СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ АЛЬФА-ИЗЛУЧАЮЩИХ РАДИОНУКЛИДОВ Российский патент 2006 года по МПК G01T1/24 G01T1/36 

Предлагаемое изобретение относится к области радиоэкологического мониторинга, охране окружающей среды и может быть использовано для определения альфа-излучающих радионуклидов в пробах окружающей среды, в частности для альфа-спектрометрического определения изотопных отношений ²⁴⁰Pu и ²³⁹Pu, ²³⁸Pu и ²⁴¹Am, ²³⁵U и ²³⁶U, по количественным характеристикам которых возможно проследить характер глобальных радиационных выпадений, изменение загрязнений окружающей среды после радиационных аварий и испытаний ядерного оружия.

Известен способ альфа-спектрометрического определения изотопных отношений ²⁴⁰Pu/²³⁹Pu, ²³⁸Pu/²⁴¹Am, в котором анализ изотопных пар проводят с помощью полупроводниковой альфа-спектрометрии на серийном Si(Au) детекторе типа ДКД, обработку полученных спектров альфа-излучений радионуклидов осуществляют на микроЭВМ "Электроника" путем разложения сложных пиков на составляющие альфа-линии.

В основу способа обработки положено определение одиночной альфа-линии и расчет изотопного состава источника методом наименьших квадратов. Пики спектров обрабатывают по очереди. Относительная погрешность зависит от статистики счета в пике и лежит в пределах 0,7-10%. Время анализа спектра одного изотопа составляет 2-3 мин.

Однако известный способ не позволяет с достаточной точностью одновременно определять активность альфа-излучающих радионуклидов в слабоактивных пробах [1].

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому эффекту, является способ идентификации радионуклидов в пробах с использованием жидкостного сцинтилляционного счетчика ЖСС [2].

Способ включает отбор проб окружающей среды и технологических проб, обработку проб, подготовку проб для измерения на жидкостном сцинтилляционном счетчике, измерение и запись спектра пробы и параметров измерения, создание модельного спектра пробы, минимизацию отклонения модельного спектра от спектра пробы и определение содержания альфа-излучающих радионуклидов в пробе. При подготовке пробы предварительно определяют суммарную активность анализируемой пробы и энергетический интервал альфа-излучающих радионуклидов в пробе, а затем в пробу вводят раствор изотопа в качестве внутреннего стандарта с определенной энергией и заданной активностью альфа-излучения, измеряют и записывают спектр альфа-излучения пробы, на основании результатов измерения спектра пробы, минимизируя отклонение модельного спектра от спектра пробы в области внутреннего стандарта, определяют параметры асимметричного распределения Гаусса, описывающего пик внутреннего стандарта, по этим параметрам, используя эмпирические формулы зависимостей параметров от тушения для энергии альфа-излучения внутреннего стандарта, определяют величину и тип тушения анализируемой пробы, по полученным значениям величины и типа тушения пробы, используя формулы зависимости параметров асимметричного распределения Гаусса от энергии и тушения и справочных данных по альфа-излучающим радионуклидам, составляют модельный спектр.

Известный способ не позволяет одновременно определять активность всех альфа-излучающих радионуклидов в пробе и одновременно определять изотопные отношения таких радионуклидов, как ²⁴⁰Pu и ²³⁹Pu, ²³⁸Pu и ²⁴¹Am, ²³⁵U и ²³⁶U, разделять дуплеты радионуклидов с близкими энергиями; определять активность альфа-излучающих радионуклидов в слабоактивной пробе на уровне глобальных выпадений, т.к. не хватает энергетического разрешения при использовании ЖСС, используется ограниченная часть энергетической шкалы.

Техническим результатом предлагаемого способа является возможность одновременного определения активности всех альфа-излучающих радионуклидов, повышение точности одновременного определения изотопных отношений с близкими энергиями, разделение дуплетов таких радионуклидов, как ²⁴⁰Pu и ²³⁹Pu, ²³⁸Pu и ²⁴¹Am, ²³⁵U и ²³⁶U.

