Введение. 
Определение естественного радиоактивного фона

При проведении лабораторных работ на кафедре радиохимии и прикладной экологии перед нами были поставлены следующие задачи:

• — определение естественного радиоактивного фона;
• — измерение фона;
• — поиск путей уменьшения фона;
• — усовершенствование защиты «свинцового домика»;
• — апробация детектора с различными сосудами (сосуд Маринелли, Дента, цилиндрическая баночка) под различным телесным углом.

Определение естественного радиоактивного фона

Измеренные значения интенсивностей спектров на германиевом детекторе GEM-50 были взяты в сравнении со значениями фоновых характеристик спектрометра ORTEC GEM 30 185.

Ниже представлены описания и основные характеристики низкофоновых защитных камер, разработанных, изготовленных и используемых в лаборатории Э-015 МИФИ при проведении низкофонового HPGe радионуклидного анализа. Установленный в низкофоновую защитную камеру HPGe детектор далее именуется низкофоновым HPGe блоки детектирования гамма-излучения.

Для изготовления низкофоновой защитной камеры (в дальнейшем НЗК) используется комбинация следующих материалов:

• · внешняя оболочка — 10 см — обычный свинец;
• · внутренняя оболочка — 4.5 см — низкофоновый свинец;
• · облицовка внутренней оболочки — 4 мм — медь;
• · опорная рама — сталь;
• · подъемный механизм — сталь, латунь.

Радиационная чистота всех материалов и изготовленных из них деталей, контролируется на низкофоновом HPGe гамма-спектрометре.

Вес защиты в сборе с блоком детектирования не превышает 800 кг.

Габаритные размеры (включая пространство для открывания/сдвига крышки): 0,62×0,73×1,3 м (WxDxH).

На рисунке 1 представлена конструкция низкофоновой защитной камеры в сборе с детектором в погружном криостате. На рисунке 2 представлена конструкция низкофоновой защитной камеры в сборе с детектором в портативном интегральном криостате.

Камера состоит из низкофоновой защиты и подъемного механизма, смонтированных на опорной раме.

Опорная рама (10) изготовлена из стандартных стальных профилей (стойки и диагонали) и стального листа. Установочная площадь — 0,62×0,62 м. Для компенсации неровностей пола предусмотрены устройства изменения длины стоек.

Собственно низкофоновая защита выполнена по модульному принципу и состоит из:

• · внешней защитной цилиндрической оболочки;
• · внутренних цилиндрических модулей;
• · крышки.

Внешняя защитная оболочка (8) собрана из свинцовых «колец» весом около 30 кг каждое, которые притягиваются латунными шпильками к опорной раме. Аналогично изготовлена крышка (1). Для устранения прямого «прострела» внешнего гамма-излучения в детектор стыки на кольцах и внутренних защитных модулях (вставках) (2,4,6,7) сделаны с уступами и взаимно неперекрывающимися. С внешней стороны кольца оболочки и крышки покрыты краской, предотвращающей испарение свинца в воздух помещения.

Детектор (3) с переходным узлом устанавливается после сборки защиты. Установка или извлечение детектора из защиты не требует ее демонтажа.

Внутренние защитные модули (2,4,6,7) изготовлены из «низкофонового» свинца (с повышенной радиационной чистотой). Их установка производится после монтажа внешней оболочки и детектора. Образующийся после установки модулей внутренний объем позволяет реализовывать все используемые в Лаборатории измерительные геометрии.

Подъемный механизм (5) обеспечивает доступ внутрь НЗК для смены проб, замены внутренних модулей и извлечения детектора.

Подъемный механизм устанавливается после монтажа защитной камеры на опорной раме. Конструкция подъемного механизма обеспечивает плавный и легкий подъем крышки (усилие открывания, прикладываемое к рукоятке, около 50 Н) с последующим поворотом в сторону, а также надежную фиксацию крышки в открытом положении. Наличие ограничителей препятствует заносу крышки при ее открывании и повороте.

Для заливки азота используется метод вытеснения воздушным давлением: по трубке, введенной в заливной патрубок криостата детектора, подается азот из внешнего резервуара, в свободный объем которого насосом нагнетается воздух.

Для уменьшения вклада в фон установки гамма-излучения дочерних продуктов радионуклида ²²⁶Ra, внутренний объем защитной камеры постоянно продувается парами жидкого азота.

На рисунке 1 изображен низкофоновый блок детектирования в процессе испытаний в лаборатории Э-015 МИФИ.

Рисунок 1. Конструкция низкофоновой защитной камеры в сборе с детектором Для сравнения фоновых характеристик спектрометров с различными блоками детектирования был взят детектор ORTEC GEM 50Р4, используемый в лаборатории кафедры радиохимии и прикладной экологии № 315 при проведении низкофонового HPGe радионуклидного анализа, усовершенствованный нами свинцовой защитой.

Исследование воздействия фонового излучения на детектор ORTEC GEM 50Р4. Был проведен ряд измерений для исследования воздействия фона на детектор ORTEC GEM 50Р4.

Рисунок 2. Экспериментальный образец низкофонового блока детектирования (Рисунок 1) в процессе испытаний в лаборатории «Э-015» МИФИ.

Рисунок 3. Экспериментальный образец блока детектирования в процессе испытаний в лаборатории кафедры РХ и ПЭ № 315.

Рисунок 4. Конструкция защитной камеры в сборе с детектором Детектор ORTEC GEM 50Р4, используемый в лаборатории кафедры РХ и ПЭ № 315 при проведении низкофонового HPGe радионуклидного анализа, усовершенствованный нами свинцовой защитой, представлен на рис. 3, 4, 5 имеет следующие характеристики:

• · внешняя оболочка детектора представлена крышкой диаметром 41 см и свинцовыми стенками толщиной 9 см;
• · высота детектора — 9 см, диаметр детектора-2,6 см;
• · свинцовая защита, окружающая детектор шириной 2 см;
• · свободное пространство — имеет диаметр 23,5 см;
• · алюминиевая труба — диаметром 9 см и толщиной 0,1 см, высота — 17,5 см.
• · Вес защиты в сборе с блоком детектирования не превышает 600 кг.
• · Наша задача сравнить низкофоновый оболочку со свинцовой защитой, которая была залита в мае 2012.
• · Был произведен сравнительный анализ фоновых характеристик спектрометров с различными блоками детектирования, ниже представлена таблица сравнительного анализа.

Рисунок 5. Схема защитной камеры в сборке с детектором Таблица 1.

Сравнительный анализ фоновых характеристик спектрометров с различными блоками детектирования (обработка импульсов по пикам).

При сравнении наблюдаемых характеристик фонового излучения отчетливо видно, что для линий ²³²Th, среднее отношение 3−4, ²²⁶Ra 11−13, ¹³⁷Cs 18 (НАША ГРЯЗЬ), ⁴⁰K 24. Как видим для разных энергий, но одного радионуклида отношение скоростей счёта примерно одинаковы. Резкое превышение среднего отношения ⁴⁰K 24 над другими значениями, что является следствием того, что снизу домик имеет отверстие.

Отношение непрерывной составляющей фона спектрометра составляет 2−4 и ближе к ²³²Th. Возможно, сказывается влияние радона.

Таблица 2.

Непрерывная составляющая фона спектрометра.

Вывод: коэффициенты ослабления находятся в допустимых пределах от 2−4, а в зоне 40−140 кэВ получаем значения коэффициента ослабления 9,48, что говорит нам о том, что в этой зоне больше пиков и детектор GEM 50Р4 менее защищен слоем свинца.