СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ БЕТА-РАДИОАКТИВНЫХ ГАЗОВ

Изобретение относится к области радиохимии и может быть использовано при проведении технологического контроля или научно-исследовательских работ, связанных с изучением кинетики взаимодействия бета-радиоактивных газов, в частности трития, с различными металлами и сплавами, изотопно-обменных процессов в гетерогенных средах, в масс-спектрометрии и других областях науки и техники, где требуется проведение измерений концентрации бета-радиоактивных атомов (Т, ¹⁴С, ¹⁸F и др.) и их соединений в газовой фазе.

Известны различные способы регистрации бета-частиц: ионизационные, фотографические, химические, калориметрические, полупроводниковые и др. [1-4]. Конструктивно для регистрации бета-частиц применяют тонкостенные цилиндрические и торцевые бета-счетчики, а также проточные счетчики. Тонкостенными цилиндрическими счетчиками регистрируют бета-частицы с энергией не менее 500-700 кэВ, так как алюминиевые и стальные катоды этих счетчиков имеют условную предельную толщину 30-50 мг/см². Бета-частицы с энергией от 100-200 кэВ регистрируют торцевыми счетчиками со слюдяными окнами, имеющими толщину 1-5 мг/см² [2].

Аналогом предлагаемого способа служит способ регистрации заряженных частиц с использованием ионизационных камер-детекторов, основанных на измерении ионизационного тока в газах под воздействием энергии бета-частиц и представляющих собой конденсаторы различной формы. Число образующихся пар ионов в значительной мере зависит как от внутренних, так и внешних факторов, в частности: радиоактивности регистрируемого газа, энергии бета-частиц, состава, давления и температуры газа в ионизационной камере [1-3]. Различают два основных режима работы ионизационных камер: импульсный и токовый.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ токового режима работы ионизационной камеры. Принцип работы ионизационных камер в токовом режиме заключается в следующем: бета-частица, пролетая рабочее пространство датчика, в зависимости от энергии образует определенное число пар ионов газа, заполняющего объем датчика, что создает ток в регистрирующей цепи данного устройства. Таким образом, для количественного определения радиоактивности газа предварительно проводят калибровку ионизационной камеры путем соотнесения величины регистрируемого сигнала с известной радиоактивностью облучающего эталона. Конструктивно ионизационные камеры (плоские, цилиндрические, сферические, многоэлектродные и пр.) отличаются друг от друга по роду газа (воздух, аргон, трехфтористый бор и др.), наполняющего камеру, и по давлению данного газа в камере. Измерение бета-излучения с помощью ионизационных камер производится, в основном, для определения концентрации радиоактивных элементов (Т, ¹⁴C, ¹⁸F, ³⁶Cl, ³⁸Cl, ³⁹Ar, ⁸⁵Kr, ¹³³Xe), для измерения препаратов искусственных радиоактивных изотопов, а также для измерений дозы или мощности дозы в поле бета-излучателей [1].

Недостатками известного способа являются:

- определение концентрации бета-радиоактивного газа основано на регистрации вторичного эффекта - тока, создаваемого при ионизации бета-частицами рабочего газа и зависящего от величины энергии бета-частиц, что, как следствие, влияет на точность получаемых результатов;

- для каждого диапазона энергий регистрируемых бета-частиц требуется разработка индивидуальной конструкции измерительного устройства [2], в частности диапазон энергии бета-частиц может составлять от 0,0056 МэВ (7) до 4,11 МэВ (³⁶Cl) [5];

- зависимость регистрируемого значения тока от параметров газа в ионизационной камере: давления, температуры и состава газа [1];

- наличие порогового значения тока насыщения, то есть при увеличении дозы излучения (концентрации бета-частиц) величина регистрируемого тока остается постоянной.

Сумма перечисленных факторов отражает сложность и индивидуальность подхода при изготовлении регистрирующего устройства для каждого радиоактивного изотопа. Кроме того, каждое устройство работает в строгом диапазоне концентраций и энергий бета-частиц. Все это, как следствие, сказывается на точности определения радиоактивных изотопов в газовой фазе, и увеличение точности ведет к значительному возрастанию трудоемкости выполняемых работ.

