Програмно-методичен комплекс - Ge Spectra Analysis System - за прецизен HPGe

Московски инженерно-физически институт - МИФИ. Лаборатория за изследване на радиоактивността на околната среда Лаборатория за усъвършенствана гама-спектрометрия

Във връзка с необходимостта от извършване на регулярни прецизни гама-спектрометрични измервания на точкови и обемни проби, включително нискоактивни, в Лабораторията за изследване на радиоактивността на околната среда, специалистите от лабораторията решиха да разработят специализиран програмно-методичен комплекс с характеристики, които изначално осигуряват изключително правилното решаване на този проблем.

Разработеният софтуерно-методически комплекс беше наречен"Ge Spectra Analysis System" (GeSAS PMC).Практическото използване на GeSAS PMC потвърди идеологическата коректност на този подход: комплексът осигурява необходимото качество на информацията, лесен е за използване и е лишен от недостатъците, отбелязани в [1,2]. Подобен целенасочен подход беше приложен при създаването на софтуера UniSampo - Advanced Gamma Spectrum Analysis Software [3], който като част от експертната система за радионуклиден анализ Shaman - Експертна система за радионуклидна идентификация [4], успешно се използва във Финландския национален център за данни (FiNDC), по-специално в работите по проблемите на CTBT.

GeSAS PMC прилага принципно нов подход към анализа на гама-спектрометрична информация, който се състои в това, че по време на обработката спектърът се разглежда като един обект, състоящ се от набор от гама линии на краен брой радионуклиди. Този подход, за разлика от традиционните, позволява правилно да се вземат предвид смущениятапикове на различни радионуклиди със сложни модели на разпадане, включително множество пикове, които не са пряко свързани с гама преходи: пикове на сумата и пикове на емисии.

GeSAS PMC осигурява правилно отчитане на каскадното сумиране на гама-квантите както при определяне на активността на радионуклидите в пробите, така и при калибриране на спектрометъра по отношение на ефективността. Това е особено важно за измерване на проби в "близка геометрия" на детектори с голям обем, напр позволява, без да се ограничава до „некаскадни“ радионуклиди по време на калибриране, да се използва по-голям брой източници, т.е. по-голямо количество експериментални данни и по този начин осигуряване на висока точност на калибриране, както и разширяване на енергийния обхват на калибрирането.

Програмата използва специални алгоритми, които позволяват правилна обработка на спектри с малка статистика, тъй като традиционно използваните алгоритми за обработка на спектъра дават неправилни резултати в този случай.

1. Основни характеристики на програмно-методичния комплекс за прецизен гама-спектрометричен радионуклиден анализ GeSAS.

1.1. GeSAS PMC е реализиран под формата на софтуерни модули, които позволяват гъвкаво преконфигуриране за решаване на различни проблеми на радионуклидния гама-спектрометричен анализ: определяне на радионуклидния състав и активност на проби от обекти на околната среда, дистанционно изследване на характеристиките на полетата на гама-лъчение, определяне на масовото съдържание на елементи в пробите чрез неутронно-активационен анализ, определяне на напречните сечения за взаимодействия на неутрони или заредени частици лесове с материя, както и други задачи, изискващи обработка на гама-спектрометрични данни от експерименти по ядрена физика.

1.2. В програмите за обработка на гама-спектрите на GeSAS PMC се използва принципно нов подходкъм анализ на спектрометрична информация, който се състои в това, че в процеса на обработка спектърът се разглежда като единичен обект, състоящ се от набор от гама линии на краен брой радионуклиди. Този подход, за разлика от традиционните, позволява правилно да се вземе предвид интерференцията на спектралните пикове на различни радионуклиди със сложни схеми на разпадане, включително многобройни пикове, които не са пряко свързани с гама преходи: пикове на суми при съвпадения и пикове на излъчване на един и два анихилационни фотона.

1.3. GeSAS PMC използва специални алгоритми за правилна обработка на спектри с малка статистика, тъй като традиционно използваните алгоритми за обработка на спектъра дават неправилни резултати в този случай.

1.4. GeSAS PMC позволява правилното отчитане на каскадното сумиране (CS) на гама-квантите както при определяне на активността на радионуклидите от измерените спектри на пробите, така и при калибриране на спектрометъра по отношение на ефективността. Това е особено важно при измерване на проби на детектори с голям обем в "близка геометрия". Следователно софтуерната и методическата поддръжка на комплекса включва:

  • Метод за отчитане на ефектите от CC и изчислителни алгоритми за изчисляване на големината на ефектите от CC.
  • Средства за отчитане на CC в програмите за анализ на спектри и калибриране на спектрометри.
  • Набори от ядрени данни за изчисляване на COP.
  • Методи и програми за създаване на набори от ядрени данни, използвани в бъдеще за изчисляване на CC и разработване на съответните библиотеки.
  • Помощни програми за изчисляване на големината на ефектите от COP.

