2.2. Критерии на содержание природных радионуклидов в строительных материалах.

Установлено, что доза внешнего облучения за счет природных радионуклидов линейно зависит от активности K⁴⁰, Th²³² и дочернего радионуклида Ra²²⁶ семейства U²³⁸.

Согласно ГОСТа 30106-94 (МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ СТРОИТЕЛЬНЫЕ. «Определение удельной эффективной активности природных радионуклидов».) грунт, материалы из сырья земного происхождения делятся на четыре класса радиационной опасности (Таблица 1). В качестве критерия используется удельная эффективная активность:

A_эфф = A_Ra + 1.31·A_Th + 0.085·A_k , Бк/кг.

Здесь A_Ra, A_Th– удельные активности радионуклидов Ra²²⁶, Th²³²семейств урана и тория, а также A_k - удельная активность K⁴⁰, дающих с учетом излучения их дочерних радионуклидов наиболее существенный вклад в формирование дозы облучения человека от испытываемого материала природного происхождения.

За результат A_{эфф класс} природных радионуклидов в контролируемом материале для установления класса материала принимают значение, определяемое по формуле:

A_{эфф класс} = A_эфф +  , Бк/кг,

где -  абсолютная ошибка определения A_эфф .

________________________

 =  ²_Ra + 1.7· ²_Th + 0.007· ²_K , Бк/кг.

_Ra , _Th , _K - соответственно, абсолютные ошибки определения активностей A_Ra ,A_Th ,A_k .

Таблица 1. Классы строительных материалов по содержанию природных

радионуклидов.

Удельная эффективная активность (Aэфф), Бк/кг	Класс материала	Область применения
до 370	I	Все виды строительства
от 370 до 740	II	Дорожное строительство в пределах населенных пунктов и зон перспективной застройки, строительство производственных сооружений
от 740 до 1350	III	Дорожное строительство вне населенных пунктов
свыше 1350	IV	Вопрос об использовании материала решается по согласованию с Госкомсанэпиднадзором

2.3. Гамма-спектрометрический анализ материалов.

Активности радионуклидов Ra²²⁶, Th²³², K⁴⁰ в испытываемом материале

определяют на только спектрометрах. Дозиметры и радиометры дают грубую оценку опасности материала. При спектрометрии используется тот факт, что при альфа-,бета-распаде практическое большинство известных радионуклидов излучают гамма-кванты строго определенных энергий. Измерив спектр гамма-квантов, можно идентифицировать радионуклиды, находящиеся в испытуемом материале и определить их активности (см.Рис.4).

В настоящее время для гамма-спектрометрического анализа радионуклидного состава материала широко используются гамма-спектрометры с полупроводниковым детектором, имеющих высокую разрешаемую способность получаемых гамма-спектров излучения радионуклидов. На Рис.2 представлена блок-схема полупроводникового гамма-спектрометра. Алгоритм выполнения операций на нем следующий:

1. пробоподготовка - измельчение исследуемого материала до гранул диа-

метром не более 5 мм;

2. заполнение кюветы объемом 1 л (сосуд Маринелли) материалом;

3. взвешивание содержимого кюветы - определение массы навески;

4. помещение кюветы в измерительную камеру – радиационную защиту от

внешнего фона;

6. набор гамма-спектра;

7. обработка, расшифровка спектра с использованием специальной

компьютерной программы;

8. вычисление активности обнаруженных радионуклидов.

Как работает гамма-спектрометр? (см. Рис.2)

Гамма-кванты, возникающие при распаде радионуклидов в испытываемом материале, регистрируются детектором (для получения наилучших характеристик по разрешающей способности детектор охлаждается жидким азотом). Электрические импульсы с детектора усиливаются по амплитуде предусилителем и основным импульсным усилителем. Далее они поступают на многоканальный амплитудный анализатор, где производится анализ и подсчет импульсов по амплитуде. Число каналов, амплитудных «ворот» достигает обычно несколько тысяч. К выходу каждого канала подключен счетчик объемом до 10⁶ импульсов. Если амплитуда импульса соответствует амплитудному диапазону какого-либо канала, то срабатывает счетчик этого канала. С периодичностью 1÷5 сек микропроцессор опрашивает состояния счетчиков и выводит информацию на графический дисплей. Здесь по ось X – ось амплитуд импульсов (каналов), ось Y – числа импульсов в каждом канале. Таким образом, в процессе испытания, набора спектра на экране регистрируется гистограмма – амплитудный спектр. Поскольку амплитуда импульсов с детектора пропорциональна энергии регистрируемых гамма-квантов, а ось X может быть откалибрована в единицах энергии (кэВ), гистограмма на экране является гамма-спектром излучения радионуклидов, находящихся в испытываемом материале.