Для достижения технического результата предлагается способ идентификации альфа-излучающих радионуклидов, включающий отбор проб окружающей среды и технологических проб, обработку проб, подготовку проб для измерения, измерение и запись спектра пробы и параметров измерения, создание модельного спектра пробы, минимизацию отклонения модельного спектра от спектра пробы и определение содержания альфа-излучающих радионуклидов в пробе, при подготовке пробы предварительно определяют суммарную активность анализируемой пробы, затем в пробу вводят раствор изотопа в качестве внутреннего стандарта с определенной энергией и заданной активностью альфа-излучения, измеряют и записывают спектр альфа-излучения пробы, на основании результатов измерения спектра пробы, минимизируя отклонение модельного спектра от спектра пробы в области внутреннего стандарта, определяют параметры асимметричного распределения Гаусса, описывающего пик внутреннего стандарта, при этом способ идентификации альфа-излучающих радионуклидов осуществляют с использованием полупроводникового спектрометра и используют всю энергетическую шкалу спектрометра, а спектр отдельного радионуклида описывают по формуле:

где:

N(n_k) - дифференциальный счет в n_k-канале;

E^α _I - энергия i-линии радионуклида;

S_i - площадь пика (интегральный счет), определяющая содержание радионуклида в пробе, параметр находится при минимизации;

δ_i - относительный выход i-й линии радионуклида в его активность,

G(n_k,E^α _i) - асимметричный Гаусс:

где: n_k - номер канала спектрометра;

Δ и (1-Δ) - вклад первого и второго пиков двойного Гаусса в общую площадь линии;

σ₁ и σ₂ - дисперсия распределения Гаусса для первого и второго пиков соответственно;

μ₁=k₁·Е^α ₁-k₂ - положение первого пика двойного Гаусса;

k₁, k₂ - калибровочные параметры спектрометра,

n_k(E^α _i)=k_1·E^α _i-k₂; (2)

μ₂=μ₁-Δμ - положение второго пика двойного Гаусса;

Δμ - сдвиг первого пика относительно второго,

а минимизацию отклонения модельного спектра от спектра пробы осуществляют в три этапа: на первом этапе предварительно рассчитывают площади пиков S_i и дисперсии σ₁ и σ₂ при постоянных калибровочных коэффициентах k₁ и k₂; на втором этапе производят коррекцию калибровки энергетической шкалы путем уточнения калибровочных коэффициентов k₁ и k₂ при полученных значениях S_i, дисперсии σ₁ и σ₂ на первом этапе; на третьем этапе проводят расчет площадей пиков S_i и, соответственно, содержания изотопов в пробе, их дисперсии σ₁ и σ₂ при постоянных калибровочных коэффициентах k₁ и k₂, производя при этом коррекцию градуировочной шкалы.

Отличительными признаками заявляемого способа является то, что способ определения альфа-излучающих радионуклидов осуществляют с использованием полупроводникового спектрометра и используют всю энергетическую шкалу спектрометра, а спектр отдельного радионуклида описывают по формуле:

где:

N(n_k) - дифференциальный счет в n_k-канале;

Е_i - энергия i-линии радионуклида;

S_i - площадь пика (интегральный счет), определяющая содержание радионуклида в пробе, параметр находится при минимизации;

δ_i - относительный выход i-й линии радионуклида в его активность,

G(n_k,E^α _i) - асимметричное распределение Гаусса:

где: n_k - номер канала спектрометра;

Δ и (1-Δ) - вклад первого и второго пиков двойного распределение Гаусса в общую площадь линии;

σ₁ и σ₂ - дисперсия распределения Гаусса для первого и второго пиков соответственно;

μ₁=k₁·E^α ₁-k₂ - положение первого пика двойного распределение Гаусса;

k₁, k₂ - калибровочные параметры спектрометра:

n_k(E^α _i)=k₁·E^α _i-k₂; (2)

μ₂=μ₁-Δμ - положение второго пика двойного распределение Гаусса;

Δμ - сдвиг первого пика относительно второго,

а минимизацию отклонения модельного спектра от спектра пробы осуществляют в три этапа: на первом этапе предварительно рассчитывают площади пиков S_i и дисперсии σ₁ и σ₂ при постоянных калибровочных коэффициентах k₁ и k₂; на втором этапе производят коррекцию калибровки энергетической шкалы путем уточнения калибровочных коэффициентов k₁ и k₂ при полученных значениях S_i, дисперсии σ₁ и σ₂ на первом этапе; на третьем этапе проводят расчет площадей пиков S_i и, соответственно, содержания изотопов в пробе, их дисперсии σ₁ и σ₂ при постоянных калибровочных коэффициентах k₁ и k₂, производя при этом коррекцию градуировочной шкалы.

Использование полупроводникового спектрометра для идентификации альфа-излучающих радионуклидов в пробах позволяет получить спектры с меньшим разрешением, что приводит к повышению точности одновременного определения изотопных отношений с близкими энергиями и разделению дуплетов таких радионуклидов, как ²⁴⁰Pu и ²³⁹Pu, ²³⁸Pu и ²⁴¹Am, ²³⁵U и ²³⁶U.

