СТАНДАРТНЫЙ ОБРАЗЕЦ РАДИОНУКЛИДНОГО СОСТАВА НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОЙ ПОЧВЫ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01N1/28 G01N1/38 

Изобретение относится к способу получения стандартного образца радионуклидного состава на основе природной почвы и может быть использовано при:
- контроле показателей точности измерений радионуклидного состава;
- метрологической аттестации методик выполнения измерений радионуклидов (РН) радиометрическими и радиохимическими методами;
- градуировке и поверке средств измерений;
- межлабораторных сличительных экспериментов;
- выполнении контрольных, аттестационных, экспертных и арбитражных определений радионуклидного состава аналогичных объектов;
- аккредитации лабораторий радиационного контроля;
- проведении радиоэкологического мониторинга в областях развития бурых, серых и черноземных почв.

Известен способ получения стандартного образца радионуклидного состава на основе природной почвы, в котором осуществляют отбор пробы почвы весом 500 кг с глубины 20 см, сушку, дробление, просеивание через сито 0,3 мм, перемешивание в барабане емкостью 3000 л в течение 24 часов и получение стандартного образца (IAEA AQCS CATALOGUE FOR REFERENCE MATERIALS AND INTERCOMPARISON EXERCISES 1998/1999 IAEA-375 Soil).

Однако в известном способе отбор пробы осуществляется с глубины 20 см. Эта глубина вполне доступна для фильтрационных процессов, которые могут приводить к растворению техногенных радионуклидов и проникновению их на глубины до 40 см с возможным связыванием веществом почвы и последующим выпадением. Кроме того, присутствие "горячих частиц" в образце влияет на уровень аттестованных активностей радионуклидов.

Наиболее близким к предложенному стандартному образцу является стандартный образец, аттестованный на активности следующих техногенных и природных РН (Бк/кг):
Sr⁹⁰ - 30.34 Cs¹³⁷ - 53.65
Ra²²⁶ - 79.92 Pu^239,240 - 1.04
(IAEA AQCS CATALOGUE FOR REFERENCE MATERIALS AND INTERCOMPARISON EXERCISES 1998/1999 IAEA/SOIL6)
Стандартный образец приготовлен на основе пробы почвы, отобранной с глубины 10 см. Его материал считается гомогенным при доверительной вероятности 0.95 для навески не менее 250 г.

Однако известный стандартный образец может быть заражен техногенными РН в связи с тем, что проба почвы, на базе которой он приготовлен, отобрана с глубины 10 см. Эта глубина вполне доступна для фильтрационных процессов, которые могут приводить к растворению техногенных РН и проникновению растворов на глубины до 40 см с возможным связыванием веществом почвы и последующим выпадением. Известный стандартный образец аттестован на удельные активности только четырех РН. Кроме того, известный стандарт характеризуется гомогенностью на уровне 250 г, что значительно выше весовых количеств, используемых в качестве стандартных навесок при радиометрических измерениях и радиохимических анализах.

Наиболее близким по техническому результату к предложенному способу является способ получения стандартного образца РН состава, в котором осуществляют отбор пробы почвы, сушку при 110^oC в течение 8-10 часов, дробление комков, просеивание через сита 0.074 мм и 0.043 мм, удаление непросеявшегося остатка, насыпание 100 г полученной пробы в платиновую чашку, добавление в пробу воды с постоянным перемешиванием до консистенции "жидкой сметаны", вливание 1 мл раствора радионуклидов в 10% HNO₃ с перемешиванием после каждой капли, высушивание под инфракрасной лампой при 80^oC, измельчение до размера не более 0.074 мм и перемешивание пробы с чистой почвой с тем же размером частиц, вес которой дополняет пробу до 1800 г. (Sill Claude W. And Hindman Forest D. Preparation And Testing of Standard Soils Containing Known Quantities of Radionuclides. Analytical Chemistry, Vol. 46, N 1, 1, Jan. 1974. page 113-118.)
Однако в известном способе после просеивания пробы через сито 0.074 мм удаляют непросеявшийся остаток, что противоречит понятию представительности пробы, т. к. без гранулометрической представительности не достигается представительность минерального и химического состава, а следовательно, и физических свойств. Кроме того, вода, добавляемая в пробу, может химически связать вводимые радионуклиды, что приведет к их выпадению и усложнит достижение гомогенности получаемого стандарта.

