Результат интеллектуальной деятельности: Способ измерения радиоактивности тритиевой мишени в запаянной нейтронной трубке

Изобретение относится к области радиационного контроля, а именно к способам определения бета-радиоактивности тритиевой мишени в запаянных нейтронных трубках.

Изобретение может быть использовано при проведении технологического контроля запаянных нейтронных трубок с тритиевыми мишенями на всех этапах их жизненного цикла (после изготовления, при хранении и эксплуатации) или в научно-исследовательских целях, где необходимы измерения радиоактивности в диапазоне от 1⋅10⁷ до 5⋅10¹² Бк.

Общеизвестен способ определения радиоактивности с помощью ионизационных камер [Б. Росси и Г. Штауб. Ионизационные камеры и счетчики / Перевод с английского под ред. Г.Б. Жданова. - М.: Иностранная литература, 1951. - 29 с.], заключающийся в том, что радиоактивный объект помещают в ионизационную камеру, имеющую два электрода и заполненную газом, прикладывают разность потенциалов между электродами, измеряют ионизационный ток, возникающий между электродами, вследствие образования определенного числа пар ионов в рабочем газе камеры при пролете ионизирующих частиц, вылетевших из измеряемого объекта, и обрабатывают результат с учетом градуировочной зависимости, полученной при установке в камеру образцовых источников излучения.

Использовать способ определения радиоактивности с помощью ионизационных камер напрямую нельзя, так как в нейтронных трубках в выключенном состоянии возникновение ионизационного тока невозможно, поскольку длина свободного пробега бета-частицы, вылетевшей с тритиевой мишени, намного больше расстояния между мишенью и другими электродами трубки, что сводит к минимуму вероятность ионизации остаточного газа. Можно было бы извлечь мишень и измерить ее радиоактивность в газе, но нейтронная трубка имеет герметичный корпус с вакуумом ~10^-5 Торр внутри, поэтому доступ к мишени невозможен без вскрытия корпуса трубки и потери ее работоспособности.

Прототипом изобретения является способ измерения абсолютной активности β-излучателя [ГОСТ 26306-84. ИСТОЧНИКИ БЕТА-ИЗЛУЧЕНИЯ РАДИОНУКЛИДНЫЕ ЗАКРЫТЫЕ. Методы измерения параметров. Общие требования безопасности. Введ. 01.01.1986. - М.: Изд-во стандартов, 1985. - 13 с.], основанный на измерении электрометром тока, стекающего с массивного измерительного электрода (цилиндр Фарадея), выполненного в виде стакана и изолированного от земли, внутри которого помещен бета-излучатель, поток бета-частиц с которого в геометрии 2⋅π собирается электродом и сообщает ему заряд. Электрод и источник помещены в вакуумированный кожух, чтобы исключить ионизацию воздуха ионизирующими частицами.

Согласно прототипу, для измерения радиоактивности тритиевой мишени необходимо поместить тритиевую мишень в цилиндр Фарадея и обеспечить геометрию собирания заряда 2⋅π.

Недостатком прототипа является невозможность определения радиоактивности тритиевой мишени в запаянной нейтронной трубке без вскрытия корпуса трубки и демонтажа мишени.

Техническим результатом предлагаемого способа является возможность определения радиоактивности тритиевой мишени в запаянной нейтронной трубке без вскрытия корпуса трубки и демонтажа мишени.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения радиоактивности тритиевой мишени в запаянной нейтронной трубке, заключающемся в измерении тока с измерительного электрода, собирающего поток бета-частиц с бета-источника, причем измерительный электрод и бета-источник находятся в вакууме, управляющие электроды нейтронной трубки, электрически изолированные от тритиевой мишени, электрически соединяют вместе, формируя измерительный электрод, к измерительному электроду подключают источник постоянного напряжения положительной полярности от 80 до 140 В, бета-ток I_β измеряют в электрической цепи, состоящей из измерительного электрода, источника постоянного напряжения и мишенного электрода с тритиевой мишенью, посредством включения в цепь измерителя тока, неизвестную радиоактивность тритиевой мишени А_{неизвестная} в нейтронной трубке определяют, используя полученное значение бета-тока, по формуле

А_{неизвестная}=K_м⋅I_β,

где K_м - калибровочный коэффициент, для определения которого берут n нейтронных трубок данного типа с известной радиоактивностью тритиевых мишеней A_Mi,, для каждой трубки регистрируют значения бета-тока I_βi и на основании полученных значений определяют K_м по формуле

где , - средние значения величин I_βi и А_Mi,

- среднее значение произведения величин A_Mi и I_βi,

- среднее значение квадрата величины I_βi.

