CC BY
45
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 546.795:54-78:54.062:504.422
Ю.А. Сапожников
д.х.н., вед. н. с., химический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова
г. Москва, РФ E-mail: [email protected] А.М. Афиногенов
м. н. с., химический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова
г. Москва, РФ E-mail: [email protected] А.В. Травкина
с. н. с., Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН
г. Москва, РФ Л.Д. Сапожникова
инженер, химический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова
г. Москва, РФ
ОПТИМИЗАЦИЯ ГАММА-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ РАДИОНУКЛИДОВ
ПРИРОДНЫХ РАДИОАКТИВНЫХ РЯДОВ.
I. РЯД ТОРИЯ-232
Аннотация
Показано, что при гамма-спектрометрическом анализе больших массивов проб морских донных осадков наиболее достоверные данные по удельной активности тория-232, находящегося в состоянии радиоактивного равновесия с продуктами распада, могут быть получены при единичных измерениях проб с учетом всех линий гамма-спектра исследуемого ряда с квантовым выходом более 2 % во всем доступном диапазоне энергий гамма-квантов.
Ключевые слова:
Гамма-спектрометрия, природный радиоактивный ряд тория-232, морские донные осадки
Гамма-спектрометрия - недеструктивный метод, позволяющий быстро определять удельные активности у-излучающих радионуклидов в пробах, отобранных в таких природных средах, как донные осадки озёр и морей, грунты и т.п., без какой-либо предварительной химической подготовки. При у-спектрометрических измерениях таких проб в их у-спектрах наблюдаются как линии, принадлежащие отдельным радионуклидам с простыми схемами распада (например, природный 40К или техногенный 137Cs), так и многочисленные линии природных радионуклидов ториевого (232Th) и урановых (238U и 235U) рядов [2]. В данной работе основное внимание уделено ряду 232Th.
Ядерно-физические свойства членов ряда 232Th существенно различаются, так что при оценке абсолютных активностей измеряемых радионуклидов возникает вопрос о выборе у-линий для проведения расчетов. Обычно в ряду 232Th предпочтение отдается линиям 212Pb (238,6 кэВ), 228Ас (338,3 кэВ), 208Tl (583,2 и 2614,5 кэВ). Однако, выбор конкретной у-линии не всегда достаточно аргументирован [3, 5-8]. Многие из этих линий относится к продуктам распада 220Rn (торона).
Перед измерением пробы подвергаются сушке, измельчению, просеиванию и переносу в подходящие по размерам и геометрической форме сосуды для у-спектрометрических измерений. Во время этих процедур возможна потеря части 220Rn, поэтому необходимо время для восстановления состояния
радиоактивного равновесия между исходными радионуклидами и теми членами цепочек распада, по которым будут выполняться количественные оценки концентраций радионуклидов.
Располагая результатами измерения исследуемой пробы, сертифицированного стандарта той же массы и фона, значение абсолютной активности любого члена ряда получается путем сопоставления активностей исследуемой пробы и стандарта.
В данной работе для этой цели применялся стандарт ОИСН № 420/51942-1 с паспортной удельной активностью 232Th 1020 Бк/кг, приготовленный на основе диоксида тория, равномерно распределенного в чешуйках эпоксидной смолы.
Особенностью отбора проб донных осадков морей и океанов является практическая невозможность отбора совершенно одинаковых параллельных проб в одной и той же точке, в частности, из-за дрейфа судна в процессе пробоотбора (а также дороговизны длительного пребывания на одной станции).
Целью настоящего исследования был поиск подхода, при котором достоверное значение удельной активности 232Th могло быть получено в результате единичного измерения исследуемой пробы (а также стандарта и фона) с наименьшим отклонением от истинного значения.
При обработке результатов у-спектрометрического измерения радиоактивности исследуемой пробы донного осадка из всей совокупности линий, относящихся к природному ряду 232Th, отбирались только те, квантовый выход которых превышал 2 % (с учётом ветвления). Было отобрано 19 линий, представляющих 5 радионуклидов ряда (использовались ядерно-физические характеристики нуклидов, подготовленные и рекомендованные международным Проектом оценки данных распада (Decay Data Evaluation Project) [4]).
Исследуемым материалом в данной работе служила одна из проб донного осадка, отобранная во время 66-го рейса НИС "Академик Мстислав Келдыш" в Карское море в июле-августе 2016 г. - проба со станции № 5346 с горизонта 0-2 см. Координаты станции: 72о30,4' с.ш.; 080о20,4' в.д. (начало) и 72о30,4' с.ш.; 080o21,9' в.д. (конец); глубина 14 м.
Измерение у-спектра выполнялось с помощью прибора с детектором из сверхчистого германия HPGe-3808 фирмы Canberra с программным обеспечением Genie PC-2000. Длительность измерения составила 72 000 с. Аппаратурный у-спектр данной пробы представлен на рис. 1.