Таким образом, задачей изобретения является создание способа, позволяющего проводить прямые измерения концентрации бета-радиоактивных газов в газовых смесях с высокой точностью и достоверностью получаемых результатов. Кроме того, регистрируемый сигнал не должен зависеть от энергии бета-частиц, состава газа и должен иметь линейную зависимость от числа распавшихся ядер бета-радиоактивного газа.

Технический результат, получаемый при использовании изобретения, заключается в том, что:

- реализуется возможность проводить прямое определение концентрации бета-радиоактивных атомов и молекулярных соединений на их основе (HT, DT, T₂, CH_xT_4-x, ^l4CH₄, ³⁹Ar, ¹³³Kr, ¹³³Xe и др.) в газовых смесях с прецизионной точностью и в широком диапазоне концентраций вне зависимости от энергии бета-частиц, применяя одно устройство для любого радиоактивного газа.

Поставленная задача решается тем, что при осуществлении способа, включающего проведение калибровки регистрирующего устройства, регистрации выходного сигнала и расчете концентрации бета-радиоактивного газа, согласно изобретению регистрируют абсолютное давление газа в системе, в качестве выходного сигнала регистрируют потенциал (U_β), создаваемый на сопротивлении нагрузки при прохождении тока бета-частиц, образующихся в результате радиоактивного распада ядер бета-радиоактивного газа в регистрирующем устройстве, а расчет концентрации бета-радиоактивного газа выполняют по формуле

где P_Σ - абсолютное давление исследуемой газовой смеси;

P_β - парциальное давление бета-радиоактивного газа в исследуемой газовой смеси, вычисляемое по формуле

где K_β - коэффициент чувствительности датчика [Па/В], определяемый при калибровке на газовой смеси с известной концентрацией бета-радиоактивного газа;

U_β - регистрируемое выходное значение потенциала регистрирующего устройства [В].

Другим отличием способа является то, что калибровку датчика регистрации бета-частиц проводят с использованием газовой смеси бета-радиоактивного газа известной концентрации (C_β), регистрируют попарно значения абсолютного давления (P_∑) и выходное значение потенциала регистрирующего устройства (U_β) необходимое число раз (n), на основании полученных значений определяют калибровочный коэффициент чувствительности датчика бета-частиц (K_β) по формуле

где P_β=P_∑·C_β;

- среднее значение суммы произведений величин P_β и U_β;

- произведение средних значений величин P_β и U_β;

- среднее значение суммы квадратов величины U_β,

- квадрат среднего значения величины U_β.

В основе предлагаемого способа заложен принцип регистрации тока заряженных бета-частиц, образующихся при радиоактивном распаде бета-радиоактивного газа, находящегося в газовой смеси при давлении, не превышающем 133 Па (1 мм рт.ст.). При данном давлении длина свободного пролета бета-частицы будет соизмерима с размерами регистрирующего устройства [1] и эффект ионообразования исходного газа будет минимальным. Кроме того, выходной регистрируемый сигнал (U_out) датчика (фиг.1) пропорционален (линейно) количеству образующихся бета-частиц в соответствии с законом радиоактивного распада (4), уравнением состояния идеального газа (5) и током (6), создаваемым бета-частицами.

Скорость радиоактивного распада (А) описывается уравнением вида

где λ - постоянная радиоактивного распада, с^-1;

N_β - число бета-радиоактивных атомов.

Число атомов (молекул) связано с парциальным давлением уравнением состояния идеального газа

где N_M - число молекул (атомов) газа;

V - объем регистрирующей системы; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

Например, ядро изотопа водорода-трития распадается по схеме со скоростью A (4) с образованием β-электрона, имеющего заряд е=-1.6-10^-19 Кл. Вследствие этого в регистрирующем устройстве (фиг.1) будет протекать ток, который пропорционален числу распавшихся ядер трития. Таким образом, уравнение для тока β-электронов (I_β) можно представить следующим образом:

В соответствии со схемой, представленной на фиг.1, регистрируемый потенциал на выходе усилителя с коэффициентом усиления (K_y) составит

Введя замену в уравнении (7) всех констант на Z=λ·e·R·K_y, получаем

Уравнение (8) показывает, что регистрируемый сигнал (U_out) линейно зависит от числа атомов трития. В работе [6] показано, что при давлении свыше 3 мм рт.ст. газовой смеси, содержащей тритий (30%), начинается нелинейная область, связанная с влиянием процесса радиационного ионообразования в газовой смеси. Таким образом, выбор верхнего предела рабочего давления в 133 Па считается вполне обоснованным.

