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

2.Лавренчик В. Н. Глобальное выпадение продуктов ядерных взрывов. М., Атомиздат, 1965.

3.Израэль К). А. и др. Радиоактивное загрязнение природных

сред при подземных ядерных взрывах и методы его прогно­ зирования. Л., Гидрометеопздат, 1970.

4. Атомные взрывы в мирных целях. Сб. статен. Под ред.

И. Д. Морохова. М., Атомиздат, 1970.

5.Коган Р. М., Назаров И. М., Фридман 111. Д. Основы гаммасиектрометрші природных сред. М., Атомиздат, 1969.

6.Зысин Ю. А. и др. Выходы продуктов деления и их распреде­

В.С. Емельянова. М., ЬСЭ, 1958.

8.Гречушкина М. П. Таблицы состава продуктов мгновенного де­

ления U235, U238, Pu239. М., Атомиздат, 1964.

9. Грешилов А. А. іг др. Продукты мгновенного деления U235, U238,

А> 100. М,—Л., Изд-во АН СССР, 1963.

12.Джелепов Б. С., Пекер Л. К. Схемы распада радиоактивных ядер, А<100. М.—Л., «Наука»; 1966.

13.Lederer С. М. et al. Table of Isotopes. 'Sixth Edition. New York— London — Sydney, John Wiley and Sons, 1968.

14.Мартыненко В. П. и др. Гамма-излучение продуктов мгновен­

ного деления U2^, U238, Pu239. Л.,' Гидрометеопздат, 1971.

15.Вяземский В. О. и др. Сцнит.илляционпыс методы в радиомет­

рии. Под ред. Б. В. Рыбакова. М., Госатомнздат, 1961.

16.Егоров Ю. А. Сцннтнлляцпомный метод спектрометрии гамма-

излучения и быстрых нейтронов. М., Госатомнздат, 1963.

17.Столярова Е. Л. Прикладная, спектрометрия ионизирующих из­ лучений. М., Атомиздат, 1964.

18.Вартанов Н. А., Самойлов П. С. Практические методы сцинтилляционноп гамма-спектрометрии. Под ред. В. В. Матвеева.

М., Атомиздат, 1964.

19.Вартанов Н. А., Самойлов П. С. Прикладная сдпнтилляционная спектрометрия. Под^ред. В. В. Матвеева. М., Атомиздат, 1969. -

20.Альфа-, бета- и гамма-спектрометрия. Под ред. К. Зигбана. Перев. с англ. Вып. 1. М„ Атомиздат, 1969.

21.Gronthamel С. Е. et al. Applied Gamma-Ray Spectrometry. Ox­

ford-— London — New York— Paris, Pergamon Press, 1960.

22.Акимов Ю. К. и др. Полупроводниковые детекторы ядерных частиц п их применение. М., Атомиздат, 1967.

23.Дирнли Д., Нортроп Д. Полупроводниковые счетчики ядерных излучений. Перев. с.англ. Под ред. В. С. Вавилова. М.,

26. Иохельсон С. В. В ни.: Сборник работ по некоторым вопросам дозиметрии и радиометрии ионизирующих излучении. Под ред. ІО. В. Сивніщсва. Вып. 2. М., Госатомпздат, 1961, с. 32.

27.Иохельсон С. В. В ки.: Радиоактивность 'почв и методы ее оп­ ределения. М., «Наука», 1966. с. 239.

28.Иохельсон С. В. В кн.: Сборник методик по определению ра­

50.Степанов Э. К. и др. «Измерит, техника», 1968, № II, с. 57.

51.Гусев Н. Г. и др. Радиоактивные изотопы как гамма-излучате­

57.Яковлева Г. В. и др. В кн.: Сборник методик по определению

радиоактивности окружающей среды. М., Гпдрометеоиздат, 1969.

82

62.Силантьев А. Н. и др. В сб.: Приборы и методы изучения за­

грязнения внешней среды. Вып. 2. Л., Гидрометеоиздат, с. 15.

63.Справочник по радиометрии. М., Госгеолтехиздат, 1957.

64.Шашкин В. Л. Методы анализа естественных радиоактивных элементов. М., Госатомиздат, 1961.

65.Лукьянов В. Б. Измерение и идентификация бета-радиоактив­ ных препаратов. М., Госатомиздат, 1963.

