Сцинтилляционный переносный полевой гамма-спектрометр СП-3

1. Назначение, принцип работы и краткая техническая характеристика прибора. Гамма-спектрометр СП-3 предназначен для изучения спектров γ-излучения в дифференциальном и интегральном режимах в интервале энергий 0,3—3 Мэв. Он широко применяется для раздельного количественного определения содержания урана, тория и калия в естественно-радиоактивных породах. В пробах с наведенной гамма-активностью при помощи гамма-спектрометра СП-3 можно определять содержание железа, марганца, меди и других естественно-нерадиоактивных элементов. Принцип работы прибора СП-3 иллюстрируется блок-схемой, показанной на рис. 73.

Чувствительным элементом гамма-спектрометра СП-3 является сцинтилляционный счетчик, состоящий из кристалла NaJ(Tl) и фотоэлектронного умножителя ФЭУ-56. Питание фотоэлектронного умножителя (1200 в) осуществляется от генератора высокого напряжения. Под воздействием γ-излучения в кристалле иодистого натрия образуются световые вспышки, результатом которых на выходе ФЭУ являются импульсы напряжения с амплитудой, пропорциональной энергии γ-излучения. Пройдя через согласующий каскад (эмиттерный повторитель) и линейный усилитель, импульсы напряжения поступают на вход дискриминатора нижнего уровня. Согласующий каскад, установленный в гильзе прибора, является усилителем мощности импульсов и служит для согласования большого сопротивления схемы гильзы с малым сопротивлением кабеля, по которому импульсы передаются в пульт управления прибора. Назначение линейного усилителя заключается в увеличении амплитуды импульсов до 10—12 в с целью обеспечения нормальной работы дискриминатора.
Дискриминатор нижнего уровня пропускает импульсы, амплитуда которых выше определенного уровня нижнего порога дискриминации. Последний в приборе СП-3 может регулироваться в пределах 0,3—10,5 в.
Далее импульсы усиливаются линейным усилителем — экспандером в 10 раз и поступают одновременно на триггер нижнего уровня и дискриминатор верхнего уровня. Последний пропускает импульсы, амплитуда которых ниже определенного уровня — верхнего порога дискриминации. С выхода дискриминатора верхнего уровня они подаются в триггер верхнего уровня. Триггеры служат для нормализации импульсов по форме, длительности и амплитуде.
Схема антисовпадений пропускает те импульсы, которые поступают с выхода дискриминатора нижнего уровня и не пропускаются дискриминатором верхнего уровня. Импульсы, поступающие одновременно с обоих дискриминаторов, схемой не регистрируются. Таким образом, схема антисовпадений осуществляет отбор импульсов, амплитуда которых находится в интервале установленных уровней дискриминации, называемом шириной канала или окна.
Далее импульсы поступают на схему пересчета, где их общее число делится на 4. Измерение скорости следования импульсов осуществляется стрелочным индикатором интенсиметра или (при малых скоростях счета) — электромеханическим счетчиком МЭС-54.
Для питания электрической схемы гамма-спектрометра СП-3 используются шесть батарей типа 11,5-ПМЦГ-У-1,3 со схемой стабилизации и одна батарея типа 48-ПМЦГ-64ч. Последняя служит для питания электромеханического счетчика. Один комплект батарей 11,5-ПМЦГ-У-1,3 обеспечивает работу прибора в течение шести дней при семичасовом рабочем дне. Батарея 48-ПМЦГ-64ч может служить больший срок, в зависимости от загруженности электромеханического счетчика.
Гамма-спектрометр СП-3 рассчитан для работы при температуре окружающей среды от нуля до +50° С и относительной влажности до 95%.
При раздельном определении содержания урана и тория диапазон измерений — от кларковых содержаний до 0,5% по урану и до 1% по торию.
В комплект прибора входят гильза с кабелем, пульт управления и рудные эталоны урана, тория, калия. Вес комплекта в рабочем состоянии 9 кг.