Градуировка спектрометра.

Для градуировки спектрометра по энергии и энергетическому разрешению используют образцовый спектрометрический источник альфа-излучения излучения.

Измеряют спектр альфа-излучения образцового источника за время, при котором число отсчетов в основном пике каждого нуклида превышает 10². Набранный аппаратный спектр записывают в спектральный файл.

Обработка результатов измерений.

При обработке результатов измерений используют набранный аппаратный спектр и модельный спектр.

Способ обработки альфа-спектров работает тем лучше, чем меньше энергетическое разрешение альфа-спектрометра, поэтому анализируют пробы с суммарным разрешением <30 кэВ.

На основании справочных данных по энергиям Е_α и выходам δ_i с использованием формулы строят модельный спектр, наиболее приближенный к измеренному.

Для построения модельного спектра, разделения мультиплетов и расчета площадей пиков используют описание каждой возможной энергетической линии мультиплета двойным распределением Гаусса, имеющий следующий вид:

где: n_k - номер канала спектрометра;

Δ и (1-Δ) - вклад первого и второго пиков двойного Гаусса в общую площадь линии;

σ₁ и σ₂ - дисперсия распределения Гаусса для первого и второго пиков соответственно;

μ₁=k₁·E^α ₁-k₂ - положение первого пика двойного Гаусса;

k₁, k₂ - калибровочные параметры спектрометра:

n_k(E^α _i)=k₁·E^α _i-k₂;

μ₂=μ₁-Δμ - положение второго пика двойного Гаусса;

Δμ - сдвиг первого пика относительно второго.

Спектр отдельного радионуклида при этом описывается следующим образом:

где:

N(n_k) - дифференциальный счет в n_k-канале;

Е^α _i - энергия α-линии радионуклида;

S_i - площадь пика (интегральный счет), определяющая содержание радионуклида в пробе, параметр находится при минимизации;

δ_i - относительный выход i-й α-линии радионуклида в его активность.

На фиг 1. показан первый этап построения модельного спектра, в связи с флуктуациями калибровочных параметров спектрометра и их различием для различных ППД, проводят предварительную коррекцию калибровки спектрометра (т.е. коэффициентов k₁ и k₂) относительно библиотечного спектра.

Таблица 1№ канала максимумаЗначение максимумаЗначения максимумов ближайших линий49238294262446238316379382Отклонение288120-641446630

В таблице 1 показаны результаты предварительной корректировки калибровки спектрометра.

№ канала максимума - автоматически ищется максимум в аппаратном спектре.

Значение максимума - количество импульсов в канале максимума.

Значения максимумов ближайших линий - количество импульсов в каналах в зависимости от относительного выхода ближайших α-линий радионуклидов библиотечного спектра.

Отклонение - автоматически рассчитываемый параметр выражается в минимальном отклонении и значения максимума, в виде количества каналов, в обе стороны от максимума.

Весь аппаратный спектр сдвигают при необходимости на нужное число каналов в любую из сторон относительно максимума, так чтобы отклонение было равно 0.

Коррекцию спектра осуществляют в полуавтоматическом режиме.

Далее проводят моделирование аппаратного спектра путем минимизации суммы квадратов отклонений модельного и аппаратного спектров. Переменными параметрами минимизации выступают площади S_i пиков отдельных радионуклидов, их дисперсии σ₁, σ₂ и k₁ и k₂ калибровочные коэффициенты спектрометра.

Дисперсии пиков определяются качеством пробы (толщиной, материалом подложки и т.д.) и одинаковы для всех радионуклидов данной пробы.

Использование всей энергетической шкалы и описание спектра отдельного радионуклида по предлагаемой формуле в предмете изобретения позволяет использовать всю спектрометрическую информацию о радионуклиде и значительно повысить точность одновременного определения альфа-излучающих радионуклидов с близкими энергиями.

Проведение минимизации в три этапа позволяет более точно откорректировать энергетическую калибровку шкалы спектрометра, что значительно повышает точность определения альфа-излучающих радионуклидов.

Минимизация проводится в три этапа.

На первом этапе предварительно рассчитывают площади пиков S и дисперсии σ₁ и σ₂ при постоянных коэффициентах k₁ и k₂. Таким образом, определяют примерное содержание альфа-излучающих радионуклидов и качество подготовки пробы.

Таблица 2.σ₁=2.9σ₂=1594.7k₁=249.7k₂=9.8

В таблице 2 представлены результаты первого этапа минимизации и соотношения коэффициентов k₁ и k₂ с дисперсиями σ₁ и σ₂ для аппаратного спектра, изображенного на Фиг.2.