Кроме указанных устройств в спектрометре также имеется источник высоковольтного напряжения , блок питания и устройства связи спектрометра с компьютером.

На экране дисплея мы наблюдаем кривую фона рассеянных гамма-квантов и наложенный на нее линейчатый спектр гамма-квантов, поглощенных в первом же акте взаимодействия с детектором (Рис.3). Линейчатый спектр не идеальный, при укрупненном рассмотрении представляет собой набор размытых колоколо-образных формирований, занимающих несколько каналов. Это связано со статистической природой взаимодействия гамма-квантов с материалом детектора. Поэтому каждому полностью поглощенному в детекторе гамма-кванту одной и той же энергии соответствует на выходе импульс с амплитудой несколько отличающееся от среднего значения для большого массива зарегистрированных гамма-квантов, что приводит к размытию пика по ширине (ПШПВ-полуширина на полувысоте характеризует разрешающую способность спектрометра, различимость от близлежащих пиков). Образование фоновой кривой связано с комптоновским рассеянием гамма-квантов, т.е., если при поглощении гамма-кванта в детекторе (за счет фото-эффекта) амплитуда импульса соответствует энергии кванта, то при комптоновском рассеянии только статистически неопределенная часть энергия кванта регистрируется в детекторе, остальная часть энергии уносится из детектора гамма-квантом меньшей энергии. Это является мешающим фактором для спектрального анализа, особенно в области малых энергий гамма-квантов.

Диапазон энергий гамма-квантов, регистрируемых спектрометром, составляет обычно 50 ÷ 3000 кэв и охватывает практически весь диапазон энергий гамма-квантов, излучаемых известными в природе радионуклидами.

После набора спектра, продолжительность которого зависит от требуемой статистической погрешности, числовой массив спектра перекачивается из большого запоминающего устройства спектрометра на жесткий диск компьютера. По команде оператора компьютерная программа далее производит поиск пиков, линий, обработку и расшифровку спектра. Предварительно калибруется энергетическая шкала – ось X. Вычисляются площади пиков за вычетом фона под пиками. Определяются интенсивности пиков, линий:

I_i = S_i / T,

где S_i и T - площадь i –того пика (число зарегистрированных импульсов в пике) и время набора спектра.

Далее спектр сравнивается с библиотекой гамма-линий, записанной в файл компьютера (см. Рис.4), производится идентификация радионуклидов по обнаруженным пикам в спектре, вычисляются активности радионуклидов и погрешности их определения.

A_i,нук = I_i / ( · ) ,

где  - эффективность регистрации детектора, зависящая от энергии гамма-квантов и плотности испытываемого материала;

 - выход гамма-линии при распаде данного радионуклида.

Поскольку при распаде радионуклида может быть несколько гамма-квантов разных энергий, то активность радионуклида усредняется по активностям, вычисленным по пикам этих линий с учетом погрешностей их определения.

Задача оператора заключается, в конечном итоге, принять предлагаемые компьютером результаты анализа или произвести их коррекцию на основании своего опыта и знаний.

В данной лабораторной работе используется спектрометр в составе:. входят

- блок детектирования гамма-излучения – ДГДК-100;

- предусилитель ПУ-Г-1К2;

- одноплатный процессор импульсных сигналов «SBS-55»;

- высоковольтный блок питания БНВ-3;

- блок питания БНН-08Ф;

- персональный компьютер.

Спектрометр управляется компьютерной программой «SBS-55».

Программа обеспечивает управление всеми необходимыми режимами работы спектрометра:

— управление анализатором (задание параметров, запуск и останов набора, запись спектра на диск, повторный запуск и т.д. );

— просмотр спектра на экране компьютера;

— настройку режима обработки спектра с учетом специфики набранного спектра;

— автоматический поиск пиков и определение их площадей;

— проведение энергетической калибровки;

— идентификацию радионуклидов;

— расчет полной или удельной активности радионуклидов (с возможностью усреднения результатов по серии пиков, принадлежащих идентифицированному радионуклиду);

— документирование результатов анализа на принтере и/или на диске.