ОГБУ “ОБЛКОМПРИРОДА”

Отдел мониторинга радиационной обстановки

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Спектрометрия гамма-излучения

(на примере испытаний строительных материалов на содержание природных радионуклидов)

Методические указания к выполнению лабораторной работы

Томск 2013

1. Цели и задачи работы

При выполнении данной лабораторной работы преследуются цель ознакомления:

- с ролью природных радионуклидов во внешнем радиационном фоне

среды обитания человека;

- с методикой проведения испытаний материалов на содержание природных

и техногенных радионуклидов;

- с работой гамма-спектрометра;

- с методикой обработки и расшифровки линейчатых

гамма-спектров с использованием компьютерной программы.

Основной задачей работы является определение активности радионуклидов природного происхождения, присутствующих в грунте, строительных материалах, для чего необходимо проведение гамма-спектрометрического анализа, позволяющего одновременно идентифицировать радионуклиды в испытываемом материале и измерить их активности. Это позволяет на данном примере ознакомится с одним из методов анализа присутствия тех или иных радионуклидов в материале, который применяется, например, при сертификации строительных материалов и экологическом контроле, а так же при контроле продуктов деления в атомной промышленности, нейтронно-активационном анализе материалов и других областях науки и техники.

2. Теоретические сведения

2.1. Природные радионуклиды.

Одним из факторов отрицательного воздействия окружающей среды на человека является ионизирующее излучение. Это космическое излучение, ионизирующее излучение Солнца, излучение космогенных, техногенных радионуклидов и радионуклидов земного происхождения, а также излучение искусственных источников излучения - видеомониторов, телевизоров, электрофизических и изотопных установок медицинского и промышленного назначения, атомных реакторов.

Основной вклад в радиационный фон ионизирующего излучения среды обитания человека вносят природные радионуклиды земного происхождения, находящиеся в почве, грунте и материалах, извлеченных из земли и изготовленных на их основе. Это - песок, глина, щебень, полезные ископаемые, кирпич, бетон и т.п. В их состав входят 23 радиоактивных изотопа. Из них наиболее значимые радиоактивные изотопы урана – U²³⁸ , U²³⁵, тория – Th²³² и калия – K⁴⁰. Периоды полураспада этих изотопов составляют миллиарды лет и существуют они со времени образования нашей солнечной системы.

Период полураспада T_1/2:

U²³⁸ - 4,468·10 ⁹ лет;

U²³⁵ - 0,704·10 ⁹ лет;

Th²³² - 14,05·10 ⁹ лет;

K⁴⁰ - 1,262·10 ⁹ лет.

Процентное содержание изотопов в элементах – в уране, тории и калии:

U²³⁸ - 99,3 %;

U²³⁵ - 0,7 %;

Th²³² - 100,0 %;

K⁴⁰ - 0,0118 %.

Последнее, касательно калия, означает, что в любом химическом соединении с калием присутствует радиоактивный изотоп K⁴⁰ , имеющий одинаковые химические свойства со стабильными изотопами K³⁹ (93,08 %), K⁴¹ (6,91 %).

Изотопы урана, тория, калия широко распространены на земле и обнаруживаются в любом земном объекте, включая растительный и животные мир.

Кларк (среднее содержание) изотопов в земле варьируется в пределах:

U²³⁸ - 0.8 ÷ 4.1 грамм/тонна;

U²³⁵ - 0.006 ÷ 0.03 грамм/тонна;

Th²³² - 1.8 ÷ 11.6 грамм/тонна;

K⁴⁰ - 0.4 ÷ 2.6 грамм/тонна.

Места, где эти концентрации по отдельным изотопам превышают указанные в сотни, тысячи раз, считаются месторождениями.

K⁴⁰ при распаде превращается в стабильные изотопы Ar⁴⁰ (10.67%) и Ca⁴⁰ (89.33 %), а U²³⁸, U²³⁵, Th²³² через ряд промежуточных превращений - в стабильные изотопы Pb²⁰⁶ (100%), Pb²⁰⁷ (100%), Pb²⁰⁸ (100%), соответственно. Т.е. радионуклиды U²³⁸, U²³⁵, Th²³² образуют семейства радиоактивных, сравнительно короткоживущих дочерних радионуклидов. Там, где в земле имеются эти радионуклиды, практически всегда присутствуют дочерние радионуклиды:

U²³⁸  Th²³⁴, Pa²³⁴, U²³⁴, Th²³⁰, Ra²²⁶, Rn²²², Po²¹⁸ , Pb²¹⁴, Bi²¹⁴, Po²¹⁴, Pb²¹⁰, Bi²¹⁰, Po²¹⁰, Pb²⁰⁶;

U²³⁵  Th²³¹, Pa²³¹, Ac²²⁷, Th²²⁷, Ra²²³, Ra²¹⁹, Po²¹⁵, Pb²¹¹, Bi²¹¹, Ti²⁰⁷, Pb²⁰⁷;

Th²³²  Ra²²⁸, Ac²²⁸, Th²²⁸, Ra²²⁴, Rn²²⁰, Po²¹⁶, Pb²¹², Bi²¹², Po²¹², Tl²⁰⁸, Pb²⁰⁸.

(Цепочки распада урана и тория представлены на Рис. 1).

Материнские и дочерние радионуклиды распадаются по альфа- или бета-типу распада. При этом излучается целый спектр альфа-,бета- и гамма-частиц, представляющее собой ионизирующее излучение, которое и формирует основную часть радиационного фона в окружающей нас среде. (К сведению: Распад дочерних радионуклидов этих семейств и K⁴⁰ дают значимый вклад в собственный внутренний нагрев Земли, являются поставщиками гелия и аргона.)

В зависимости от содержания (активности) K⁴⁰ , U²³⁸ , U²³⁵ , Th²³² радиационный фон может варьироваться в больших пределах и превышать предельно-допустимые уровни. Поэтому, прежде чем использовать грунт, песок, глину, щебень и другие материалы природного происхождения в строительстве или в промышленности, эти материалы должны пройти испытания на содержание природных радионуклидов.