СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ Ra-226 В ПОЧВЕ Российский патент 2010 года по МПК G01T1/167 

Изобретение относится к сфере радиационного контроля объектов окружающей среды, а более точно к радиационному контролю почвы, в которую для повышения плодородия вносятся минеральные удобрения. Способ может найти применение в хозяйствах, которые для повышения плодородия систематически вносят в почву минеральные удобрения. Для того чтобы предотвратить чрезмерное накопление Ra-226 в почве сельскохозяйственных угодий, требуется проводить радиационный контроль почвы. Предлагаемый способ дает возможность проводить контроль за удельной активностью Ra-226 в почве при минимальных затратах времени и средств.

Известен эманационный способ определения удельной активности Ra-226 в почве [1]. Этот способ основан на измерении активности радона-222, находящегося в пробе почвы в радиоактивном равновесии с радием-226. К недостаткам способа относится то, что для его осуществления требуется радиохимическое выделение сульфата радия-бария в трилоне Б с применением плавиковой, азотной, соляной и серной кислот, а также необходимость применения анализатора для измерения альфа-активности пробы.

Другой, радиометрический способ определения Ra-226 в почве [2], имеет те же недостатки, что и предыдущий способ. Дополнительным недостатком этого способа является необходимость радиохимического выделения осадка сульфата радия-бария, используемого для измерения альфа-активности Ra-226. Отпадает только необходимость накопления радона-222.

Определение Ra-226 в почве путем альфа-спектрометрии практически нереально из-за присутствия в почве U-234, испускающего при распаде альфа-частицы такой же энергии (4,773 МэВ), как и альфа-частицы, испускаемые Ra-226 (4,785 МэВ) [3].

Наиболее близким к заявляемому является способ определения Ra-226 в почве путем снятия гамма-спектра от пробы почвы полупроводниковым германиевым детектором [4]. Недостатком этого способа является необходимость калибровки энергетической шкалы гамма-спекрометра методом многих гамма-источников, требующим использования набора калиброванных гамма-излучателей с известными активностями и энергиями испускаемых фотонов, например, в виде комплекта образцовых спектрометрических гамма-источников (ОСГИ).

Целью заявляемого способа является упрощение анализа почвы на содержание Ra-226.

Цель достигается тем, что в известном способе определения удельной активности Ra-226 в почве, включающем снятие гамма-спектра гамма-спектрометром с германиевым детектором от пробы почвы, с целью упрощения перед снятием гамма-спектра пробу почвы помещают в герметичную емкость и выдерживают в ней не менее 20 суток, после чего измеряют число импульсов n₁ от фотонов с энергией 0,6093 МэВ гамма-линии Bi-214, накопленных детектором в используемой геометрии измерения от пробы почвы за время t₁, тем же детектором и в той же геометрии измеряют число импульсов n₂ от фотонов с энергией 1,46 МэВ гамма-линии К-40 от пробы соли хлористого калия, накопленных за время t₂, a удельную активность Ra-226 в пробе почвы рассчитывают по формуле

где: a₁ - удельная активность Ra-226 в пробе почвы, Бк/г;

е₁[e₂] - эффективность детектора для фотонов Bi-214 гамма-линии 0,6093 МэВ [К-40 гамма-линии 1,46 МэВ];

m₁[m₂]- линейный коэффициент ослабления фотонов Bi-214 в почве [фотонов К-40 в соли KCl], см^-1;

р₁,…,p_i - параметры, определяющие геометрию измерения пробы;

F(m₁,p₁,…,p_i) [F(m₂,р₁,…,p_i)] - функция геометрии измерения потока фотонов от пробы почвы [соли KCl], см.

Полную энергию, высвобождаемую при распаде радионуклида, сохраняют только нерассеянные фотоны. Мощность потока нерассеянных фотонов данной энергии в используемой геометрии измерения от пробы, содержащей радионуклид, можно рассчитать по формуле

где Ф - мощность потока нерассеянных фотонов, фотонов/(сек·см²);

а - удельная активность радионуклида в пробе, Бк/г,

d - плотность материала пробы, г/см³;

f - доля распадов радионуклида, сопровождающихся испусканием фотонов данной энергии, фотона/распад;

m - линейный коэффициент ослабления фотонов данной энергии в веществе пробы, см^-1.

