Неразрушающий контроль материалов с помощью спектрометра-дозиметра «СПЕДОГ»

В.А.Чернов, В.П.Семенов, Л.А.Трыков, А.Н.Николаев, ГНЦ РФ Физико-энергетический институт (ГНЦ РФ-ФЭИ), г.Обнинск, Россия

На ядерных объектах существует несколько типов высокоактивных источников радиации: технологическое оборудование (включая ядерный реактор), радионуклидные источники нейтронов и гамма-излучения, радиоактивные отходы, отработанное ядерное топливо.

При обращении с высокорадиоактивными материалами важно контролировать не только интегральную мощность дозы излучения, но и радионуклидный состав материалов и мощность дозы от наиболее активных излучателей. Поэтому наряду с использованием дозиметров нейтронов и гамма-излучения весьма полезным является применение спектрометров излучений, прежде всего гамма-спектрометров. Особый интерес при этом представляют переносные и носимые гамма-спектрометры, так как с их помощью гораздо проще осуществлять неразрушающий контроль радиоактивных материалов непосредственно в местах их расположения.

В настоящее время для спектрометрии гамма-излучения, кроме традиционно используемых детекторов на основе Ge и NaI, получают распространение детекторы CdTe, CdZnTe и Si-Li, которые можно использовать без охлаждения [1-6]. Спектрометры гамма-излучения значительно различаются по характеристикам и стоимости, и выбор прибора для конкретных задач зависит от совокупности многих факторов.

Особенности спектрометра-дозиметра СПЕДОГ

Спектрометр гамма-излучения на основе Si_Li детектора, именуемый СПЕДОГ, производится в «Спектрометрическом центре» ГНЦ РФ-ФЭИ совместно с ЭНИМЦ «Моделирующие системы» (г.Обнинск). Описание спектрометра содержится в работах [1-5]. Основные особенности спектрометра:

• По энергетическому разрешению спектрометр на основе детектора Si-Li наиболее близок к спектрометру на основе детекторов CdTe.

• Спектрометр СПЕДОГ способен работать в полях гамма-излучения как минимум до 1 Р/час без использования поглощающих насадок для детектора.

• В отличие от других спектрометров, в СПЕДОГе при расшифровке спектров учитываются все основные виды взаимодействия гамма-излучения с детектором. Это позволяет получать не только энергетический спектр пиков без высокой «подложки», но и гладкую часть спектра, что в свою очередь позволяет определять плотность потока гамма-квантов и мощность дозы гамма-излучения - интегральную и от отдельных радионуклидов.

• Детектор Si-Li обладает гораздо меньшей чувствительностью к сопутствующему нейтронному излучению по сравнению с детекторами Ge-Li и CdTe, Детектор Si-Li практически нечувствителен к нейтронам с энергией ниже 5 МэВ.

Работа авторов с кремниевыми детекторами типа КХ605А в течение нескольких лет показала, что используемые Si-Li детекторы с толщиной чувствительного слоя 2-3 мм практически не изменили свои характеристики в течение этого срока.

Сравнение спектрометров гамма-излучения по основным характеристикам

В таблице 1 приводятся основные характеристики современных спектрометров гамма-излучения. В таблице 2 содержатся значения энергетического разрешения этих спектрометров при нескольких значениях энергии гамма-квантов. Данные получены в «Спектрометрическом центре» ГНЦ РФ-ФЭИ. Характеристики спектрометров на основе детекторов CdTe и CdZnTe, представлены в работе [6].

Испытания прибора «СПЕДОГ»

Для обоснования возможности использования спектрометра СПЕДОГ для практической спектрометрии высокоактивных материалов в производственных условиях были проведены испытания прибора на:

• первой в мире АЭС (ГНЦ РФ-ФЭИ)

• Ленинградской АЭС

• установке БР-10 (ГНЦ РФ-ФЭИ)

• Московском НПО «РАДОН»

Измерения спектров гамма-излучения проводились спектрометром в автономном режиме, его питание осуществлялось от встроенных аккумуляторов. Датчик спектрометра соединялся с основным блоком кабелем РК-50 длиной 5 м. После каждого измерения спектры записывались в память прибора, и с дисплея снимались значения мощности дозы гамма-излучения в точке измерения. После окончания работы все аппаратурные спектры были переписаны в память компьютера через входной порт. С помощью программ, входящих в методическое обеспечение прибора, были получены энергетические спектры пиков и групповые спектры. Используя спектры пиков, были идентифицированы наиболее активные излучающие изотопы и плотность потока гамма-квантов от отдельных изотопов. Из групповых спектров были получены потоки фотонов в отдельных группах и мощность дозы гамма-излучения.

