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

стом от 1,5—2 месяца имеет весьма сложный, быстро изменяющийся по времени изотопный состав. Некото­ рые фотопики на спектрограммах вообще трудно иден­ тифицировать. Поэтому аналитический расчет полного изотопного состава проб встречает значительные за-

труднення. Активность отдельных радиоизотопов в та­ ких пробах можно найти по площадям фотопиков. В случае двух близких по энергии фотопиков площадь каждого из них можно определить по схеме, иллюстри­ руемой рис. 1.17. Погрешность определения площадей одиночных фотопиков, когда 5ф(£/,)^ S v&cc(Eh) (за вы­ четом погрешностей за счет статистики регистрируемых в фотопике импульсов), около. 5—7%.

Если фотопик сформирован за счет у-излучения двух или нескольких изотопов, периоды полураспада кото­ рых отличаются в несколько раз, вклад каждого из них в суммарную площадь пика находится путем решения системы уравнений типа (1.21). Таким образом, напри­

мер, определяют площади фотопиков Мо90+ Тс9!,т и Се1'11 (по 5|,іо). Некоторые компоненты сложных пиков могут быть установлены по отношению площадей фотопиков, немоноэнергетнческих изотопов, формирующих сложный пнк, при условии, что один из фотопиков это­ го изотопа автономно регистрируется на спектрограмме

производится по отношению площадей пиков с энергия­ ми 1597 и Ä;500 кэв.

При определении в пробах возрастом до 2,5—3 ме­ сяцев Се141 (£ѵ=145 кэв) и Ru103 (£ ѵ = 497 кэв) можно пренебречь содержанием Се144 (£ ѵ=134 кэв) и Ru106+ + R h 106 (JEV= 512 кэв). Это допущение оправдано раз­ личием периодов полураспада п квантовых выходов близких по энергии у-линий изотопов одного и того же элемента. Строго говоря, в таких случаях находят сум­ му активностей изотопов Се и Ru, выраженную в экви­ валентах активности Се141 и Ru103.

Точность анализа проб по площади фотопиков, за­ регистрированных автономно на спектрограммах, опре­ деляется случайными и систематическими погрешно­ стями.

Случайные погрешности, связанные со статистиче­ ским характером радиоактивного распада 6], как пра­ вило, составляют менее 1% и только в отдельных слу­ чаях более 1—3%. К ним относятся и погрешности, обусловленные неточностью графического «высекания» фотопиков бг; они составляют 5—10%.

.Погрешности, вызванные нестабильной работой ап­ паратуры бз, неоднородным распределением радиоизо­ топов в пробе 64 и меточным соблюдением геометриче­ ских условий измерений проб 65, обычно имеют подчи­ ненное значение; на их долю приходится 3—5%.

Если фотопик Si образован за счет у-излучения не­ скольких изотопов и при определении составляющих этого фотопика используются независимые определе­ ния площадей других фотопиков S2, то погрешность определения составляющих площадей б* возрастает на величину, пропорциональную отношению S2/S(:

52

Общая случайная погрешность анализа проб воз­ растом до двух месяцев составляет не более 15—20%.

Систематические погрешности анализа опреде­ ляются неточным знанием фотоэффективности спектро­ метра и различием вещественного состава и плотностей объемных проб и рабочих эталонов. Последняя погреш­ ность при изменении гЭфф на 2—3 единицы составляет для мягких у-квантов (£?<150 кэв) 4—6% Ң быстро уменьшается с возрастанием энергии. Погрешность за счет вариации плотностей проб может быть учтена по формуле (1.32). Фотоэффективность спектрометра определяется с точностью не более 5—10%.

Общая максимальная погрешность радиоизотопно­ го анализа по графическому методу составляет не более 25%.

Анализ проб с возрастом более трех месяцев

Радиоизотопный состав проб возрастом более трех месяцев существенно упрощается за счет распада короткоживущих изотопов. В зависимости от возраста анализируемых проб практический интерес представ­ ляет определение следующих групп у-излучающих изо­

6лет).

