Радиационные методы

УДК 620.179.15

ПОРТАТИВНЫЙ ПОЛЕВОЙ ГАММА-СПЕКТРОМЕТР НА ОСНОВЕ

КРЕМНИЕВОГО ФОТОУМНОЖИТЕЛЯ ДЛЯ КОНТРОЛЯ РАДИАЦИОННОЙ

БЕЗОПАСНОСТИ

¹ ФГБОУ «Санкт-Петербургский горный университет», Россия 199106 Санкт-Петербург,

Васильевский остров, 21 линия, 2

²Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН, Россия 620108

г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

³ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»,

Россия 620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19

E-mail: ^*russurcom@gmail.com; ^**apot@mail.ru; ^***sm@imp.uran.ru

Поступила в редакцию 06.03.2020; после доработки 17.04.2020

Принята к публикации 24.04.2020

Рассматривается устройство и расчет элементов конструкции сцинтилляционного гамма-спектрометра на основе

кремниевого фотоэлектронного умножителя и кристалла CsI(Na) в качестве перспективной альтернативы сцинтилля-

ционным гамма-спектрометрам на основе вакуумных ФЭУ. Применение кремниевых ФЭУ позволяет значительно

сократить размеры, повысить надежность, снизить стоимость сцинтилляционных гамма-спектрометров и сделать их

доступными широкому кругу пользователей. Помимо прочего в статье представлены результаты экспериментальных

исследований, проведенных при помощи рабочего прототипа сцинтилляционного гамма-спектрометра на основе

кремниевого ФЭУ.

Ключевые слова: ФЭУ, фотоэлектронный умножитель, лавинный фотодиод, гамма-спектрометрия, радиометриче-

ский анализ, фотометрия, сцинтиллятор.

DOI: 10.31857/S0130308220070052

ВВЕДЕНИЕ

На данный момент одним из ведущих направлений деятельности многих российских и зару-

бежных компаний, специализирующихся на выпуске приборов радиационного контроля, является

разработка компактного и высокоточного гамма-спектрометра. Однако на сегодняшний день зна-

чительных успехов в этой сфере достигли в большей степени зарубежные компании, в то время

как российскими производителями на данный момент не представлено ни одного промышленно-

го образца подобного устройства, хотя спрос на них давно существует. Помимо прочего, цены

на зарубежные портативные гамма-спектрометры весьма высоки, что препятствует их массовому

применению. На сегодняшний день такое использование данного устройства является крайне не-

обходимым для оперативной оценки степени загрязнения окружающей среды радиоактивными

изотопами в условиях чрезвычайных ситуаций на объектах атомной промышленности [11], для

разведки новых урановых месторождений [10] и особенно контроля загрязнения строительных ма-

териалов и продуктов питания. Кроме того, по нынешний день остро стоит проблема радиоактив-

ного загрязнения в некоторых регионах РФ вследствие аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году.

В особенности требуется постоянный контроль радиоактивного загрязнения в Брянской, Тульской,

Калужской и Орловской областях.

1. КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ ГАММА-

СПЕКТРОМЕТРОВ

Возможность регистрации гамма-квантов гамма-спектрометрами зависит от процессов взаимо-

действия гамма-излучения с веществом. Наиболее известными являются три способа взаимодей-

ствия гамма-излучения с веществом: во-первых, это фотоэффект, во-вторых, комптоновское рас-

сеяние и, в-третьих, образование электрон-позитронной пары [6].

Измерение энергий гамма-квантов осуществляется путем измерения энергий электронов

(или позитронов), которые образовались в результате взаимодействия гамма-кванта с веществом

детектора. До энергий порядка 1 МэВ регистрация гамма-квантов обуславливается комптонов-

ским рассеянием, в области низких энергий (до 100 кэв) — фотоэффектом, а при энергиях свыше

1 МэВ — появлением электрон-позитронных пар.

Портативный полевой гамма-спектрометр на основе кремниевого фотоумножителя...

Возьмем для примера следующие условия: γ — квант, обладающий энергией E, прореагировал

с материалом детектора, что послужило условием для возникновения фотоэффекта. Соответствен-

но, кинетическую энергию вылетевшего из атома фотоэлектрона E_e можно определить согласно

следующему равенству:

E_e = E - I,

(1)

где I — известная для каждого атома величина энергии ионизации, составляющая единицы-де-

сятки электронвольт для атомов с небольшим порядковым номером. Так, энергия электрона E_e,

измеренная в гамма-спектрометре, позволяет определить энергию зарегистрированного γ-кванта.

