книги из ГПНТБ / Методы радиоизотопного анализа продуктов нейтронной активации и деления

МЕТОДЫ

РАДИОИЗОТОПНОГО

АНАЛИЗА

ПРОДУКТОВ

НЕЙТРОННОЙ

АКТИВАЦИИ И ДЕЛЕНИЯ

Под ред. канд.'хим. наук

Ф. Я. Ровинского

МОСКВА АТОМИЗДАТ 1973

У Д К 543.42 + 543.53 : (539.172.8 : 539.172.4 + 539.173.8)(024)-82

Методы радиоизотопного анализа продуктов ней­ тронной активации и деления. Под ред. канд. хим. наук Ф. Я. Ровннского. М., Атоыиздат, 1973, 256 с. Авт.: Ф. Я. Ровинскиіі, С. Б. Иохельсон, Е. И. Юшкан,

Е.Д. Стукни.

Вкниге в систематизированном виде излагаются методы и способы радиоизотопного анализа объектов внешней среды (воздух, почва, природные воды, био­ материалы) .

Рассматриваются методы сцинтилляционной и полу­ проводниковой у-спектрометрни, а-, ß-спектрометрии. Изложены проверенные на практике методы радиохими­ ческого анализа более 40 изотопов, наиболее часто встречающихся в объектах внешней среды. Построен­ ные по принципу комплексного использования радиохи­ мии и спектрометрии методы позволяют существенно увеличить производительность и надежность радиоизо­ топного анализа и являются незаменимыми при опреде­ лении нескольких радиоизотопов одного элемента. Опи­ саны методы отбора, концентрирования и измерения трития в объектах внешней среды. Содержатся практи­ ческие рекомендации по определению радиоизотопов инертных газов в атмосферном воздухе.

Рисунков 52, таблиц 23, библиография 334 названий.

0 3 4 (0 1 )— 73

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время в объектах внешней среды (воз­ дух, почва, природные воды, растительность и животный мир) присутствуют в рассеянном виде радиоактивные изотопы искусственного происхождения, что является следствием бурного роста применения атомной энергии в течение последних двух с лишним десятилетий. Гло­ бальные выпадения после ядерных испытаний, радио­ активные отходы атомной промышленности, выбросы атомных транспортных и энергетических установок, ис­ пользование радиоактивных материалов в науке, тех­ нике и медицине — все они являются источниками по­ ступления искусственных радиоизотопов в окружающую среду. Московский договор 1963 года о запрещении ядерного оружия в трех средах существенно ограничил ин­ тенсивность одного из основных источников глобального радиоактивного загрязнения — выпадений от ядерных испытаний.

Глобальный характер радиоактивного загрязнения природных сред и продуктов питания оказал мощное стимулирующее действие на развитие методов радиоизо­ топного анализа в объектах внешней среды. Это обус­ ловлено прежде всего необходимостью контроля состоя­ ния среды обитания, в системе которого таким методам принадлежит ведущая роль. Немалое'значение для со­ вершенствования методов радиоизотопного анализа имеет также применение рассеянных в природе радио­ изотопов в качестве трассеров при исследовании цирку­ ляционных процессов в метеорологии, гидрологии и? гидрогеологии.

Развитие методов радиоизотопного анализа требует постоянного повышения чувствительности и разрешаю­ щей способности, а также надежной идентификации анализируемого радиоизотопа.

3

На протяжении ряда лет для радиоизотопного ана­ лиза используются методы радиохимии и у-спектромет- рии, реже а- и ß-спектрометріш. Причем эти химические и физические методы применялись и развивались неза­ висимо один от другого и часто параллельно.

Повышение чувствительности радиохимических мето­ дов достигается двояким образом: путем разработки способов обработки и концентрирования больших ко­ личеств исходной пробы, а также с помощью приме­ нения ннзкофоновой высокоэффективной радиометриче­ ской аппаратуры. Повышение разрешающей способности радиохимических методов связано с использованием наиболее селективных реагентов для разделения эле­ ментов, с применением физико-химических методов раз­ деления (экстракция, хроматография, электрофорез и др.). Уязвимым местом радиохимических методов, включающих радиометрический анализ выделенных пре­ паратов, является надежность идентификации опреде­ ляемых изотопов, особенно когда речь идет о препаратах низкой активности или о препаратах, содержащих смесь нескольких радиоизотопов одного элемента.

