Разработка и исследование сцинтилляционного волоконного радиометра для измерения активностей источников ионизирующего излучения на основе изотопа 63Ni

Измерение относительных радиоактивностей источников ионизирующего излучения в настоящее время реализуется многими непрямыми методами, в том числе и сцинтилляционными, основанными на измерении активности источника в условиях, полностью идентичных предварительно проведенным измерениям первичного стандарта с известной активностью. Данные методы применяются для решения широкого круга научных, технических, технологических и медико-биологических задач [1,2]. Однако эти методы и задачи требуют наличия достаточно сложной и дорогой измерительной техники, специальных методик измерений и условий эксплуатации, что сдерживает их широ-

кое распространение в отраслях, связанных с использованием радионуклидов.

С появлением новых типов сцинтилляторов, например, в виде оптических волноводов, высокочувствительных фотоприемников и построенных на их основе детекторов, радиометров и дозиметров [3] расширяется область применений подобных приборов, снижаются затраты и упрощаются методики измерений.

Известные волоконно-оптические радиационные датчики на основе сцинтилляционных волокон [4-7] обычно включают в свой состав чувствительный элемент в виде одного или нескольких сцинтилляционных волокон, соединенных транспортным оптическим волокном с фотоприемным устройством. Присутствующие в сцинтилляционных волокнах легирующие примеси при взаимодействии с ионизирующим излучением испускают видимый свет, попадающий на фо-топриемное устройство. В системе обработки сигнала с фотоприемного устройства проводится преобразование этого сигнала в значения, например в значения, относительной радиоактивности ИИИ. При этом сцинтилляционные волокна могут быть распределены в трехмерном пространстве и их продольные оси могут быть сориентированы в разных направлениях относительно оси падающего излучения.

Одной из важных задач производства ИИИ на основе изотопа 63Ni является измерение активностей конечного изделия. При этом в большинстве случаев используются радиометрические установки на базе УИМ2-2 с различными блоками детектирования. Определение актив- ности радионуклида 63Ni в источниках бета-излучения проводится методом компаратора. Для этого изготавливаются эталонные источники, активность 63Ni на которых определяется из гравиметрических измерений при электрохимическом осаждении 63Ni и изотопного состава используемого препарата. Измеряется скорость счета эталонных источников в зависимости от активности 63Ni. С использованием полученной зависимости определяется активность изготавливаемых источников. С целью упрощения аппаратного обеспечения и методики измерений, а также для существенного снижения внешних электромагнитных шумов при проведении измерений разработан сцинтилляционный волоконный радиометр для измерения активностей ИИИ на основе изотопа 63Ni.

ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА

Наиболее простой и эффективной для указанного применения является, на наш взгляд, конструкция сцинтилляционного волоконного радиометра, показанная на рисунке.1. Система состоит из сенсорного элемента, измерительного блока и персонального компьютера, а также транспортного оптического волокна, соединяющего сенсорный элемент с измерительным блоком. Измерительный блок состоит из фотоприемника и контроллера, обеспечивающего измерение сигнала фотоприемника и передачу измерительной информации на персональный компьютер. Установленное на персональном компьютере программное обеспечение служит для отображения и обработки результатов измерений.

Транспортное оптическое волокно

Сенсор стинцилляционное волокно

Оптический разъем

Основой сенсорного элемента является полимерное многомодовое сцинтилляционное волокно «Saint-Gobain Crystals» BSF-60. Его сцинтиллирующая сердцевина диаметром 0,25 мм содержит комбинацию флуоресцентных легирующих добавок, выбранных для получения желаемого спектра свечения, и обладает заданными оптическими характеристиками и радиационной стойкостью.

Сцинтилляционная эффективность является основным свойством данных волокон. Типичное ее значение около 2.5 %, что соответствует приблизительно 8 фотонам на кэВ энергии минимально ионизирующей частицы. Однако волокном захватывается не более 4 % всех произведенных фотонов.

Стандартным материалом для оболочки является полиметилметакрилат C5H8O2 (ПММА). Его плотность 1,2 г/см3, а показатель преломления – 1,49. Типичная толщина оболочки около 3 % от диаметра.

Показатели преломления сердцевины и оболочки, а также площадь поперечного сечения волокна определяют эффективность захвата фотонов волокном. В круглых волокнах эффективность захвата зависит также от расстояния между осью волокна и точкой вспышки. В волокнах этого типа эффективность захвата изменяется от 34 % (для вспышек на оси волокна) до 7 % (для вспышек рядом с оболочкой).