Принципиальная схема, поясняющая способ измерения радиоактивности тритиевой мишени в нейтронной трубке, представлена на фиг. 1. Принятые обозначения: 1 - измерительный электрод, 2 - мишенный электрод, 3 - тритиевая мишень, 4 - изолятор, 5 - измеритель тока, 6 - экран, 7 - источник постоянного напряжения, 8 - внешние выводы управляющих электродов, 9 - поток бета-частиц.

На фиг. 2. представлена зависимость бета-тока на измерительном канале от напряжения на измерительном электроде (положительная ветвь BAX) для двух групп трубок (группа №1, группа №2) одинакового типа с различными значениями радиоактивностей установленных в них тритиевых мишеней 3 при различных коэффициентах насыщения трития в титановой мишени, представляющим собой отношение трития к титану T/Ti. Для группы №1 средняя радиоактивность 3,5⋅10¹¹ Бк, для группы №2 - 2,4⋅10¹¹ Бк.

На фиг. 3 показана типовая зависимость исходной радиоактивности тритиевой мишени от бета-тока с мишени в трубке А_M (I_β) для данного типа трубок, характеризующаяся калибровочным коэффициентом K_M.

Нейтронная трубка, радиоактивность мишени которой требуется измерить, включает в себя мишенный электрод 2, тритиевую мишень 3, изолятор 4 и управляющие электроды, имеющие внешние выводы 8. Тритиевая мишень 3, испускающая поток 9 бета-частиц, расположена на мишенном электроде 2, который соединен с изолятором 4, на противоположной стороне которого располагаются внешние выводы 8 управляющих электродов. Для реализации заявленного способа необходимы измерительный электрод 1, источник 7 постоянного напряжения, измеритель 5 тока, экран 6.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Образуют измерительный электрод 1 путем электрического соединения внешних выводов 8 управляющих электродов нейтронной трубки, отделенных изолятором 4 от мишенного электрода 2 с тритиевой мишенью 3. К измерительному электроду 1 подключают положительный вывод источника 7 постоянного напряжения. Отрицательный вывод источника 7 постоянного напряжения соединяют с одним из выводов измерителя 5 тока, второй вывод измерителя 5 тока соединяют с мишенным электродом 2. Таким образом, получают электрическую цепь, состоящую из измерительного электрода 1, источника 7 постоянного напряжения, измерителя 5 тока, мишенного электрода 2 с тритиевой мишенью 3 и потока 9 бета-частиц. С целью уменьшения электромагнитных наводок, нейтронную трубку с измерительной электрической схемой помещают в экран 6.

Тритиевая мишень 3, входящая в состав запаянной нейтронной трубки, является бета-источником, который создает поток 9 бета-частиц. Измерительный электрод 1 собирает поток 9 бета-частиц с бета-источника, причем измерительный электрод 1 и бета-источник (тритиевая мишень 3) находятся в вакууме. С помощью измерителя 5 тока измеряют бета-ток I_β в электрической цепи.

Подавая напряжение U от источника 7 постоянного напряжения, повышают чувствительность метода за счет коэффициента усиления К_у, который равен отношению величины I_β при заданном напряжении к величине I_β при отсутствии напряжения.

Неизвестную радиоактивность тритиевой мишени А_{неизвестная} в нейтронной трубке определяют, используя полученное значение тока I_β, по формуле

А_{неизвестная}=K_M⋅I_β.

Для определения калибровочного коэффициента K_M изучают работу однотипных вакуумных нейтронных трубок в количестве n штук с различным насыщением тритиевой мишени 3 с известными коэффициентами насыщения T/Ti в мишени, т.е. с известной радиоактивностью A_Mi. Экспериментально измеряют I_βI, соответствующее известной радиоактивности A_Mi.