2. Устройство прибора. Гильза гамма-спектрометра СП-3 представляет собой алюминиевый цилиндрический стакан диаметром 105 мм, длиной 374 мм, закрытый крышкой с резиновым уплотнителем, позволяющим опускать гильзу в воду без нарушения работоспособности. Внутри нее расположены счетчик γ-излучения (в нижней части), схемы генератора высокого напряжения и выходного каскада. На нижнюю часть гильзы надет резиновый колпачок для предохранения от ударов, а в верхней части ее имеется ручка для переноса. В нерабочем положении гильзу переносят на плечевом ремне. На крышке гильзы закрепляются кабель, соединяющий гильзу с пультом через штепсельный разъем 11 (рис. 74), и рукоятка потенциометра (шлиц для отвертки, закрытый колпачком) для регулировки напряжения питания ФЭУ.
На лицевой части пульта гамма-спектрометра установлены органы управления прибором. Интенсивность γ-излучения измеряется стрелочным индикатором 1 или электромеханическим счетчиком 2. Диапазон измерений (в имп/сек) стрелочного прибора (250, 1000, 2500 и 10 000) задается при помощи переключателя 3. Постоянная времени интенсиметра в положении «250» переключателя 3 равна 12 сек, в остальных положениях 4 сек. В зависимости от положений тумблера 4 счетчик МЭС-54 может регистрировать все импульсы или каждый четвертый импульс. В нейтральном положении тумблера 4 счетчик 2 выключается.
Слуховая проверка работоспособности прибора и качественная оценка интенсивности γ-излучения осуществляются по телефону, который включается в гнездо 5.
В положении «В» переключателя 6 питание прибора выключено, в положениях «П; ПС; BH» выполняется проверка соответственно напряжения источников питания схемы прибора, напряжения батареи питания МЭС-54 и высокого напряжения питания ФЭУ. В положении «СЧ» переключателя 6 производится измерение гамма-интенсивности.

Ширина канала дискриминации устанавливается при помощи переключателя 9. В положении «1» данного переключателя ширина канала минимальна, в положении «10» — максимальна. Необходимый уровень канала (его нижняя граница) устанавливается переключателями 7 и 8, а его верхняя граница определяется суммой показаний переключателей 7, 8 и 9. В положении «Инт.» переключателя 9 регистрируются все импульсы, амплитуда которых выше уровня дискриминации, определяемого суммой показаний переключателей 7 и 8.
Таким образом, переключатель 9 позволяет установить интегральный (в положении «Инт.») или дифференциальный (в остальных положениях) режимы работы гамма-спектрометра. Высота порога дискриминации в интегральном режиме (или высота нижней границы канала в дифференциальном режиме) может регулироваться в диапазоне от 0,15—0,3 до 3 Мэв.
Переключателем 10 регулируется амплитуда импульсов (на выходе линейного усилителя) при настройке прибора.
Внутри корпуса гамма-спектрометра имеются четыре потенциометра для настройки шкалы стрелочного прибора на диапазонах 250, 1000, 2500 и 10 000 имп/сек. На левой внешней стенке корпуса установлена защелка для крепления радиоактивного изотопа Zn66. Пульт управления и гильза транспортируются и хранятся в вертикальном положении в специальном укладочном ящике.
К прибору прилагаются три эталона с урановой, ториевой рудами и эталоном калия, представляющие собой диски толщиной 4 см, диаметром 16 см. Эталоны хранятся в специальном ящике.
3. Включение прибора и проверка его работоспособности. Перед включением гамма-спектрометра СП-3 переключатель 6 (рис. 74) устанавливают в положение «В» (выключено), в пульт управления вставляют батареи питания согласно указанной полярности, к штепсельному разъему 11 пульта подключают кабель гильзы прибора.
Включение прибора для измерений производят в следующем порядке.
1. Устанавливают минимальный нижний уровень дискриминации (нулевые положения переключателей 7 и 8 и положение «Инт.» переключателя 9).