Классическая структурная схема сцинтилляционного γ-спектрометра представлена на рис. 1.

Она включает в себя: сцинтилляционный кристалл, регистрирующий попадающее в него

γ-излучение, фотоэлектронный умножитель, преобразующий световые вспышки в электрические

импульсы, усилитель импульсов, а также амплитудный анализатор. Энергия зарегистрированного

γ-кванта напрямую связана с амплитудой выходного сигнала с выводов ФЭУ. Наиболее приори-

тетной характеристикой конструкции гамма-спектрометра является линейность. Она определяется

качеством изготовления, химическим составом сцинтиллятора и его размером, выбором компонен-

тов при конструировании усилительного тракта, а также конструкцией фотоумножителя (некоторые

модели ФЭУ нельзя использовать в сцинтилляционных γ-спектрометрах). Соотношение амплитуды

электрического импульса и энергии зарегистрированного γ-кванта можно представить как

U₀ = aE_γ,

(2)

где а — коэффициент пропорциональности.

Контроль линейности конструкции γ-спектрометра осуществляется следующим способом: с

помощью стандартных изотопных калибровочных источников типа ОСГИ, излучающих γ-кванты

одной или нескольких известных энергий и обладающих известной активностью [8], осуществля-

ется набор γ-спектров. Таким образом, наличие характеристики линейности представляет собой

необходимое условие ввиду того, что каждому каналу многоканального амплитудного анализатора

(амплитуде импульса) соответствует определенная энергия γ-кванта E_γ.

Энергия E_γ и номер канала N_k связаны линейным уравнением:

E_γ = aN_k + E_γ0.

(3)

Параметры многоканального амплитудного анализатора (МКА) определяются количеством ка-

налов (этот показатель зависит от разрядности используемого в МКА АЦП 8, 10, 12 бит и т.д.),

нижним (пороговым) уровнем регистрации энергии гамма-кванта, который напрямую связан с ми-

нимально-регистрируемой амплитудой импульса, свободной от шумовой составляющей (E < E_γ0).

Таким образом, энергия E_γ0 может быть определена в виде равенства:

Источник гамма-излучения

Амплитудный

Сцинтиллятор

ФЭУ

Усилитель импульсов анализатор импульсов

Рис. 1. Структурная схема сцинтилляционного гамма-спектрометра на основе вакуумного ФЭУ.

Дефектоскопия

№ 7

2020

Д.О. Григоров, А.И. Потапов, Я.Г. Смородинский

E_γ0 = aN_k,

(4)

где N_k — порог МКА, представленный в виде числа каналов.

Величина N_k находится путем аппроксимации прямой функции линейности вне области ка-

налов МКА. В результате выражение для вычисления исходной энергии зарегистрированного

γ-кванта выглядит следующим образом:

E_γ = a(N_k + N_k′).

(5)

Размеры, химический состав и свойства сцинтиллятора, параметры фотопреобразователя

(ФЭУ, фотодиода, кремниевого ФЭУ) являются первостепенными характеристиками, определяю-

щими эффективность устройства [6]. Однако стоит отметить, что в сравнении с полупроводнико-

выми детекторами такие спектрометры характеризуются достаточно низким разрешением. Так,

например, для γ-квантов с энергией 662 кэВ ∆E/E ≥ 5 % уменьшается с увеличением энергии E

примерно как E^-1/2.

2. СРАВНЕНИЕ КРЕМНИЕВОГО ФЭУ С ДРУГИМИ ДЕТЕКТОРАМИ, ПРИМЕНЯЕМЫМИ

В СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ГАММА-СПЕКТРОМЕТРАХ

При конструировании прототипа гамма-спектрометра мы остановились на варианте конструк-

ции детектора, которая представляет собой сборку сцинтилляционного кристалла и кремниевого

ФЭУ. На наш взгляд, на сегодняшний день данное решение является одним из наиболее оптималь-

ных как по экономическим параметрам, так и по конструкционным.

