книги из ГПНТБ / Методы радиоизотопного анализа продуктов нейтронной активации и деления
..pdfМ ЕТО Д Ы РАДИОИЗОТОПНОГО
АН А Л И ЗА
ПРОДУКТОВ НЕЙТРОННОЙ
АК ТИ ВАЦ И И
ИД Е Л Е Н И Я
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.
М 0252—087 |
87—73 |
Атомиздат, 1973 |
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
требования к спектрометрической аппаратуре, делает метод пригодным для серийных, массовых анализов. Физическая часть метода полностью обеспечивает на дежность идентификации определяемых изотопов и в свою очередь снижает требования к радиохимическим операциям в отношении полноты разделения или очистки препаратов. В общем, такой метод является чрезвы чайно гибким и позволяет наиболее эффективно приво дить в соответствие задачи анализа и переменные фак торы концентрации радиоизотопов и изотопного состава в анализируемых объектах.
Глава первая, посвященная теоретическим и практи ческим аспектам методов спектрометрии ионизирующих излучений, написана С. Б. Иохельсон и Е. Д. Стукиным; глава вторая, содержащая изложение основных приемов идентификации радиоизотопного состава, написана Ф. Я. Ровинским и С. Б. Иохельсон. Глава третья, в которой изложены практические методики радиохимиче
ского |
анализа |
в |
объектах внешней |
среды, написана |
Е. И. |
Юшкан, |
Ф. |
Я. Ровинским и |
С. Б. Иохельсон. |
Глава четвертая, посвященная методам определения трития, написана Ф. Я. Ровинским. Глава пятая, содер жащая рекомендации по определению радиоактивных инертных газов, написана Е. Д. Стукиным.
Предлагаемая книга отличается от предыдущих из даний на эту тему значительно более широким охватом радиоактивных изотопов, встречающихся в объектах внешней среды. Наряду с традиционным вниманием к продуктам деления, в книге описаны методы радио-' изотопного анализа для наиболее важных изотопов наведенной активности, а также изотопов, находящихся в специфических и физико-химических формах, — трития и инертных газов.
Книга построена на последних достижениях в об ласти спектрометрии ионизирующих излучений, радио химии и других методов радиоизотопного анализа объектов внешней среды.
Книга является практическим руководством по мето дам радиоизотопного анализа и предназначена для широкого круга специалистов — физиков, химиков, ме диков и др., которые занимаются исследованием и контролем радиоактивного загрязнения окружающей среды.
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:
Na24, |
Ca45, Sc46, M n54-58, Fe59, Со5758' 80, Cs134, Eu152-154, |
U237, |
Np239. |
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