2. Устанавливают максимальный диапазон измерений (положение «10 000» переключателя 3) и минимальное усиление (нулевое положение переключателя 10).
3. Выключают электромеханический счетчик (нейтральное положение тумблера 4).
4. Переключатель 6 переводят последовательно в положения «П», «ПС» и контролируют напряжение батарей питания электрической схемы прибора и напряжение батарей питания электромеханического счетчика. Стрелка прибора при этом должна находиться против риски «П, ПС».
5. Переключатель 6 переводят в положение «BH» и контролируют высокое напряжение питания ФЭУ. Стрелка прибора должна установиться против риски «BH».
6. Переключатель 6 переводят в положение «СЧ» и прогревают прибор в течение 30 мин.
7. Производят калибровку прибора по контрольному источнику γ-излучения — изотопу Zn85. С этой целью переключателями 7 и 8 устанавливают положение (указанное в паспорте прибора), соответствующее максимальному показанию от изотопа (фотопику) и при диапазоне «1000» и минимальном размере канала дискриминатора (положение «1» переключателя 9) под торцовую часть гильзы устанавливают контрольный источник Zn65. Далее при помощи переключателя 10 добиваются установки фотопика (максимального показания стрелки прибора). Правильность установки фотопика контролируют по равенству показаний прибора в каналах дискриминатора, отличающихся от показаний паспортного канала на ±1 ступень. Если, например, по паспорту фотопик приходится на 22-ую ступень (положение «20» переключателя 7 и положение «2» переключателя 8), то, регулируя усиление, добиваются одинаковых показаний прибора на 21-ой и 23-ей ступенях.
После выполнения калибровки прибор считается исправным и подготовленным к измерениям.
4. Калибровка энергетической шкалы и градуировка гамма-спектрометра для раздельного измерения урана, тория и калия. Подготовка гамма-спектрометра СП-3 к раздельному определению содержания урана, тория и калия включает сложный цикл калибровочных и градуировочных операций, большинство которых выполняется на заводе или (после смены кристалла, ФЭУ и ремонта электрической схемы) в стационарных условиях мастерской.
Конечной целью указанных операций являются калибровка энергетической шкалы дискриминатора, выбор рабочих энергетических интервалов (положений дискриминаторов) для урана, тория и калия и определение эквивалентных содержаний урана, тория и калия рудных эталонов прибора для каждого энергетического интервала.
В результате калибровки энергетической шкалы (при помощи изотопов с энергией γ-излучения 0,5—3 Мэв) устанавливают зависимость изменения нижнего уровня дискриминации (нижней границы канала дискриминатора) (в Мэв) от Показаний переключателей 7 и S (рис. 74). Другими словами, получают график, позволяющий определять, какому порогу дискриминации (в Мэв) соответствует то или иное показание дискриминаторов.
В процессе выбора рабочих интервалов для урана, тория и калия выясняют, при каком показании дискриминаторов больше всего сказывается излучение каждого из названных выше элементов. Обычно рабочие интервалы располагаются следующим образом: «калиевый» интервал 27—28 делений (1,35—1,55 Мэв), «урановый» 33—35 делений (1,65—1,85 Мэв), «ториевый 48—54 делений (2,5—2,7 Мэв).
Рабочие интервалы определяют путем снятия дифференциальных спектров в моделях урана, тория и калия: для каждой модели при ширине канала, равной 4 делениям (переключатель 9 в положении «4»), выполняют наблюдения, начиная с показания «10» дискриминатора 7 и с показания «2» дискриминатора 8 и кончая последним делением шкалы.
Градуировку прибора с целью определения рабочих коэффициентов выполняют путем измерений на насыщенных моделях (размерами не менее 1х1X1 м) равновесного урана, тория и калия на всех трех энергетических интервалах.
