СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И ВЫДЕЛЕНИЯ ГОРЯЧИХ ЧАСТИЦ Российский патент 2014 года по МПК G01T1/167 

Изобретение относится к области контроля окружающей среды, а именно к способам обнаружения и выделения горячих частиц (ГЧ) с различных поверхностей и из воздушной среды, загрязненных радиоактивными веществами.

Горячая частица - есть материальное образование любого радионуклидного и химического состава размером до 50 мкм и удельной активностью >4 Бк (1.1x10-10 Ки).

На Чернобыльской АЭС и в зоне отчуждения ЧАЭС часто приходилось работать с твердыми, иногда композитными частицами, содержащими долгоживущие трансурановые материалы (U, Pu) с размерами более 5 мкм и суммарной активностью более чем 5 Бк.

Исследуя их физико-химические свойства: размеры, активность, состав, появляется возможность оценивать радиационную обстановку на территории, миграционные свойства радиоактивных продуктов в природной среде, и степень опасности внешнего и внутреннего облучения человека, а также уточнить механизмы формирования радиоактивных выпадений.

Актуальность нашего метода была вызвана уникальностью аварии на ЧАЭС - 26.04.86, когда загрязнению радионуклидами подверглись значительные территории. Необходимость мониторинга этих территорий в зависимости от степени их загрязнения осложнялась уникальным характером радиоактивного выброса - наличие в нем частиц диспергированного реакторного топлива - ГЧ. До этого частицы такого элементного состава в больших количествах не встречались, их радиобиологическое воздействие на окружающую среду (человека) не изучалось.

«…при радиохимическом анализе почв после аварии на Чернобыльской АЭС было определено наличие горячих топливных частиц, которые и «виновны» в загрязнении территории тугоплавкими радионуклидами-Zr-95, Nb-95, Ce-144 и т.д. По мере удаления от ЧАЭС доля топливной компоненты в выпадениях падает и меняется дисперсный состав горячих частиц. Так, на расстояниях более 10 км от реактора практически не встречаются топливные частицы размером более 10 мкм». (Радиохимия. -1992, N4, с.113-125.)

В работе (С.А. Богатое, А.А. Боровой и др. «О НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВАХ ТОПЛИВОСОДЕРЖАЩИХ ЧАСТИЦ, ОБРАЗОВАВШИХСЯ ПРИ АВАРИИ НА ЧАЭС, И ОСОБЕННОСТЯХ ФОРМИРОВАНИЯ ТОПЛИВНОГО ВЫБРОСА» см. Препринт ИАЭ-5344/3, Москва, 1991 г., стр.10) описан способ разделения (а впоследствии и выделения) «ГЧ» по плотности путем осаждения частиц в «тяжелой жидкости Клеричи» (муравьино-малоново-кислый таллий р=4.2 г/см³). Опыты проводились с образцами выброшенной взрывом из шахты реактора графитовой крошки, содержащей, как показали исследования, кроме зерен окислов урана, и мелкодисперсные частицы других радионуклидов.

Путем разбавления «тяжелой жидкости Клеричи» водой происходит снижение ее плотности, что позволяет выделять ГЧ и меньшей плотности. Таким образом, были выделены частицы с размерами от 3.5 до 43.3 мкм и плотностью менее 4 г/см³.

Однако данный способ имеет ряд недостатков: например точность определения плотности оценивается как +/- 1,0 г/см³. Главным недостатком является огромная ядовитость «тяжелой жидкости Клеричи», что позволяет вести исследования только в «специальных» лабораторных условиях.

В 1987-1989 гг. путем сканирования дозиметром тонкого почвенного слоя УкрНИИСХР совместно с НЦ МО СССР и ВНИИТФА было выделено порядка 1200 «ГЧ» размером >10 мкм и активностью >100 Бк, образовавшихся в результате аварии на ЧАЭС. Пробы почвы отбирались кольцом диаметром 10 см на глубину 1.5 см на различных направлениях и на удалении (до 10 км) от разрушенного 4 блока. Для поиска горячих частиц использовался дозиметр ДП-5 со счетчиком СБМ-20 в свинцовом коллиматоре.

Для определения радионуклидного состава образцов почв, их фракций и выделения отдельных «ГЧ» были использованы гамма-спектрометрический и рентгенорадиометрический методы анализа, эти методы были специально разработаны для исследования «ГЧ» в зоне ЧАЭС. Для гамма-спектрометрического анализа был использован коаксиальный детектор из сверхчистого Ge модели GMX20 EG&G Ortec с относительной эффективностью 20% и разрешением 1.8 кэВ на 1332.5 кэВ. Измерение исходного образца занимало 2 часа, а каждой почвенной фракции и группы выделенных «горячих» частиц - 6 часов.

Таким образом, всем способам выделения горячих частиц присущ недостаток - это трудоемкие, длительные, а иногда и очень опасные способы к тому же осложняющие регистрацию «ГЧ» через бета - излучение.

За прототип данного метода выбран авторадиографический способ выделения горячих чернобыльских частиц (см., например, С.А.Богатов, Л.И.Лебедева, Л.А.Левинаи др. Физико-химические характеристики радиоактивных аэрозолей во внутренних помещениях «Саркофага». Препринт ИАЭ, Москва, 1991 г., стр.24). Авторадиографический способ - это способ изучения распределения ГЧ в пробе, нанесенной на подложку с фотоэмульсией, чувствительной к р/а излучению.