На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства регистрации бета-частиц. На фиг.2 приведена градуировочная характеристика устройства регистрации бета-частиц, выполненная при концентрации трития 97,0%. На фиг.3 представлен термодесорбционный спектр выделения трития и радиогенного гелия-3 из тритида титана при линейном нагреве образца.

Устройство на фиг.1 состоит из следующих деталей: 1 - фланец напуска газа; 2 - корпус, изготовленный из нержавеющей стали типа 12Х18Н10Т и имеющий внешний нагреватель до температуры не менее 200°С; 3 - рабочий объем не менее 10 см³; 4 - анод; 5 - сетка, изготовленная из сплошной медной проволоки таким образом, что перекрывается свободный пролет бета-частиц в объеме датчика; 6 - сопротивление нагрузки (1-10 МОм) согласуется с внутренним сопротивлением усилителя; 7 - усилитель термостабилизированный, с коэффициентом усиления (K_y) не менее 1000; 8 - высокоточный источник питания.

На фиг.2 показан градуировочный график для определения коэффициента чувствительности датчика трития, выполненный при концентрации трития 97%,

K_β=16,975·133,33·0,97=2,195·10³ Па/В.

На фиг.3, в качестве примера, представлен термодесорбционный спектр выделения трития и радиогенного гелия-3 из тритида титана при линейном нагреве, 1 - значения потенциала датчика регистрации бета-электронов, 2 - значения абсолютного давления газа в системе. Как видно из фиг.3, начало выделения газа (³He) происходит при температуре 450 К. При этом тритий не выделяется, о чем свидетельствуют показания датчика бета-электронов. Выделение трития происходит в диапазоне температур 650-950 К.

Способ осуществляется следующим образом: согласно изобретению калибровку датчика проводят по газовой смеси с известной концентрацией бета-радиоактивного газа путем одновременной регистрации абсолютного давления газовой смеси и регистрации выходного сигнала датчика. Градуировку датчика на примере трития проводят следующим образом. Выполняют балансировку регистрирующего тракта усилителя для того, чтобы выполнялось условие: U_out=0 при P=0, где U_out=I_β·R·K_y - потенциал на выходе электрометрического усилителя, с коэффициентом усиления K_y, R - сопротивление нагрузки, I_β - ток бета-электронов; P - показания датчика абсолютного давления с верхним пределом измерения 133 Па. Проводят напуск трития известной концентрации (C_T2) в регистрирующую систему до давления P≈120 Па. Регистрируют значения U_out(j), P(j). Далее, уменьшая давление на 10 Па, проводят регистрацию значений U_out(j), P(j) до остаточного давления 10 Па. Выполняют данную процедуру в обратном порядке, то есть начинают с минимального давления, постепенно повышая, достигают максимума и повторяют весь цикл не менее трех раз. На основании полученного массива значений U_out(j=1…n), P(j=1…n), где n - статистически значимое количество измерений, вычисляют среднеарифметические значения U, Р и их среднеквадратические отклонения. Делают поправку для значений Р с учетом реальной концентрации трития C_T2, то есть P_T2=C_T2·Р.

На основании полученных значений (U_out(j=1…n), P_T2(j=1…n)) определяют методом наименьших квадратов коэффициент корреляции (ρPV), калибровочный коэффициент (K_T2) и его среднеквадратическое отклонение (σK) по формулам (9-12)

где - дисперсия результатов измерения; ; P_j - среднеарифметическое значение величины давления; аналогично вычисляются и остальные величины

, , , , .