На втором этапе производят коррекцию калибровки, т.е. при полученных значениях S, σ₁ и σ₂ корректируются коэффициенты k₁ и k₂.

На последнем этапе проводят расчет площадей S пиков (и, соответственно, содержания изотопов в пробе), их дисперсии σ₁ и σ₂ при постоянных калибровочных коэффициентах k₁ и k₂, производя коррекцию градуировочной шкалы.

По рассчитанным площадям пиков определяют одновременно активность всех альфа-радионуклидов пробы, фрагмент результатов представлен в таблице 3.

Таблица 3. Pu-240Pu-238Pu-242Бк/пробу116169108μ₁1269.481280.621352.791363.481202.551213.64S₁31.04583.397547.4175119.96823.98183.5052μ₂1268.071279.211351.381362.071201.141212.23S₂0.313590.84240.478961.21180.242230.84349Δ0.2710.7280.2830.7160.2240.780Е(кэВ)5.1245.1685.4575.4994.8564.901

При наличии в пробе сложных (слившихся) дуплетов (²⁴⁰Pu/²³⁹Pu, ²³⁸Pu/²⁴¹Am, ²³⁵U/²³⁶U) используют наличие отдельно стоящих радионуклидов. Если в пробе такие нуклиды не присутствуют, то в пробу вводят дополнительные реперные нуклиды. Это необходимо для точной коррекции градуировки энергетической шкалы спектрометра.

На фиг.1 показана коррекция флуктуации градуировочных характеристик альфа-спектров.

На фиг.2 представлен аппаратный спектр пробы альфа-излучения изотопов плутония и америция, расшифрованных при обработке на составляющие альфа-линии.

На фиг.3 представлен типичный аппаратный спектр пробы альфа-излучения изотопов плутония.

На фиг.4 представлен спектр альфа излучения 239+240Pu, 238Pu.

На фиг.5 представлен спектр альфа излучения пробы 239+240Pu, 238Pu, донных отложений реки Енисей.

На фиг.6 и 7 представлен вид альфа-спектров изотопов урана, представленных в разных масштабах.

Пример 1.

Усредненную навеску воздушно-сухой пробы весом 10 г помещают в фарфоровую чашку и прокаливают в муфельной печи при температуре 500-550 С° в течение 4-6 часов. После прокаливания охлажденную пробу переносят в химический стакан емкостью 100 см³, вносят 0.12 Бк изотопной метки ²⁴²Pu, заливают смесью концентрированных азотной, соляной и плавиковой кислот 30:10:1 по объему до соотношения жидкой и твердой фаз 5:1 и кипятят при периодическом перемешивании в течение двух часов.

Охлаждают пробу, декантируют и фильтруют жидкую фазу в химический стакан, упаривают на плитке. Твердый остаток обрабатывают вторично смесью кислот. Жидкую фазу после отделения присоединяют к первому декантату и упаривают их совместно до состояния влажной соли.

Вносят в химический стакан с влажными солями 10-15 см³ концентрированной азотной кислоты с добавлением 4-5 мл 30%-ной перекиси водорода и упаривают. Повторяют данную операцию 3-4 раза, после чего растворяют солевой остаток в 30-50 см³ 7.5 М азотной кислоты.

Сорбционное выделение плутония.

Вносят в раствор пробы при перемешивании 40-60 мг кристаллического нитрита натрия, выдерживают химический стакан с пробой в течение 30 мин на водяной бане. Подготовленную пробу фильтруют через колонку с анианитом АВ-17 со скоростью 1 капля в с. После прохождения пробы промывают колонку сначала 100 см³ 7.5 М HNO₃, а затем - 100 см³ 9 М HCl с той же скоростью. Элюируют плутоний пропусканием 100 см³ 0.4 М раствора HCl. Упаривают полученный элюат досуха. Вносят в химический стакан с сухим остатком 3-5 см³ концентрированной азотной кислоты с добавлением 4-5% перекиси водорода, упаривают. Растворяют сухой остаток в 2 см³ 1 М HNO₃.

Экстракционная доочистка плутония.