1.5. Интерфейсът на програмата за обработка на спектъра предоставя списък с радионуклиди, класирани по степен на възможно присъствие в определен спектър, въз основа на който потребителят има възможност дагенерира окончателен списък с радионуклиди за текущия обработен спектър или серия от подобни спектри.

1.6. При липса на ясно изразени пикове на даден радионуклид в спектъра е възможно правилно да се оцени горната граница на неговата активност в пробата, като се вземат предвид приносите на други радионуклиди и условията на измерване.

1.7. При анализ на проби с ниска активност, комплексът позволява правилно да се вземе предвид приносът на външния и вътрешния фон към резултатите от измерването и да се оцени ефектът на фона върху грешката. GeSAS PMC разполага със софтуерни инструменти за определяне на характеристиките на фона от експериментални данни.

1.8. GeSAS PMC включва средства за коригиране на абсорбцията на гама-квантите в обемни проби с различна плътност и отчитане на разликата в тази абсорбция в измерените и калибровъчни проби.

1.9. GeSAS PMC разполага с инструменти за планиране на измерване, които позволяват оценка на експозицията, необходима за постигане на дадена точност на резултатите от даден измерен спектър и, обратно, оценка на точността, която ще бъде постигната с дадена експозиция.

1.10. Резултатите от работата на GeSAS PMC могат да бъдат представени както под формата на готови отчети, така и под формата на файлове с данни, подходящи за последващия им компютърен анализ, който може да е необходим при решаването на конкретни приложни задачи.

2. Състав и структура на програмно-методичния комплекс GeSAS.

GeSAS PMC се състои от следните компоненти.

2.1. Набор от файлове с данни,включително:

  • Таблици на радионуклидите с техните ядрено-физични характеристики.
  • Таблици с гама емисионни линии от радионуклиди, които, за разлика от съществуващите референтни масиви от данни, включват информация за пикове, присъстващи в спектрите, но не съответстващи наняма линии на гама излъчватели - пикове на суми при съвпадения, пикове на излъчване на един и два анихилационни кванта.
  • Таблици с ядрени данни, описващи разпадането, необходими за отчитане на ефектите от сумирането на гама-квантите.
  • Таблици с описания на свойствата на спектрометричния път и геометрията на измерване:
  • описания на калибрирането на спектрометъра за енергия, енергийна разделителна способност и ефективност;
  • параметри за коригиране на влиянието на плътността на пробата върху ефективността на откриване на гама-лъчи;
  • набори от стойности на чувствителност на спектрометъра към отделни гама-лъчи на радионуклиди, включително гореспоменатите "псевдолини". (Обикновено отделен набор от тези чувствителност се изготвя експериментално или чрез изчисление по време на калибриране за всеки набор от „детектор + конфигурация на източник + геометрия на измерване“).
  • Средства за съхраняване на описания на изследваните проби, описания на условията на измерване, измерените спектри и резултатите от тяхната обработка.
  • Програми, които осигуряват управление на набор от данни, въвеждане и редактиране на данни, интерфейс с програми за подготовка на данни и програми за спектрален анализ.

    • 2.2. Спомагателни методи и програми за подготовка на данни,включително:

    • Методът и програмата за калибриране на спектрометъра по отношение на абсолютната ефективност при пика на общата абсорбция, които въз основа на експериментални данни позволяват:
    • автоматично избира типа функция, която описва зависимостта на абсолютната ефективност на откриване при пика на пълното поглъщане от енергията на гама лъчите и изчислява нейните параметри, оценките на грешките на параметрите и корелацията между тях, като използва наличните експериментални данни;
    • използвайте за калибриранеабсолютна ефективност при пика на общата абсорбция заедно сизточници с известна абсолютна активност, както и източници с неизвестна абсолютна активност, което ви позволява да увеличите количеството налични експериментални данни и по този начин да увеличите точността и да разширите обхвата на калибриране;
    • вземете предвид изкривяването на спектрите на източниците на калибриране чрез съвпадения, което прави възможно използването на източници със сложни схеми на разпадане за калибриране;
    • отчитат поглъщането на гама-лъчение в източника и зависимостта на ефективността от плътността на източника.
  • Метод и програма за изчисляване на ефектите от каскадното сумиране, които позволяват на базата на схеми за разпадане на радионуклиди и калибриране на ефективността на спектрометъра (ефективност на пика на пълната абсорбция и обща ефективност) да се определят стойностите на чувствителност за всички гама линии на обработения спектър, както "истински", свързани със съответните гама преходи по време на разпадането на радионуклиди, така и "фиктивни", образувани в детектор в резултат на сумиране на каскада или излъчване на анихилационни гама-кванти. Таблица 1 показва пример за коригиране на чувствителността на спектрометъра за радионуклида 134 Cs, като се вземе предвид ефектът от истинските съвпадения на гама-квантите в детектора. За сравнение са представени резултатите от директното измерване на чувствителността.
  • Метод и програма за калибриране на спектрометър по отношение на общата ефективност, което позволява да се получат стойностите на общата ефективност на спектрометъра в точкови и обемни измервателни геометрии от ограничен брой моноенергийни източници на калибриране.
  • Метод и програма за коригиране на резултатите за поглъщане на гама-кванти в обемна проба, което позволява да се определят параметрите на зависимостта на ефективността на детекция от експериментални даннигама кванти от плътността на масовите проби и използвайте тези параметри, за да коригирате изчислените дейности.