66.Малышев А. Б., Переяслова Н. К. В кн.: Сборник работ по

некоторым вопросам дозиметрии и радиометрии ионизирующих излучений. Под ред. Ю. В. Смвинцева. Вып. 2. М., Госатом­

75.Линник Ю. В. Методы наименьших квадратов и основы тео­ рии обработки наблюдений. М., Фнзматгиз, 1962.

76.Blackburn J. Апаlyt. Chem., 1965, 37, No. 8, р. 000.

6*

Глава II

МЕТОДЫ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

РАДИОИЗОТОПНОГО

СОСТАВА

При решении ряда научных и практических задач ча­ сто возникает необходимость в получении исчерпываю­ щей информации относительно радиоизотопного состава проб внешней среды. Для этой цели лрежде всего слу­ жат различные косвенные сведения, например данные о природе и особенностях данной пробы, ее предыстории, «возраста» смеси изотопов и т. п. Однако точные сведе­ ния .о радиоизотрпном составе могут быть получены только путем применения специальных методов опреде­ ления й идентификации каждого из компонентов.

Объекты внешней среды иногда могут содержать весьма сложную смесь различных радиоизотопов, кото­ рые по своему происхождению можно разделить на сле­ дующие группы: 1) естественные радиоактивные элемен­ ты; 2) продукты деления урана или плутония; 3) неразделившееся ядерное горючее; 4) продукты нейтронной активации.

Качественный состав первых трех групп для проб различного происхождения изучен достаточно хорошо и его определение обычно не встречает принципиальных затруднений.

Иначе обстоит дело с последней группой. Качествен­ ный состав продуктов нейтронной активации, встречаю­ щихся в объектах внешней среды, не отличается посто­ янством [ 1, 2] и во многих случаях с трудом поддается прогнозу, поскольку он зависит от ряда факторов, кото­ рые иногда частично или целиком остаются неизвестны­ ми исследователю или аналитику.

Образование изотопов- «наведенной активности» в ос­ новном происходит по реакции радиационного захвата нейтронов (п, у) ядрами стабильных элементов окру­ жающей среды или различных конструкций. При этом

.84

сечение реакции в зависимости от энергии нейтронов (Еп) изменяется по закону Еп ~°’5 (за исключением об­ ластей резонансного поглощения). Полагают [3], что радиационный захват наиболее характерен для нейтро­ нов с относительно низкой энергией, менее 100 эв.

Поступление в объекты внешней среды изотопов, по­ лучающихся по реакции (я, 2я), является мало распро­ страненным, поскольку порогом данной реакции служит энергия связи нуклонов в ядре-мишени. Для большинст­ ва стабильных изотопов, входящих в состав почв, гор­ ных пород и конструкционных материалов этот энерге­ тический порог достаточно высок и лежит в пределах 6—10 Мэв. Сказанное выше относится также и к реак­ циям (я, р), пороговые значения которых в большинстве случаев больше 1 Мэв. Даже при энергии нейтронов по­ рядка 14 Мэв и для ядер тяжелых элементов (а > 50) се­ чение реакции (я, р) редко дает вклад более 10—20% в общее сечение активации. Исключением в этом случае является образующийся по беспороговой реакции Fe54(я, /?)Мп54— один из наиболее часто встречающихся продуктов нейтронной активации [4].

Вданной главе рассматриваются некоторые приемы

иметоды идентификации радиоизотопного состава проб внешней среды. При этом особое внимание уделяется

группе продуктов нейтронной активации.

2.1. МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ

Определение изотопного состава в конечном счете сводится к качественному анализу пробы, т. е. к опре­ делению всех присутствующих на данный момент вре­ мени излучателей.

В настоящее время для получения наиболее полной информации о составе изотопов в многокомпонентной пробе используются методы радиохимии (осаждение, хроматография, электродиализ, экстракция и т. д.) и прямой спектрометрии ионизирующих излучений. Оба метода имеют свои достоинства и недостатки.

Радиохимические методы во многих случаях явля­ ются более точными и позволяют определять практиче­ ски любой изотоп в присутствии других излучателей. Принципиальный недостаток таких методов — потеря информации, если в пробе имеются изотопы, о наличии которых заранее неизвестно.