В табл. 1 приведены характеристики волокна BSF-60.

Во время измерения сенсорный элемент со сцинтилляционным волокном располагается в непосредственной близости от ИИИ. Поток β -излучения, попадая на волокно, преобразуется в

Измерительный блок

Персональный компьютер

Рис. 1. Структурная схема сцинтилляционного волоконного радиометра для измерения активностей источников ионизирующего излучения на основе изотопа ⁶³Ni

Таблица 1. Основные характеристики волокна BSF-60

Марка волокна Цвет излучения Пик излучен ия, нм Врем я затухания, нс Показатель п оглощения , м-1 Число фотонов на МэВ Приме нен ие BCF-60 Зеленый 530 7 <0.285 7100 С повышенной радиаци онной стойкостью видимое оптическое излучение с длиной волны около 0,5 мкм. Часть данного излучения формирует оптический поток, распространяющийся внутри волокна в обе стороны. Мощность оптического излучения в сцинтилляционном волокне пропорциональна уровню β -излучения.

Для увеличения доли оптической мощности, поступающей на выходной торец сцинтилляционного волокна, на его второй торец нанесено зеркальное отражающее покрытие. Конструкция сенсорного элемента на основе сцинтилляционного волокна приведена на рис. 2.

Сцинтилляционное волокно 1 располагается витками в круглом отверстии 2 корпуса сенсорного элемента 3 и фиксируется выступами верхней и нижней крышки 4. Концы волокна через проточки, расположенные сверху и снизу корпуса сенсорного элемента, выведены во вспомогательный квадратный отсек корпуса с расположенной там оптической розеткой 5. К этой розетке подключается выходной конец волокна 6. Второй конец сцинтилляционного волокна (с нанесенным зеркальным отражающим слоем) остается свободным. На выходе из проточек волокно дополнительно зафиксировано клеем. Длина сцинтилляционного волокна составляла 55 см.

В верхней и нижней крышке сделаны отверстия (на рисунке не показаны), позволяющие поместить внутрь сенсорного элемента измеряемый источник. Для обеспечения одинаковой геометрии размещения источников относительно сенсора используется металлическая бленда. Данная бленда является частью корпуса сенсорного элемента (формируется краями отверстий в верхней и нижней крышках сенсорного элемента).

Оптическое излучение из сцинтилляционного волокна поступает в транспортное оптическое волокно. В связи с тем, что числовая апертура и диаметр сцинтилляционного волокна больше, чем данные параметры транспортного оптичес- кого волокна, при передаче оптической мощности будут наблюдаться потери. Величину потерь (в дБ) можно приблизительно оценить по формулам [8]:

DPNA = - 20 log (NA1 / NA2);

DPD = - 20 log (D1 / D2), где DPNA, DPD – потери оптической мощности, вызванные несовпадением числовых апертур и диаметров сердцевин волокон, соответственно; NA1, D1– числовая апертура и диаметр сердцевины сцинтилляционного волокна; NA2, D2– числовая апертура и диаметр сердцевины оптического кабеля.

С учетом значений параметров D1 = 250 мкм, NA1 = 0,58, D2 = 100 мкм, NA2 = 0,28 суммарные потери при вводе излучения в оптический кабель составят около 14,3 дБ (что соответствует ослаблению мощности излучения примерно в 27 раз).

Фотоприемник измерительного блока оптоволоконного радиометра построен на основе модуля COUNT-250B-FC фирмы Laser Components, представляющий собой устройство с высокой квантовой эффективностью и широким динамическим диапазоном. Модуль обеспечивает детектирование одиночных фотонов в диапазоне длин волн 350-1000 нм. Выходной сигнал фотоприемника представляет собой электрические импульсы, количество которых в единицу времени пропорционально оптической мощности на его входе. Таким образом частота импульсов на выходе фотоприемника оказывается пропорциональна уровню β -излучения.

Измерение частоты импульсов с выхода фотоприемника осуществляет контроллер. Его функциями также являются отображение результатов измерения на индикаторе и передача данных в персональный компьютер. Контроллер реализован на базе микроконтроллера STM32F100C4T6B.