Таблица 1. Основные характеристики спектрометров гамма-излучения

Тип детектора
Ge-Li
NaJ
стильбен
CdTe
0.5 см3
Si-Li (СПЕДОГ)
Энергетический диапазон, МэВ
0.06-12
0.06-12
0.06-12
 0.05-1.5
0.06-3
Разрешение, кэВ          
                при Е= 1 МэВ
                при E= 0.66 MэВ

3-5

80

100
 
 
10-20

25-30
 Необходимость охлаждения детектора
+




Определение интегральной мощности дозы и плотности потока гамма-излучения


+

+
 Диапазон работы по мощности дозы гамма-излучения, мР/ч
 
0.01-10

0.01-10

0.01-10

0.01-10

0.01-1000
Масса, кг
7-10
5-8
4-5
4-5
3
Работа в поле нейтронов


+

+
Средняя цена, тыс.  $
25-35
10-15
10-15
 10-15
4-5

Таблица 2. Энергетическое разрешение спектрометров гамма-излучения в «Спектрометрическом центре» ГНЦ РФ-ФЭИ
Энергия гамма-квантов, кэВ
Разрешение  детекторов,  кэВ
 

Cs-I
30х24 мм
Na-I
24х24 мм
Стильбен
30х20 мм
Si-Li
0.5 см3
Ge-Li
60
28
18
18
12
3-5
511
90
65
55
30
3-5
661
110
70
60
30
3-5
1173
130
80
80
30
3-5
1332
140
100
95
30
3-5
2620
 

140
140
40
3-5

При испытаниях была получена следующая информация:

– Спектральные характеристики облученных стартовых материалов в отделе радиационных технологий ЛАЭС:

• спектрометрические картограммы радиационной обстановки в помещениях и на оборудовании объектов;

• спектрометрических характеристики радиоактивных отходов (РАО);

• спектрометрические характеристики отработанного ядерного топлива (ОЯТ).

По данным измерений были получены полные спектры гамма-излучения, идентифицированы основные радионуклиды, определены плотности потока фотонов, мощность дозы от каждого радионуклида и полная мощность дозы. Интегральная мощность дозы измерялась также штатным дозиметром ДРГ-5. Один из спектров был измерен на стационарной спектрометрической установке на основе детектора Ge-Li.

Результаты испытаний

Результаты испытаний представлены в актах испытаний спектрометра-дозиметра СПЕДОГ на Ленинградской АЭС, Первой АЭС, установке БР-10. Все полученные данные помещены в базу данных, созданную в «Спектрометрическом центре» ГНЦ РФ-ФЭИ на основе банка данных «Защита» [7]. Некоторые из измеренных спектров приводятся ниже.

Анализ результатов

Полученные результаты показывают следующее:

1. Разрешение гамма-пиков в спектрах, измеренных спектрометром СПЕДОГ-01, не превышает 40 кэВ при мощности дозы гамма-излучения до 1 Р/час.

2. Различия между показаниями дозиметра ДРГ-05 и СПЕДОГ-01 не превышают 15% при мощности дозы гамма-излучения до 1Р/час.

3. Программное обеспечение спектрометра позволяет: получать спектры пиков, групповые спектры гамма-излучения, плотность потока моноэнергетических гамма-квантов, интегральную мощность дозы и мощность дозы от каждого радионуклида, идентифицировать наиболее активные излучающие изотопы.

4. Гамма-активность технологического оборудования, радиоактивных отходов, отработанного ядерного топлива на ядерных объектах определяется излучением радионуклидов нескольких типов – Cs134, Cs137, Co60 и некоторых других.

Спектрометр-дозиметр СПЕДОГ позволяет выделять излучение этих основных нуклидов в спектре пиков.

 
Рис.1. Спектр пиков g-излучения над бассейном с отработавшим топливом блока 4 ЛАЭС. Время набора спектра T=96с. Мощность дозы в точке измерения составляла 78 мР/ч  (СПЕДОГ) и 72 мР/ч (ДРГ-5). Плотность потока фотонов, j(E)dЕ,
фотон/см2*с:
   2.7*104  (Cs137)
   2.8*103 (Cs134)
   5.0*103 (Co60)


 
Рис.2. Спектр пиков g-излучения на поверхности  теплообменника водяного охлаждения установки БР-10. Мощность дозы в точке измерения составляла 15 мР/ч  (СПЕДОГ) и 16 мР/ч (ДРГ-5). Плотность потока фотонов, j(E)dЕ, фотон/см2*с:
   2.1*103 (Co60)
 
Рис.3. Спектр пиков g-излучения от контейнера для облучения стартовых материалов в отделе радиационных технологий ЛАЭС. Мощность дозы в точке измерения составляла 115 мР/ч  (СПЕДОГ) и 120 мР/ч (ДРГ-5). Плотность потока фотонов, j(E)dЕ, фотон/см2*с:
    1.9*104 (Sb124)
    1.3*104 (Sc46)
    9.0*103 (Co60)
    6.5*103 (Sb124)

 
Рис.4. Распределение плотности потока g-квантов j(Е) источника Cs137 по высоте бака  с отработавшим натриевым теплоносителем установки БР-10. Мощность дозы в точке измерения составляла 900 мР/ч  (СПЕДОГ) и 900 мР/ч (ДРГ-5).