85

В целях идентификации и обнаружения «новых» из­ лучателей можно использовать спектрометрические ме­ тоды, поскольку спектрограммы ионизирующих излуче­ ний той или иной смеси изотопов содержат всю необхо­ димую информацию об энергетическом составе излуче­ ния отдельных компонентов. Однако ограниченная раз­ решающая способность наиболее распространенных в настоящее время сцинтилляцнонных детекторов также в конечном счете приводит к потери информации. Как показывает практика, по у-спектрам, полученным с по­ мощью однокристального сцинтилляционного спектро­ метра, могут быть надежно идентифицированы 6—8 изо­ топов. Использование для этих целей полупроводнико­ вого дрейфового Ge (Li)-детектора с хорошим разреше­ нием (0,3—0,5% для у-квантов с энергией 1330 кэв) также приводит к потере информации в связи с низкой эффективностью регистрации у-излучения.

Таким образом, раздельное применение радиохими­ ческих и спектрометрических методов во многих случаях не дает возможности получить полную информацию об изотопном составе пробы. Наиболее удачное' решение может быть достигнуто при сочетании радиохимических и спектрометрических методов, если удается предусмот­ реть качественное или полуколичествеиное разделение сложной смеси изотопов на ряд таких групп, состав ко­ торых может быть идентифицирован методами ядерной спектрометрии без существенной потери информации. Для идентификации отдельных изотопов в группах ис­ пользуются сведения, которые непосредственно дают спектрограммы ионизирующих излучений — энергии пи­ ков полного поглощения, их полуширина, площадь, ам­ плитуда, а также изменение этих величин во времени; форма и максимальная энергия ß-спектров.

Такой комплексный метод может быть реализован в виде последовательного радиохимического выделения всех «подозреваемых» изотопов и их окончательной иден­ тификации по ядерным характеристикам — периоду по­ лураспада, типу и энергии излучения, квантовым выхо­ дам и т. д. Для определения ядерных характеристик ис­ пользуют как методы радиометрии, так и методы спект­ рометрии ионизирующих излучений. Последние имеют бесспорные преимущества, особенно когда выделенный элемент (или группа элементов) имеет несколько изото­ пов с близкими значениями периодов полураспада или

86

энергий излучения, а также в тех случаях, когда нет уве­ ренности в необходимой чистоте выделенных препаратов.

Основываясь на тех возможностях, которыми распо­ лагает радиохимия в области разделения элементов (осаждение, хроматография, электродиализ, экстракция и т. д.), а также на зависимости от ожидаемого, хотя бы в общих чертах, изотопного состава, можно приме­ нять те или иные конкретные схемы качественного изо­ топного анализа проб внешней среды.

Для иллюстрации возможностей комплексного мето­ да идентификации изотопного состава проб внешней сре­ ды', содержащих смесь ß- и у-пзлучателей (осколков де­ ления и изотопов наведенной активности) с «возрастом» 10—30 суток, ниже описываются две схемы разделения, основанные на реакциях осаждения и на электродиали­ зе. В этих схемах для окончательной идентификации от­ дельных излучателей по ядерным характеристикам ис­ пользуется сцинтилляционная ß- и ^-спектрометрия, по­ скольку эти методы получили в настоящее время наи­ большее распространение в лабораториях, занимающих­ ся изотопными анализами проб внешней среды.

СХЕМА ОСАЖДЕНИЯ

Применение специфических и групповых реакций осадкообразования для целей выделения или разделения элементов широко используется в практике аналитиче­ ской радиохимии, хотя эти способы по своей селектив­ ности и коэффициентам очистки уступают физико-хими­ ческим методам разделения (экстракция, хроматография и др.). Это связано с тем, что использование реакций осадкообразования не требует сложной аппаратуры и доступно аналитикам средней квалификации. Таким об­ разом, метод идентификации в части химического груп­ пового разделения, построенного целиком на реакциях осаждения, может быть применен в большинстве радио­ химических лабораторий, имеющих опыт радиохимиче­ ских анализов объектов внешней среды.

В азотнокислый раствор, полученный после кислот­ ного разложения пробы смесью ITF и HN03, вносят носи­

87

Осадок после отделения и промывания растворяется в 25%-ном NH4OH. В полученный раствор при перемеши­

88

вании вносится 1—2 капли раствора суммы носителей (примерно по 1—5 мг). Осадок гидроокисей после про­ мывания присоединяют к фильтрату, полученному пос­ ле отделения AgCl. Аммиачный раствор подкисляют HN03 до слабокислой реакции и снова осаждают AgCl несколькими каплями НС1.