F(m,p₁,…,p_i) - функция геометрии измерения потока фотонов от пробы, см.

При одинаковой геометрии измерения отношение числа нерассеянных фотонов Bi-214 гамма-линии 0,6093 МэВ к числу нерассеянных фотонов К-40 гамма-линии 1,46 МэВ, испущенных от проб соответственно кремнезема SiO₂ и соли KCl за временные интервалы t₁ и t₂, равно отношению соответствующих зарегистрированных чисел импульсов от фотонов Bi-214 и от фотонов К-40. Поэтому можно записать

где: n₁[n₂] - зарегистрированное за интервал t₁[t₂] число импульсов от фотонов Bi-214 [К-40];

t₁[t₂] - длительность набора импульсов от фотонов Bi-214 гамма-линии 0,6093 МэВ [К-40 гамма-линии 1,46 МэВ];

Ф₁[Ф₂] - мощность потока нерассеянных фотонов от пробы почвы [соли KCl];

d₁[d₂] - плотность почвы [соли KCl], г/см³.

Накопленные количества импульсов n₁ от фотонов Bi-214 за время t₁ от пробы почвы и n₂ от фотонов К-40 за время t₂ от пробы соли KCl можно измерить, а величины функции F(m,p₁,…,p_i) можно рассчитать исходя из параметров используемых источников излучения фотонов и геометрии измерения.

Для соли KCl, в которой фотоны испускаются при распаде К-40, удельная активность К-40 составляет 14,4 распадов/(сек·г), доля f₂=0,107 фотона/распад [5] и плотность d₂=1,988 г/см³ [6]. Источник из соли КС1 используется для градуировки детектора, а контролю подлежит удельная активность Bi-214 в почве. Доминирующей составляющей вещества почвы является кремнезем SiO₂, плотность которого d₁ равна 2,26 г/см³ [6]. Доля f₁ распадов Bi-214, при которых испускаются фотоны с энергией 0,6093 МэВ, составляет 0,461 фотона/распад [7]. Из формулы (3) следует, что удельную активность в почве Bi-214, а следовательно, и удельную активность Ra-226, находящегося в радиоактивном равновесии с Bi-214, можно рассчитать по формуле (1) исходя из результатов измерений числа импульсов n₁ от фотонов Bi-214 в пробе почвы и числа импульсов n₂ от фотонов К-40 в пробе соли KCl.

Пример осуществления способа. Цилиндрический объем из жести радиусом 30 см и высотой 60 см был заполнен солью KCl. Затем коаксиальным германиевым детектором было измерено количество импульсов от фотонов энергии 1,46 МэВ в центральной части нижней торцовой поверхности указанного цилиндрического объема. За 1 час было зарегистрировано 130000 импульсов от фотонов К-40.

Проба почвы такого же объема, как и проба соли KCl, была высушена и помещена в цилиндрический объем из жести с радиусом 30 см и высотой 60 см. Объем с пробой почвы был герметично закрыт в течение 30 суток. По истечении этого срока в центральную часть нижней торцовой поверхности пробы почвы был помещен тот же германиевый детектор, который использовался для измерения количества импульсов от фотонов, испущенных пробой соли KCl. За 2 часа было зарегистрировано 24000 фотонов энергии 0,6093 МэВ. Для потока нерассеянных фотонов данной энергии с центральной части торцовой поверхности цилиндрической пробы функция геометрии измерения потока фотонов от пробы имеет вид [8]

где h и r - высота и радиус цилиндрической пробы, см;

E₂(х) - интегральная показательная функция 2-го порядка;

G₂(x,y) - функция излучения цилиндрического источника [8].

Линейные коэффициенты ослабления фотонов К-40 в соли KCl и фотонов Bi-214 в кремнеземе (SiO₂) рассчитаны по методике и табличным данным, приведенным в в справочнике [9]. Получены следующие величины m₁=0,15 см^-1 и m₂=0,073 см^-1. Расчет величины функции F(m,h,r), выполненный по формуле (4), дал для пробы почвы F(0,15;60;30)=3,09 см и для пробы соли KCl F(0,073; 60; 30)=6,24 см. Эффективность регистрации германиевым детектором фотонов Bi-214 гамма-линии 0,6093 МэВ е₁=0,9%, а фотонов К-40 гамма-линии 1,46 МэВ - e₂=0,03% [10].