Рабочие коэффициенты для насыщенной модели урана на трех энергетических интервалах вычисляют по формулам

где U — содержание равновесного урана в модели в %; N1U, и N2U и N3U — скорость счета от модели соответственно на первом, втором и третьем энергетических интервалах в имп/сек.
Аналогичным образом вычисляют коэффициенты b1, b2 и b3 для тория и коэффициенты c1, c2 и c3 для калия. Рабочие коэффициенты приводятся в паспорте прибора.
Далее проводят аналогичные измерения на рудных эталонах и вычисляют эквивалентные содержания урана, тория и калия на всех трех энергетических интервалах.
Эквивалентные содержания урана в рудном эталоне (в %) на трех энергетических интервалах вычисляют по формулам

Аналогичным образом определяют эквивалентные содержания эталона тория Th1, Th2 и Th3 и эталона калия K1, K2 и K3. Указанные величины приводятся в паспорте прибора.
Более подробно описанный цикл калибровочных и градуировочных операций излагается в заводских инструкциях, которые прилагаются к каждому комплекту прибора.
5. Полевые наблюдения с прибором. Перед началом полевых измерений на участке определяют фон гамма-спектрометра, обусловленный радиоактивным загрязнением гильзы и космическим излучением. Фон прибора определяют при минимальном пороге дискриминации (нулевые положения переключателей 7 и 8 (см. рис. 74) и положение «Инт.» переключателя 9) и в рабочих (калиевом, урановом и ториевом) интервалах над водной поверхностью в удалении от берега не менее чем на 10 м при глуб ине водоема 2 м и более. Гильзу в вертикальном положении погружают на глубину 10—15 см таким образом, чтобы кристалл находился ниже водной поверхности. Перед началом работ по определению фона прибора выполняют операции, указанные в пункте 3 настоящего параграфа, затем при установке гильзы в нужное положение включают электромеханический счетчик и выполняют измерения. Контрольный источник Zn65 удаляют на расстояние более 3 м от гильзы. Для обеспечения необходимой точности измерений на каждом энергетическом интервале должно быть просчитано не менее 100 импульсов.
Для гамма-спектрометра СП-3 фон составляет 30—60 имп/мин на «калиевом» интервале, 20—40 имп/мин на урановом и 5—10 имп/мин на ториевом интервале.
Перед началом работы на участке и впоследствии один раз в месяц проверяют паспортные значения коэффициентов аi, bi, ci (i = 1; 2; 3). С этой целью выполняют операции, указанные в пункте 3 настоящего параграфа, после чего измеряют нормальный фон прибора (гильзу устанавливают вертикально в строго определенном положении) на всех энергетических интервалах, затем к торцу гильзы прикладывают поочередно рудные эталоны урана, тория и калия и для каждого эталона выполняют измерения на всех трех энергетических интервалах. Диапазон измерений подбирают таким образом, чтобы стрелка прибора отклонялась не менее чем на 25 делений шкалы. При измерениях в рудном эталоне урана на третьем интервале и в рудном эталоне калия на втором и третьем интервалах скорость счета измеряют электромеханическим счетчиком.
Коэффициенты а1, а2, а3 для рудного эталона урана на трех энергетических интервалах вычисляют по формулам

где N1U, N2U, N3U — скорость счета от уранового эталона соответственно в первом, втором и третьем энергетических интервалах в имп/сек; Ф1, Ф2 и Ф3 — нормальный фон соответственно в каждом из трех интервалов в имп/сек.
Аналогичным образом находят коэффициенты b1, b2 и b3 для тория и коэффициенты с1, с2 и с3 для калия.
Расхождения между вычисленными значениями коэффициентов ai, bi и ci (i = 1; 2; 3) и их величинами, указанными в паспорте, не должны превышать 10%. В ином случае для рабочих вычислений принимают коэффициенты, полученные при измерении в рудных эталонах.