Осадок после отделения, промывания и высушивания анализируется на гамма-спектрометре. Все фильтраты

ипромывные воды объединяются.

2.К объединенному фильтрату добавляют кристалли­ ческий Na2S 0 4 до 10%-ной концентрации и, создавая в растворе рН=1-ь2 10%-ным NaOH, при нагревании осаждают сульфаты второй аналитической группы. Пос­ ле отделения и промывания осадка сульфаты переводят

вкарбонаты кипячением с насыщенным раствором Na2C03, которые растворяются в минимальном количест­ ве HN03 (1 : 1), и после удаления из раствора С02 вно­ сят 1—2 капли раствора суммы носителей. Безугольным

NH4OH осаждают гидроокиси, которые присоединяются к основному фильтрату. Из раствора дымящей HN03 осаждаются нитраты Sr и Ва, которые анализируются на гамма-спектрометре.

Насыщенным раствором Na2C03 из фильтрата осаж-' дается СаС03, который анализируется на бета-спектро­ метре.

3. После отделения сульфатов Ca, Sr и Ва из фильт­ рата кристаллической Н2С20 4 при pH=4 и нагревании осаждаются оксалаты редкоземельных элементов (РЗЭ). Осадок отделяют, промывают и растворяют в HN03 с 1—2 каплями 30%-ной Н20 2. В полученном растворе повторно осаждаются оксалаты РЗЭ после внесения 1—2 капель раствора суммы носителей. Фильтраты объ­ единяют, а осадок обрабатывают на холоду 20%-ным (NH4)2C 03 для отделения соосадившегося Sc. Фильтрат присоединяется к основному. После переведения осадка в раствор церий окисляется кристаллическим КВг03 до 4-валентного состояния и осаждается 10%-ным КЮ3.

Осадок Се(Ю3)4 анализируется на гамма-спектромет­ ре. Из фильтрата 10%-ным NaOH осаждаются гидрооки­ си РЗЭ, которые анализируются на гамма-спектромет­ ре *.

* При необходимости осадок может быть использован для раз­ деления РЗЭ методами ионообменной или бумажной хроматографии, экстракции и т. д.

89

4. Из объединенного фильтрата после отделения окса­ латов РЗЭ осаждаются гидроокиси избытком 20%-ного NaOH. Осаждение гидроокисей проводится дважды и объединенные фильтраты сохраняются для дальнейшего разделения.

5. В растворе, полученном после растворения осадка гидроокисей в 6 и. НСІ, осаждается группа Zr и Та рав­ ным объемом 5%-ной фениларсоновой кислоты. Обработ­ кой 20%-ной КОН осадок фенпларсонатов переводится в осадок гидроокисей. Операция осаждения фепнларсонатов повторяется дважды.

Осадок гидроокисей группы Zr и Та анализируется на гамма-спектрометре. Все полученные фильтраты объ­ единяются.

6. Из объединенных фильтратов (после пункта 5)

20%-ной NaOH осаждаются гидроокиси третьей анали­ тической группы. Осадок отделяется и растворяется в минимальном количестве НСІ. К раствору приливается 1—2 мл насыщенного раствора K2S 0 4 и добавлением кристаллического K2SO4 осаждаются двойные сульфаты К и Sc.

Осадок измеряют на гамма-спектрометре. Из фильт­ рата 20%-ной NaOH осаждаются гидроокиси группы Fe, Со и Мп и осадок измеряется на гамма-спектро­ метре.

7. Фильтрат, полученный после операций согласно пункту 4, нейтрализуется НСІ, его кислотность доводит­ ся до 6 н. по НСІ и добавлением 40%-ной кремневоль­ фрамовой кислоты осаждается Cs4[Si(W13O10) -і], кото­ рый анализируется на гамма-спектрометре.

Фильтрат объединяется с фильтратом от гидрооки­ сей, осажденных после фениларсонатов (пункт 5), затем осаждается Ru восстановлением металлическим Mg в со­ лянокислой среде. Фильтрат и осадок анализируются на гамма-спектрометре.

В процессе разработки данной схемы группового раз­ деления с помощью радиоактивных индикаторов опреде­ ляли выходы радиоизотопов и степень загрязнения ко­ нечных препаратов мешающими излучателями.

При у-спектрометрии промежуточных фильтратов и осадков была получена возможность оценить степень загрязнения различных осадков мешающими изотопами. Эти данные приведены в табл. 2.1.

90