Техническим результатом предложенного решения является обеспечение полной представительности стандартного образца, достигаемое обработкой всего объема пробы, и получение оптимальной гомогенности стандартного образца при минимальной аналитической навеске, а также расширение области применения образца.

Для достижения технического результата в стандартном образце радионуклидного состава на основе природной почвы, аттестованном на удельные активности Sr⁹⁰, Cs¹³⁷, Pu^239+240, Ra²²⁶, дополнительно аттестованы радионуклиды U²³⁸, U²³⁴, Th²³², Th²³⁰, Th²²⁸ Ra²²⁸, Ra²²⁴, Pb²¹⁰, Po²¹⁰, K⁴⁰, Am²⁴¹, а также суммарные активности альфа- и бета-излучающих радионуклидов с представительной по отношению ко всему объему стандартного образца аналитической навеской 1 г; при этом стандартный образец аттестован на активности в (Бк/кг):
U²³⁸ - 34.7±3.5 U²³⁴ - 37.3±3.7 Th²³² - 43±4.3
Th²³⁰ - 50±7.5 Th²²⁸ - 44±4.4 Ra²²⁶ - 135±13.5
Ra²²⁸ - 36.4 ± 5.5 Ra²²⁴ - 48.8±7.3 Pb²¹⁰ - 36±3.6
Po²¹⁰ - 36±3.6 K⁴⁰ - 460±32 Pu²³⁹⁺⁴⁰ - 10±1.0
Pu²³⁸<0.5 Am²⁴¹12±1.8 Cs¹³⁷ - 30±2.1
Sr⁹⁰ - 18 ± 2.7 Σ_α - 590 ± 88.5 Σ_β - 900±135
В способе получения стандартного образца радионуклидного состава на основе природной почвы, включающем отбор пробы почвы, сушку, дробление, истирание, добавление в пробу жидкости, перемешивание и добавление раствора заданных радионуклидов при постоянном перемешивании, высушивание и измельчение, отбирают пробу природной почвы весом 13 - 15,6 кг, сушат на открытом воздухе, измельчают весь объем пробы до конечной крупности зерен не более 0.074 мм, помещают его в полиэтиленовый контейнер, перемешивают для устранения возможного расслоения, добавляют 10 - 11,5 л инертной органической жидкости в течение 12-15 минут, перемешивают до консистенции "жидкой сметаны", добавляют непрерывно нейтральный раствор заданных радионуклидов при постоянном перемешивании, затем снова перемешивают, отстаивают, декантируют отстоявшуюся жидкость, высушивают в вытяжном шкафу при комнатной температуре при периодическом перемешивании, измельчают до конечной крупности зерен не более 0.074 мм, перемешивают для устранения возможного расслоения, получая воздушно-сухую массу стандартного образца с гомогенным распределением радионуклидов.

Предложенный способ осуществляется следующим образом.

С горизонта 60-80 см, что исключает зараженность техногенными РН, в т.ч. "горячими частицами", отбирают пробу природной фоновой почвы весом 13-15,60 кг. Вес определен современными потребностями лабораторий радиационного контроля РФ, владеющих комплексов радиохимических и спектрометрических методов (табл. 1).

Пробу высушивают во избежание слипания материала при дальнейшем дроблении и истирании.

Сухой материал дробят до крупности не более 2 мм. Дробленый материал истирают до крупности не более 0,074 мм и помещают в полиэтиленовый контейнер.

Для устранения возможной гравиметрической дифференциации истертую массу перемешивают в течение 10 минут электрической дрелью с двухлопастной винтовой насадкой. Оптимальная скорость вращения винтовой насадки определена экспериментально и равна 75-100 об/мин, так как при этой скорости время перемешивания минимально при отсутствии распыления материала (табл. 2).

