PL242191B1

PL242191B1 - Method for active background reduction in a scintillation detector and pulse separation in low radioactivity measurements

Info

Publication number: PL242191B1
Application number: PL434929A
Authority: PL
Inventors: Konrad Tudyka; Aleksander Kolarczyk; Sebastian Miłosz; Adam Pilśniak; Piotr Moska; Grzegorz Poręba
Original assignee: Midose Solutions Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia; Politechnika Slaska Im Wincent
Priority date: 2020-08-10
Filing date: 2020-08-10
Publication date: 2023-01-30
Also published as: PL434929A1

Abstract

Sposób aktywnej redukcji tła detektora scyntylacyjnego i separacji impulsów w pomiarach niskich radioaktywności, polega na tym, że pod fotopowielacz (1) umieszcza się pojemnik pomiarowy (2) zawierający badany materiał radioaktywny (3), nad którym znajduje się scyntylator (4) do detekcji cząstek a o grubości nie większej, niż 100 µm oraz scyntylator (5) do detekcji cząstek β o grubości nie większej, niż 2 mm, przy czym nad scyntylatorami (4 i 5) znajduje się warstwa przezroczystego tworzywa sztucznego (7) o grubości nie mniejszej niż 0,01 mm, nad którą znajduje się kolejna warstwa scyntylatora (7), natomiast scyntylatory (4, 5 i 6) posiadają różne czasy zaniku scyntylacji, z których sygnał po zarejestrowaniu przez przetwornik analogowo-cyfrowy, w co najmniej trzech odstępach czasu nie większych niż 100 ns przesyła serie danych pomiarowych podczas pomiaru tła oraz źródeł promieniotwórczych α i β, które wykorzystuje się do nadzorowanego uczenia maszynowego oraz stworzenia klasyfikatorów do rozróżniania impulsów pochodzących od cząstek α, β oraz tła.The method of active reduction of the background of the scintillation detector and separation of pulses in the measurements of low radioactivity consists in placing a measuring container (2) containing the tested radioactive material (3) under the photomultiplier tube (1), over which there is a scintillator (4) for particle detection a with a thickness of not more than 100 µm and a scintillator (5) for the detection of β particles with a thickness of not more than 2 mm, with a layer of transparent plastic (7) of not less than 0 mm above the scintillators (4 and 5) .01 mm, over which there is another scintillator layer (7), while scintillators (4, 5 and 6) have different scintillation decay times, the signal from which, after being recorded by the analog-digital converter, in at least three time intervals not longer than 100 ns transmits a series of measurement data during the measurement of the background and α and β radioactive sources, which are used for supervised machine learning and the creation of d classifiers o distinguishing pulses from α, β and background particles.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób aktywnej redukcji tła detektora scyntylacyjnego i separacji impulsów w pomiarach niskich radioaktywności.The subject of the invention is a method of active reduction of the background of a scintillation detector and separation of pulses in measurements of low radioactivity.

W stosowanych obecnie detektorach scyntylacyjnych do pomiarów niskich radioaktywności promieniowania jądrowego stosuje się osłony aktywne, które wykorzystywane są do detekcji sygnałów w koincydencji. Pozwala to odrzucić tak zwane tło detektora które nie jest związane z radioaktywnością badanego materiału. W dużej części sygnał tła pochodzi od zaburzeń elektromagnetycznych, wtórnego promieniowania kosmicznego, głównie cząstki μ oraz z radioizotopów zawartych w materiale detektora oraz jego otoczeniu.In the currently used scintillation detectors for the measurement of low radioactivity of nuclear radiation, active shields are used to detect signals in coincidence. This allows you to reject the so-called detector background, which is not related to the radioactivity of the tested material. To a large extent, the background signal comes from electromagnetic disturbances, secondary cosmic rays, mainly μ particles, and from radioisotopes contained in the detector material and its surroundings.

Stosowane dotychczas rozwiązania polegają na wykrywaniu sygnału z osłony aktywnej, a następnie usuwanie sygnału, który jest w koincydencji czasowej (Pall Theodórsson, “Measurement of Weak Radioactivity” rozdział 11.8 “Guard counters and their background reduction”, World Scientific, 1996). Takie rozwiązania wymagają oddzielnych torów pomiarowych co zwiększa skomplikowanie detektora.The solutions used so far consist in detecting the signal from the active shield, and then removing the signal that is in time coincidence (Pall Theodórsson, “Measurement of Weak Radioactivity” chapter 11.8 “Guard counters and their background reduction”, World Scientific, 1996). Such solutions require separate measurement paths, which increases the complexity of the detector.