Кремниевые фотоумножители (SIPM) являются достойной альтернативой вакуумным ФЭУ. В

отличие от них кремниевые ФЭУ недорогие, миниатюрные, стойкие к механическим нагрузкам

фотодетекторы. Напряжение смещения для них составляет обычно от 27 до 100 В [1, 2]. Помимо

прочего, эти фотодетекторы обладают следующими преимуществами:

высокое временное разрешение;

высокий коэффициент усиления;

низкое напряжение смещения;

высокий уровень эффективности регистрации фотонов;

высокая скорость счета;

широкий спектральный диапазон;

высокая степень механической прочности (в сравнении с от вакуумными ФЭУ);

кремниевый ФЭУ не подвержен постепенному выгоранию от светового потока, в отличие от

вакуумных фотоумножителей;

кремниевые ФЭУ не требуют охлаждения для реализации счетчиков фотонов.

Данные характеристики делают кремниевые ФЭУ достойной альтернативой современным

ФЭУ, применяемым для регистрации фотонов.

Ниже приведена сводная таблица сравнения вакуумных ФЭУ, лавинных фотодиодов и кремни-

евых ФЭУ, используемых в современных сцинтилляционных гамма-спектрометрах (табл.1).

Таблица

Сравнение вакуумных ФЭУ, лавинных фотодиодов и кремниевых ФЭУ

Вакуумные ФЭУ

Лавинные фотодиоды

Кремниевые ФЭУ

Квантовая эффективность

25—40%

До 80%

Возможность разрешения отдельных фотонов

Рабочее напряжение

1—3 кВ

100—500 В

27—100 В

Усиление

10⁴—10⁹

30—300

10⁵—10⁷

Механическая прочность

Устойчивость к яркому свету

Чувствительность к магнитным полям

Температурная стабильность

Высокая

Низкая

Высокая

Миниатюризация

Ограничена

Возможна

Стоимость

Высокая

Низкая

Средняя

Дефектоскопия

№ 7

2020

Портативный полевой гамма-спектрометр на основе кремниевого фотоумножителя...

3. КРЕМНИЕВЫЙ ФОТОУМНОЖИТЕЛЬ: УСТРОЙСТВО И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

В качестве фотодетектора в макете гамма-спектрометра был использован кремниевый фо-

тоумножитель компании On semiconductor (США) серии MicroFC-60035 SMT. ФЭУ состоит из

4 ячеек размерами 3×3 мм. В свою очередь, каждая ячейка содержит в себе 4774 микроячейки [1].

Структура кремниевого ФЭУ представлена на рис. 2.

Быстрый выход

Катод

ЛФД

Анод

Рис. 2. Структура кремниевого ФЭУ.

Микроячейка по своей природе является лавинным фотодиодом. Выводы всех таких фотоди-

одов в кремниевом фотоумножителе соединены общими шинами (катод и анод). При попадании

фотона, видимого для фотоумножителя диапазона спектра, в лавинном фотодиоде (микроячейке)

создается электрон-дырочная пара, после образования которой образовавшиеся носители заряда

ускоряются под действием приложенного к микроячейке электрического потенциала, в результате

чего возникает лавинный процесс подобный тому, который можно наблюдать в счетчике Гейгера-

Мюллера. При этом величина сигнала с единичной микроячеки никак не зависит от числа попав-

ших в нее фотонов. Конструкция фотоумножителя, а именно тот факт, что все микроячейки подсо-

единены к одному аноду, обеспечивает прямую пропорциональность сигнала на выходе количеству

«сработавших» микроячеек [4].

В теории, следствием возникновения каждого фотона (в результате сцинтилляции в кристалле)

становится срабатывание только одной ячейки. Опираясь на данный факт, приходим к следующему

выводу: отношение энергии частицы к количеству сработавших ячеек ФЭУ будет представлять со-

бой отношение прямой пропорциональности. Между тем, при попадании нескольких фотонов в

одну ячейку выходной сигнал будет таким же, каким бы он был при попадании одного фотона. При

определенной величине плотности потока фотонов выходной сигнал кремниевых ФЭУ переходит

в насыщение [1], которое можно описать формулой:

(-PDE×N

)

N =M

×[1−exp

(6)

с.я.

где N_с.я. — количество сработавших микроячеек; М — общее количество микроячеек; PDE — эф-

фективность регистрации фотонов; N_ф— количество фотонов, падающих на активную область

кремниевого ФЭУ. Количество сработавших микроячеек N_с.я. находится в прямой зависимости от

используемого сцинтилляционного кристалла и энергии поглощенной сцинтилляционным кри-

сталлом частицы.