Результаты выполненных измерений позволяют определить удельную активность Ra-226 в исследованной почве. Расчет выполняется по формуле (1)

Положительный экономический эффект от применения предлагаемого способа обусловлен тем, что по сравнению с существующими способами отпадает необходимость приобретения химических реактивов и комплекта образцовых спектрометрических источников (ОСГИ), а также не нужно выполнять радиохимические процедуры. Требуется только наличие необходимого количества соли KCl и гамма-спектрометр с германиевым детектором, который обычно имеется в лаборатории в том числе и для решения других задач. Ориентировочно экономию денежных средств за счет использования предлагаемого способа можно оценить в сумме около 1 млн. рублей в год.

Литература

1. Методические рекомендации по санитарному контролю за содержанием радиоактивных веществ в объектах внешней среды. Минздрав СССР, М., 1980, с.173-175.

2. Методические рекомендации по санитарному контролю за содержанием радиоактивных веществ в объектах внешней среды. Минздрав СССР, М., 1980, с.176-177.

3. Схемы распада радионуклидов. Энергия и интенсивность излучения. Публикация 38 МКРЗ. Часть 2, книга 2. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.226, с.314.

4. Методические рекомендации по санитарному контролю за содержанием радиоактивных веществ в объектах внешней среды. Минздрав СССР, М., 1980, с.275-280.

5. Схемы распада радионуклидов. Энергия и интенсивность излучения. Публикация 38 МКРЗ. Часть 1, книга 1. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.47.

6. Справочник химика. Т.2. М.: Госхимиздат, 1951.

7. Схемы распада радионуклидов. Энергия и интенсивность излучения. Публикация 38 МКРЗ. Часть 2, книга 2. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.165.

8. Бергельсон Б.Р., Зорикоев Г.А. Справочник по защите от излучений протяженных источников. М.: Атомиздат, 1965, с.17, с.88-101.

9. Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1982.

10. Germanium Detectors. Canberra.

Изобретение можно использовать при радиационном контроле почвы тех хозяйств, где минеральные удобрения вносились в почву длительное время и обусловили значительное накопление Ra-226 в почве. Способ обеспечивает упрощение анализа почвы на определение в ней Ra-226. Пробу почвы выдерживают в герметичной емкости не менее 20 суток. Затем измеряют число импульсов n₁ от фотонов с энергией 0,6093 МэВ гамма-линии Bi-214, накопленных детектором в используемой геометрии измерения от пробы почвы за время t₁, тем же детектором и в той же геометрии измеряют число импульсов n₂ от фотонов с энергией 1,46 МэВ гамма-линии К-40 от пробы соли хлористого калия, накопленных за время t₂, а удельную активность Ra-226 в пробе почвы рассчитывают по формуле. Применение способа позволяет снизить затраты на проведение контроля за содержанием Ra-226 в почве.

Способ определения удельной активности Ra-226 в почве, включающий снятие гамма-спектра гамма-спектрометром с германиевым детектором от пробы почвы, отличающийся тем, что, с целью упрощения, перед снятием гамма-спектра пробу почвы помещают в герметичную емкость и выдерживают в ней не менее 20 суток, после чего измеряют число импульсов n₁ от фотонов с энергией 0,6093 МэВ гамма-линии Bi-214, накопленных детектором в используемой геометрии измерения от пробы почвы за время t₁, тем же детектором и в той же геометрии измеряют число импульсов n₂ от фотонов с энергией 1,46 МэВ гамма-линии К-40 от пробы соли хлористого калия - накопленных за время t₂, а удельную активность Ra-226 в пробе почвы рассчитывают по формуле

где a₁ - удельная активность Ra-226 в пробе почвы, Бк/г;
e₁[е₂] - эффективность детектора для фотонов Bi-214 гамма-линии 0,6093 МэВ [К-40 гамма-линии 1,46 МэВ];
m₁[m₂] - линейный коэффициент ослабления фотонов Bi-214 в почве (фотонов К-40 в соли KCl], см^-1;
p₁,…,p_i - параметры, определяющие геометрию измерения пробы;
F(m₁,p₁,…,p_i) [F(m₂,р₁,…,p_i)] - функция геометрии измерения потока фотонов от пробы почвы [соли KCl], см.