Z amerykańskiego opisu patentowego US 4651006 (A) znany jest sposób wykorzystujący specjalistyczną elektronikę, która zlicza liczbę impulsów wtórnych, co komplikuje budowę detektora i nie pozwala wykorzystać pełnego potencjału urządzenia, który wynika z analizy przebiegu czasowego.From the American patent description US 4651006 (A) there is known a method using specialized electronics that counts the number of secondary pulses, which complicates the construction of the detector and does not allow the full potential of the device to be used, which results from the analysis of the time course.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu aktywnej redukcji tła detektora scyntylacyjnego i separacji impulsów w pomiarach niskich radioaktywności, który wyeliminuje potrzebę wykorzystania oddzielnych detektorów i układów elektronicznych.The aim of the invention is to develop a method of active reduction of the background of the scintillation detector and separation of pulses in the measurements of low radioactivity, which will eliminate the need to use separate detectors and electronic systems.

Cel ten osiągnięto stosując fotopowielacz rejestrujący równocześnie fotony z co najmniej trzech scyntylatorów o różnych czasach zaniku scyntylacji.This goal was achieved using a photomultiplier recording simultaneously photons from at least three scintillators with different scintillation decay times.

Sposób aktywnej redukcji tła detektora scyntylacyjnego i separacji impulsów w pomiarach niskich radioaktywności, polega na tym, że pod fotopowielacz umieszcza się pojemnik pomiarowy zawierający badany materiał radioaktywny, nad którym znajduje się scyntylator do detekcji cząstek α o grubości nie większej, niż 100 μm oraz scyntylator do detekcji cząstek β o grubości nie większej, niż 2 mm, przy czym nad scyntylatorami znajduje się warstwa przezroczystego tworzywa sztucznego o grubości nie mniejszej niż 0,01 mm, nad którą znajduje się kolejna warstwa scyntylatora, natomiast scyntylatory posiadają różne czasy zaniku scyntylacji, z których sygnał po zarejestrowaniu przez przetwornik analogowo-cyfrowy, w co najmniej trzech odstępach czasu nie większych niż 100 ns przesyła serie danych pomiarowych podczas pomiaru tła oraz źródeł promieniotwórczych α i β, które wykorzystuje się do nadzorowanego uczenia maszynowego oraz stworzenia klasyfikatorów do rozróżniania impulsów pochodzących od cząstek α, β oraz tła.The method of active reduction of the background of the scintillation detector and separation of pulses in measurements of low radioactivity consists in placing a measuring container containing the radioactive material under the photomultiplier, over which there is a scintillator for detecting α particles with a thickness of not more than 100 μm and a scintillator for detection of β particles with a thickness of not more than 2 mm, with a layer of transparent plastic with a thickness of not less than 0.01 mm above the scintillators, over which there is another layer of scintillator, while the scintillators have different scintillation decay times, of which the signal, after being registered by the analog-to-digital converter, in at least three time intervals not exceeding 100 ns, transmits a series of measurement data during the measurement of the background and α and β radioactive sources, which are used for supervised machine learning and the creation of classifiers to distinguish pulses from particles α, β and background.

Korzystnie sposób aktywnej redukcji tła według wynalazku polega na tym, że scyntylator do detekcji tła uformowany jest tak, że dowolna prosta przecinająca scyntylatory do detekcji cząstek α i β przecina scyntylator do detekcji tła.Preferably, the method of active background reduction according to the invention consists in that the background detection scintillator is formed in such a way that any line intersecting the α and β particle detection scintillators intersects the background detection scintillator.

Zaletą rozwiązania wynalazku jest obniżenie progu detekcji radionuklidów α i β promieniotwórczych, poprzez zintegrowanie osłony z układem detekcji cząstek α i β. Dzięki klasyfikacji sygnału przy pomocy technik uczenia maszynowego, ulega obniżeniu tło pochodzące z promieniowania jonizującego i od zaburzeń elektromagnetycznych oraz umożliwia separację impulsów wywołanych przez promieniowanie α, β oraz tło.The advantage of the solution of the invention is lowering the detection threshold of radioactive α and β radionuclides by integrating the shield with the α and β particle detection system. By classifying the signal using machine learning techniques, the background from ionizing radiation and electromagnetic disturbances is reduced, and it enables the separation of pulses caused by α, β and background radiation.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia układ aktywnej redukcji tła detektora scyntylacyjnego i separacji impulsów w pomiarach niskich radioaktywności oraz powiększony wycinek przekroju osłony aktywnej.The subject of the invention has been presented in an example embodiment in the drawing, which shows the system of active background reduction of the scintillation detector and separation of pulses in the measurements of low radioactivity, and an enlarged section of the cross-section of the active shield.