В том случае, когда

M >> PDE × N_с.я.,

выражение (6) упрощается и принимает вид:

Дефектоскопия

№ 7

2020

Д.О. Григоров, А.И. Потапов, Я.Г. Смородинский

N_с.я.≈ PDE × N_ф.

(7)

Число N_с.я.в уравнении (7) (число сработавших ячеек) линейно зависит от количества фотонов

N_ф, попавших на активную область кремниевого ФЭУ. Таким образом, можно сделать вывод о том,

что выход сигнала на насыщение напрямую зависит от числа лавинных фотодиодов в кремниевом

ФЭУ. Однако при увеличении количества ячеек в кремниевом ФЭУ происходит также увеличение

шумов, что является следствием ложных срабатываний ячеек, так или иначе имеющих место при

использовании кремниевых ФЭУ.

4. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СЦИНТИЛЛЯТОРА ДЛЯ ГАММА-СПЕКТРОМЕТРА

Для рассматриваемого прототипа гамма-спектрометра за основу был выбран детектор в виде

сборки кремниевого фотоумножителя и сцинтиллятора CsI(Na) размером 7×7×30 мм. Сцинтилля-

тор на основе CsI(Na) имеет следующие преимущества [5]:

легкость механической обработки (в отличие от NaI(Tl), имеющего свойство раскалываться

или трескаться при механических или тепловых нагрузках). Использование пластичного йодида

цезия позволяет изготавливать детекторы самых разных форм и размеров под практически любые

требования;

максимум спектра излучения CsI(Na) приходится на 420 нм. Следовательно, данный кристалл

хорошо согласуется со спектральной характеристикой стандартного бищелочного фотокатода ФЭУ

[6], что не является помехой для его использования вместе с кремниевыми ФЭУ. При этом и время

высвечивания составляет около 630 нc, что на треть меньше времени высвечивания CsI(Tl);

амплитуда импульса от CsI(Na) составляет 85% амплитуды импульса от NaI(Tl). Более того, по

сцинтилляционной эффективности сцинтиллятор CsI(Na) не уступает NaI(Tl);

CsI(Na) гораздо менее гигроскопичен, чем NaI(Tl);

цена кристалла CsI(Na) является одной из самых низких для спектрометрических кристаллов.

5. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ГАММА-СПЕКТРОМЕТРА

На рис. 3 представлена структурная схема гамма-спектрометра на основе кремниевого ФЭУ.

+29,5В

ПП

+Y_num

ТУ

ПД

ФИ

МК

Рис. 3. Функциональная схема гамма-спектрометра на основе кремниевого ФЭУ:

1 — кристалл CsI(Na); 2 — кремниевый ФЭУ; ПП — повышающий преобразователь напряжения; ТУ — трансимпедансный усилитель;

ПД — пиковый детектор; ФИ — формирователь импульса; МК — быстродействующий микроконтроллер со скоростью АЦП > 1 млн.

выборок/с.

Детекторная сборка, состоящая из кристалла CsI(Na) (1) и кремниевого фотоумножителя (2),

подключается к трансимпедансному предусилителю на основе быстродействующего операцион-

Дефектоскопия

№ 7

2020

Портативный полевой гамма-спектрометр на основе кремниевого фотоумножителя...

ного усилителя AD8062 (ТУ) и повышающему преобразователю (ПП), который создает необхо-

димое для работы кремниевого ФЭУ напряжение смещения [1—3]. Далее сигнал отправляется на

пиковый детектор (ПД), затем — на формирователь Гауссова импульса, одновременно являющийся

буфером встроенного в микроконтроллер АЦП.

Рассмотрим работу устройства подробнее.

Гамма-квант, попадая в объем сцинтилляционного кристалла CsI(Na), при поглощении созда-

ет в нем импульс света (сцинтилляцию). Потом появившийся световой импульс продолжитель-

ностью ~620 нс регистрируется кремниевым фотоумножителем. При попадании видимого света

на кремниевый ФЭУ начинается процесс ударной ионизации, после чего происходит лавиноо-

бразное появление электронов (их количество увеличивается до 10⁶ раз), которыми обусловлен

ток ФЭУ. Затем для преобразования тока фотоумножителя в напряжение с оптимальным отно-

шением сигнал/шум используется трансимпедансный усилитель, состоящий из инвертирующего