Оценку диапазона регистрируемых концентраций выполняют следующим образом. Удельная активность газообразного трития при максимальном рабочем давлении 133 Па (1 мм рт.ст.) составляет 1,266·10⁸ Бк·см^-3. С учетом свободного объема датчика V₀=10 см³ максимальная активность в рабочем объеме датчика составит A_max=12,66·10⁸ Бк. Учитывая полученное значение A_max и параметры электрической схемы (R=1,0 МОм, K_y=10³), находят граничные значения концентрации трития. Для этого определяют максимально-возможный ток (I_max) в цепи датчика и напряжение на выходе усилителя (U_out)

I_max=A_max·e=12,66·10⁸·1,6·10^-19=2·10^-10 А;

U_max=I_max·R=2·10^-10·10⁶=2·10^-4 B,

U_out=K _y·U_max=10³·2·10^-4=0,2 В.

Таким образом, при условии 100% концентрации трития и давлении 133 Па регистрируемый сигнал с датчика составит 0,2 В. Система регистрации аналогового сигнала состоит из 12-разрядного АЦП (4095 градаций) типа PCL-818HG с минимальным диапазоном измерения ±0,005 В. Тогда, принимая отношение минимального сигнала (U_min) к младшему разряду АЦП, равное 2, и отбрасывая младший разряд, получают

Следовательно, минимально определяемая концентрация трития будет составлять 2,5-10^-3 %. Что в абсолютных единицах будет соответствовать пределу чувствительности датчика по парциальному давлению трития и составит 3,3·10^-3 Па (2,5·10^-5 мм рт.ст.). На основании полученных значений динамический диапазон измерения концентрации трития соответственно составляет 10⁵, что сопоставимо по чувствительности с масс-спектрометрическим методом анализа, в частности, для масс-анализатора МХ-7304.

Оценку методической относительной погрешности определения концентрации трития в газовой смеси выполняют следующим образом.

Исходные данные:

- относительная погрешность датчика давления (σ_p) фирмы Varian не превышает 0,15% [7];

- относительная погрешность содержания трития в калибровочной смеси (σ_P) не более 0,2%;

- относительная погрешность электрометрического усилителя (σ_T), согласно [8, 9], не превышает 5-10^-4%.

Относительная погрешность измерения концентрации трития (σ_ДТ) зависит от следующих основных составляющих ее погрешностей: σ_K - погрешность содержания трития в эталонном газе (относится к систематической погрешности), σ_P - погрешность определения давления (при градуировке датчика и при проведении измерений), σ_U - суммарная погрешность регистрирующего канала. Кроме того, доминирующей и систематической погрешностью измерения будет служить погрешность полученного градуировочного коэффициента K_β(σ_ГК).

Подставляя значения, получим

;

.

Относительная методическая погрешность измерения концентрации трития составляет не более 0,3%.

Использование изобретения позволит проводить определение концентрации атомов бета-радиоактивных газов, находящихся в любой молекулярной структуре в газовой смеси независимо от состава этого газа и энергии образующихся бета-частиц, при этом точность измерений зависит только от точности измерения давления и потенциала.

Применение данного способа как в комбинации с масс-спектрометрическим анализом, так и отдельно является перспективным инструментом в исследовании процессов изотопного обмена водорода и его взаимодействия с металлами и сплавами.

Источники информации

1. Росси Б., Штауб Г. Ионизационные камеры и счетчики. Под ред. Жданова Г.Б. М.: Иностранная лит., 1951.

2. Сидоренко В.В., Кузнецов Ю.А., Оводенко А.А. Детекторы ионизирующих излучений. Справочник. Л., Судостроение, 1984.

3. Лукьянов В.Б. Измерение и идентификация бета-радиоактивных препаратов // Госатомиздат, 1963.

4. Методы измерения трития. США: Пер. с англ. Под ред. Ю.В.Сивинцева. - М.: Атомиздат, 1978. - США, 1976.

5. Изотопы и свойства элементов. Справ. изд. / Куликов И.С., Металлургия. 1990.

6. David R. Voorhees, Richard L. Rossmassler, Gretchen Zimmer, Tritium analysis at TFTR, Prinston Plasma Physics Laboratory, Prinston University, Contract # DE-AC02-76-CH03037, 1995.

7. Calibration Test Report. Varian CMR 401, Accuracy max. 0.15% of reading.

8. Low Noise Preamplifier Model 5113. AMETEK Advanced Measurement Technology, Inc.

9. Манойлов В.В., Мелешкин А.С. и др. Аппаратное обеспечение систем автоматизации изотопных масс-спектрометров. Приборы и техника эксперимента, №3, 1997.