Вносят при перемешивании в раствор пробы 15-20 мг кристаллического нитрита натрия, выдерживают пробу на водяной бане в течение 30 мин. Проводят экстракцию плутония 1.5 см³ раствором ТТА в толуоле в течение 15 мин. Разделяют фазы. Проводят повторную экстракцию плутония из водной фазы. Объединяют органические фазы и проводят их промывку 2 раза по 5 мин 1 М раствором HNO₃ порциями по 3 см³. Проводят реэкстракцию плутония 2 раза по 5 мин 9 М раствором HNO₃ порциями по 3 см³. Объединяют водные фазы, упаривают досуха. Вносят в химический стакан с сухим остатком 2-3 см³ концентрированной HNO₃ с добавлением 4-5 капель 30%-ной Н₂O₂. Повторяют данную операцию до полного разложения остатков органического вещества. Растворяют сухой остаток при нагревании в 1.5 см³ 0.5 М раствора H₂SO₄.

Приготовление спектрометрического источника.

Полированную подложку из коррозионно-стойкой стали обезжиривают ацетоном и закрепляют в нижней части электролитической ячейки. В раствор, полученный в результате экстракции, вносят 1 каплю раствора индикатора метилового оранжевого с интервалом перехода рН 3.1-4.3. Добавляя по каплям 1 М водный раствор аммиака, нейтрализуют раствор до перехода окраски индикатора в желтый цвет. Подкисляют раствор 0.05 М серной кислотой до изменения окраски индикатора (переход в красный цвет), после чего добавляют еще 2 капли кислоты. Полученный раствор переносят капиллярной пипеткой в электролитическую ячейку. Опускают катод в раствор, включают ток. Проводят электролиз в течение 2 часов при плотности тока 300-320 мА/см². Перед окончанием процесса, не отключая ток, вносят в ячейку капиллярной пипеткой 0.7-1.2 см хлороформа. Выключают источник тока. Сливают электролит. Разбирают электролитическую ячейку и промывают диск из коррозионно-стойкой стали с нанесенным на него плутонием, дистиллированной водой и ацетоном. Просушивают диск под инфракрасной лампой, после чего прокаливают в течение 5-7 минут на электроплитке при температуре 200-250 С°. Прокаленный диск является спектрометрическим источником.

Спектрометрическое детектирование α-частиц осуществлялось с помощью 4-х канального α-спектрометра фирмы "Canberra" на основе полупроводниковых поверхностно-барьерных PIPS детекторов PD-600 с площадью окна - 600 мм², FWHM - 22 кэВ, позволяющих преобразовывать энергию излучения в электрический импульс определенной амплитуды, соответствующей этой энергии. Время измерения пробы на альфа-спектрометре составляло 40 часов. Относительная погрешность измерений не более 10%.

На фиг.3 показан альфа-спектр выделенного радиохимическим путем плутония из пробы грунта, отобранного в районе Чернобыльской аварии.

Обработка результатов измерений.

При обработке результатов измерений используют набранный аппаратный спектр (фиг.3) и модельный спектр.

На основании справочных данных по энергиям Е и выходам δ_i с использованием формул (1)-(3) строят модельный спектр, наиболее приближенный к измеренному.

Для построения модельного спектра, разделения мультиплетов и расчета площадей пиков используют описание каждой возможной энергетической линии мультиплета двойным распределением Гаусса, имеющий следующий вид:

Спектр отдельных радионуклидов (²³⁸Pu, ²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu, ²⁴¹Am) при этом описывается следующим образом:

На фиг 1. показан первый этап построения модельного спектра для данной пробы. Проводят предварительную коррекцию калибровки спектрометра (т.е. коэффициентов k₁ и k₂) относительно библиотечного спектра.

Таблица 1№ каналаЗначениеЗначения максимумов ближайших линиймаксимумамаксимума 49238294262446238316379382Отклонение288120-641446630

В таблице 1 показаны результаты предварительной корректировки калибровки спектрометра.

№ канала максимума - автоматически ищется максимум в аппаратном спектре.

Значение максимума - количество импульсов в канале максимума.

Значения максимумов ближайших линий - количество импульсов в каналах в зависимости от относительного выхода ближайших α-линий радионуклидов библиотечного спектра.

Отклонение - автоматически рассчитываемый параметр выражается в минимальном отклонении и значения максимума, в виде количества каналов, в обе стороны от максимума.

Коррекцию спектра осуществляют в полуавтоматическом режиме.

Далее проводят моделирование аппаратного спектра путем минимизации суммы квадратов отклонений модельного и аппаратного спектров. Переменными параметрами минимизации выступают площади S_i пиков отдельных радионуклидов, их дисперсии σ₁, σ₂ и k₁ и k₂ калибровочные коэффициенты спектрометра.

Дисперсии пиков определяются качеством пробы (толщиной, материалом подложки и т.д.) и одинаковы для всех радионуклидов данной пробы.