операционного усилителя (ОУ) с резистором обратной связи. Далее усиленный сигнал растя-

гивается при помощи пикового детектора до величины ~6 мкс, чтобы сделать его пригодным

для дальнейшей обработки. После пикового детектора сигнал попадает в формирователь Гаус-

сова импульса (рис. 4), который представляет собой цепь, состоящую из буфера на основе ОУ и

CR-RC цепей. Данная цепь выполняет двойную функцию: во-первых, Гауссов импульс является

удобной аппроксимацией исходного импульса, за счет чего повышается соотношение сигнал/

шум [6], а, во-вторых, играет роль буфера АЦП микроконтроллера, позволяя развязать источник

сигнала от выбросов тока на входах АЦП во время выборки. Кроме согласования с источником

сигнала буфер выполняет такие задачи, как усиление сигнала и преобразование уровня.

0,4

0,35

0,3

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

0-6

-4

-2

Рис.4. Форма Гауссова импульса.

После сигнал оцифровывается 12-битным АЦП микроконтроллера на основе процессора

ARM Cortex M4 (STM32F407) со скоростью порядка 1 млн. выборок/с и затем уже программ-

но обрабатывается при помощи медианного фильтра. Выбор медианного фильтра обусловлен,

прежде всего, его высокой эффективностью обработки сигналов, подверженных воздействию

импульсных помех, с которыми сопряжена работа кремниевого ФЭУ. После замера амплитуды

импульса результат вносится в массив, состоящий из 4096 каналов. Массив представляет со-

бой спектр, в одном столбце которого указаны номера каналов, а в другом — количество отсче-

тов на канал [7]. Затем при помощи программного обеспечения Fitzpeaks спектры считываются

из внутренней памяти гамма-спектрометра. Кроме того, необходимо принять во внимание, что

кремниевый ФЭУ обладает заметной чувствительностью к колебаниям температуры. Для ре-

шения этой проблемы в устройство был внедрен термодатчик. Показания термодатчика учиты-

ваются микроконтроллером, и в зависимости от температуры микроконтроллера корректирует

напряжение смещения ФЭУ.

Дефектоскопия

№ 7

2020

Д.О. Григоров, А.И. Потапов, Я.Г. Смородинский

6. ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Используемое программное обеспечение Fitzpeaks изначально разрабатывалось для примене-

ния с полупроводниковыми гамма-спектрометрами, однако оно способно работать и сцинтилляци-

онными гамма-спектрометрами.

FitzPeaks представляет собой бесплатное комбинированное ПО для гамма-спектрометрии об-

щего назначения, способное обрабатывать спектральные данные, полученные на различных про-

граммно-аппаратных гамма-спектрометрических комплексах от таких производителей как Ortec,

Canberra и др. Программа стабильно работает под управлением операционной системы Windows,

начиная с версии Windows 2000 и заканчивая Windows 10.

Программа способна работать в различных режимах — от полностью автоматизированного

анализа до полностью интерактивного режима. В интерактивных режимах представлены окна с

множеством настроек, позволяющие пользователю вставлять новые пики в спектр, изменять ши-

рину областей подгонки, изменять тип используемого фонового континуума и т. д.

Идентификация нуклидов и вычисление активности осуществляется путем формирования

интерференционной матрицы и решения интерферирующих множеств методом взвешенных наи-

меньших квадратов.

Программа имеет развитую библиотеку радионуклидов, которую можно легко дополнить с по-

мощью встроенного в программное обеспечение средства редактирования библиотек. Кроме того,

благодаря библиотеке возможна быстрая идентификация радионуклида, являющегося источником

загрязнения.

На каждом этапе анализа создаются файлы отчетов, включая полный и краткий отчет о рабо-

те программы. Краткий отчет содержит параметры, хранящиеся в файле спектральных данных,

найденные нуклиды и их описание, а также порог значения активности обнаружения. Этот отчет

создается с помощью текстового файла-шаблона, который может быть легко изменен пользовате-

лем. Это позволяет пользователю выбрать, какие параметры должны быть перечислены, а также

добавить любую дополнительную информацию в отчет.

Программа имеет возможность автоматического добавления результатов каждого анализа в

базу данных или файл электронной таблицы, который совместим с большинством программ, по-

добных Microsoft Excel.

7. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТИРОВАНИЯ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ГАММА-СПЕКТРОМЕТРА

Для проверки работы опытного макета гамма-спектрометра нами были проведено несколько

измерений различных радиоактивных источников, отличающихся друг от друга изотопным соста-

вом, происхождением и активностью.

На рис. 5 представлен спектр контрольного источника на основе америция-241 активностью

29,8 кБк. На спектре видно два пика: основной на 59,5 кэв и меньший на 26,4 кэв. Энергия пика

Рис. 5. Спектр 29,8 кБк америция-241 (время замера 300 с).

Дефектоскопия

№ 7

2020

Портативный полевой гамма-спектрометр на основе кремниевого фотоумножителя...

Рис. 6. Спектр пробы грунта с. Яловка (Брянская обл., Красногорский р-н) (время замера 300 с).

26,4 кэв находится на границе нижнего диапазона гамма-спектрометра. Помимо гамма-излуче-

ния, ²⁴¹Am является также сильным α-источником, что делает его крайне опасным при попа-

дании в окружающую среду. Активное повышение концентрации ²⁴¹Am сегодня происходит на

территориях, значительно пострадавших в результате аварии на Чернобыльской АЭС, где он об-

разуется из трансуранового радионуклида ²⁴¹Pu, изотопы которого распространились в ближней

зоне ЧАЭС в результате выброса активности в 1986 г. Поэтому определение активности и рас-

пространения данного радионуклида представляет собой одну из наиболее приоритетных задач

при гамма-спектрометрии территорий, находящихся в радиусе 250 км от Чернобыльской АЭС.

Кроме того, стоит упомянуть, что количество ²⁴¹Am на загрязненных территориях будет только

возрастать в течение ближайших 40 лет в связи с распадом ²⁴¹Pu.

Ниже приведены образцы спектров, полученные с помощью опытного макета гамма-спектрометра.

На рис. 6 представлен гамма-спектр пробы грунта, отобранной в центре с. Яловка Красно-

горского района Брянской области. Село значительно пострадало в результате аварии на ЧАЭС

в 1986 г. и на данный момент является зоной с правом на отселение. На данном спектре можно

увидеть характерные пики, соответствующие изотопу ¹³⁷Cs: на 32 кэв и на 662 кэв. Данная проба

обладает высоким уровнем активности 2,45 кБк /кг, что свидетельствует о сильном загрязнении

территории в месте отбора пробы. Изотоп ¹³⁷Cs вместе с ⁹⁰Sr является основным радионуклидом,

характеризующим загрязнение чернобыльского типа.

Рис. 7. Спектр образца грунта, загрязненного Ra-226, гора Бештау, г. Пятигорск (время замера 600 с).

Дефектоскопия

№ 7

2020

Д.О. Григоров, А.И. Потапов, Я.Г. Смородинский

На рис. 7 представлен спектр урансодержащего минерала, найденного на территории рекуль-

тивированной штольни (г. Пятигорск). На спектре виден характерный спектр радионуклида ²²⁶Ra,

образующегося в результате распада ²³⁸U. Контроль активности данного изотопа является крайне

важной задачей при радиационном контроле территорий урановых месторождений, строительных

материалов, так как ²²⁶Ra является сильным альфа-излучателем и источником возникновения ра-

диоактивного газа ²²²Rn [10]. Радон и его дочерние продукты распада обусловливают 75% всей

эффективной дозы облучения, которую получает организм человека от природных и техногенных

радионуклидов окружающей среды. В свою очередь, радий чрезвычайно радиационно токсичен.

Его опасность также обуславливается тем, что при попадании в организм человека его поведение

схоже с поведением кальция — порядка 80 % радия, поступившего в организм, накапливается в

костной ткани и в дальнейшем становится причиной тяжелых поражений опорно-двигательного

аппарата.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенных испытаний были определены следующие характеристики макета (кри-

сталл CsI(Na) 30×7×7 мм):

диапазон регистрируемых энергий: 25 кэв - 2 мэв;

разрешение по полуширине (англ. FWHM): 6%;

скорость счета при естественном радиационном фоне: 13 имп/с;

максимальная скорость счета: 70000 имп/с;

ток потребления: 130 мА/ч при питании 5 В, из них 100 мА потребление микроконтроллера.