Заключение

1. После проведения испытаний были усовершенствованы параметры электронной схемы спектрометра «СПЕДОГ» и методическое обеспечение. На сегодняшний день прибор позволяет получать спектры пиков в диапазоне 0.06-3 МэВ с разрешением 25-30 кэВ и групповые спектры в диапазоне 0.05 - 3 МэВ.

2. СПЕДОГ-01 может использоваться как спектрометр и дозиметр гамма-излучения при мощности дозы как минимум до 1 Р/час в полевых и производственных условиях, где использование других спектрометров менее эффективно.

3. Спектрометр СПЕДОГ может успешно использоваться без его доработок как при создании дозиметрических картограмм помещений и оборудования АЭС, так и при обращении с РАО и ОЯТ.

На основе кремниевых детекторов возможно изготовление целевых спектрометрических установок для решения задач радиационной безопасности и неразрушающего контроля.

Список литературы:
1. Трыков Л.А., Волков В.С., Колеватов Ю.И., Семенов В.П., Чернов В.А. Разработка и исследование характеристик спектрометра фотонов на основе неохлаждаемого кремниевого детектора. Препринт ФЭИ-2474. Обнинск, 1998.
2. Трыков Л.А., Семенов В.П., Чернов В.А. Новый многоцелевой спектрометр –дозиметр гамма-излучения (СПЕДОГ) для атомной промышленности. Атомная энергия (в печати).
3. Л.А.Трыков, В.П.Семенов, В.А.Чернов. Многоцелевой спектрометр гамма-излучения «СПЕДОГ». Тезисы докладов на Международной конференции «Обращение с отработанным ядерным топливом». 19-20 сентября 2000 г., Киев, Украина.
4. Л.А.Трыков, В.П.Семенов, В.А.Чернов, А.Н.Николаев. Испытания спектрометра «СПЕДОГ» для инструментального контроля высокорадиоактивных материалов и отработанного ядерного топлива. Тезисы докладов на Международной конференции «Обращение с отработанным ядерным топливом». 19-20 сентября 2000 г., Киев, Украина.
5. В.А.Чернов, В.П.Семенов, Л.А.Трыков, А.Н.Николаев. Контроль радиационной обстановки при обращении с высокорадиоактивными материалами с помощью переносного спектрометра «СПЕДОГ». Сборник докладов на III Международной конференции «Радиационная безопасность: Транспортирование радиоактивных материалов» (Атомтранс-2000). Санкт-Петербург, 31октября-4 ноября 2000 года.
6. V.Ivanov, P.Dorogov, A.Louchansky, L.Alekseeva, E.Mochaev. P22 Miniature Detection Probes with CZT Detectors. 11th International workshop on Room Temperature Semiconductor X- and Gamma-Ray Detectors and Associated Electronics. October 11-15, 1999, Vienna, Austria.
7. А.Н.Николаев, Р.Н.Соловьев. Банк данных оцененных реперных макроскопических экспериментов и расчетов в области физики защиты. VII Российская научная конференция «Защита от ионизирующих излучений ядерно-технических установок». 22-24 сентября 1998 г., г. Обнинск. Тезисы докладов. Обнинск, 1998. С.193.

По материалам XIII ежегодного семинара «Спектрометрический анализ, аппаратура и обработка данных на ПЭВМ»

назад

Материалы из архива

6.2009 Как сокращали морские стратегические ядерные силы

В.В.Мурко, инженер-кораблестроитель, директор судоремонтного завода «Нерпа» в Снежногорске (1972-1983 гг.), президент ОАО «Морское кораблестроение» (1993-2004 гг.)28 ноября 1988 г. ЦК КПСС и СМ СССР издали Постановление «О развитии морских стратегических ядерных сил», в котором предписывалось к началу XII пятилетки завершить разработку комплекса Д-19УТТХ и осуществить перевооружение ТРПК СН проекта 941.

11.2009 Инвестиционные решения

А.Б.Крутик, д.э.н., профессор,  Заслуженный деятель науки РФ; Никольская Е.Г. , к.э.н, Решетова М.В., к.э.н.,  Санкт-ПетербургСоздание новых и реконструкция старых предприятий, строительство жилья, других объектов социальной сферы, создание новых рабочих мест зависит от процесса инвестирования. Источником инвестиций являются сбережения, представляющие собой располагаемый доход за вычетом расходов на личное потребление.Инвестиции будут выгодны только в том случае, когда ставка банковского процента не превышает ожидаемой нормы прибыли, иначе инвестору выгоднее размещать свои средства на банковских счетах.

10.2008 Родители выбрали ему имя, а получилось — судьбу

У поколения, к которому принадлежит академик Р.И.Илькаев, нужно успеть многому научиться. Важно  вслушаться, вглядеться особенно тем, кто придет или уже приходит им на смену. Конечно, государство никогда не обделяло его вниманием. Но надо ли объяснять, что удостоиться высоких званий и правительственных наград еще не значит создать себе имя в профессии. Илькаев его создал. Чтобы познакомиться с ученым-физиком, отправилась в Саров, на родину первой советской атомной и термоядерной бомбы.