Повышение чувствительности сцпнтилляцпонных у-спектрометрическмх методов достигается как за счет увеличения количества анализируемого материала, так и за счет применения специальных детекторов (большого размера, с колодцем и т. п.), снижения фона путем комбинирования схем антисовпадений и совпадений, ис­ пользования сложных защитных экранов и т. д. Разре­ шающая способность этих методов определяется раз­ решающей способностью детекторов. Использование в качестве последних полупроводниковых материалов чрезвычайно расширяет возможности у-спектрометриче- ского метода по разрешающей способности и, следова­ тельно, по надежности идентификации анализируемых радиоизотопов.

Несмотря на большие успехи в развитии методов радиохимии и спектрометрии ионизирующих излучений, слишком сложный изотопный состав загрязнения объек­ тов внешней среды потребовал дальнейшего развития методов радиоизотопного анализа, которое привело к органическому слиянию радиохимии и спектрометрии в едином комплексном методе. Радиохимическая часть метода выполняет функцию концентрирования и удаления мешающих излучателей, что в конечном счете снижает

4

Глава I

СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ

МЕТОДЫ

РАДИОИЗОТОПНОГО

АНАЛИЗА

ВВЕДЕНИЕ

В объектах внешней среды могут одновременно при­ сутствовать осколки деления, продукты нейтронной активации и ядра тяжелых элементов, причем соотно­ шение между ними может изменяться в широких пре­ делах [1—5].

Продукты деления и нейтронной активации испы­ тывают радиоактивные превращения в основном путем ß-распада, а в некоторых случаях — испускания позитро­ нов и захвата орбитальных электронов [5, 6]. Ядра тяжелых элементов Th232, U233, U235, U238, Pu2® распа­ даются путем а-превращений [6, 7].

Распад подавляющего* большинства ядер сопровож­ дается у-излучением.

Обобщенные данные о выходах продуктов деления и активности их нефракционированной смеси в различ­ ные периоды времени после деления приведены в рабо­ тах [6, 8, 9]. Состав продуктов активации обсуждается в работах [1—5, 10]. Подробные сведения о схемах радиоактивного распада приведены в работах [11 —13]. Состав у-излучения продуктов мгновенного деления U235, U238 и Pu239 в различные периоды времени после деления дается в работе [14].

При делении U235, U238 и Pu239 образуется более 200 радиоизотопов с периодами полураспада от долей се­ кунды до .десятков лет. Сложность энергетического со­ става у-излученпя продуктов деления, который зависит от вида делящихся ядер, энергии нейтронов и времени, прошедшего после деления, иллюстрируется рис. 1.1, где приведен линейчатый спектр у-излучения нефракцио­ нированной смеси продуктов мгновенного деления U235 нейтронами спектра деления для «возраста» 30 суток. Максимальные энергии ß-частиц продуктов деления так­

6

же меняются в большом диапазоне, от нескольких кило­ электронвольт до 3550 кэв (Rh108).

Количество различных продуктов нейтронной акти­ вации также достаточно велико, однако большинство из них имеет малый период полураспада, до десятков ми-

Рпс. 1.1. Расчетный линейчатый успектр продуктов мгновенного деления US3S нейтронами спектра деления «возрастом» 30 суток.

нут. На основании указанных выше литературных дан­ ных можно считать, что основное значение для объектов окружающей среды имеют следующие радиоизотопы:

Различие в спектральном составе ионизирующих из­ лучений изотопов, содержащихся в объектах внешней среды, обуславливает возможность использования спек­ трометрических методов анализа. Инструментальной основой методов спектрометрии является использование высокоэффективных детекторов излучений с хорошим энергетическим разрешением и применение многоканаль­ ных амплитудных анализаторов импульсов.