5.Sb125, Cs137 (Ba137m), Eu155, Co60, Cs134, Eu152, Eu154 (пробы возрастом более 6 лет).

Естественно, разделение элементов на эти группы несколько условно. Однако в большинстве случаев ос­ новная у-актнвность внутри групп связана с назван­ ными изотопами.

Относительно простой радиоизотопный состав, до­ статочно уверенно идентифицируемый по спектрограм­ мам, позволяет использовать при расчете активности изотопов (в пробах возрастом более трех месяцев) аналитические способы. На рис. 1.18 показаны аппара­

53

турные Y-спектры проб почвы возрастом 0,25—7 лет. Для анализа проб, содержащих средне- и долгожи­ вущие изотопы, как уже указывалось, используется об­ ласть спектра с энергией до 1800 кэв. В случае при­ сутствия в пробах Sc46, Fe59 и Со60, имеющих близкие энергии ѵ квантовидентификация и количественное

Скорость счета, отн. ед.

Рис. 1.18. Аппаратурные у-спектры проб почвы:

а — возраст 3 месяца; б — возраст 8—10 месяцев; о — возраст 2 года; г — воз­ раст G—7 дет.

определение Sc46 и Со™ производятся но пикам сумми­

в пробах, отобранных в районах с глобальным уровнем выпадений, соизмерима с активностью искусственных

радиоизотопов.

54

Па рис. 1.19 приведены аппаратурные у-спектры двух проб почвы, отобранных из верхнего слоя 0—5 см и нижнего слоя 5—10 см.

Для анализа слабоактивных проб внешней среды можно использовать следующую схему измерения и расчета активности [27, 28]*.

1. Определение активности Ra, Th и К, независимо от содержания искусственных радиоизотопов, кроме случаев, когда в пробах присутствуют в измеримых количествах Sc46, Со60, Ва140. Для анализа исполь­ зуются у-спектры проб, измеренные в' интервале энер­ гий 1200—3000 кэв.

2. Определение активности искусственных радиоизо­ топов (после введения поправок на содержание в про­ бах естественных радиоактивных элементов). Для ана­ лиза используется область у-спектра 50—800 кэв, а в случае присутствия в пробах Ва140, Fe59 или Со60 об­ ласть 50—1800 кэв.

При таком способе обработки спектра, помимо уве­ личения точности определения Ra, Th и К, а тем самым и точности введения поправок на содержание этих эле­

дуются следующие опорные энергетические интервалы, соответствующие наиболее интенсивным фотопикам на­

* При использовании для вычислении ЭВМ целесообразно со­ ставлять общую систему уравнений с учетом у-излучення искусствен­ ных и естественных радиоизотопов в выбранных энергетических ин­ тервалах.

55

Рис. 1*19. Аппаратурные у-спектры проб почвы:

з — £ « =»50—1000 кэв\ б — Е у «300—3000 кэв\ I — проба из верхнего слоя; 2 — проба из нижнего слоя.

Определение Ва140 производится по его дочернему изотопу La140 (£?=1597 кэв).

Для генетически связанных изотопов Zr95 и Nb95, учитывая их близкие энергии у-излучения и практиче­ ски одинаковые квантовые выходы, рассчитывается суммарная активность этих изотопов.

Составляются следующие системы уравнений:

•^1460 = ^Нбо^к "Ь ЯМ60^Ьа “t" fl?460^Ra “I" аІ460^ТІ1’

771597 = 01<597Л<; + а^597^1-а + fl?|97^Ra +

N \ 760 = ^ іУ б о ^ К ^'i’76 0 ^ La "R ^'ГГТНГ'^К2 “Ь

Noß-20 = fl2620^Ra ^ a2620^Th»

гетическом интервале Eh за вычетом фона в этом же

Определение калибровочных коэффициентов для Bal40-)-La140 производится по равновесному препарату.

Раздельное определение активностей генетически связанных изотопов Ва140 и La140, Zr95 и Nb95 на любой момент времени измерения рекомендуется производить по работе [57].

