Киреев Оптические методы детектирования долгоживусчих изотопов ёда 2010

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

Таким образом, проведенные расчеты и эксперименты показывают, что при наличии буферной среды существуют диапазоны давлений, где интенсивность флуоресценции изотопов йода достигает максимального значения. Так, для достижения максимальной интенсивности флуоресценции изотопа йода-129 (что особенно важно при измерениях йода на уровне предельно допустимых концентраций) целесообразно проводить измерения примесей йода в атмосфере при откачке анализируемой смеси газов в исследуемой ячейки до давлений50–100 Торр. При этом выигрыш в чувствительности по сравнению с регистрацией йода при атмосферном давлении составляет более 2 раз.

3.3. Оптимизация давления буферного газа, температуры паров йода и частоты возбуждающего излучения

Полученное в предыдущем разделе повышениечувствительности детектирования изотопов йода можно еще улучшить за счет оптимизации сразу всех трех параметров – температуры, частоты и давления (с целью достижения наибольшей интенсивности флуоресценции).

Эта оптимизация проводилась следующим образом. При фиксированном значении давления воздуха исследовалась зависимость интенсивности флуоресценции от температуры и частоты и определялась «точка» (w; T), в которой достигается максимум интенсивности. Затем аналогичные расчеты проводились при другом давлении. Изменение давления позволяло получить зависимость «парциальных» максимумов интенсивности от давления смеси и из нее определить значения давления, температуры и частоты (popt, wopt, Topt), соответствующие абсолютному максимуму интенсивности флуоресценции.

На рис. 3.13 приведены результаты расчетов для йода-127. Наибольшая интенсивность флуоресценции достигается при давлении p1 ≈ 50 Торр и соответствует температуреТ1 = 635 К и частоте w1, смещенной относительно частоты w0 на 1,05 ГГц в длинноволновую область спектра.

111

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

1

Рис. 3.13. Зависимость “парциальных” максимумов интенсивности флуоресценции йода-127 (w1, T1) от давления смеси йод–воздух.

Начальная концентрация йода в ячейке – 1016 см-3

На рис. 3.14 приведена зависимость интенсивности флуоресценции от температуры и частоты при давленииp1. Интенсивность в «точке» (p1, w1, T1) превышает интенсивность при температуре 300 К, частоте w0 и атмосферном давлении примерно в 30 раз. Как и в случае отсутствия буфера (см. разд. 3.1), положение максимума интенсивности определяется, в основном, поведением населенности уровня (3, 33) и положением центральной частоты линии поглощения 6–3 P(33) относительно частоты w0. Однако из-за столкновительного сдвига этой частоты максимум по частоте оказывается смещенным приблизительно на0,2 ГГц в длинноволновую область спектра по сравнению со случаем отсутствия буфера.

112

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

Рис. 3.14. Зависимость интенсивности флуоресценции йода-127 от температуры и частоты при давлении смеси йод–воздух p1 = 50 Торр.

Начальная концентрация йода в ячейке – 1016 см-3

Для йода-129 (рис. 3.15) наибольшая интенсивность флуоресценции достигается при p2 = 50 Торр, w2, смещенной относительно w0 на 1,65 ГГц в коротковолновую область спектра, и T2 = 620 К. При этом интенсивность флуоресценции превышает соответствующую величину при нормальных условиях (p = 1 атм, w = w0, T = 300 K) приблизительно в 40 раз. Объяснение полученных для йода-129 результатов такое же, как и для йода-127.

Расчеты оптимальных параметров были выполнены для ряда буферных газов: He, Ne, Ar, Xe, Kr, CO2. Расчеты показали, что величины wopt, Topt для всех буферных газов оказались практически одинаковыми (w1, T1 для йода-127 и w2, T2 для йода-129), поскольку они определяются, главным образом, положением центров линий поглощения йода и населенностью уровней основного состояния.

113

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

Рис. 3.15. Зависимость интенсивности флуоресценции йода-129 от температуры и частоты при давлении смеси йод–воздух p2 = 50 Торр.