Для повышения чувствительности метода измерения бета-тока I_βi снимают вольтамперную характеристику (ВАХ) и определяют напряжение U, при котором бета-ток I_βi переходит в насыщение. Для примера приведем ВАХ трубок с различным насыщением тритиевой мишени 3 с коэффициентами насыщения T/Ti в мишени равными 1,8 (группа №1) и 0,9 (группа№2). Положительная ветвь ВАХ групп трубок с различными коэффициентами насыщения трития T/Ti в титановой мишени представлена на фиг. 2. На фиг. 2 приведены экспериментальные значения бета-тока на измерительном электроде для каждой трубки, которые имеют некоторый разброс (для группы №1 и группы №2), обусловленный экспериментальной погрешностью при насыщении мишени 3 тритием. В группе №1 с коэффициентом насыщения T/Ti равными 1,8 представлены трубки №№1, 2, 3 со средней радиоактивностью мишени 3,5⋅10¹¹ Бк, в группе №2 с коэффициентом насыщения T/Ti 0,9 - трубки №№4, 5, 6, 7 со средней радиоактивностью мишени 2,4⋅10¹¹ Бк. Для группы №1 серия кривых ВАХ находятся сверху, для группы №2 кривые расположились ниже. Диапазон напряжения U, где бета-ток переходит в насыщение, начинается уже с 40 В. На практике удобно использовать напряжение U=100 В для измерения бета-тока с усилением чувствительности.

В таблице приведены значения бета-токов при отсутствии напряжения между измерительным электродом 1 и мишенью 3 и с приложенным напряжением 100 В, а также радиоактивности мишеней этих трубок. Коэффициент усиления, равный отношению величины бета-тока в этой точке (при подаче с источника 7 постоянного напряжения U=100 В) к величине бета-тока при отсутствии напряжения (U=0 В), будет равен К_у=2,5. Таким образом, при подключении источника 7 постоянного напряжения повышается чувствительность метода измерения бета-токов и, как следствие, способа измерения радиоактивности тритиевой мишени 3 в запаянной нейтронной трубке.

На фиг. 3 показана типовая зависимость исходной радиоактивности тритиевой мишени от бета-тока с мишени в трубке А_M (I_β) для данного типа трубок при подаче с источника 7 постоянного напряжения U=100 В (бета-тока с мишени 3 в трубке равен току на измерительном электроде 1). В рассмотренном примере были выбраны трубки в количестве n=7 одного типа: группа №1 (трубки №№1, 2, 3) и группа №2 (трубки №№4, 5, 6, 7). Значения бета-токов и радиоактивности мишеней, представленные на графике на Фиг. 3, пропорциональны и характеризуются калибровочным коэффициентом K_M. Для группы №1 средняя радиоактивность 3,5⋅10¹¹ Бк, для группы №2 - 2,4⋅10¹¹ Бк. Коэффициент K_M получаем по формуле

,

[Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 688 с.]. Подставляя экспериментальные значения А_Мi и I_βi, получаем для данного типа трубок K_M=1,69⋅10²⁰ Бк/А. Таким образом, определяется калибровочный коэффициент K_M, для чего было выбрано n нейтронных трубок данного типа с известной радиоактивностью тритиевых мишеней A_Mi,, при этом для каждой трубки с помощью измерителя 5 тока регистрируют значения бета-тока I_βi при подаче напряжения U с источника 7 постоянного напряжения. Полученное значение K_M используют для определения неизвестной радиоактивности тритиевой мишени А_{неизвестная} нейтронной трубки данного типа, измерив бета-ток I_β и проведя вычисления по формуле А_{неизвестная}=K_M⋅I_β.

Рассматриваемый способ предназначен для измерения радиоактивности тритиевой мишени внутри нейтронной трубки в диапазоне от 1⋅10⁷ до 5⋅10¹² Бк.

Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно возможность определения радиоактивности тритиевой мишени в запаянной нейтронной трубке без вскрытия корпуса трубки и демонтажа мишени.