Минимизация проводится в три этапа.

На первом этапе предварительно рассчитывают площади пиков S и дисперсии σ₁ и σ₂ при постоянных коэффициентах k₁ и k₂. Таким образом, определяют примерное содержание радионуклидов и качество подготовки пробы.

Таблица 2.σ₁=2.9σ₂=1594.7k₁=249.7k₂=9.8

В таблице 2 представлены результаты первого этапа минимизации и соотношения коэффициентов k₁ и k₂ с дисперсиями σ₁ и σ₂ для аппаратного спектра данной пробы (фиг.2).

На втором этапе производят коррекцию калибровки, т.е. при полученных значениях S, σ₁ и σ₂ корректируются коэффициенты k₁ и k₂.

На последнем этапе проводят расчет площадей S_i пиков (и, соответственно, содержания изотопов в пробе), их дисперсии σ₁ и σ₂ при постоянных калибровочных коэффициентах k₁ и k₂, производя коррекцию градуировочной шкалы.

При наличии в пробе сложных (слившихся) дуплетов (²⁴⁰Pu/²³⁹Pu, ²³⁸Pu/²⁴¹Am, ²³⁵U/²³⁶U) используют наличие отдельно стоящих радионуклидов. Если в пробе такие нуклиды не присутствуют, то в пробу вводят дополнительные реперные нуклиды, в данном случае ²⁴²Pu. Это необходимо для точной коррекции градуировки энергетической шкалы спектрометра.

В результате катастрофы на почву выпало диспергированное ядерное топливо, слабообогащенное ²³⁵U, и, естественно, ²³⁴U, кроме этого почва была загрязнена изотопами плутония и осколочными продуктами деления. Отношение ²³⁸Pu/^239+240Pu в проанализированных пробах грунта в районе Чернобыльской АЭС соответствуют плутонию отработанного топлива и колебалось в пределах 25-55%. В проанализированной пробе промежуток времени между радиохимическим выделением и измерением на α-спектрометре составляет более 4-х лет. За это время в препарате накопился ²⁴¹Am за счет распада ²⁴¹Pu (T_1/2=14.4 года), и по величине активности ²⁴¹Am можно судить о количестве материнского ²⁴¹Pu выпавшего на грунт в результате Чернобыльской аварии.

После обработки данного альфа спектра программой были получены следующие результаты:

²³⁹Pu=10.3 Бк/пр; ²⁴⁰Pu=10.6 Бк/пр; ²³⁸Pu=9.5 Бк/пр; ²⁴¹Am=6.0 Бк/пр.

Значения отношений плутония и америция имеют величину:

²⁴⁰Pu/²³⁹Pu=1.03; ²³⁹Pu/^240+239Pu=0.46; ²³⁸Pu/²⁴¹Am=1.59.

Зная активность ²⁴¹Am накопившегося за 4 года, можно рассчитать значение активности материнского ²⁴¹Pu. На момент приготовления препарата (1995 год) активность ²⁴¹Pu=1450 Бк/пр.

Данные расчетов хорошо согласуются с данными, полученными на момент аварии, когда активности ²³⁹Pu и ²⁴⁰Pu в реакторе были примерно одинаковыми, а содержание ²⁴¹Pu составляло 98% активности от всего плутония.

Пример 2. На фиг.4 показан альфа-спектр препарата пробы грунта, отобранного в районе Семипалатинского ядерного полигона. Видно, что аппаратурные пики ²³⁹Pu и ²⁴⁰Pu не разрешаются. После обработки аппаратурного спектра путем расшифровки альфа-спектров получены следующие значения активности изотопов плутония:

²³⁹Pu=1.09 Бк/пр; ²⁴⁰Pu=0.74 Бк/пр; ²³⁸Pu=0.05 Бк/пр.

Значения отношений плутония имеют величину:

²⁴⁰Pu/²³⁹Pu=0.7; ²³⁸Pu/^240+239Pu=0.032.

Полученные отношения хорошо сходятся с опубликованными данными по оружейному плутонию.

Пример 3. На фиг.5 представлен альфа спектр пробы донных отложений, отобранной из р. Енисей. Исследование донных отложений является одним из наиболее эффективных методов, которые позволяют оценить дальнейшую судьбу радионуклидов, выброшенных в окружающую среду. Подобные исследования дают возможность предсказать дальнейшее поведение радионуклидов и их перераспределение между компонентами экосистемы на достаточно большой период времени. Донные отложения являются уникальным объектом, в котором при определенных условиях как бы «консервируется» состояние внешней среды за различные периоды времени.