В полученную массу при постоянном перемешивании той же насадкой, но с ручной дрелью для возможности варьирования числа оборотов вводят в течение 12-15 минут (табл. 3) 10 - 11,5 л инертной по отношению к вводимым радионуклидам органической жидкости (табл. 4) в отличие от воды, которая может связывать и осаждать радионуклиды, что сделало бы невозможным создание гомогенного стандарта.

Лабораторными экспериментами на 15 г сухой почвы установлена оптимальная скорость введения жидкости 5-10 мл/сек, позволяющая избежать образования комковатости. Результаты эксперимента показаны в табл. 5.

Полученный объем пробы перемешивают 30-35 минут той же насадкой с электрической дрелью при скорости вращения 200-300 об/мин до получения однородной массы с консистенцией "жидкой сметаны". Такая консистенция дает возможность интенсивного перемешивания при минимальном расходе жидкости. Лабораторными экспериментами установлено, что 200-300 об/мин - максимальная скорость, при которой не происходит разбрызгивания (табл. 6). Этими же экспериментами показано, что 25 г материала приобретают указанную консистенцию за 2 -2,5 сек (табл. 7). Таким образом, время перемешивания общего объема пробы 26 кг составит порядка 30-33 мин (табл. 6, 7).

Затем в полученную массу непрерывно в течение 5-10 минут при постоянном перемешивании вводят нейтральный раствор, представляющий сумму растворов техногенных РН.

Нейтральный раствор предварительно приготавливают следующим образом. Объемы растворов вводимых радионуклидов с аттестованными удельными активностями (Am²⁴¹ - 3,63 Бк/кг, Pu²³⁹ - 2,35 Бк/кг, Cs¹³⁷ 64 Бк/кг, Sr⁹⁰ 73 Бк/кг) выбирают с учетом массы природной фоновой почвы (15,35 кг) с тем, чтобы в стандартном образце выйти на значения удельных активностей (Бк/кг), соответствующие верхним значениям фона глобальных выпадений, а именно: Cs¹³⁷ - 20, Sr⁹⁰ - 20, Pu²³⁹ - 10, Am²⁴¹ -10.

Для этого были приготовлены отдельно 4 раствора:
45 мл Am²⁴¹ в 15% HNO₃,
65 мл Pu²³⁹ в 15% HNO₃,
5 мл Cs¹³⁷ в 15% HNO₃,
4 мл Sr⁹⁰ в 15% HNO₃
Затем растворы были объединены с получением общего объема 119 мл и непосредственно перед введением в пробу природной фоновой почвы во избежание возможной реакции, указанный объем нейтрализуют путем добавления 32 мл 30% NH₄OH (аммиак). Измеренное после нейтрализации значение pH должно быть равным 7. Затем этот раствор при постоянном перемешивании в течение 5 мин непрерывно вводят в пробу.

Последующую гомогенизацию пробы выполняют периодическим перемешиванием при скорости вращения до 300 об/мин в течение 70- 75 мин. Лабораторными экспериментами установлено, что аналитическая навеска 1 г является представительной по отношению к массе 25 г, если ее перемешивать не менее 4 - 6 сек.

После перемешивания пробу устанавливают для отстоя массы почвы до достижения полной прозрачности (отсутствия видимой взвеси) на 70-75 часов.

Образовавшуюся над поверхностью отстоявшейся пробы жидкость декантируют, а влажную массу раскладывают в вытяжном шкафу на лотки из нейтрального материала и выдерживают при комнатной температуре до полного высыхания. Лабораторными опытами установлено время полного высыхания различных весовых количеств пробы при указанных условиях.

Таким образом, время до полного высыхания массы пробы после декантирования составляет порядка 45-50 час.

Сухой материал помещают в контейнер из нейтрального материала и измельчают цилиндром из инертного материала до полного устранения комковатости.

Полученную массу измельчают до конечной крупности зерен не более 0,074 мм.

Истертую пробу в течение 10-15 минут перемешивают при скорости 100 об/мин для устранения возможного расслоения.

В результате получают воздушно-сухую тонкоистертую массу стандартного образца с гомогенным распределением естественных и техногенных РН.