0,016
0,014
0,012
0,01
0,008
0,006
О
0,004
0,002
ill W.i
г .L
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Энергия, кэВ
Рисунок 1- Аппаратурный гамма-спектр пробы донного осадка со станции № 5346 с горизонта 0-2 см.
Результат измерения у-спектра исследуемой пробы донного осадка за вычетом фона для каждой отдельной линии сопоставлялись с результатом измерения стандарта той же массы (также за вычетом фона для каждой отдельной линии). При таком сопоставлении отпадает необходимость учета квантового выхода
и эффективности регистрации у-квантов для всех значений энергии, так как, если измеряемые пробы и стандарты имеют одинаковую массу, соответствующие значения тождественны.
На рис. 2 и в таблице 1 показаны значения удельной активности 232^ рассчитанные по отдельным у-линиям спектра с соответствующими доверительными интервалами. Толстая сплошная линия на рис. 2 -удельная активность, рассчитанная как средневзвешенное по 19 линиям (весовой множитель определяется через дисперсии скоростей счёта [1]). Пунктирные линии выше и ниже ее - доверительный интервал этого значения.
Рисунок 2 - Результаты определения удельной активности 232^ в пробе донного осадка по отдельным
у-линиям спектра и их совокупности.
Таблица 1
Результаты определения удельной активности 232^ в пробе донного осадка по отдельным
у-линиям спектра и их совокупности
Номер линии Нуклид Е, кэВ Выход, доли (с учётом ветвления) Ауд., Бк/г ±Ä0,95, Бк/г
1 228Ac 129,1 0,025 0,051 0,019
2 228Ac 209,2 0,040 0,043 0,014
3 212Pb 238,6 0,436 0,038 0,004
4 224Ra 241,0 0,041 0,063 0,010
5 228Ac 270,2 0,036 0,067 0,021
6 208jl 277,4 0,024 0,064 0,027
7 212Pb 300,1 0,032 0,031 0,012
8 228Ac 328,0 0,030 0,038 0,018
9 228Ac 338,3 0,114 0,049 0,009
10 228Ac 409,4 0,020 0,063 0,029
11 228Ac 463,0 0,045 0,050 0,017
12 208jl 510,7 0,081 0,035 0,015
13 208jl 583,2 0,305 0,040 0,005
14 212Bi 727,3 0,067 0,046 0,013
15 228Ac 794,9 0,043 0,063 0,022
16 208jl 860,5 0,045 0,054 0,025
17 228Ac 911,2 0,262 0,047 0,007
18 228Ac 964,8 0,050 0,041 0,014
19 228Ac 969,0 0,159 0,044 0,007
по всем 19-ти линиям 0,042 0,003
Таким образом, результат, получаемый при однократном измерении спектра во всем доступном диапазоне энергий у-квантов, приводит к надежному определению удельной активности радионуклидов природного радиоактивного семейства In, находящихся в состоянии векового равновесия. Список использованной литературы:
1. Дёрффель К. Статистика в аналитической химии. М.: "Мир", 1994, 268 с.
2. Сапожников Ю.А., Алиев Р.А., Калмыков С.Н. Радиоактивность окружающей среды. Теория и практика. М.: Изд. БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006, 286 с.
3. Besuidenhout J. Measuring naturally occurring uranium in soil and minerals analysing the 352 keV gamma-ray peak of 214Pb using a NaI(Tl) detector // Appl. Radi. Isot. 2013, v. 80, pp. 1-6.
4. Decay Data Evaluation Project. Recommended data. URL: http://www.nucleide.org/DDEP_WG/DDEPdata.htm (дата обращения 13.10.2018)
5. Huy N.G., Luyen T.V. A method to determine 238U activity in environmental soil samples by using 63.3-keV photopeak-gamma HPGe spectrometer // Appl. Radiat. Isot., 2004, v. 61, pp. 1419-1424.
6. Practical consideration regarding high resolution gamma-spectrometry measurements of naturally occurring radioactive samples / Oddone M. [et al.] // J. Radioanal. Nucl. Chem., 2008, v. 277, pp. 579-585.
7. Self-absorption correction in determining the 238U activity in soil samples via 63,3 keV gamma-ray using MCNP5 code / Huy N.G. [et al.] // Appl. Radi. Isot. 2013, v. 71, pp. 11-20.
8. The first experimental test of the MEFFTRAN sowtware on HPGe detector calibration for environmental samples / Nicolic E.K. [et al.] // J. Environ. Radioact., 2016, v. 165, pp. 191-196.
© Сапожников Ю.А., Афиногенов А.М., Травкина А.В., Сапожникова Л.Д., 2018