    • 2.3. Софтуерните модули за количествен анализ на спектрите (както спектрите на изследваните проби, така и спектрите за калибриране и фон), ориентирани, наред с други неща, към анализ на спектри с малка статистика, имат следните характеристики:

    • Определянето на активността на радионуклидите в пробата се извършва едновременно за всички спектрални линии на гама лъчение на всички радионуклиди, включително "фиктивни", което увеличава възможността за откриване на радионуклиди и намалява грешката при определяне на тяхната активност.
    • Използват се алгоритми, които позволяват правилна обработка на спектри с малка статистика, тъй като традиционно използваните алгоритми за обработка на спектъра дават грешни резултати в този случай.
    • Оценката на горната граница на активността на радионуклидите, чиито пикове не са открити в спектъра, се прави, като се вземат предвид фоновите характеристики на спектрометъра и условията за измерване на спектъра. Списъкът на радионуклидите, които се определят в пробата, се коригира от програмата въз основа на резултатите от спектралния анализ.
    • Определянето на всички междинни и крайни резултати от анализа е съпроводено с отделна оценка на статистическите и систематичните грешки.
    • Програмите позволяват широк диапазон от степени на интерактивност, от напълно автоматична обработка до пълен операторски контрол върху напредъка на обработката.

    3. Програма за обработка на спектрите и определяне на радионуклидния състав на пробата.

    Тази програма има широк диапазон от степени на интерактивност - от напълно автоматична обработка на рутинни измервания до пълен операторски контрол върху напредъка на обработката. Когато се обработва в интерактивен режим, програматапредоставя на оператора възможност за пълен поетапен контрол на целия процес на обработка с извеждане на междинни изчисления в процеса на обработка. Методически програмата се състои от две взаимосвързани части:

    • Определяне на параметрите на спектралните пикове.
    • Определяне активността на радионуклидите в пробата.

    Като примери, фигури 1-3 представят резултатите от калибрирането на ефективността на HPGe детектори с относителна ефективност от 33% и 130% с помощта на GeSAS PMC. От фигурите може да се види, че ефектите от каскадното сумиране на гама-квантите могат да внесат значителни изкривявания в получените резултати. В някои случаи изкривяванията могат да бъдат повече от един порядък (Фигура 1.1).Разработената техника за коригиране на каскадно сумиране елиминира тези недостатъци и дава възможност да не се ограничава до „некаскадни“ радионуклиди по време на калибриране, т.е. използват голям брой източници и по този начин подобряват точността на калибриране на HPGe детекторите по отношение на ефективността и разширяват неговия енергиен обхват.Всички фигури показват коридора на грешки в изчислената крива на ефективност при 95% ниво на сигурност

    Фигура 4 показва пример на протокол, генериран от резултатите от обработката на GeSAS PMC спектъра, а Фигура 5 показва пример на доста сложен HPGe спектър, обработен с помощта на GeSAS PMC в автоматичен режим.

    Работоспособността на методите, внедрени в GeSAS PMC, беше тествана, по-специално, в рамките на програмата „Метрологична проверка на гама-спектрометри в предприятията на 16-ти GNTU на Министерството на атомната енергетика на Руската федерация“. Количественото определяне на съдържанието на 137 Cs, 232 Th и 152 Eu е извършено в проби, предоставени от НИКИЕТ [5]. Съотношенията на нашите оценки за конкретни дейностикъм техните паспортни стойности бяха:

    137Cs1,01 ± 0,05
    232-то0,95 ± 0,09
    152 Eu1,02 ± 0,10

    Таблица 1. Корекция на чувствителността за 134 Cs радионуклид като се вземе предвид ефектът от истинските съвпадения на гама-квантите в детектора (грешки на ниво от 95%)