Начальная концентрация йода в ячейке – 1016 см-3

В то же время значения popt существенно отличаются. Это связано, в основном, с различием коэффициентов столкновительного уширения. При использовании в качестве буфера молекулыCO2, для которой значениеkст максимально из всех используемых буферных газов, линии поглощения йода уширяются быстрее всего и, как следствие, максимум интенсивности флуоресценции достигается при более низких давлениях по сравнению с остальными буферами.

На рис. 3.16 в качестве примера представлены расчетные (сплошные линии) и экспериментальные (точки) зависимости интенсивности флуоресценции йода-127 и йода-129 от давления газо-

вой смеси при использовании в качестве буферных газов He, CO2 и

воздуха (w= w0, T = 300 K).

114

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

1

2

3

Рис. 3.16. Расчетные (линии) и экспериментальные (точки) зависимости интенсивности флуоресценции йода-129 (сплошные линии) и йода-127 (штриховые линии) от давления смеси йод–He (1), йод–воздух (2)

ийод–CO2 (3). Начальная концентрация йода в ячейке – 1016 см-3

Втабл. 3.2 приведены оптимальные давления буферных газов при заданных значениях температуры и частоты.

Таблица 3.2

115

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

Таким образом, проведенные исследования позволили установить, что оптимизация трех параметров – давления буферного газа, температуры паров йода и частоты возбуждающего излучения – позволяет примерно на порядок повысить чувствительность детектирования изотопов йода по сравнению с регистрацией при нормальных условиях (атмосферное давление, комнатная температура, несмещенная частота излучения гелий-неонового лазера). В частности, при выборе оптимальных параметров для детектирования йода-129 интенсивность его флуоресценции возрастает примерно в 40 раз по сравнению с нормальными условиями.

116

ГЛАВА 4. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ИЗОТОПОВ 127I И 129I, НАХОДЯЩИХСЯ В ГАЗОВОЙ СМЕСИ

Одной из особенностей детектирования глобального радионуклида йода-129, находящегося в биосфере, является необходимость его селективного выделения на фоне естественного изотопа йода127. Это обусловлено тем, что в реальных условиях, в частности, в атмосферном воздухе, данные изотопы всегда находится в смеси. При этом концентрация 127I2, как правило, на несколько порядков превышает содержание 129I2 (за исключением, быть может, областей, непосредственно примыкающих к территориям радиохимических производств). В результате смешивания этих изотопов в регистрируемый сигнал флуоресценции дают вклад три вида молекул – 129I2, 127I129I и 127I2. С учетом этих обстоятельств, а также того факта,

что спектры поглощения и флуоресценции этих трех молекул в значительной степени перекрываются, для решения проблемы измерения концентрации йода-129 на фоне существенно больших концентраций йода-127 необходимы особые подходы.

Так, ранее в [80] был предложен способ определения концентрации йода-129, находящегося в смеси с другими изотопами, основанный на регистрации флуоресценции йода-129, возбуждаемой He-22Ne лазером. Считалось, что излучение такого лазера возбуждает флуоресценцию только йода-129. Проведенные нами экспериментальные исследования (как будет показано далее) показали, что подобный лазер возбуждает и флуоресценцию изотопа йода-127 (см. рис. 2.5), вследствие чего данный способ не является корректным. В работе [81] в диапазоне излучения лазера на красителе (590–600 нм) определялись так называемые “окна прозрачности” в спектре поглощения йода-127, в которых достигается наибольшее отношение интенсивностей флуоресценции йода-129 и йода-127.

Полученная к настоящему времени величина граничного отношения концентраций 129I/127I в исследуемой смеси, при котором возможно определение концентрации йода-129, составляет порядка 10-2, что явно недостаточно, в частности, для детектирования йода129 в атмосферном воздухе территорий, прилегающих к предприятиям ядерно-топливного цикла, и тем более в естественной атмосфере.

