
порядка) уменьшает фон спектрометра по сравнению с используемыми ранее
спектрометрами совпадений (см. напр. [6]). Изменение конструкции катода позволило
определять изотопный состав урана в пробах с интегральной активностью, начиная с 5
расп./ч
с
погрешностями,
обусловленными
лишь
статистикой
числа
зарегистрированных -частиц.
Рис.4. Принципиальная электрическая схема формирователя импульсов
R1 - 1,5 кОм, R2 - 22 кОм, R3 - 9,1 кОм, R4 - 560 Ом, R5 - 5,1 кОм,
R6 - 750 Ом, R7, R8 - 910 Ом; V1-V3 - КТ342А, С1-С3 - 6800 пФ.
3. Альфа-спектрометр для одновременного измерения
нескольких -активных образцов
В работе [10] показана возможность одновременного измерения двух образцов в
одной импульсной ионизационной камере. Камера имеет общий анод, к которому
подключен усилительный тракт. Выход последнего соединен с входами двух
анализаторов импульсов. Катод камеры разделен на секции, имеющие самостоятельные
выводы из камеры. Импульсы с катодных секций (усиленные и сформированные)
управляют работой анализатора импульсов. Таким образом в режиме "совпадений"
осуществляется одновременное измерение двух проб.
Ниже приводится описание спектрометра для одновременного анализа спектров трех образцов [11]. Он собран на основе импульсной ионизационной камеры,
используемой в обычном -спектрометре [1]. Изменения коснулись катода камеры,
который изготовлен по схеме, показанной на рис.5. Кроме этого были увеличены
размеры сетки и анода камеры. Блок-схема устройства показана на рис.6.
В отличие от известного [10] этот спектрометр включает устройство выбора
групп (у.в.г.), в нем используется также один анализатор импульсов вместо двух. Тракт
электронной составляющей в этом спектрометре выполнен по схеме, показанной на
рис.2 и рис.3. Тракт ионной составляющей состоит из предварительного усилителя
(рис.2) и формирователя импульсов (рис.4).
Устройство выбора групп (см.рис.7) состоит из двух параллельно включенных
компараторов (1, 2), сумматора, состоящего из резисторов 4-5, с номиналами, кратными
1/1, 1/2, 1/3, и операционного усилителя 7, суммирующего импульсы с тракта
электронной составляющей и выходов компараторов с коэффициентами 1/1, 1/2, 1/3.
При этом для сигнала с тракта электронной составляющей вся шкала анализатора
амплитуд импульсов (независимо от числа каналов) разбивается на три группы.
Для иллюстрации рассмотрим работу этого спектрометра при анализе
радиоактивного препарата, находящегося, например, на второй секции катода. При
распаде изотопа -частица ионизирует рабочий газ камеры между катодом и сеткой.
Электроны под действием электрического поля проходят через сетку и собираются на
аноде. Амплитуда импульса напряжения, возникающего на аноде, будет прямо
пропорционально числу электронов, т.е. энергии -частицы. Этот импульс усиливается
предварительным усилителем, формируется и усиливается основным усилителем,
затем поступает в устройство выбора групп (у.в.г.).
Рис.5. Катод камеры -спектрометра для одновременного анализа трех образцов
1, 2, 3 - подложки с измеряемыми препаратами, 4 - изоляционная прокладка
(фторопласт), 5 - собственно катод.
В у.в.г. через резистор 3 этот импульс поступает на вход сумматора и
одновременно на неинвертирующие входы компараторов. В это же время ионы,
возникшие вместе с электронами в результате ионизации рабочей смеси камеры, под
действием электрического поля между сеткой и катодом собираются второй секцией
катода. Импульс напряжения, образовавшийся от сбора ионов на этой секции,
усиливается и формируется трактом ионной составляющей и поступает на вход
стробирования компаратора 1 у.в.г. С выхода этого компаратора импульс поступает на
сумматор вместе с импульсом с т.э.с. Сумматор суммирует эти импульсы. Амплитуда
импульса с выхода у.в.г. при этом будет равна Vвых= V/3 + Vk/3, где V - амплитуда
импульса на выходе т.э.с., Vk - амплитуда импульса с выхода компаратора.