Изучение представленного альфа спектра плутония позволяет оценить загрязнение водной экосистемы реки Енисей в результате деятельности предприятий топливного цикла, а также прогнозировать радиоэкологическую обстановку.

При математической обработке представленного аппаратного альфа спектра были получены следующие результаты:

²³⁹Pu=37.4 Бк/кг; ²⁴⁰Pu=26.3 Бк/кг; ²³⁸Pu=12.7 Бк/кг.

Расчет удельной активности плутония велся относительно известной активности трассера ²⁴²Pu, который предварительно вносился в пробу.

Значения отношений плутония и америция имеют величину:

²⁴⁰Pu/²³⁹Pu=0.70; ²³⁸Pu/^240+239Pu=0.20

В данном случае можно предположить, что полученные значения отношений получились суперпозицией оружейного и топливного плутония, проанализированных в донных отложениях.

Пример 4. Техногенное загрязнение почв изотопами урана показан на фиг.6 и 7, на которых спектр одной и той же пробы представлен в разных масштабах. В этой пробе почвы, отобранной в одном из районов Приморья, альфа-спектрометрический анализ зафиксировал содержание в пробах урана с аномальным соотношением изотопов ²³⁵U/²³⁸U и отношения ²³⁴U/²³⁸U. При этом изотопы плутония и осколочные продукты деления ²³⁵U отсутствовали. Полученная информация позволила подтвердить предположение о том, что в данном месте произошла авария на атомной подводной лодке при перезагрузке топлива, в результате чего произошел выброс из ядерной установки урана, высокообогащенного легкими изотопами. После обработки нашей программой были получены следующие содержания и отношения изотопов урана.

²³⁴U=2.14 Бк/пр; ²³⁸U=0.07 Бк/пр; ²³⁵U=0.12 Бк/пр; ²³⁶U=0.05 Бк/пр.

Значения отношений урана имеют величину:

²³⁴U/²³⁸U=30.4; ²³⁵U/²³⁸U=1.7; ²³⁶U/²³⁸U=0.41; ²³⁵U/²³⁶U=2.4.

Полученные отношения урана, как отмечалось выше, характерны для топлива компактных энергетических установок, используемых в том числе на атомных подводных лодках.

Техническая эффективность предложенного способа по сравнению с прототипом заключается в повышении достоверности идентификации радионуклидов в пробах. Данный способ за счет лучшего разрешения детектора и предложенного способа обработки результатов измерений позволяет выделять и идентифицировать с достаточной точностью такие альфа-активные радионуклиды, как ²⁴¹Am и ²⁴¹Am, ²³⁹Pu и ²⁴²Pu в смеси, позволяет осуществить разделение радионуклидов с близкими энергиями, таких как ²⁴⁰Pu и ²³⁹Pu, ²³⁸Pu и ²⁴¹Am, ²³⁵U и ²³⁶U, ²⁴³Cm и ²⁴³Cm, что невозможно осуществить в способе-прототипе. На фиг.8 представлен спектр пробы промышленного урана, измеренный с помощью полупроводникового детектора и расшифрованный предлагаемым способом. В таблице представлены данные расшифровки спектра (уран и продукты его распада). На фиг.9 спектр той же пробы измеренный с помощью ЖСС. Идентифицировать продукты распада урана не удается, возможно, лишь сказать, что основной вклад в активность дает ²³⁴U.

Таблица 3.НуклидКол-во импульсовАктивность, Бк2σ, %212-В1636.65Е-0332212-РО666.97Е-0326216-РО1491.57Е-0218220-RN1751.85Е-0216222-RN373.92Е-0282224-RA2092.21Е-0216228-ТН2222.35Е-0222232-U1942.05Е-0238234-U62329765.81235-U177521.882236-U25850.27316238-U6987.37Е-0220239-PU7067.46Е-028Сумма64615368.3 

Предлагаемый способ определения альфа-излучающих радионуклидов может быть осуществлен на стандартном оборудовании. Данная разработка включена в план НИР и ОКР ГУП МосНПО «Радон», т.к. имеет большое прикладное значение.

Использованная литература.

1. Аниченков С.В., Попов Ю.С. «Альфа-спектрометрическое определение изотопных соотношений ²³⁹Pu/²⁴⁰Pu, ²³⁸Pu/²⁴¹Am». M., Радиохимия, №4, 1990, с.110-112 (аналог).

2. Патент №2191409, G 01 Т 1/204, 1/36 (прототип).