Преимущества кремниевого ФЭУ хорошо сказались на конструкционных и эксплуатационных

качествах устройства, так как, в отличие от вакуумных ФЭУ, наличие высоковольтных источников

питания и отсутствие электрических помех не являются обязательными условиями его работы вви-

ду невосприимчивости устройства к помехам [1]. Несмотря на малый объем используемого сцин-

тилляционного кристалла CsI(Na), гамма-спектрометр является довольно чувствительным устрой-

ством, обладающим достаточно высоким разрешением по полуширине для такого типа детекторов

и имеющим достаточно широкий энергетический диапазон для регистрации основных природных

и техногенных радионуклидов. Одним из вариантов увеличения быстродействия устройства явля-

ется увеличение рабочего объема кристалла, а также применение матриц кремниевых фотоумно-

жителей для уменьшения потерь света с увеличенной площади рабочего окна сцинтиллятора.

Работа выполнена в рамках государственного задания МИНОБРНАУКИ России (тема «Диа-

гностика», № АААА-А18-118020690196-3).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. A Brief Introduction to Silicon Photomultiplier (SiPM) Sensors (Rev. 3), Semiconductor Components

Industries LLC, USA, January, 2019, available at: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND9795-D.

PDF

2. Biasing and Readout of ON Semiconductor SIPM Sensors (Rev. 3), Semiconductor Components

Industries LLC, USA, April, 2019, available at: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND9782-D.

PDF

3. Butt A.D. Development of a detector for gamma-ray spectroscopy based on silicon drift detector arrays

and lanthanum bromide scintillator // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2015. V. 62. № 5. P. 2334—2342.

4. C-Series SiPM Sensors Silicon Photomultipliers (SiPM), Low-Noise, Blue-Sensitive(Rev. 6),

Semiconductor Components Industries LLC, USA, November, 2018, available at: https://www.onsemi.com/

pub/Collateral/MICROC-SERIES-D.PDF

5. CsI(Tl), CsI(Na) Cesium Iodide Scintillation Material, Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., France,

2016, available at:https://www.crystals.saint-gobain.com/sites/imdf.crystals.com/files/documents/csitl-and-

na-material-data-sheet_69771.pdf

6. Photomultiplier Tubes. Basics and Applications. Third Edition (Edition 3a) / Текст: электронный /

Hamamatsu Photonics K.K. Hamamatsu, Japan, 2007. URL: https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/etd/

PMT_handbook_v3aE.pdf

7. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С Основы экспериментальных методов ядерной

физики / Изд. 2-е перер. и доп. М.: Атомиздат, 1977. 528 c.

8. Мильман И.И., Сюрдо А.И., Моисейкин Е.В. и др. Аппаратурное обеспечение новых методов ра-

диационного контроля // Дефектоскопия. 2016. № 3. С. 25—34.

9. Красноперов В.С., Атнашев Ю.Б., Моисейкин Е.В. и др. Дозиметрический комплекс для радиаци-

онного контроля «КОРУНД-201-ТЛ» // Дефектоскопия. 2014. № 1. С. 3—11.

Дефектоскопия

№ 7

2020

Портативный полевой гамма-спектрометр на основе кремниевого фотоумножителя...

10. Екидин А.А., Васянович М.Е., Наливайко А.В. Применение гамма-спектрометрии для выявления

техногенного загрязнения почвы ураном // Принципы экологии. 2013. № 2. С. 29—35. URL: http://

ecopri.ru/journal/article.php?id=2682

11. Ляшенко В.И., Зонов С.П., Коваленко Г.Д. Радиационной безопасности — надежное системное и

приборное обеспечение // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 1. С. 141—153.

URL: http://www.giab-online.ru/files/Data/2019/1/141_153_1_2019.pdf

12. Потапов А.И., Умбетов У.У., Морокина Г.С. Радиационная безопасность в промышленности /

Учеб. пособие. Тараз РК, изд. Формат-Принт, 2017. 212 с.

13. Титов Б.Г., Грузнов В.М. Стабилизация отклика полевого гамма-спектрометра // Интерэкспо

Гео-Сибирь. 2015. Т. 7. С. 40—41. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/stabilizatsiya-otklika-polevogo-

gamma-spektrometra

14. ГОСТ 26874—86. Спектрометры энергий ионизирующих излучений. Методы измерения ос-

новных параметров (с Изменениями N 1, 2). Технические требования. Введ. 2002-01-01. 1987-01-01.

М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1987. 27 с.

Дефектоскопия

№ 7

2020