Для оценки степени однородности распределения РН из полученной пробы отбирают не менее двух (например, для межлабораторного контроля) серий аликвот и не менее 20 навесок в каждой серии. Отбор выполняют в несколько приемов с перемешиванием материала после отбора каждой партии. Масса навесок должна соответствовать заявляемой представительности по отношению к основной массе. Измерения выполняют на низкофоновых проточных альфа-бета-радиометрах; время измерения каждой пробы составляет 3х1000-3х1500с.

Пример получения стандартного образца радионуклидного состава на основе природной фоновой почвы.

Базовая почва в количестве 15,6 кг была отобрана в Кировоградской области с глубины 40-60 см, что соответствует горизонту "В" типичных черноземов. Измеренные активности природных РН соответствовали фоновым значениям; измеренные активности техногенных РН оказались ниже фона глобальных выпадений.

Весь объем исходной массы пробы был высушен, раздроблен до крупности не более 2 мм и истерт до однородного материала с конечной крупностью частиц не более 0,074 мм. Истертая проба помещалась в полиэтиленовый контейнер, где в течение 10 минут перемешивалась электродрелью с двухлопастной винтовой насадкой при 100 об/мин.

В полученную массу при постоянном перемешивании той же насадкой, но на ручной дрели вводилось в течение 15 минут 11 л нейтральной органической жидкости, например этиловый спирт. Полученный объем вещества перемешивался той же насадкой при 300 об/мин до получения однородной массы с консистенцией "жидкой сметаны" в течение 30 мин.

Затем в полученную массу при постоянном перемешивании в течение 5 минут непрерывно вводили нейтральный раствор, содержащий Am²⁴¹, Pu²³⁹, Cs¹³⁷, Sr⁹⁰. Последующую гомогенизацию пробы выполняли периодическим перемешиванием (14 циклов по 5 минут) при 300 об/мин. Цикличность перемешивания обусловлена ограничениями по режиму непрерывной работы электродрели.

После перемешивания проба устанавливалась для отстоя твердой массы до полной прозрачности жидкости на 72 часа. Образовавшийся над поверхностью пробы слой жидкости декантировали, а влажную массу извлекли из контейнера и раскладывали для просушивания при комнатной температуре в вытяжном шкафу на лотки размером 40х60 см на 48 часов.

После этого сухой материал помещают в полиэтиленовый контейнер, где измельчают эбонитовым цилиндром в течение 10 минут до полного устранения комковатости, после чего доводят до крупности не более 0,074 мм. Полученную массу в течение 10 минут перемешивали при 100 об/мин.

Для оценки степени однородности распределения РН из полученной пробы было отобрано две серии аликвот в 1 г по 22 навески в каждой серии. Отбор выполнялся в случайном порядке в несколько приемов с перемешиванием материала после отбора каждой партии.

Первую серию проб измеряли на низкофоновом проточном альфа-бета-радиометре NRR-610 TESLA (время измерения 3 раза по 1000 с для каждой пробы), вторую - на четырехканальном низкофоновом проточном альфа-бета-радиометре НТ-1000 CANBERRA (время измерения 3 раза по 1500 с для каждой пробы).

Результаты оценки однородности распределения радионуклидов в массе полученного стандартного образца, приведенные в таблице 8, свидетельствуют о том, что аналитическая навеска стандарта в 1.0 г является представительной по отношению к основной массе. Отклонения от средних значений измеренной скорости счета в 7-10% определяются ошибкой измерений, что подтверждается многократными измерениями одних и тех же навесок (табл. 8).

Полученный стандартный образец характеризуется значениями удельной активности естественных и техногенных радионуклидов, указанными в табл. 9.