Этот способ заключается в следующем. Воздух помещения прокачивается через фильтр из ткани, после чего фильтр растворяется в ацетоне. После взмучивания осадка несколько капель раствора наносится на подложку из лавсановой фотопленки, высушивается и контактно экспонируется в течение 36 часов с рентгеновской пленкой (например, РТ-5). Регистрируется гамма-излучение от источников ГЧ. После проявления рентгеновской пленки центры пятен почернения, соответствующие месту нахождения «горячих частиц», прокалывались иглой. Степень разбавления фильтров подбирается таким образом, чтобы в проколотом отверстии (0,2-0,3 мм) оказывалась только одна частица. Рентгеновская пленка приклеивается к образцу по месту экспозиции и полученный таким образом препарат в местах проколов рассматривается в микроскоп.

Данный способ имеет ряд недостатков. Он позволяет исследовать частицы только визуально и занимает большое количество времени, более двух суток на образец. Техническим результатом, на который направлено наше изобретение, является

значительное повышение скорости (по времени более 7 раз) и эффективности (точности местоположения) «ГЧ» и, как следствие, снижение трудоемкости способа обнаружения «ГЧ»,

расширение функциональных возможностей исследований как по размерам, так и по активности «ГЧ», также предлагаемый способ возможен для исследования «ГЧ» любого компонентного состава, а следовательно, возможно исследование сложных по составу композитных проб.

Для достижения указанного результата предложен следующий способ обнаружения и выделения горячих частиц ГЧ. Любым способом подготовленная проба, содержащая радионуклиды, размещается на особую подложку, определение наличия и местоположения ГЧ - происходит по регистрации бета-излучения от нее. Последующий анализ ГЧ происходит с помощью микроскопа. При этом в предлагаемом методе в качестве особой подложки используют пластиковый сцинтиллятор, а наличие и местоположение ГЧ определяют по регистрации бета-излучения с помощью электронно-оптического преобразователя с последующим перемещением пробы для ее анализа с помощью микроскопа и извлечением ГЧ с помощью иглы для дальнейшего определения ее физико-химических характеристик.

На рисунке показана схема измерения,

где 1-проба

2 - подложка из сцинтилляционного материала

3 - электронно-оптический преобразователь

4 - микроскоп

5 - общий рабочий стол

6 - игла для отбора горячих частиц

Способ осуществляется следующим образом.

Тонкий слой пробы 1, в качестве которой может быть озоленая почва (или сожженный фильтр), наносится на подложку - пластиковый сцинцилятор 2.

Все ГЧ испускают бета-частицы, пробег которых в любом веществе составляет несколько млм (обычно 1-2 млм). В результате бета-излучения ГЧ, находящихся в пробе, и возникает свечение в сцинцилляторе, на подложку из которого она помещена в данном случае, причем непосредственно в месте нахождения ГЧ.

Наблюдая это свечение - как световое пятнышко на экране электронно-оптического преобразователя 3, можно выявлять положение «горячей частицы». Поскольку в представленном на рисунке приборе электронно-оптический преобразователь 3 и микроскоп 4 расположены рядом (одним блоком) и имеют общий рабочий стол 5, то, переместив выявленную «ГЧ» на оптическую ось микроскопа (совместив пятно со специальной меткой), можно начинать изучение выявленной «ГЧ». Изученные (и описанные визуально) частицы извлекаются с помощью специальной иглы 6 (предусмотренной в данном приборе), которая при выдвижении и попадает в упомянутую выше специальную метку.

После этого исследуются физико-химические характеристики извлеченной ГЧ, например, с помощью спектрометра и химического анализа с использованием общепринятых методик.

Метод позволяет извлекать для последующих исследований «горячие частицы», имеющие активность больше чем 5 Бк и размеры больше чем 5 мкм.

Изобретение относится к области контроля окружающей среды, а именно к способам обнаружения и выделения горячих частиц (ГЧ) с различных поверхностей и из воздушной среды, загрязненных радиоактивными веществами. Технический результат - повышение скорости (по времени более 7 раз) и эффективности (точности местоположения) обнаружения ГЧ, снижение трудоемкости способа обнаружения ГЧ, расширение функциональных возможностей исследований. Способ обнаружения и выделения горячих частиц (ГЧ) заключается в размещении пробы, содержащей радионуклиды, на подложку, определение наличия ГЧ по регистрации излучения от нее, и последующего анализа ГЧ с помощью микроскопа, при этом в качестве подложки используют пластиковый сцинтиллятор, а наличие и местоположение ГЧ определяют по регистрации бета-излучения с помощью электронно-оптического преобразователя с последующим перемещением пробы для ее анализа с помощью микроскопа и извлечением ГЧ с помощью иглы для дальнейшего определения ее физико-химических характеристик. 1 ил.

Способ обнаружения и выделения горячих частиц, заключающийся в размещении пробы, содержащей радионуклиды, на подложку, определение наличия ГЧ по регистрации излучения от нее, и последующего анализа ГЧ с помощью микроскопа, отличающийся тем, что в качестве подложки используют пластиковый сцинтиллятор, а наличие и местоположение ГЧ определяют по регистрации бета-излучения с помощью электронно-оптического преобразователя с последующим перемещением пробы для ее анализа с помощью микроскопа и извлечением ГЧ с помощью иглы для дальнейшего определения ее физико-химических характеристик.