СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИ-АССИСТИРУЕМОГО ДЕТЕКТОРА АЛЬФА-ЧАСТИЦ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ЯДЕРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В ЖИДКОЙ СРЕДЕ Российский патент 2016 года по МПК G01T1/178 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу, позволяющему детектировать и измерять количество источников альфа-частиц, присутствующих в растворе, а именно актинидов и полония. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу детектирования с помощью электрохимически-ассистируемого детектора альфа-частиц, предназначенному для ядерных измерений в жидкой среде.

Уровень техники

Как и в любой другой отрасли промышленности, связанной с деятельностью человека, в ядерной промышленности образуются твердые, газообразные или жидкие побочные продукты. В частности, в ядерной промышленности образуются большие количества сточных потоков, которые могут быть как неактивными, так и, наоборот, слабо- или высокорадиоактивными. Как известно, термин «сточный поток» означает все жидкие выбросы, несущие загрязняющие компоненты (как растворенные, так и в виде частиц), которые наносят вред окружающей среде.

Малорадиоактивные сточные потоки фильтруют, разбавляют и исследуют до того, как они выбрасывается в окружающую среду. Конечно, условия выброса строго регулируются и контролируются компетентными специалистами в области безопасности, чтобы обеспечить минимальное воздействие на окружающую среду и отсутствие риска для здоровья. В качестве примера можно привести постановление префекта №2009.PREF.DCI 2/BE 0172 от 25 сентября 2009, которое теперь регулирует радиоактивные выбросы из установок, классифицированных по защите окружающей среды (ICPE), а также предельно допустимые годовые выбросы жидких сточных потоков. Например, максимальное совокупное количество выбросов источников альфа-излучения, разрешенное Центру Saclay Комиссариата атомной энергетики и альтернативных источников энергии ("Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives"), составляет 0,20 ГБк в год.

В рамках настоящего изобретения одним аспектом является определение количества конкретных источников альфа-частиц, таких как актиниды и полоний, которые находятся в водных растворах, независимо от того, является ли источником указанных частиц раствор, полученный при уборке лабораторных полов в зонах строгого режима, конденсат испарений сточного потока или какой-либо другой раствор.

С целью определения количества актинидов и/или полония в водном растворе можно взять пробу раствора для анализа, и сравнить радиоактивность указанного образца с радиоактивностью стандартных источников.

Недостаток указанного способа заключается в том, что для него требуются очень длительные операции выделения, очистки и подготовки образцов и стандартных источников для подсчета и спектрометрии актинидов или полония.

В таких рабочих условиях результат измерения для аналитического образца становится известным лишь спустя несколько дней.

А учитывая тот факт, что компетентный орган в области безопасности дает согласие на удаление сточных потоков только после того, как ему будут отправлены результаты измерений, соответствующие принятым стандартами для выбросов, становится понятно, что крайне желательно сильно сократить время получения указанных результатов.

Другой подход заключается в измерении активности альфа-частиц непосредственно в анализируемом растворе, без какого-либо взятия образцов, путем погружения детектора альфа-излучения в раствор, содержащий ионы актинидов.

Конечно, указанный подход не является новым: в 1977 г.в качестве материала для детектирования альфа-частиц был успешно испытан природный алмаз. Его погружали в раствор ²³⁹Pu в концентрированной азотной кислоте (2 M) с концентрациями в диапазоне от 10 до 100 мг/л (см. документ S.F. Kozlov, E.A. Konorova, M.I. Krapivin, B.A. Nadein, "Usage of diamond detectors as immersed alpha-counters", IEEE Transactions on nuclear science, том NS-24, №1 (1977), с.242-243). Детектировали альфа-частицы, причем высоту импульсов измеряли путем поляризации алмазного детектора при 300 В с использованием усилителя сигнала и многоканального анализатора.

Преимущество такой методики состоит в том, что она дает возможность исключить трудную операцию подготовки стандартных источников альфа-излучения. Однако указанная методика ограничена по допустимым эксплуатационным параметрам: она не позволяет измерять объемную активность альфа-частиц на уровне менее 20 кБк/см³, поскольку сигнал, зарегистрированный для такой объемной активности, не подходит для аналитических целей.

Были проведены и другие исследования по непосредственному анализу альфа-активности в растворе с использованием поверхностно-барьерных детекторов, особенно в работах, опубликованных Feist (I. Feist, К. Bdolecek, С.Konecny, Radiochem. Radioanal. Lett., Bol 36, (2-3) (1978), с.101) или Крапивиным (М.И. Крапивин, И.А. Лебедев, Б.Ф. Мясоедов, Б.Г. Юдина, А.А. Якобсон, Б.В.Ю. Френкель, Радиохимия, том 21, №2 (1979), с.321.). Несмотря на кажущуюся перспективность подхода, эти работы не привели к какому-либо промышленному применению вследствие недостаточной стабильности детектора такого типа.

В литературе также описаны испытания непосредственного измерения альфа-радиоактивности путем погружения детекторов в кислые растворы, произведенные в ходе промышленной переработки ядерного топлива, с использованием стеклянных сцинтилляторов (A. Robert, С.Stella, R. Heindl, "Nuclear Instmments and Methods in Physics Research", Bol. A, 225 (1) (1984), с.179). К сожалению, эта методика довольно быстро была заброшена из-за ее высокой чувствительности к помехам от β- и γ-излучения от продуктов деления, изначально присутствующих в растворе.

Затем, способы получения слоев синтетического алмаза на кремниевых подложках, особенно с использованием метода CVD (химическое осаждение из паровой фазы), позволило наметить возможность получения систем детектирования, представляющих интерес для непосредственного анализа активности альфа-частиц в растворе, на основе указанного прогрессивного материала, который может использоваться в неблагоприятной среде (например в условиях коррозии и облучения) (Р. Bergonzo, F. Foulon, A. Brambilla, D. Tromson, С.Jany, S. Haan, "Corrosion hard CVD diamond alpha particle detectors for nuclear liquid source monitoring", Diamond and Related Materials, том 9 (2000), с.1003-1007). Однако указанные системы измерения не позволяет измерять объемные активности альфа-частиц менее 0,4 кБк/см³.

Наконец, не так давно для детектирования альфа-частиц на поверхности жидкости были использованы детекторы типа PIPS (плоские кремниевые детекторы с имплантированными пассивными ионами) (О.В. Egorov, R.S. Addleman, M.J. O'Hara, T. Marks, J.W. Grate, "Direct measurement of alpha emitters in liquids using passivated ion implanted planar silicon (PIPS) diode detectors". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 537 (2005), с.600-609). Хотя такие детекторы фактически не относятся к семейству погружаемых детекторов, их экспериментальное назначение заключается в том же, а именно, в непосредственном измерении активности без приготовления стандартных источников с одновременным исключением риска коррозии детектора под действием кислого раствора радиоактивного изотопа. Однако оказалось, что указанный тип детектора обладает чувствительностью к β- и γ-излучению, и таким образом, приводит к необходимости дифференциация энергий для того, чтобы выделить из экспериментальных данных активность альфа-частиц.