Изобретение относится к области радиоэкологического мониторинга, охране окружающей среды и может быть использовано для определения альфа-излучающих радионуклидов в пробах окружающей среды, в частности для альфа-спектрометрического определения изотопных отношений ²⁴⁰Pu и ²³⁹Pu, ²³⁸Pu и ²⁴¹Am, ²³⁵U и ²³⁶U. Техническим результатом изобретения является возможность одновременного определения активности всех альфа-излучающих радионуклидов, повышение точности одновременного определения изотопных отношений с близкими энергиями, разделение дуплетов таких радионуклидов, как ²⁴⁰Pu и ²³⁹Pu, ²³⁸Pu и ²⁴¹Am, ²³⁵U и ²³⁶U. Сущность: способ идентификации альфа-излучающих радионуклидов включает отбор проб окружающей среды и технологических проб, обработку проб, подготовку проб для измерения, измерение и запись спектра пробы и параметров измерения, создания модельного спектра пробы, минимизацию отклонения модельного спектра от спектра пробы и определение содержания альфа-излучающих радионуклидов в пробе. При подготовке пробы предварительно определяют суммарную активность анализируемой пробы, затем в пробу вводят раствор изотопа в качестве внутреннего стандарта с определенной энергией и заданной активностью альфа-излучения, измеряют и записывают спектр альфа-излучения пробы. На основании результатов измерения спектра пробы, минимизируя отклонение модельного спектра от спектра пробы в области внутреннего стандарта, определяют параметры асимметричного распределения Гаусса, описывающего пик внутреннего стандарта. Способ идентификации альфа-излучающих радионуклидов осуществляют с использованием полупроводникового спектрометра и используют всю энергетическую шкалу спектрометра, а спектр отдельного радионуклида описывают согласно предложенному соотношению. Минимизацию отклонения модельного спектра от спектра пробы осуществляют в три этапа. 6 табл., 9 ил.

Способ идентификации альфа-излучающих радионуклидов, включающий отбор проб окружающей среды и технологических проб, обработку проб, подготовку проб для измерения, измерение и запись спектра пробы и параметров измерения, создание модельного спектра пробы, минимизацию отклонения модельного спектра от спектра пробы и определение содержания альфа-излучающих радионуклидов в пробе, при подготовке пробы предварительно определяют суммарную активность анализируемой пробы, затем в пробу вводят раствор изотопа в качестве внутреннего стандарта с определенной энергией и заданной активностью альфа-излучения, измеряют и записывают спектр альфа-излучения пробы, на основании результатов измерения спектра пробы, минимизируя отклонение модельного спектра от спектра пробы в области внутреннего стандарта, определяют параметры асимметричного распределения Гаусса, описывающего пик внутреннего стандарта, отличающийся тем, что способ идентификации альфа-излучающих радионуклидов в пробах осуществляют с использованием полупроводникового спектрометра, при этом используют всю энергетическую шкалу спектрометра и спектр отдельного радионуклида описывают по формуле

где N(n_k) - дифференциальный счет в n_k-канале;

E^α _i - энергия i-й линии радионуклида;

S_i - площадь пика (интегральный счет), определяющая содержание радионуклида в пробе, параметр находится при минимизации;

δ_i - относительный выход i-й линии радионуклида в его активность,

G(n_k, Е^α _i) - асимметричное распределение Гаусса:

где n_k - номер канала спектрометра;

Δ и (1-Δ) - вклад первого и второго пиков двойного распределения Гаусса в общую площадь линии;

σ₁ и σ₂ - дисперсия распределения Гаусса для первого и второго пиков соответственно;

μ₁=k₁·Е^α ₁-k₂ - положение первого пика двойного распределения Гаусса;

k₁, k₂ - калибровочные параметры спектрометра:

n_k(E^α _i)=k₁·E^α _i-k₂;

μ₂=μ₁-Δμ - положение второго пика двойного распределения Гаусса;

Δμ - сдвиг первого пика относительного второго,

а минимизацию отклонения модельного спектра от спектра пробы осуществляют в три этапа: на первом этапе предварительно рассчитывают площади пиков S_i и дисперсии σ₁ и σ₂ при постоянных калибровочных коэффициентах k₁ и k₂; на втором этапе производят коррекцию калибровки энергетической шкалы путем уточнения калибровочных коэффициентов k₁ и k₂ при полученных значениях S_i дисперсии σ₁ и σ₂ на первом этапе; на третьем этапе проводят расчет площадей пиков Si и, соответственно, содержания изотопов в пробе, их дисперсии σ₁ и σ₂ при постоянных калибровочных коэффициентах k₁ и k₂, производя при этом коррекцию градуировочной шкалы.