В пробах, содержащих Се141 и Ru103, присутствуют также Се144 и Ru106. Если через 60—80 суток после пер­ вого измерения произвести второе измерение пробы, то можно раздельно определить активность этих изотопов в пробе.

Для двух времен измерений t\ и t2 составляются следующие системы уравнений:

для Е и ~ 140 кэв

57

для Ek =« 500 кэв

A^RU = Л^юз + А/іоб I

A^RU = A^;03e -Al»“ a‘- l') + А;іоб e-^'”u (^ ' ‘) f (U8)

где N^c — суммарная скорость счета в энергетическом

интервале Еу—140 кэв, обусловленная присутствием в пробе Се141 и Се144 на время t\\ Л^'е —то же самое на

время t2\ N'w и N \и — скорости счета в том же энерге­ тическом интервале Еѵ— \№ кэв, обусловленные •у-іізлу-

ленная присутствием в пробе Ru103 н Ru106 на время і\\

Погрешности определения искусственных радиоизо­ топов в пробах возрастом 2—4 года и с общей актив­ ностью /г-ІО-9 кюри при двухкратных измерениях со-.

58

крывает широкие возможности для идентификации изо­ топного состава проб и их количественного анализа.

Лучшие образцы современных Ge (Li)-детекторов с чувствительным объемом около 100 см3 имеют фотоэф­ фективность регистрации у-квантов в области энергий

торы объемом до 5—6 см3, энергетическое разрешение которых для квантов с энергией 50 кэв составляет 1—1,5%, а абсолютная фотоэффективность около 0,16

Если число каналов в анализаторе менее 1000, при из­ мерениях используется экспандер.

Форма аппаратурных у-спектров, получаемых с полу­ проводниковыми детекторами: (ППД), имеет некоторые особенности по сравнению со сцинтилляционными. Энер­ гетический спектр комптоновских электронов ППД вос­ производится точнее, чем сцинтилляционными. Наблю­ даемое распределение резко обрывается вблизи макси­ мальной энергии электронов.

При взаимодействии с детектором квантов с энергией Дѵ> 1,02 Мэв из-за относительно малых размеров ППД образующиеся аннигиляционные у-кванты имеют боль­ шую вероятность покинуть детектор, что обуславливает появление на спектрограммах трех пиков с энергиями Еу, Еу— 0,51 Мэв и Еу— 1,02 Мэв. Первый связан с полным поглощением детектором аннигиляционных у-квантов, второй — с полным поглощением одного и вы­ летом другого, в третьем случае оба у-кванта покидают детектор. В результате интенсивность пика полного по-

59

глощенмя может быть даже ниже, чем пиков двойного вылета [46]. Возможность появления таких пиков должна

имеют меньшую величину по сравнению с фоточастыо кристаллов Nal(Tl) близких размеров. Однако благода­ ря высокому энергетическому разрешению отношение амплитуд фотопика и комптоновского распределения у Ge (Li)-детекторов выше, чем у сцинтилляционных. По­ этому по полупроводниковому у-спектру могут быть определены содержания даже тех изотопов, активность

ностью аппроксимируется прямой линией и может быть описана выражением

жет несколько нарушаться. Нелинейность возникает так­ же при высоких скоростях счета, когда происходит на­ ложение импульсов. Заметные искажения спектров на­ чинаются со скоростей счета ІО3—ІО4 имп/сек [22]. На практике это приводит к ошибкам при идентификации изотопов с близкими энергиями излучения.

Если спектрометр имеет некоторую дифференциаль­ ную нелинейность, проявляющуюся в слабой зависимо­ сти коэффициента а от энергии, то для определения энергии фотопиков может быть использован следующий прием.

Вся энергетическая шкала спектрометра разбивается на несколько энергетических интервалов, внутри которых параметры Е0 и а принимаются постоянными. Граница­ ми участков служат фотопики, которые легко Идентифи­ цируются на спектрограммах проб по предварительной калибровке спектрометра. Энергии фотопиков, располо­ женных внутри участков, определяются линейной интер­ поляцией. В качестве вспомогательных пиков в области

60