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»

Неразрушающий контроль материалов с помощью спектрометра-дозиметра «СПЕДОГ»

Материалы из архива