Номиналы резисторов схемы выбираются таким образом, чтобы в первой группе
каналов анализатора регистрировались импульсы, обусловленные -частицами,
возникшими на первой секции катода, во второй - на второй секции катода и т.д., таким
образом ионный импульс, возникший в результате -распада на какой-либо секции,
"перенесет" запись информации в соответствующую группу каналов анализатора.
Рис.6. Блок-схема -спектрометра для одновременного измерения нескольких образцов
1 - импульсная ионизационная камера, 2 - тракт электронной составляющей, (т.э.с.),
3 - тракт ионной составляющей (т.э.с.), 4 - устройство выбора групп (у.в.г.),
5 - анализатор импульсов - АИ-1024-95 (буферный накопитель информации), 6 - компьютер.
Как уже указывалось, в -спектрометре использовалась ионизационная камера с
трехсекционным катодом, и анализатор импульсов с максимально регистрируемой
амплитудой 5 В, с числом каналов 512 и шириной канала 9.8 мВ.
В этом спектрометре амплитуда импульса с выхода у.в.г. для первой секции
составляла (в вольтах) V1 = 0,33V, и спектр регистрируется в каналах 1-170. Для второй
секции V2 = 0,33V + 1.67, и спектр регистрируется в каналах 171-340. Для третьей
секции V3 = 0,33V + 3.34, и спектр регистрируется в каналах 341-512.
Таким образом осуществляется независимая регистрация -частиц от различных
препаратов, расположенных на секциях катода ионизационной камеры.
Рис.7. Устройство выбора групп (у.в.г.)
На рис.8 показан типичный -спектр природного урана с добавкой
качестве трассера.
232
U в
Рис.8. Типичный -спектр природного урана с добавкой 232U в качестве трассера.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чалов П.И. Изотопное фракционирование природного урана. - Фрунзе: Илим, 1975,
238с.
2. Воробьев А.А. Исследование альфа-активных препаратов с помощью импульсной
ионизационной камеры с сеткой //В кн.: Техника измерения радиоактивных
препаратов. М: ГОСАТОМИЗДАТ, 1962, с.18-40.
3. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре //2-е
изд., перераб. и доп. М: СОВ. РАДИО, 1977, 386с.
4. Васильев И.А.,Парфенов Ю.Л., Чалов П.И. Формирователь импульсов на полосовых
усилителях для спектрометрии ядерных излучений //ПТЭ, № 5, 1983, c.121-122.
5. Грэм Дж., Тоби Дж., Хьюлсман Л. Проектирование и применение операционных
усилителей //Пер. с англ. М: МИР, 1974, 510с.
6. Сурков Ю.А., Воробьев А.А., Королев В.А., Виленский В.Д. Исследование
изотопного состава урана в редкоземельных минералах // Атомная энергия, 1960,
т.6, с.477-482.
7. Чалов П.И., Мамыров У.И., Мусин Я.А. Сравнительное изучение некоторых
методов измерений относительного содержания урана-235 в образцах земного урана
//Изв.АН Кирг.ССР, 1970, № 5, c.13-19.
8. Мусин Я.А., Васильев И.А. Исследование метода амплитудно-временной
коллимации альфа-частиц в ионизационном альфа-спектрометре // Изв.АН Кирг.
ССР, 1977, № 2, c.11-18.
9. Чалов П.И., Васильев И.А. Ионизационный альфа-спектрометр совпадений //АС
СССР № 1579372. Заявка № 4354992, приоритет изобретения 15 марта 1990г.
10. Якунин М.И. Спектрометрическая ионизационная камера //АС СССР, № 803738.
Заявл. 16.11.79, № 2829973/18-25. БИ № 43, МКИ H 01 G 47/02.
11. Чалов П.И., Васильев И.А. Ионизационный альфа-спектрометр //АС СССР, №
1551160. Заявка № 4456972, приоритет изобретения 25 апреля 1988 г.