Pod fotopowielaczem (1) umieszcza się pojemnik pomiarowy (2), wewnątrz którego znajduje się 2,0 g badanego materiału radioaktywnego (3) zawierającego szeregi promieniotwórcze ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th. Cząstki α emitowane z materiału radioaktywnego ze względu na ich maksymalny zasięg docierają do pierwszej warstwy scyntylatora (4) ZnS:Ag o grubości nie większej niż 40 μm i wywołują scyntylacje o czasie zaniku około 230 ns. Promieniowanie β ze względu na znacznie większy zasięg traci energię i wywołuje scyntylacje głównie w drugiej warstwie scyntylatora (5) plastikowego o czasie zaniku scyntylacji 5 ns i grubości 2 mm. Wtórne promieniowanie kosmiczne w tym wysokoenergetyczne cząstki μ ze względu na geometrię układu wywołują scyntylacje w trzeciej warstwie scyntylatora (6) plastikowego o czasie zaniku scyntylacji 200 ns i grubości 1 mm która dodatkowo oddzielona jest warstwą szkła akrylowego (7) o grubości 0,5 mm. Trzy warstwy scyntylatorów (4), (5) i (7) wykonane są z materiałów o różnych stałych zaniku scyntylacji. Scyntylator (7) uformowany jest w kształcie połączonej cylindrycznej rury i dysku jak przedstawia Fig. 1 oraz Fig. 1A. Sygnał wywołany przez scyntylacje na wyjściu fotopowielacza (1) przez cząstki α, β oraz impulsy tła w tym μ posiada różne przebiegi czasowe. Sygnał ten jest rejestrowany przez przetwornik analogowo-cyfrowy w co najmniej trzech 30 ns odstępach czasu. Po analizie odpowiedzi sygnał pochodzący od α, β oraz μ może budowane są klasyfikatory przy pomocy algorytmów uczenia maszynowego, które umożliwiają klasyfikację przebiegów czasowych do promieniowania α, β bądź tła.Under the photomultiplier (1) a measuring container (2) is placed, inside which there is 2.0 g of the tested radioactive material (3) containing the radioactive series ²³⁸ U, ²³⁵ U, ²³² Th. The α particles emitted from the radioactive material, due to their maximum range, reach the first layer of the scintillator (4) ZnS:Ag with a thickness of not more than 40 μm and cause scintillations with a decay time of about 230 ns. β radiation, due to its much greater range, loses energy and causes scintillations mainly in the second layer of the plastic scintillator (5) with a scintillation decay time of 5 ns and a thickness of 2 mm. Secondary cosmic rays, including high-energy μ particles, due to the geometry of the system, cause scintillations in the third layer of a plastic scintillator (6) with a scintillation decay time of 200 ns and a thickness of 1 mm, which is additionally separated by a layer of acrylic glass (7) with a thickness of 0.5 mm. The three scintillator layers (4), (5) and (7) are made of materials with different scintillation decay constants. The scintillator (7) is formed in the shape of a combined cylindrical tube and disc as shown in Fig. 1 and Fig. 1A. The signal caused by scintillations at the output of the photomultiplier tube (1) by particles α, β and background pulses, including μ, has different time courses. This signal is recorded by the analog-to-digital converter in at least three 30 ns time intervals. After analyzing the response, the signal from α, β and μ can be used to build classifiers using machine learning algorithms that allow the classification of time waveforms to α, β or background radiation.

Sposób aktywnej redukcji tła detektora scyntylacyjnego do pomiaru niskich radioaktywności znajdzie zastosowanie w pomiarze szeregów promieniotwórczych ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th oraz innych naturalnie występujących radionuklidów w środowisku takich jakich jak ⁸⁷Rb, ⁴⁰K, ¹⁴C, ³H.The method of active background reduction of the scintillation detector for the measurement of low radioactivity will be used in the measurement of radioactive series ²³⁸ U, ²³⁵ U, ²³² Th and other naturally occurring radionuclides in the environment, such as ⁸⁷ Rb, ⁴⁰ K, ¹⁴ C, ³ H.

Claims

1. A method of active reduction of the background of a scintillation detector and separation of pulses in measurements of low radioactivity, characterized in that a measuring container (2) containing the tested radioactive material (3) is placed under the photomultiplier tube (1), over which a scintillator (4) is placed for detection α particles with a thickness of not more than 100 μm and a scintillator (5) for the detection of β particles with a thickness of not more than 2 mm, with a layer of transparent plastic (6) with a thickness of not less than 0.01 mm, over which there is another scintillator layer (7), while scintillators (4), (5) and (7) have different scintillation decay times, the signal from which, after being registered by the analog-digital converter, in at least three time intervals of not more than 100 ns, transmits a series of measurement data during the measurement of the background and α and β radioactive sources, which are used for supervised machine learning and the creation of a classification kators to distinguish between pulses from α, β and background particles.

2. A method for active background reduction according to claim The method according to claim 1, characterized in that the background detection scintillator (7) is formed in such a way that any straight line intersecting the α and β particle detection scintillators (4), (5) intersects the background detection scintillator.