Моделирование в среде Geant4 спектров рентгенофлуоресцентных и денситометрических измерений

Abstract

Разработана компьютерная модель гибридного устройства для определения концентраций актинидов в пробах радиоактивных отходов или технологических растворов методами рентгенофлуоресцентного анализа и рентгеновской денситометрии, перспективность которого обусловлена необходимостью повышения точности измерений. Гибридное устройство представлено в виде системы из рентгеновской трубки, измеряемого образца и детекторов ионизирующего излучения. Модель, позволяющая получать спектры с полупроводникового и сцинтилляционного детекторов, предназначена для отработки конструкционных решений на этапе разработки устройства и выявления возможных технических проблем. Для реализации использована программная среда Geant4, осуществляющая имитационное моделирование (по методу Монте-Карло) процессов взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. Рассмотрено воздействие материала измерительной кюветы на форму получаемых спектров на примере кювет из полистирола, стали и кварцевого стекла. Получены спектры для модельных растворов, содержащих один из элементов (U, Np, Pu или Am) в матрице из азотной кислоты. Отмечено, что полученные энергетические распределения слабо различимы ввиду близости энергий K-края поглощения. Также получены спектры для раствора нитрата уранила в широком диапазоне концентраций, и подтверждено, что рентгенофлуоресцентный метод наиболее перспективен для измерения низких концентраций (до 100 г/л), а денситометрия по K-краю - для высоких (более 100 г/л). Полученные функции отклика детекторов являются «идеалистичными», поскольку в модели учитывается лишь воздействие статистических флуктуаций количества носителей заряда, рождённых в чувствительном объёме детектора, на детектируемые энергии частиц

The authors have developed the computational model of hybrid device for determining concentration of actinides in radioac-tive waste or process solutions using X-ray fluorescence analysis and X-ray densitometry. Prospects of this method is deter-mined by the necessity of greater precision. The hybrid device consists of an X-ray tube, ionizing radiation detector and a sample. The model purpose is to gauge the viability of decisions being made during development and to highlight possible technical problems. Moreover, it allows getting spectrаfrom semiconductor and scintillation detectors. The model is devel-oped using Geant4 -a platform for imitation modeling of ionizing radiation interaction with matter using the Monte-Carlo procedure. The cuvette material impact on the shape of spectrum was assessed using polystyrene, steel and quartz glass. The authors obtained the spectra of model solutions containing one of the elements (U, Np, Pu or Am) in nitric acid. It is noted that the resulting energy distributions are weakly discernible due to the proximity of K-edge absorption energies. In addition, spectra for uranyl nitrate solution in wide range of concentration were simulated. It was confirmed that X-ray fluorescence method is most promising for measuring low concentrations (up to 100 g/l). On the other side, K-edge densitometry shows better results for high concentrations (more than 100 g/l). Resulting response functions of detectors are "idealistic" because of model limitations. Only the impact of statistical fluctuation of the amount of charge carriers created in detector sensitive volume on detected energies of particles is taken into the account