Изобретение может быть использовано при контроле показателей точности измерений радионуклидного состава. Стандартный образец радионуклидного состава на основе природной почвы аттестован на удельные активности по радионуклидам: U²³⁸ 34,7 ± 3,5, U²³⁴ 37,3 ± 3,7, Th²³² 43 ± 4,3, Th²³⁰ 50 ± 7,5, Th²²⁸ 44 ± 4,4, Ra²²⁶ 135 ± 13,5, Ra²²⁸ 36,4 ± 5,5, Ra²²⁴ 48,8 ± 7,3, Pb 36 ± 3,6, Po 36 ± 3,6, K⁴⁰ 460 ± 32, Pu²³⁹⁺⁴⁰ 10 ± 1,0, Pu²³⁸<0,5, Am²⁴¹ 12 ± 1,8, Cs¹³⁷ 30 ± 2,1, Sr⁹⁰ 18 ± 2,7, Σ_α 590 ± 88,5,Σ_β 900 ± 135, а также аттестованы суммарные активности альфа- и бета-излучающих радионуклидов с представительной по отношению ко всему объему стандартного образца аналитической навеской 1 г. В способе получения стандартного образца отбирают пробу природной почты весом 13-15,6 кг, сушат на открытом воздухе, измельчают весь объем пробы до крупности зерен не более 0,074 мм. Помещают пробу в полиэтиленовый контейнер, перемешивают для устранения расслоения. Добавляют 10-11,5 л инертной органической жидкости в течение 12-15 мин. Перемешивают и добавляют нейтральный раствор радионуклидов, отстаивают и декантируют отстоявшуюся жидкость. Высушивают в вытяжном шкафу при комнатной температуре и при перемешивании. Измельчают до конечной крупности зерен не более 0,074 мм, перемешивают, получают воздушно-сухую массу образца с гомогенным распределением радионуклидов. Аналитическая навеска стандарта в 1,0 г является представительной по отношению к основной массе. Отклонения от средних значений измеренной скорости счета в 7-10% определяются ошибкой измерений. 2 с.п. ф-лы, 9 табл.

1. Стандартный образец радионуклидного состава на основе природной почвы, аттестованный на удельные активности Sr⁹⁰, Cs¹³⁷, Pu^239+240, Ra²²⁶, отличающийся тем, что в нем дополнительно аттестованы радионуклиды U²³⁸, U²³⁴, Th²³², Th²³⁰, Th²²⁸, Ra²²⁸, Ra²²⁴, Pb²¹⁰, Po²¹⁰, K⁴⁰, Am²⁴¹, а также суммарные активности альфа- и бета-излучающих радионуклидов с представительной по отношению ко всему объему стандартного образца аналитической навеской 1 г, при этом стандартный образец аттестован на следующие удельные активности по радионуклидам:
U²³⁸ 34,7 ± 3,5; U²³⁴ 37,3 ± 3,7; Th²³² 43 ± 4,3;
Th²³⁰ 50 ± 7,5; Th²²⁸ 44 ± 4,4; Ra²²⁶ 135 ± 13,5;
Ra²²⁸ 36,4 ± 5,5; Ra²²⁴ 48,8 ± 7,3; Pb²¹⁰ 36 ± 3,6;
Po²¹⁰ 36 ± 3,6; K⁴⁰ 460 ± 32; Pu²³⁹⁺⁴⁰ 10 ± 1,0;
Pu²³⁸ < 0,5; Am²⁴¹ 12 ± 1,8; Cs¹³⁷ 30 ± 2,1;
Sr⁹⁰ 18 ± 2,7; Σ_α 590 ± 88,5; Σ_β 900 ± 135. 2. Способ получения стандартного образца радионуклидного состава на основе природной почвы, включающий отбор пробы почвы, сушку, дробление, истирание, добавление в пробу жидкости, перемешивание и добавление раствора заданных радионуклидов при постоянном перемешивании, высушивание и измельчение, отличающийся тем, что отбирают пробу природной почвы весом 13 - 15,6 кг, сушат на открытом воздухе, измельчают весь объем пробы до конечной крупности зерен не более 0,074 мм, помещают его в полиэтиленовый контейнер, перемешивают для устранения возможного расслоения, добавляют 10 - 11,5 л инертной органической жидкости в течение 12 - 15 мин, перемешивают до консистенции жидкой сметаны, добавляют непрерывно нейтральный раствор заданных радионуклидов при постоянном перемешивании, затем снова перемешивают, отстаивают, декантируют отстоявшуюся жидкость, высушивают в вытяжном шкафу при комнатной температуре при периодическом перемешивании, измельчают до конечной крупности зерен не более 0,074 мм, перемешивают для устранения возможного расслоения, получая воздушно-сухую массу стандартного образца с гомогенным распределением радионуклидов.