В связи с проблемами, возникшими в способах уровня техники, цель настоящего изобретения заключается в разработке способа детектирования, способного измерять активность альфа-частиц в жидкой среде даже тогда, когда объемная активность альфа-частиц меньше, чем 0,025 Бк/см³.

Раскрытие изобретения

Поставленная цель достигается с помощью способа детектирования активности альфа-частиц в жидкой среде, содержащей по меньшей мере один ион из ионов актинидов и/или полония, включающего следующие последовательные стадии:

a) получение системы детектирования альфа-частиц в жидкой среде in situ, включающей в себя:

- детектор альфа-частиц, который включает блок, имеющий форму подложки, выполненной из собственного полупроводника и заключенной между двумя слоями, полученными из электропроводящих материалов, образующих, соответственно, первый и второй электрический контакт, где первый контакт предназначается для контактирования с жидкой средой, и выполнен из алмаза, легированного бором;

- противоэлектрод, выполненный из электропроводящего материала и предназначенный для контактирования с жидкой средой; и

- средство для соединения указанного противоэлектрода и первого электрического контакта детектора с источником электрического тока, предназначенное для обеспечения потока находящихся в жидкой среде ионов от противоэлектрода к первому электрическому контакту детектора или наоборот;

b) приведение первого контакта детектора системы обнаружения в контакт с жидкой средой, и обеспечение контактирования противоэлектрода системы обнаружения с жидкой средой;

c) детектирование альфа-частиц, задерживающихся в подложке детектора после прохождения через указанный первый электрический контакт детектора;

где способ перед стадией c) дополнительно включает следующие последовательные стадии:

- стадию приготовления электролита (8), содержащего по меньшей мере один из ионов актинидов и/или полония в виде растворимого комплекса, получаемого из соответствующего по меньшей мере одного из ионов актинидов и/или полония, присутствующего в жидкой среде, путем добавления в жидкую среду комплексообразующей соли и, необязательно, элемента, выбранного из кислот или оснований, и путем пропускания после стадии b) электрического тока между противоэлектродом и первым электрическим контактом детектора;

- стадию электропреципитации указанных ионов актинидов и/или полония в виде нерастворимых гидроксидов актинидов и/или полония на первом контакте детектора путем поддержания указанного электрического тока между противоэлектродом и первым электрическим контактом детектора, где детектируемые на стадии c) альфа-частицы по меньшей мере частично образуются из нерастворимых гидроксидов актинидов и/или полония, присутствующих на первом электрическом контакте.

Следует оговорить, что алмаз легируется бором со степенью легирования между 10²⁰ и 2*10²¹ атомов бора в 1 см³.

Предпочтительно, алмаз является поликристаллическим, но также алмаз может быть и монокристаллическим.

В предпочтительном варианте подложка выполнена из кремния, как монокристаллического, так и из поликристаллического, или из поликристаллического алмаза. Если желательно использовать детектор с целью спектрометрии источников альфа-излучения, то подложка может быть выполнена также и из монокристаллического алмаза.

Выгодно, чтобы детектор системы обнаружения по изобретению дополнительно включал слой электрически непроводящего материала, который покрывал бы поверхность блока, кроме части поверхности первого электрического контакта. Указанный слой электрически непроводящего материала предпочтительно выполнен из материала, стойкого к химическому воздействию. Тогда детектор, защищенный указанным образом, можно по меньшей мере частично погружать в жидкую среду без повреждения. Таким материалом может быть традиционный пассивирующий материал, такой как покрытие из смолы, например смолы эпоксидного типа. Следует оговорить, что в связи с пониженным уровнем радиоактивности, который предполагается измерять с помощью детектора системы обнаружения по изобретению, стойкость к альфа-излучению для указанного электрически непроводящего материала, используемого в качестве покрытия системы детектирования, не является критическим параметром.

Вполне понятно, что движение ионов противоэлектрода в направлении первого контакта, или наоборот, зависит от направления приложенного электрического тока. Первый контакт действует как рабочий электрод, а противоэлектрод - как вспомогательный или вторичный электрод.

Противоэлектрод может быть изготовлен из любого материала, который не подвергается электрохимическому воздействию в химической среде, соответствующей составу поддерживающего электролита, например, из золота или тантала и др. Кроме того, противоэлектрод может быть получен, например, из легированного бором алмаза. Однако в предпочтительном варианте противоэлектрод является платиновым электродом.

Следует оговорить, что методы, используемые для детектирования актинидов, известны специалистам в данной области техники. Такие методы могут включать ядерные измерения; в этом случае детектирование альфа-частиц, излучаемых актинидными атомами, осуществляется путем сбора электрических зарядов, образующихся за счет создания в подложке пар электрон-дырка после взаимодействия альфа-частиц с подложкой детектора, изготовленной из материала собственного полупроводника, после предварительного пропускания электрического поля между первым и вторым контактами. Детектирование актинидных атомов также может состоять в измерении методом рентгенофлуоресцентной (XRF) спектрометрии; в таком случае детектирование включает возбуждение актинидных атомов рентгеновским излучением и измерение рентгенофлуоресцентного излучения, полученного таким образом, с использованием специального детектора снаружи системы детектирования по изобретению.

Действие пропущенного между противоэлектродом и детектором электрического тока заключается в достижении на поверхности раздела между первым контактом детектора и электролитом локального роста pH в результате электролитического восстановления жидкой среды (которая предпочтительно является водной средой).

Следует оговорить, что комплексообразующую соль (также называемую комплексообразующая фоновая соль) и, возможно, элемент, выбранный из кислоты или основания в ходе стадии приготовления электролита, можно добавлять до стадии c), но также можно добавлять как до, так и после стадии b).

Образование электролита, обеспечивающего возможность комплексообразования ионов актинидов и/или полония, достигается путем добавления в жидкую среду комплексообразователя и, если необходимо, регулирования величины pH путем добавления в жидкую среду, когда требуется, кислоты или основания. В этом случае комплексообразователь предпочтительно представляет собой сульфат-ион из сульфата натрия Na₂SO₄. Таким образом, сульфат натрия выполняет две различные функции, а именно функцию комплексообразователя и функцию фоновой соли, обеспечивающей перенос электрических зарядов внутри электролита. Как будет показано ниже, величина pH электролита (может быть, после корректировки путем добавления основания или кислоты) предпочтительно находится между 4 и 4,5.

Одно из преимуществ настоящего изобретения заключается в том, что в ходе стадии электропреципитации первый контакт детектора играет роль электрода: когда между первым контактом на основе легированного бором алмаза и противоэлектродом возникает электрический ток, он протекает через присутствующую в электролите комплексообразующую фоновую соль (например, диссоциация Na₂SO₄ в воде на Na⁺ и SO₄ ^2-), выступающую в качестве носителя зарядов, что приводит к осаждению ионов актинидов и/или полония в виде гидроксидов на поверхности первого электрического контакта детектора. Таким образом, эта стадия электропреципитации позволяет концентрировать источник излучения альфа-частиц, присутствующий в жидкой среде, на первом электрическом контакте детектора.

Влияние добавления кислоты или основания в жидкую среду, содержащую комплексообразующую соль, сводится к установлению оптимального значения pH электролита, обеспечивающего образование растворимых комплексов ионов актинидов и/или полония, и таким образом, предотвращающего образование внутри электролита радиоактивных коллоидов и/или осажденных частиц до того, как произойдет электропреципитация на первом контакте системы.

Солевая добавка, вводимая в жидкую среду путем добавления комплексообразующей соли, также обеспечивает получение удовлетворительного значения проводимости электролита, снижая омическое падение напряжения между первым электрическим контактом детектора и противоэлектродом (то есть на концах электролизной ячейки).

Кроме того, выгодно, чтобы способ по изобретению после стадии c) включал стадию дезактивации первого контакта детектора в электролите путем пропускания между первым контактом и противоэлектродом электрического тока с направлением, противоположным тому, которое использовалось в ходе стадии электропреципитации.

Электролит, использованный для осуществления дезактивации, может иметь тот же химический состав, что и электролит, использованный в ходе стадии электропреципитации, за исключением того, что электролит для дезактивации не будет содержать ионы актинидов и/или полония.

До стадии электродезактивации также может быть проведена первая грубая очистка первого контакта в разбавленном растворе кислоты.

Указанная стадия электродезактивации дает возможность удалить из детектора системы обнаружения осадок гидроксидных источников альфа-излучения, что дает возможность использовать детектор повторно. Таким образом, есть простой и эффективный способ электродезактивации детектора системы обнаружения, в котором не требуется использование каких-либо иных устройств другой конструкции.

Электродезактивация детектора может быть осуществлена, например, в водном растворе [Na₂SO₄] с концентрацией 0,3 M путем пропускания тока с плотностью между +4 и +6 мА/см² в течение 15 минут (и конечно, противоположного направления тока относительно направления тока в ходе стадии электропреципитации).

В предпочтительном варианте детектор системы обнаружения приводится в контакт с жидкой средой на стадии b) описываемого способа путем погружения детектора в жидкую среду. Указанное погружение может быть полным или частичным. Следует отметить, что указанную операцию контактирования первого электрического контакта с жидкой средой необязательно проводят именно путем погружения детектора; эту операцию, например, можно осуществлять путем выливания жидкой среды в контейнер, основание которого представляет собой первый электрический контакт. Однако погружение детектора является более выгодным, поскольку тогда детектор является подвижным и его можно макать и размещать на любой желательной глубине внутри жидкой среды.

Преимущественно электролит имеет величину pH между 4 и 4,5. Предпочтительно pH устанавливают на уровне между 4 и 4,5, а концентрацию комплексообразующей соли доводят до 0,3 M.

В предпочтительном варианте комплексообразующая соль представляет собой сульфат натрия.

Предпочтительным электролитом является водный раствор. В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения электролит представляет собой водный раствор и дополнительно содержит растворитель, выбранный из диметилсульфоксида (ДМСО) и диметилформамида (ДМФ) в различных соотношениях.

Следует оговорить, что когда жидкая среда содержит поверхностно-активные вещества, то в предпочтительном варианте эти вещества следует разложить до осуществления электропреципитации гидроксидов актинидов или полония. В противном случае, в связи с высокой комплексообразующей способностью ПАВ, наличие поверхностно-активных веществ в некоторых жидких средах, например таких как вода после мытья полов, может затруднять электропреципитацию ионов актинидов или полония. ПАВ можно разлагать путем окисления до стадии a) или непосредственно в ходе стадии a) путем добавления в жидкую среду окислителей. Например, изящным способом окислительного разрушения поверхностно-активного вещества, такого как додецилбензолсульфонат натрия (ДБСН), является использование свободных радикалов, образующихся на анодном электрода с большой поверхностью (несколько см²), изготовленном из алмаза, слабо легированного бором (10¹⁹ атомом бора/см³), в потенциостатическом режиме (Е> +2,5 B/Ag-AgCl) или в гальваностатическом режиме (J> +4 мА/см²).

Указанный по меньшей мере один актинид преимущественно выбирают из изотопов америция, кюрия, нептуния, плутония и урана. В отношении изотопов урана, разумеется, изобретение может быть использовано для детектирования изотопов урана (17 изотопов, в том числе ²³⁸U; ²³⁵U и ²³⁴U), большинство которых являются источниками альфа-излучения с более длительным периодом радиоактивности, чем у америция, кюрия, нептуния или плутония, и массовая активность которых остается весьма низкой. В этом случае после электропреципитации урана на первом электрическом контакте детектора, предпочтительно проводят спектрометрические измерения методом рентгенофлуоресцентного анализа, а не ядерные измерения.

Жидкая среда, содержащая источники альфа-излучения, может быть сточным потоком, например, водой после мытья полов или дистиллятом/конденсатом, полученным из радиоактивного сточного потока.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет более понятно, а его преимущества и особенности станут более ясны при прочтении следующего далее описания, приведенного в виде неограничивающих примеров осуществления, сопровождаемых прилагаемыми чертежами, на которых:

- на фиг.1 показан вид в разрезе датчика системы детектирования, используемой в способе по изобретению;

- на фиг.2 показан вид в разрезе датчика системы детектирования, используемой в способе по изобретению, когда способ включает использование защитного слоя из электрически непроводящего материала;

- на фиг.3 схематически показана установка, используемая для осуществления электропреципитации гидроксидов актинидов и/или полония, содержащихся в жидкой среде, с использованием системы детектирования по изобретению, включая электрод;

- на фиг.4 приведены зарегистрированные спектры для иллюстративной системы детектирования, использованной в способе по изобретению (название системы SM №1), после электропреципитации изотопа америция-241 с различной активностью;

- на фиг.5 показано изменение скорости счета (c^-1), регистрируемой с помощью системы SM №1 и соответствующей активности америция-241, изначально присутствующего в электролите;

- на фиг.6 приведены зарегистрированные спектры для другого примера системы детектирования, использованной в способе по изобретению (название системы SM №2), после электропреципитации изотопа америция-241 с различной активностью;

- на фиг.7 показано изменение скорости счета (c^-1), регистрируемой с помощью системы SM №2 и соответствующей активности америция-241, изначально присутствующего в электролите;

- на фиг.8 приведены спектры, зарегистрированные с помощью системы SM №1 после электропреципитации америция-241 и после электродезактивации.

Осуществление изобретения

Способ детектирования по настоящему изобретению применяется для детектирования источников альфа-излучения, содержащихся в жидкой среде, например в водном растворе.

Способ по изобретению может быть использован в традиционном режиме погруженного детектора, то есть без проведения предварительной стадии электропреципитации актинидов и/или полония, когда измеряемая объемная активность жидкой среды является достаточно большой.

В тех же случаях, когда концентрация источников альфа-излучения в жидкой среде мала (то есть меньше, чем приблизительно 0,4 кБк/см³), предпочтительно используют такую систему детектирования, которая включает в себя противоэлектрод, чтобы ионы актинидов и/или полония можно было сконцентрировать на первом контакте детектора до проведения ядерных измерений. Действительно, если в системе детектирования присутствует противоэлектрод, это дает возможность сконцентрировать актиниды и/или полоний на поверхности первого контакта детектора с помощью электрохимического процесса, что в итоге позволяет снизить предел детектирования. Для достижения этой цели используются сульфат-ионы, которые при контролируемом значении pH образуют комплексы с ионами актинидов и/или полония, содержащимися в жидкой среде, причем электропреципитация ионов актинидов и/или полония в виде гидроксидов осуществляется на первом контакте детектора с использованием электрохимического устройства.

Учитывая тот факт, что осаждение металлических актинидов на поверхности рабочего электрода из водного раствора "электрохимически" невозможно, оказалось, что сконцентрировать ионы актинидов на электрическом контакте детектора крайне трудно. Действительно, если проанализровать значения стандартных потенциалов E₀ для различных пар M³⁺/M⁰ (где M означает актинид), видно, что все эти пары имеют большое отрицательное значение стандартного потенциала (E₀< -2 V/СВЭ, где СВЭ означает Стандартный Водородный Электрод, который по определению принят как нулевой потенциал в относительной шкале потенциалов) (Е. Vitorge, "Chimie des actinides", Techniques de l'ingénieur, BN 3520-2 (1999).). Таким образом, ионы актинидов не получается осадить на электрическом контакте в виде металлов.

Более того, когда водный раствор является кислым, как это обычно бывает в случае водных растворов, содержащих ионы актинидов, достижимые значения потенциала ограничиваются восстановлением системы H₂/H⁺, в которой E=0 В/СВЭ, и окислением системы H₂O/O₂, где E=+1,23 В/СВЭ, что дает возможное поле потенциала в диапазоне от 0 до +1,23 В.

Вне указанного поля потенциала никаких электрохимических реакций, кроме электрохимического разложения растворителя (в одном случае восстановление воды, а во втором - окисление воды), происходить не может.

В таком случае весь проходящий через электрохимическую ячейку ток будет расходоваться исключительно на указанные нежелательные процессы, приводя к явлению, которое электрохимики называют "стена из растворителя".

Ионы актинидов и полония весьма чувствительны к процессу гидролиза, который представляет собой частный случай процесса комплексообразования. С увеличением величины pH водного раствора, содержащего ионы актинидов или полония, структура этих ионов подвергается модификации. Например, в случае ионов актинидов один или несколько протонов вырываются из молекул гидратированной воды в направлении несвязанной воды и в этот момент ион актинида имеет во внутренней сфере гидроксильные ионы (OH^-), что дает моно- или полиядерные гидроксо-комплексы, которые имеют тенденцию к образованию твердого гидроксида в виде M(OH)₃, где M означает актинид.

Гидролиз ионов актинидов, или даже ионов полония, можно легко преодолеть, помещая их в кислые растворы с концентрациями выше 1 M (2 M в случае полония) и/или добавляя комплексообразующие ионы (SO₄ ^2-), которые будут тормозить гидролиз. Величину pH можно легко контролировать локально, на поверхности рабочего электрода (катода), используя восстановление воды, причем следствием этого процесса, при наличии тока и даже в кислой среде, является образование основного слоя (pH 12-13) в соответствии со следующей реакцией:

Таким образом, электропреципитацию нерастворимого гидроксида актинида M(OH)₃ можно осуществлять даже в слабокислом растворе (то есть в растворе с pH между 3 и 5), используя образование вблизи рабочего электрода указанного основного слоя в соответствии со следующей реакцией:

При отключении тока восстановления воды основной слой исчезает и гидроксид актинида может более или менее быстро растворяться в электролите, имеющем кислый pH).

Необходимо отметить, что в настоящем изобретении рассматривается не "электроосаждение", так как этот термин сохраняется для электрохимического восстановления иона до металлического состояния. Механизм такой реакции включает в себя перенос электронов, который приводит к осаждению металла на катоде Напротив, в настоящем изобретении рассматривается "электропреципитация", в которой отсутствует перенос электронов между электродом и катионом металла, и которая приводит к осаждению гидроксида металла на катоде за счет электрохимического восстановления воды в присутствии гидролизуемого иона металла, такого как актинид или полоний.

Способ по настоящему изобретению представляет собой интересную альтернативу известным способам измерения альфа-радиоактивности водных растворов, а особенно водных выбросов или конденсатов паров радиоактивных потоков. Эта альтернатива позволяет значительно сократить время процесса детектирования за счет объединения в одной системе погружаемого детектора альфа-радиоактивности и катода для электропреципитации ионов актинидов или полония.

Согласно изобретению, первый контакт из легированного бором синтетического алмаза является электропроводным и выполняет три независимые функции:

- контакт действует как катод в ходе электропреципитации ионов актинидов и/или полония в виде гидроксидов на первом контакте;

- он также действует как электрический контакт в ходе ядерного измерения после или в отсутствии электропреципитации ионов актинидов и/или полония в виде гидроксидов на первом контакте;

- наконец, контакт действует как защитное покрытие против возможной химической атаки, которой может подвергаться датчик во время погружения в водный раствор, в котором проводится измерение.

Одно из преимуществ настоящего изобретения заключается в том, что, благодаря стадии предварительного концентрирования, на которой радиоактивный материал накапливается на поверхности детектора, нижний предел обнаружения снижается по сравнению с измерениями, проводимыми с использованием традиционного погружаемого детектора.

Кроме того, система детектирования, применяемая в способе по настоящему изобретению, характеризуется очень слабым фоновым шумом. Это обстоятельство приводит к тому, что нижний предел обнаружения системы зависит только от продолжительности счета.

Далее система детектирования, применяемая в способе согласно изобретению, будет описана более подробно.

Детектор системы детектирования по изобретению представляет собой традиционный погружаемый детектор альфа-частиц, за тем исключением, что первый электрический контакт изготовлен из легированного бором алмаза (фиг.1). Следует отметить, что детектор может включать в основание, например, стеклянное основание, которое необходимо для придания жесткости подложке, полученной из материала собственного полупроводника. В таком случае подложку необходимо разместить на основании таким образом, чтобы лицевая поверхность, содержащая слой легированного бором алмаза, оставалась доступной, образуя первый электрический контакт детектора.

Таким образом, детектор 1 включает в себя подложку, изготовленную из материала собственного полупроводника 2, например подложку, полученную из высокоомного кремния (то есть кремния, имеющего удельное сопротивление более 10⁴ Ом. см), имеющего форму пластины, имеющей две противоположные главные грани.

Одна из главных граней подложки покрыта слоем легированного бором поликристаллического алмаза, образуя первый электрический контакт 3. Этот слой имеет толщину, например, между 350 и 500 нм.

Другая главная грань покрыта, например, слоем алюминия, который имеет толщину, например, 100 нм: он образует второй электрический контакт 4.

Монтируют первую связывающую прокладку (не показана), соединяющую электропроводящую поверхность слоя легированного алмаза с медным электрическим проводом (не показан). Вставляют вторую связывающую прокладку (не показана), соединяющую слой алюминия с другим медным электрическим проводом (не показан). Оба указанных медных электрических провода, которые электрически изолированы друг от друга, можно использовать для измерения тока, генерируемого между первым и вторым электрическими контактами. Обе связывающие прокладки получены, например, с использованием небольшого количества серебряной эмали (полимер с примесной проводимостью).

Затем полученный таким образом блок предпочтительно обмакивают в электрически непроводящий материал 5, например в эпоксидную смолу или любой другой химически инертный полимерный материал, с целью защитить блок от коррозии, за исключением конца первого медного проводника, соединенного с первым контактом 3, конца второго медного проводника, соединенного со вторым контактом 4, и по меньшей мере части поверхности первого контакта (фиг.2). Часть поверхности первого контакта, которая остается непокрытой изолирующим материалом, образует так называемое «окно детектирования» 6 и позволяет источникам альфа-излучения достигать расположенную внизу подложку из собственного полупроводника.

В итоге, для получения такого детектора может быть, например, использована высокоомная (>10⁴ Ом.см) кремниевая подложка <111>, в которой две главные грани отполированы и в среднем имеют толщину 200 мкм. Материал указанного типа поставляет, по большей части, фирма Siltronix®. Именно эта кремниевая подложка будет выполнять функцию детектора альфа-частиц.

Затем на каждой из двух главных граней кремниевой подложки размещают первый и второй электрические контакты для того, чтобы они могли собирать электрические заряды, возникающие при детектировании альфа-частиц.

Как отмечалось выше, первый контакт, расположенный на лицевой поверхности подложки, состоит из слоя легированного бором поликристаллического алмаза. Этот слой получают путем химического осаждения из паровой фазы (CVD), стимулированного микроволновой плазмой. Этот способ напыления при низком давлении и высокой температуре заключается в ионизации, под действием микроволн в вакуумной камере, газообразной смеси, содержащей небольшую долю метана и триметилбора (ТМБ) и большое количество газообразного водорода. В качестве примера указаны следующие подходящие для использования соотношения: [CH₄/H₂]=0,22% и ТМБ в водороде в количестве 2000 м.д. Метан (CH₄) является легко ионизируемым источником углерода, в то время как ТМБ является источником легирующего элемента (бора). Газообразный водород играет существенную роль, поскольку он способствует росту фазы алмаза, а не фазы графита, которая могла бы преимущественно образовываться в отсутствие водорода.

Для инициирования роста алмазного материала, легированного бором, существенно, чтобы на лицевой поверхности кремниевой подложки была проведена предварительная обработка поверхности (получение нанозатравок). Указанная обработка включает равномерное распыление на лицевой поверхности подложки алмазного нанопорошка, например методом нанесения покрытия из суспензии алмазного нанопорошка в растворителе, например воде, с использованием центрифугирования. Диаметр частиц алмазного нанопорошка находится в диапазоне между 2 и 20 нм; предпочтительно диаметр частиц нанопорошка равен 5 нм. Высокая скорость вращения подложки (между 2000 и 3000 оборотов/мин в течение 20 секунд) обеспечивает равномерное распыление нанопорошка, а также способствует выпариванию растворителя из суспензии. Затем полученную таким образом кремниевую подложку можно использовать для выращивания слоя алмаза, легированного бором.

Ниже указаны условия выращивания легированного бором слоя алмаза на одной из граней кремниевой подложки:

- мощность микроволновой плазмы составляет 1,8 кВт;

- давление и температура внутри камеры выращивания равны соответственно 50 мбар (5,0 кПа) и 750°C;

- газообразная смесь состоит из 88 ст.мл/мин (стандартах куб. см в минуту) H₂, 0,22 ст.мл/мин CH₄ и 12 ст.мл/мин ТМБ (2000 м.д.);

- период выращивания - 45 часов;

- период охлаждения в H₂ после выращивания составляет 30 мин.

Следует отметить, что 1 ст.мл/мин (стандартных кубический см в минуту) представляет собой объемную скорость потока в следующих условиях: температура 0°C и давление 101,325 кПа.

Второй контакт, расположенный на задней грани подложки, как указано ранее, может формироваться из слоя металлического алюминия. Этот слой распыляется методом физического осаждения пара (PVD), таким образом, как описано ниже, после нанесения алмазного слоя.

Заднюю грань кремниевой подложки (на лицевой поверхности которой имеется слой легированного алмаза) сначала вытравливают с использованием кислородно/аргоновой плазмы, чтобы удалить все оставшиеся следы легированного бором алмаза.

Ниже указаны условия травления для очистки кремниевой подложки с помощью кислородно/аргоновой плазмы:

- газообразная смесь состоит из 140 ст.мл/мин O₂ и 42 ст.мл/мин Ar;

- давление внутри камеры травления равно 60 мбар (6,0 кПа);

- период травления составляет от 2 до 3 часов;

- высокочастотная мощность равна 150 Вт.

По окончании операции плазменного травления кремниевую подложку, покрытую слоем легированного бором алмаза, очищают в горячей окислительной кислотной ванне (H₂SO₄+KNO₃), предназначенной для удаления всех следов органических соединений, которые могут попасть из основания образца в реактор.

После промывки сверхчистой водой и сушки, осуществляют осаждение слоя металлического алюминия на заднюю грань подложки с использованием физического напыления из паровой фазы (PVD) высокочастотным магнетроном в аргоновой плазме. В ходе этой стадии используют маску из нержавеющей стали для предотвращения осаждения алюминия на кромках подложки. Ниже указаны условия этого напыления:

- газообразная смесь состоит из 42 ст.мл/мин аргона;

- давление внутри камеры равно 6,2 мбар (0,62 кПа);

- высокочастотная мощность составляет 150 Вт;

- длительность напыления - 3 мин.

Затем получают две связывающие прокладки из серебряной эмали, причем одна соединяет контакт из легированного бором алмаза (лицевая поверхность), а другая соединяет алюминиевый контакт (задняя поверхность) с медными клеммами, которые электрически изолированы друг от друга.

Полученный таким образом блок, наконец, покрывают электрически непроводящим и герметизирующим материалом. В ходе операции нанесения покрытия на поверхности слоя легированного бором алмаза оставляют открытыми небольшие окна (например размером в диапазоне между 0,2 и 1 см), чтобы убедиться, что детектор работает в "катодном" режиме в ходе стадии электропреципитации, или в "анодном" режиме в ходе стадии электродезактивации детектора, как будет показано ниже, или, альтернативно, в режиме "детектора α-излучения" в ходе стадии детектирования.

Материалом покрытия может быть, например, двухкомпонентная быстро отверждаемая эпоксидная смола типа Araldite® (производство фирмы Bostik).

Кроме описанного выше детектора, система детектирования также включает противоэлектрод, который обеспечивает электропреципитацию ионов актинидов и/или полония и электродезактивацию системы.

Полученная таким образом система эксплуатируется на двух независимых стадиях.

Первая стадия представляет собой стадию электропреципитации ионов актинидов и/или полония. С этой целью параметры анализируемой жидкой среды (которая предпочтительно является водной средой), предположительно содержащей актиниды и/или полоний, химически подгоняют по показателям pH и концентрации комплексообразующей фоновой соли в этой среде (например с использованием соли Na₂SO₄).

Электропреципитация ионов актинидов и/или полония на поверхности первого электрического контакта из легированного бором алмаза (катод) осуществляется путем начального подсоединения отрицательного полюса генератора постоянного тока (не показан) к концу медного проводника, соединенного с первым электрическим контактом детектора; затем положительный полюс указанного генератора соединяется со статическим платиновым противоэлектродом, действующим как анод, где первый электрический контакт детектора (а может быть и весь детектор) и анод расположены в жидкой среде, содержащей актиниды и/или полоний.

Статический анод может представлять собой платиновую нить, имеющую диаметр в диапазоне между 1 и 2 мм, причем верхний конец нити оборудован гнездовой частью соединителя с подпружинивающими контактами для облегчения соединения.

Выбранный для электропреципитации режим эксплуатации представляет собой гальваностатический режим с низкой плотностью катодного тока (-1,5<J<-6 мА/см²) при интенсивном перемешивании (10³ об/мин) в течение 120 минут.

Для сведения, схема установки, использованной для проведения электропреципитации, показана на фиг.3. На этой схеме показаны: детектор 1, имеющий окно 6 для детектирования, первый электрический контакт 3, который выступает в качестве катода, и противоэлектрод 7, выступающий в качестве анода, которые погружены в электролит 8, перемешиваемый с помощью покрытой тефлоном магнитной мешалки 9.

Вторая стадия является стадией измерения электропреципитированных ионов актинидов и/или полония, присутствующих на поверхности легированного бором алмазного катода (то есть на окне 6 для детектирования в детекторе 1).

К детектору может быть присоединена традиционная система α-спектрометрии.

α-частицы из напыления актинидов и/или полония, электропреципитированного на поверхности легированного бором слоя алмаза (первый контакт), могут приводить к образованию в кремниевой подложке подвижной пары электрон-дырка, вызывающей протекание импульсов тока. Поскольку число отсчетов, регистрируемых детектором, пропорционально количеству источников α-излучения, присутствующих на поверхности первого электрического контакта (слоя легированного бором алмаза), с помощью предварительной калибровки детектора в условиях измерения можно легко рассчитать концентрацию актинидов и/или полония в анализируемом растворе.

Примеры применения системы детектирования по изобретению для измерения α-активности сточного потока, содержащего америций-241

В операциях электропреципитации америция-241 кроме системы детектирования по изобретению, также используют следующее оборудование:

- стеклянный стакан, имеющий номинальный объем 50 мл, покрытый пленкой тефлона (Teflon®) или полиэфир-эфиркетона (PEEK),

- магнитную мешалку, способную обеспечить скорость вращения 1000 оборотов/мин, и магнитный стержень, покрытый тефлоном, который имеет диаметр 6 мм и длину 25 мм;

- регулируемый источник электропитания, способный обеспечить напряжение 12 В и постоянный ток 10 мА;

- pH-электрод и pH-метр;

- химикаты, а именно Na₂SO₄, H₂SO₄, NaOH, NH₃, исходный раствор ²⁴¹Am (~770 кБк/г), одномолярный раствор HNO₃, деионизированная вода (имеет удельное сопротивление 18 МОм.см) и буферные растворы, имеющие значения pH 4, 7 и 9.

Что касается операций ядерного измерения америция, то кроме системы детектирования по изобретению, используют следующее оборудование:

- устройство для блокировки света, например такое, как черный бокс, для проведения ядерных измерений в темноте;

- предусилитель сигнала, например Amptek A250;

- усилитель сигнала, например Ortec 672;

- электронный преобразователь/анализатор спектра, например Amptek MCA-8000 А;

- устройство для отображения спектрометрических данных, например компьютер и спектрометрическая прикладная программа.

Используется следующая ниже методика.

В стакан номинального объема 50 мл наливают 40 мл анализируемого раствора, содержащего следы актинидов.

Добавляют в стакан достаточное количество твердой фоновой соли, например твердого сульфата натрия (Na₂SO₄), доводя концентрацию фоновой соли в электролите до 0,3 M.

Раствор перемешивают механически, пока добавленная соль полностью не растворится. Затем устанавливают значение pH раствора между 4,0 и 4,5, добавляя несколько капель серной кислоты [H₂SO₄]=0,05 M, или добавляя несколько капель гидроксида натрия [NaOH]=0,1 M, в зависимости от исходного значения pH анализируемого раствора.

В электролит погружают детектор (и в частности первый электрический контакт, выполняющий функцию катода) и противоэлектрод, играющий роль анода, и их соединяют с источником постоянного тока.

Раствор перемешивают с использованием магнитной мешалки, пока не достигается оптимальная скорость (1000 оборотов в минуту), и проводят электролиз, пропуская через катод электрический ток с плотностью в диапазоне между -1 и -6 мА/см² в течение 120 минут.

За 2 минуты до окончания электролиза в электролит добавляют 3 мл водного раствора NH₃ (2%), для того чтобы повысить значение pH до заданного значения 9 (в результате предотвращается повторное растворение гидроксида америция при отключении тока из-за исчезновения основного слоя, образовавшегося за счет электрохимического восстановления воды вблизи катода), и затем отключают ток электролиза.

Детектор извлекают из электролита, дают жидкости стечь с детектора и затем сушат на открытом воздухе без промывания и кладут в пластиковый мешок (для защиты от радиоактивного загрязнения).

Защищенный таким образом детектор вводят в измерительный черный бокс и замеряют α-активность путем подключения детектора к считывающей электронике, находящейся в указанном черном боксе. Ядерные измерения необходимо проводить в темноте из-за присутствия в детекторе кремниевой подложки, которая является фоточувствительной. Следует отметить, что требование к проведению ядерных измерений в темноте можно не соблюдать, если предварительно между легированным бором алмазом и кремниевым детектором разместить непрозрачный слой. Такой слой предпочтительно может быть нанесен путем напыления слоя алмазоподобного углерода толщиной 20 нм или слоя металла, выбранного из вольфрама, титана или молибдена, толщиной 30 нм.

После ядерных измерений детектирующее окно детектора (катода) легко может быть дезактивировано путем первоначальной грубой промывки 0,1 M раствором [H₂SO₄] с последующим электролизом в 0,3 M растворе [Na₂SO₄] при противоположной полярности тока по сравнению с операцией электропреципитации (отрицательный (-) полюс соединяется с платиновым противоэлектродом, а положительный (+) полюс соединяется с детектором) при плотности анодного тока в диапазоне (5±1) мА/см²) в течение 15 минут.

Наконец, подсчет фонового шума в течение нескольких часов позволяет оценить качество проводимой дезактивации.

Следует отметить, что в случае наличия в анализируемой жидкой среде комплексообразователей (поверхностно-активных веществ и т.п.), можно ожидать значительного уменьшения эффективности электропреципитации ионов актинидов и/или полония, как это было разъяснено выше. В самом деле, ионы актинидов и/или полония, которые в таком случае становятся сильно закомплексованными, уже не будут подвергаться эффективному гидролизу вблизи от катода и не будут осаждаться на катоде из-за конкуренции между процессами комплексообразования с поверхностно-активным веществом и реакцией гидролиза.

Это осложнение можно преодолеть, если до процесса электропреципитации провести стадию окислительной деструкции комплексообразователя. Указанную стадию окислительной деструкции можно провести, например, при интенсивном перемешивании (>10³ об/мин) в анализируемой среде путем генерирования свободных радикалов в гальваностатическом режиме на аноде, изготовленном не из платины, а из алмаза, слабо легированного бором (~10¹⁹ В/см³) и имеющего площадь поверхности несколько см².

Пример 1. Измерение диапазона активности ²⁴¹Am с помощью системы SM №1

Система SM №1 является системой детектирования, включающей в себя описанные выше детектор и электрод, где в первом контакте детектора имеется окно для детектирования площадью 0,17±0,01 см².

В стакан номинального объема 50 мл наливают 40 мл 0,3 M раствора [Na₂SO₄] с предварительно отрегулированным с использованием разбавленной H₂SO₄ значением pH 4,5. В этот раствор вводят метки - возрастающие количества ²⁴¹Am в диапазоне активности от 0,6 до 30 Бк. Затем раствор подвергают постоянному перемешиванию со скоростью 1000 об/мин.

Между каждыми добавлениями америция проводят подсчет альфа-частиц с использованием системы SM №1, которую каждый раз дезактивируют и для которой каждый раз до нового осаждения радиоактивного материала измеряют фоновый шум.

Последовательные операции электропреципитации америция проводят в течение 2 часов при плотности катодного тока J_c равной -6 мА/см².

Операции дезактивации системы проводят путем первоначальной грубой промывки 0,1 М раствором [H₂SO₄] с последующим электролизом в анодном гальваностатическом режиме (при плотности анодного тока J_a равной +6 мА/см²) в 0,3 M растворе [Na₂SO₄] без регулирования pH (pH ~6,5) в течение 15 минут.

Результаты, полученные для системы SM №1 после электропреципитации изотопа ²⁴¹Am с различной активностью, приведены в виде спектров на фиг.4.

Для каждого из спектров, зарегистрированных с использованием системы SN №1, неизменными оставались следующие параметры: объем электролита (40 мл), величина pH (4,5), катодный ток (-6 мА/см²), перемешивание (1000 оборотов в минуту) и длительность (2 часа); варьировали только активность ²⁴¹Am в электролите.

Таким образом, на фиг.4 приведены 6 спектров, соответствующих следующим значениям активности ²⁴¹Am в электролите:

-28,30±0,60 Бк (спектр 1),

-14,75±0,60 Бк (спектр 2),

-5,74±0,17 Бк (спектр 3),

-2,87±0,11 Бк (спектр 4),

-1,18±0,05 Бк (спектр 5),

-0,59±0,03 Бк (спектр 6).

При рассмотрении указанных спектров видно, что высота характеристического пика америция-241 возрастает пропорционально активности америция, присутствующего в исходном электролите.

На фиг.5 показано изменение скорости счета (c^-1), регистрируемой с использованием системы SM №1 (соответствует величине интеграла от характеристического пика америция-241 за вычетом фонового шума, отнесенной к длительности подсчета в секундах), в зависимости от количества америция, изначально присутствующего в электролите (Бк).

Установлено, что существует линейная зависимость между указанными двумя величинами. Эта зависимость продемонстрирована линией регрессии, построенной по экспериментальным данным, для которой получена величина R² близкая к 1 (R²=0,996). Поэтому установленная таким образом зависимость, конечно, может быть использована как калибровочная кривая с целью количественного анализа образца америция-241 с неизвестной активностью между 0,6 и 30 Бк в электролите заданного состава.

Пример 2: измерение диапазона активности ²⁴¹Am с помощью системы SM №2

Система SM №2 является системой детектирования, включающей в себя описанные выше детектор и электрод, где на первом контакте детектора имеется окно для детектирования площадью 0,39±0,01 см.

В стакан номинального объема 50 мл наливают 40 мл 0,3 М раствора [NO₂SO₄] со значением pH 4, предварительно выставленным с использованием разбавленной H₂SO₄.

В этот раствор вводят метки - возрастающие количества ²⁴¹Am в диапазоне активности от 0,6 до 30 Бк, и раствор подвергают постоянному перемешиванию со скоростью 1000 об/мин.

Между каждыми добавлениями америция проводят подсчет альфа-частиц с последующей дезактивацией системы, и с последующим измерением фонового шума до каждого нового осаждения радиоактивного материала.

Последовательные операции электропреципитации америция проводят в течение 2 часов при плотности катодного тока J_c равной -1,6 мА/см².

Операции дезактивации системы проводят путем первоначальной грубой промывки 0,1 M раствором [H₂SO₄] с последующим электролизом в анодном гальваностатическом режиме (при токе J_a равном +5 мА/см²) в 0,3 М растворе [NO₂SO₄] без регулировки pH (pH ~6,5) в течение 15 минут.

Результаты, полученные для системы SM №2, после электропреципитации изотопа ²⁴¹Am с различной активностью, приведены в виде спектров на фиг.6.

Для каждого из шести спектров, зарегистрированных с использованием системы SM №2, неизменными были следующие параметры: объем электролита (40 мл), величина pH (4), катодный ток (-1,6 мА/см²), перемешивание (1000 оборотов в минуту) и длительность (2 часа); варьировали только активность ²⁴¹Am в электролите.

Использовались такие же значения активности ₂₄₁Am в электролите, как и в примере 1.

При анализе указанных спектров видно, что высота характеристического пика америция-241 возрастает пропорционально активности америция, присутствующего в исходном электролите.

На фиг.7 показано изменение скорости счета (c^-1), регистрируемой с использованием системы SM №2 (соответствует величине интеграла от характеристического пика америция-241 за вычетом фонового шума, отнесенной к периоду подсчета в секундах), в зависимости от количества америция, изначально присутствующего в электролите (Бк).

Видно, что между указанными двумя величинами есть линейная зависимость. Эта зависимость проиллюстрирована линейной регрессией, построенной по экспериментальным данным, для которой коэффициент R² близок к 1 (R²=0,998). Таким образом, установленная зависимость и в самом деле может быть использована в качестве калибровочной кривой с целью количественного анализа образца америция-241 с неизвестной активностью между 0,6 и 30 Бк в электролите заданного состава.

Сводка результатов, полученных с системой SM №1 в примере 1, и системой SM №2 в примере 2, приведена ниже в таблице 1.

Таблица 1   SM №1 SM №2 Исходный раствор (Бк/г) Диспергируемый объем (мкл) Диспергируемая активность (Бк) Неопределенность в диспергируемой активности (Бк) Скорость счета (с^-1) Относительная неопределенность скорости счета (%) Скорость счета (c^-1) Относительная неопределенность скорости счета (%) 546 50 28,30 0,60 0,605 0,5 1,799 0,6 25 14,75 0,60 0,304 0,7 0,821 0,5 111 50 5,75 0,17 0,159 1,0 0,380 0,6 25 2,87 0,11 0,080 1,4 0,199 0,6 23 50 1,18 0,05 0,038 1,0 0,073 1,0 25 0,59 0,03 0,024 2,5 0,059 0,9

Пример 3. Электрохимическая дезактивация систем

В качестве примера, авторы изобретения провели ядерные измерения в системе SM №1 после электропреципитации изотопа ²⁴¹Am в электролите, обладающего активностью 2,87 Бк; измеренная нетто-скорость счета составила 0,08 импульсов в секунду.

Затем эту систему подвергли электрохимической дезактивации в соответствии со следующей методикой.

Сначала систему 8М№1 промывали 0,1 М раствором [H₂SO₄], а затем помещали в стакан номинального объема 50 мл, содержащий 40 мл 0,3 M раствора [Na₂SO₄] без предварительной регулировки pH (pH ~6,5).

Первый контакт детектора системы соединяется с (+) положительным полюсом генератора постоянного тока, а противоэлектрод системы, состоящий из платиновой проволоки, соединяется с (-) отрицательным полюсом указанного генератора тока. Электрохимическую дезактивацию системы осуществляют в гальваностатическом режиме при плотности анодного тока J_a=+6 мА/см² с перемешиванием (1000 об/мин) в течение 15 минут. После выключения тока детектор и платиновый противоэлектрод извлекают, промывают в деионизированной воде и затем сушат на воздухе.

Спектры α-излучения, зарегистрированные, соответственно, после электропреципитации америция на первом контакте детектора системы SM №1 в электролите при активности 2,87 Бк и после электродезактивации, приведены на фиг.8. Ядерные измерения детектора системы SM №1 после электрохимической дезактивации дают нетто-скорость счета 0,004 импульса в секунду, что соответствует эффективности дезактивации 95%.

Другие результаты процедуры электродезактивации для систем SM №1 и SM №2 после электропреципитации изотопов ²⁴¹Am с различными уровнями радиоактивности приведены ниже в таблице 2. Эти данные демонстрируют экспериментальные характеристики дезактивации систем SM №1 и SM №2.

Таблица 2   SM №1 SM №2 ²⁴¹Am в растворе (Бк) 0,59 2,87 5,74 14,75 0,59 1,18 2,87 5,74 14,75 Скорость счета до дезактивации (с^-1) 0,024 0,080 0,159 0,304 0,059 0,073 0,199 0,380 0,821 J_a (мА/см²) 6 5 Скорость счета после дезактивации (с^-1) 0,0047 0,0040 0,0014 0,0058 2,76 10^-4 6,49 10^-4 2,63 10^-4 3,60 10^-4 8,41 10^-4 Эффективность дезактивации (%) 80,40 95,00 99,12 98,10 99,53 99,11 99,86 99,90 99,90

В заключение, авторы настоящего изобретения продемонстрировали применимость системы детектирования и способа измерения по изобретению с помощью примеров с использованием изотопа ²⁴¹Am в качестве радиохимического индикатора. Само собой разумеется, что указанная система детектирования также применима для других изотопов америция. Кроме того, благодаря близости химических свойств в семействе актинидов, разработанную систему также можно применять для измерения изотопов плутония, кюрия и нептуния. В этот перечень также можно добавить полоний-210, поскольку он является чистым источником альфа-излучения и, хотя он не принадлежит к семейству актинидов, полоний легко гидролизуется, и поэтому для него можно использовать способ электропреципитации по изобретению.

Изобретение относится к способу детектирования in situ альфа-частиц, содержащихся в жидкой среде, с использованием системы, включающей противоэлектрод (7) и детектор (1) альфа-частиц, содержащий подложку, полученную из материала собственного полупроводника, который расположен в качестве слоя между двумя электрическими контактами, где контакт, предназначенный для контактирования с жидкой средой, выполнен из алмаза, легированного бором. За счет формирования особого электролита (8) и за счет протекания тока между противоэлектродом (7) и алмазным контактом, легированным бором, находящимся в контакте с жидкой средой, находящиеся в жидкой среде актиниды или полоний можно сконцентрировать на легированном бором алмазном контакте и тем самым можно снизить предел обнаружения источников альфа-излучения. 8 з.п. ф-лы, 8 ил., 2 табл.

1. Способ детектирования активности альфа-частиц в жидкой среде, содержащей по меньшей мере один из ионов актинидов и/или полония, включающий следующие последовательные стадии:
a) получение системы детектирования альфа-частиц в жидкой среде in situ, включающей в себя:
- детектор (1) альфа-частиц, включающий блок, сформированный из подложки, выполненной из материала собственного полупроводника (2) и заключенной между двумя слоями, полученными из электропроводящих материалов, образующих соответственно первый (3) и второй (4) электрический контакт, где первый контакт предназначается для контактирования с жидкой средой и выполнен из алмаза, легированного бором;
- противоэлектрод (7), выполненный из электропроводного материала и предназначенный для контактирования с жидкой средой; и
- средство для соединения указанного противоэлектрода (7) и первого электрического контакта (3) детектора (1) с источником электрического тока, предназначенное для обеспечения потока находящихся в жидкой среде ионов от противоэлектрода к первому электрическому контакту детектора или наоборот;
b) приведение первого контакта (3) детектора (1) в контакт с жидкой средой и обеспечение контактирования противоэлектрода (7) системы обнаружения с жидкой средой;
c) детектирование альфа-частиц, задерживающихся в подложке (2) детектора после прохождения через указанный первый электрический контакт детектора;
где способ перед стадией c) дополнительно включает следующие последовательные стадии:
- стадию приготовления электролита (8), содержащего по меньшей мере один из ионов актинидов и/или полония в виде растворимого комплекса, получаемого из соответствующего по меньшей мере одного из ионов актинидов и/или полония, присутствующих в жидкой среде, путем добавления в жидкую среду комплексообразующей соли и, необязательно, элемента, выбранного из кислот или оснований, и путем пропускания после стадии b) электрического тока между противоэлектродом системы обнаружения и первым электрическим контактом детектора;
- стадию электропреципитации указанных ионов актинидов и/или полония в виде нерастворимых гидроксидов актинидов и/или полония на первом контакте детектора путем поддержания указанного электрического тока между противоэлектродом системы обнаружения и первым электрическим контактом детектора, где детектируемые на стадии c) альфа-частицы по меньшей мере частично образуются из нерастворимых гидроксидов актинидов и/или полония, присутствующих на первом электрическом контакте.

2. Способ детектирования по п.1, дополнительно включающий после стадии c) стадию дезактивации первого контакта (3) детектора в электролите путем пропускания электрического тока между первым контактом и противоэлектродом, где направление тока противоположно направлению тока, пропускаемого в ходе стадии электропреципитации.

3. Способ детектирования по п.1, в котором первый контакт (3) детектора приводится в контакт с жидкой средой на стадии b) путем погружения детектора в эту жидкую среду.

4. Способ детектирования по п.1, в котором электролит (8) имеет значение pH между 4 и 4,5.

5. Способ детектирования по п.1, в котором комплексообразующая соль представляет собой сульфат натрия.

6. Способ детектирования по п.1, в котором электролит (8) является водным раствором.

7. Способ детектирования по п.6, в котором электролит (8) также содержит растворитель, выбранный из диметилсульфоксида (ДМСО) и диметилформамида (ДМФА).

8. Способ детектирования по п.1, в котором указанный по меньшей мере один актинид выбирают из изотопов америция, кюрия, нептуния, плутония и урана.

9. Способ детектирования по п.1, в котором жидкая среда представляет собой сточный поток, например воду после мытья полов или дистилляты выпаривания радиоактивных сточных потоков.