В начале работы на участке и впоследствии еженедельно проверяют скорость счета от ториевого рудного эталона на всех энергетических интервалах при строгом сохранении геометрии измерений. Допустимое расхождение между результатами первого измерения и каждого последующего не должно превышать 10%. В ином случае выполняют повторные измерения во всех рудных эталонах и для работы принимают новые значения коэффициентов аi, bi и ci.
Ежедневно, перед началом и в конце рабочего дня, проверяют стабильность работы прибора на контрольной точке. По результатам измерений на контрольной точке вычисляют концентрацию урана, тория и калия (см. пункт 6 настоящего параграфа) и результаты оформляют в виде графиков определенных концентраций, по которым оценивают среднюю квадратическую ошибку.
Все результаты наблюдений при настройке, калибровке и градуировке прибора и наблюдений на контрольной точке оформляют в специальном журнале контрольных измерений.
Рядовые измерения на точке в начале дня выполняют в следующем порядке.
1. Включают прибор (см. рис. 74), проверяют режимы питания, выполняют калибровку по изотопу Zn65 и прогревают прибор в течение 30 мин, как это было описано в пункте 3 данного параграфа.
2. Гильзу прибора устанавливают в вертикальном положении на точке наблюдений (желательно, чтобы точка наблюдений располагалась в середине горизонтальной площадки размером в несколько квадратных метров) и измеряют интегральную скорость счета при минимальном пороге дискриминации, а затем скорость счета в рабочих интервалах. При скорости счета больше 50 имп/сек отсчет берут по стрелочному индикатору на таком диапазоне, на котором стрелка отклонялась бы на большее число делений, но не выходила бы за пределы шкалы. Если скорость счета меньше 50 имп/сек, то отсчет берут по электромеханическому счетчику при положении «Х4» тумблера 4, а при скорости счета меньше 2 имп/сек — при положении «1» тумблера 4. Время одного измерения зависит от скорости счета.
При определении кларковых содержаний радиоактивных элементов длительность замера общей интенсивности составляет 1—2 мин, длительность замеров на первом энергетическом интервале 2—3 мин, на втором 4—5 мин и на третьем интервале 5—6 мин.
Переходя на следующую точку измерений, питание прибора не выключают. Перед началом замера на каждой последующей точке проверяют и настраивают усиление по контрольному источнику Zn65. Во время измерений на точке контрольный источник должен находиться за защелкой на стенке пульта управления.
Результаты наблюдений заносятся в специальный журнал.
6. Обработка результатов измерений. Обработка результатов измерений заключается в вычислении раздельного содержания калия, урана и тория в породах на точках наблюдений.
Зависимость скоростей счета в первом (N1), втором (N2) и третьем (N3) энергетических интервалах от содержания урана U, тория Th и калия К в породе определяют по следующей системе уравнений:

где ai, bi, ci (i = 1; 2; 3) — коэффициенты, величины которых имеются в паспорте прибора.
Эту систему уравнений для непосредственного вычисления содержаний U, Th и К преобразуют к следующему виду:

где Ai, Bi, Ci (i = 1; 2; 3) — коэффициенты, полученные при решении первой системы уравнений; величины этих коэффициентов указываются в паспорте прибора.
Если при проверке коэффициентов аi, bi, ci значения их изменились не более чем на 10%, то содержание урана, тория и калия вычисляют по формулам второй системы уравнений с паспортными значениями коэффициентов Ai, Bi и Ci (i = 1; 2; 3). Если же величины коэффициентов аi, bi, ci (при наблюдениях в рудных эталонах) изменились более чем на 10%, то для работы принимают новые, полученные при проверке коэффициенты, на основании которых вновь решают первую систему уравнений, в результате чего вычисляют новые значения коэффициентов Ai, Bi и Ci. Полученные значения коэффициентов используют при вычислении содержаний урана, тория и калия.
Результаты наблюдений с гамма-спектрометром изображают в виде графиков общей интенсивности и содержаний урана, тория и калия по профилям или (в случае площадных работ) в виде планов изолиний указанных параметров.