В подключаемом к измерительному блоку персональном компьютере используется специ-

Рис. 2. Конструкция сенсорного элемента (верхняя крышка не показана): 1 – сцинтилляционное волокно, 2 – отверстие в корпусе, 3 – корпус, 4 – крышка, 5 – оптическая розетка, 6 – выходной конец волокна

ализированное программное обеспечение. Его основными функциями являются:

• -    инициализация аппаратной части;

• -    тестирование и подготовка к работе аппаратной части;

• -    настройка параметров, определяющих режимы измерения (периодичность опроса);

• -    преобразование числа импульсов в единицу времени, поступающих с выхода микроконтроллера, в параметр активности ИИИ;

• -    измерение и фиксация активности источника;

• -    отображение в виде графика зависимости активности ИИИ от времени;

• -    сохранение результатов измерения в файл.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для проведения экспериментальных исследований разработанного оптоволоконного радиометра в «ОАО ГНЦ НИИАР» (г. Димитровград) были изготовлены источники бета-излучения на основе 63Ni. Источники получены электрохимическим осаждением металлического никеля на никелевую фольгу, толщиной 50 мкм и площадью 1 см2 (1х1 см) из сернокислого электролита состава: 0,1...0,16 моль/л NiSO4 + 0,15 моль/л Nа2SO4 + 0,65 моль/л H3BO3 (рН=5). Было изготовлено 4 образца с активностями 22,8, 22,5, 26,2, 26,6 мКи. Измерение активностей проводилось при помощи радиометрической установки на базе УИМ2-2 компараторным методом. Для 63Ni энергия испускаемых бета электронов варьируется в диапазоне от 0 до 66,7 кэВ со средним значением 17,1 кэВ [9].

При проведении измерений с использованием разработанного экспериментального образца сцинтилляционного волоконного радиометра источники на основе 63Ni располагались на боковой поверхности специального пластикового цилиндра высотой 40 мм и диаметром 30 мм и фиксировались при помощи двухстороннего скотча. На рисунке 3 приведено расположение элементов в эксперименте. Пластиковый цилиндр 3, на боковой поверхности которого размещены источники на основе 63Ni 4, на высоте 5 мм от нижнего основания размещался по центру круглого отверстия 2 корпуса сенсорного элемента 1, диаметр которого составляет 60 мм, таким образом, что активные поверхности источников были обращены к виткам сцинтилляционного волокна, расположенных на внутренней поверхности круглого отверстия корпуса сенсорного элемента. Сенсорный элемент содержал 3 витка волокна. Высота намотки составляла 15 мм. Расстояние от ИИИ до сцинтилляционного волокна составляло приблизительно 12 мм. Посредством оптического разъема 6 и оптоволоконного кабеля 7 сенсорный элемент соединялся с измерительным блоком.

При проведении эксперимента источники последовательно удалялись с поверхности цилиндра, тем самым реализовывалось изменение общей активности источников. При этом сенсорный элемент и источники помещались в светонепроницаемый контейнер 5 для снижения уровня темнового счета, который составил 25-35 имп/с.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В ходе экспериментальных исследований определялась чувствительность дозиметра в диапазоне активностей источника до 100 мКи. На рисунке 4 приведена полученная в результате экспериментов зависимость скорости счета импульсов от активности источников. Полученные экспериментальные точки в пределах абсолютной приборной погрешности измерения (± 10 имп/с) хорошо аппроксимируются прямой. Данные результаты можно использовать при проведении калибровки разработанного эксперимен-

Рис. 3. Схема эксперимента

Рис. 4. Зависимость скорости счета от активности ИИИ на основе ⁶³Ni

тального образца радиометра для проведения измерений в единицах относительной радиоактивности. В соответствии с проведенной апрок-симирующей прямой и с учетом приборных погрешностей чувствительность прибора в данной геометрии может быть на уровне 10-12 мКи. При оптимизации сенсорного элемента непосредственно для определения относительной радиоактивности плоских никелевых ИИИ, а также снижении темновой скорости счета до 10-15 имп/ с за счет использования светозащищенного волокна возможно значительное увеличение чувствительности прибора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При этом, используемое в сенсоре сцинтилляционное оптическое волокно рассчитано на более высокие значения дозовых нагрузок, а счетчик фотонов позволяет выполнять счет до 12ґ106 имп/ с, что позволит в дальнейшем провести эксперименты с источниками с более высокими активностями. Прибор позволяет проводить также непрерывные измерения, что может быть использовано при проведении технологических операций получении ИИИ электрохимическим методом.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ.