РАБОТА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫМ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИМ
МЕТОДОМ
Радиационная безопасность – важная проблема современного общества. Человек постоянно подвергается облучению естественным фоном, состоящим из космического излучения и излучения естественно распределенных природных радиоактивных веществ, находящихся в воде, почве, пищевых продуктах. Загрязнение окружающей среды радионуклидами связано в первую очередь с техногенными факторами, вызывающими ухудшение экологической обстановки на планете: захоронением радиоактивных отходов (РАО), выбросами радионуклидов при работе ТЭС и АЭС, проведением ядерных взрывов в мирных целях. Пищевые продукты являются одними из основных источников поступления естественных радионуклидов в организм человека. Для всех пищевых продуктов СанПиН 2.3.2.1078–01 регламентируют допустимые уровни содержания радионуклидов 137Cs и 90Sr, для некоторых пищевых продуктов (например, безалкогольных напитков, минеральных вод и др.) нормируются также общая α- и β-радиоактивность.
-излучение – это поток ядер гелия (Не), испускаемых веществом при радиоактивном распаде или ядерных реакциях. Основными его свойствами являются высокая ионизирующая и малая проникающая способность, пробег 8–9 мм в воздухе и несколько микрон в живой ткани.
-излучение – это поток электронов или позитронов, возникающих при ядерном распаде. Ионизирующая способность меньше, чем у -излучения, а проникающая – больше, так как масса частиц значительно меньше при одинаковой энергии. В воздухе пробег составляет 1,8 м, в живой ткани – 2,5 см.
Излучения - и -частиц являются непосредственно ионизирующими излучениями, так как вызывают ионизацию вещества непосредственно при столкновениях с атомами и молекулами.
Распад ядер нестабильных радиоактивных элементов цезия и стронция порождает ионизирующие частицы – радионуклиды, которые передают свою энергию в веществе сначала электронам и положительно заряженным ядрам атома, сталкиваясь с ними, а затем уже электроны и ядра атомов производят ионизацию атомов и молекул. Эти излучения называют косвенно ионизирующими.
Нейтроны преобразуют свою энергию во взаимодействие с частицами вещества и способствуют получению -излучения. Проникающая способность зависит от вида атомов.
-излучение фотонов обладает колоссальной проникающей и малой ионизирующей способностью. Скорость распространения приблизительно равна скорости света.
137Cs поступает в организм человека преимущественно с пищевыми продуктами. Он практически полностью всасывается в пищеварительном тракте. Биологический период полувыведения колеблется у взрослых от 10 до 200 сут., составляя в среднем 100 сут. Допустимые уровни 137Cs варьируют от 8 до 500 Бк/кг (Бк/л) в зависимости от вида пищевого продукта.
90Sr попадает в организм через желудочно-кишечный тракт, легкие и кожу и накапливается в костной ткани. Биологический период полувыведения из организма составляет от 90 до 154 сут. Допустимые уровни 90Sr в пищевых продуктах варьируют от 8 до 140 Бк/кг (Бк/л).
В результате радиационного облучения живой ткани в ней возникает ионизация молекул, сопровождающаяся разрывом молеку-лярных связей и изменением химической структуры соединений. Образующиеся свободные радикалы весьма активны и приводят к каталитическим реакциям, в результате которых происходит разрушение клеток, торможение функций кроветворных органов, расстройство желудочно-кишечного тракта и иммунной системы организма, сосуды становятся хрупкими.
2.1. Описание метода
Принцип действия всех приборов, предназначенных для определения радиоактивности, заключается в измерении эффектов, возникающих при взаимодействии излучения с веществом. Для регистрации излучения применяют разные методы:
ионизационный – основан на измерении степени ионизации в газах или полупроводниках при прохождении через них радиоактивного излучения или потока частиц;
фотографический – на измерении степени почернения фотопластинки при прохождении излучения или потока частиц;
химический – основан на измерении химических изменений в веществе при прохождении излучения или потока частиц;
калориметрический – на измерении количества тепла, выделенного в поглощающем веществе при прохождении излучения;
сцинтилляционный – на измерении интенсивности световых вспышек, возникающих при попадании радиоактивного излучения или частиц во флуоресцирующую среду.
В зависимости от метода регистрации различают разные приборы радиационного контроля: счетчики Гейгера, рентгенометры, радиометры, индивидуальные дозиметры, рентгеновские спектрометры, сцинтилляционные спектрометры и др.
Одним из самых чувствительных и универсальных методов определения радионуклидов на сегодняшний день является сцинтилляционная спектрометрия (СС). Сцинтилляционный метод детектирования характеризуется самой высокой эффективностью регистрации практически всех видов радиоактивного излучения (α-, β- и
γ-излучающих радионуклидов). В сочетании с относительной простотой и быстротой приготовления счетного образца и возможностью одно-временного определения в сложных смесях всех видов излучения он становится незаменимым при решении сложнейших радиоаналитических задач.
Принцип действия сцинтилляционных счетчиков основан на том, что, попадая в подходящую флуоресцирующую среду, излучение или частица вызывает мгновенную вспышку видимого света. По числу таких вспышек – сцинтилляций можно судить о количестве частиц или фотонов в каждом энергетическом диапазоне. Характеристикой излучения является спектр – зависимость количества вспышек от энергии излучения каждой вспышки.
При помощи алгоритма расшифровки сцинтилляционных спектров на ЭВМ определяют радионуклидный состав проб по их характерному γ-, β- или α-излучению или по крайней мере надежно определяют соответствие контрольных уровней на определяемые радионуклиды, что зачастую является главной задачей радиационного мониторинга различных объектов.
Сцинтилляторы бывают твердые и жидкие. Из твердых наиболее распространен кристаллический иодид натрия (NaJ), в который введено небольшое количество (1 или 2%) иодида таллия (TlJ). В жидких сцинтилляторах активное вещество (антрацен, 2,5-дифенилоксазол (ДФО), 1,4-дифенилбензол и др.) находится в растворенной форме. Вспышки света, возникающие в результате флуоресценции активных веществ, регистрируются фотоумножителем. Между сцинтиллятором и фотоумножителем должен быть хороший оптический контакт, а стенки устройства должны хорошо отражать свет, чтобы не было потерь. Счетчик помещают в свинцовый «домик» (или в корпус из другого плотного материала), чтобы снизить помехи фонового излучения.
Рис. 6. Универсальный спектрометрический комплекс
«Гамма-Плюс»
На рис. 6 представлен универсальный спектрометрический комплекс «Гамма-Плюс» (УСК «Гамма-Плюс»). Он состоит из нескольких измерительных радиометрических трактов, объединенных единой программной оболочкой. Пользователь имеет возможность независимо управлять любым трактом и обрабатывать результаты измерений с помощью одной ПЭВМ. Результаты измерений пробы на одном измерительном трак-те могут учитываться при измерениях ее на других трактах, что значительно повышает точность резуль-татов и позволяет форми-ровать общий протокол по результатам измерений одной пробы на разных трактах. Благодаря модуль-ной структуре комплекса пользователь может форми-ровать его состав в соответствии со своими потребностями.
Для регистрации γ- и β-излучения от счетного образца используются γ- и β-спектрометрические тракты со сцинтилляционным блоком детектирования (СБД):
– гамма-СБД включает сцинтиллятор, ФЭУ с делителем высокого напряжения и спектрометрический усилитель импульсов. В качестве сцинтиллятора используются кристаллы NaJ (активированные Tl) или CsJ (активированные Na) различных размеров и конфигураций;
– бета-СБД включает пластиковый сцинтиллятор (на основе полистирола различных размеров и конфигураций), ФЭУ с делителем высокого напряжения и спектрометрический усилитель импульсов.
Основные задачи радиационного контроля, решаемые с помощью комплекса, дифференцированы по видам радиометрических трактов.
Гамма-спектрометический тракт позволяет:
– определять содержание 137Cs и других радионуклидов в пробах пищевых продуктов и продовольственного сырья растительного и животного происхождения;
– определять содержание 226Ra, 232Th, 40K, 137Cs и других радионуклидов в пробах почвы, стройматериалов и других объектах внешней среды.
Бета-спектрометрический тракт позволяет:
– определять содержание 90Sr в пробах пищевых продуктов и продовольственного сырья растительного и животного происхождения, а также в пробах почвы и воды;
– определять общую β-радиоактивность в пробах воды.
Для проведения калибровки γ- и β-спектрометров по энергии и обеспечения контроля за сохранностью параметров установки в состав спектрометра включены контрольные источники: γ-комбинированный контрольный источник 137Cs+40K в специальном сосуде для его экспонирования; β 90Sr контрольный источник точечной геометрии в специальной обойме для его экспонирования. Для экспонирования счетных образцов в зависимости от геометрической конфигурации сцинтилляционного кристалла применяются различные измерительные кюветы.
Для преобразования аналогового спектрометрического сигнала, поступающего с выхода каждого детектора, в цифровой применяется амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП), выполненный либо в виде платы, встроенной в ПЭВМ, либо в виде отдельного блока, подключенного к порту ПЭВМ. Управление работой АЦП производится при помощи специальных программ (драйверов), входящих в состав программного пакета ПРОГРЕСС.
Этот программный пакет обеспечивает также обработку спектров, расчет значений радиоактивности и погрешностей измерений.
|