7

Принципы работы спектрометрической аппаратуры и подробное описание различных типов детекторов и ана­ лизаторов импульсов содержатся в обзорных рабо­ тах [15—24].

1.1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА АКТИВНОСТИ ПРОБ СО СЛОЖНЫМ РАДИОИЗОТОПНЫМ СОСТАВОМ

Физические методы радиоизотопного анализа много­ компонентных смесей основаны на различии спектров излучения и периодов полураспада изотопов, входящих в состав проб. Независимо от того, используются ли для анализа аппаратурные спектры отдельных типов излучений (a-, ß-, у-спектры) или комбинация спектров излучений различных типов, процесс спектрометриче­ ского анализа включает два основных этапа: идентифи­ кацию состава излучателей и вычисление их содержания.

ОТОЖДЕСТВЛЕНИЕ СОСТАВА ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Основным источником информации о составе радио­ изотопов в пробах являются аппаратурные спектры, кос­ венно отражающие первичные энергетические спектры излучателей.

Форма аппаратурного спектра в большой мере зави­ сит от разрешающей способности, размеров и эффек­ тивного атомного номера детекторов, а также от веще­ ственного состава, размеров проб и геометрии измере­ ний. Вместе с тем при регистрации энергетического спектра, полученного в условиях разной геометрии (то­ чечный или объемный источник) и с помощью различ­ ных детекторов, у-спектрограммы, например, с большой степенью точности отображают спектры первичных у-квантов в областях пиков полного поглощения (фотопиков). Положение фотопиков на энергетической шкале спектрометра, площадь фотопиков и изменение ее во времени характеризуют энергию, интенсивность у-пере- ходов и эффективные периоды полураспада изотопов. Совокупность этих сведений, данные о фотоэффект^в- ности и разрешении спектрометра, о схемах распада изотопов позволяют во многих случаях однозначно определить основной состав излучателей.

8

Для перехода от аппаратурных у-спектров к содер­ жанию у-излучающих изотопов обычно идентифицируют фотопики, т. е. устанавливают, какие радиоизотопы формируют каждый из них.

Вследствие ограниченной разрешающей способности спектрометров и эффектов рассеяния у-квантов в веще­ стве пробы и детектора (особенно в сцинтилляторах) на спектрограммах не выделяются фотопики некоторых изотопов, присутствующих даже в значительных коли­ чествах. Это происходит, например, когда фотопик како­ го-либо изотопа находится в зоне максимума комптоновского распределения от другой интенсивной у-линин. В некоторых случаях на спектрограммах могут появ­ ляться пики, связанные со вторичными процессами, происходящими в сцинтилляторе, например пики вылета характеристического Д-излучения иода, пики суммиро­ вания, возникающие при регистрации изотопов с кас­ кадной схемой распада, пики вылета аннигиляционных у-квантов. Последний эффект особенно сильно прояв­ ляется при регистрации у-излучения с энергией более 1,02 Мэв малыми по размеру полупроводниковыми де­ текторами. Из сказанного выше следует, что для пра­ вильной идентификации изотопного состава необходимо рассматривать всю совокупность пиков, зарегистрирован­ ных на спектрограммах.

Большие трудности возникают при идентификации радиоизотопного состава слабоактивных проб с соиз­ меримой активностью естественных и искусственных радиоизотопов. На спектрограммах таких проб (их масса обычно составляет 150—2000 г) фотопики продук­ тов деления и продуктов активации маскируются фото­ пиками естественных радиоизотопов и во многих случаях имеют неправильную расплывчатую форму, что иногда делает невозможным точное определение их энергии.

При измерении объемных проб особенно резко про­ является эффект накопления импульсов в «мягкой» части спектра, соответствующей малым энергиям у-кван­ тов, за счет комптоновского рассеяния в самом мате­ риале источника. В результате фотопики располагаются на наклонной подставке и их максимумы смещаются в сторону малых энергий от истинного положения.

Положение фотопика существенно изменяется, если он расположен в зоне максимума комптоновского рас­ пределения. Для установления истинной энергии фото-

9