117

Глава 4. Детектирование изотопов 127I и 129I, находящихся в газовой смеси

В настоящей работе для решения данной проблемы, во-первых, предложены новые лазерно-флуоресцентные методы детектирования изотопов йода-129 и йода-127, основанные на использовании гелий-неонового и криптонового лазеров, во-вторых, проведена оптимизация спектрального диапазона возбуждения флуоресценции и параметров газовой смеси– температуры и давления паров йода, давления буферных газов с точки зрения достижения наилучшей точности и чувствительности определения концентрации изотопа йода-129 в газовых средах.

4.1. Метод детектирования изотопов йода на основе частотно-перестраиваемого гелий-неонового лазера

Для возбуждения флуоресценции изотопов йода был разработан частотно-перестраиваемый Не-Ne (0,63 мкм) лазер, работающий в режиме генерации двух или трех продольных мод с выходной мощностью 0,5 мВт. Для обеспечения частотной перестройки активный элемент лазера помещался внутрь соленоида. Изменение продольного магнитного поля до значений1,2 кЭ, а также использование смесей 3Не-20Ne и 3Не-22Ne обеспечивали диапазон перестройки примерно 5 МГц. Выделение s+ и s– компонентов излуче-

ния производилось при этом с помощью четвертьволновой -пла стинки и поляризатора. Одно из зеркал резонатора крепилось на пьезокерамике, что позволяло определять величину частотной отстройки линии усиления лазера по сдвигу кривой сканирования выходной мощности лазера при изменении магнитного поля.

На рис. 4.1 приведены экспериментальные (сплошные линии) и расчетные (штриховые линии) зависимости интенсивностей флуоресценции изотопов йода от частоты возбуждающего излучения в стоксовой области спектра (концентрация изотопов йода одинакова

16-3

исоставляет 10 см , буферная среда отсутствует, Т = 300 К).

Больший из максимумов кривой1 обусловлен линиями поглоще-

ния 8–4 P(54), 8–4 R(60) и 12–6 P(69) 129I2 и 6–3 P(33) 127I129I, а

меньший связан с линией6–3 P(33) 129I2. Максимум кривой 2 обусловлен линиями поглощения 6–3 P(33) и 11–5 R(127) 127I2.

118

Глава 4. Детектирование изотопов 127I и 129I, находящихся в газовой смеси

4

3

2

Рис. 4.1. Экспериментальные (сплошные линии) и расчетные (штриховые линии) зависимости интенсивности флуоресценции изотопов молекулярного йода

от частоты возбуждающего излучения

Максимальная селективность определения изотопа йода-129 на фоне йода-127 достигается на частоте w1, смещенной на 2 ГГц в коротковолновую область спектра относительно несмещенной частоты излучения 3Не-20Ne лазера w0. При этом отношение интенсивностей флуоресценции 129I2:127I2 составляет приблизительно5.102, что в 5 раз лучше по сравнению с полученными ранее результатами. Тем не менее, если содержание йода-127 в смеси окажется сравнимо с этой величиной или больше, то ошибка в определении концентрации йода-129 будет существенной. Поэтому для достижения более высокого отношения интенсивностей флуоресценции этих изотопов целесообразно использовать подогрев паров йода. Эффект при этом может достигаться за счет изменения населенностей колебательно-вращательных уровней Х-состояния, ответственных за поглощение лазерного излучения, а также за счет температурного уширения линий поглощения изотопов йода.

119

Глава 4. Детектирование изотопов 127I и 129I, находящихся в газовой смеси

На рис. 4.2 представлена расчетная зависимость отношения интенсивностей флуоресценции 129I2 и 127I2 от температуры паров йода и частоты возбуждающего излучения (концентрация изотопов йода одинакова и составляет1016 см-3, буферная среда отсутствует). Можно видеть, что при увеличении температуры от 300 до 600 К при настройке лазера на частоту w1 данное отношение достигает своего максимального значения и составляет 3.103, что превы-

шает соответствующую величину при комнатной температуре примерно в 6 раз.

T, К

Рис. 4.2. Зависимость отношения интенсивностей флуоресценции 129I2 и 127I2 F129/F127 от температуры паров йода и частоты

Анализ полученных результатов позволил предложить новый метод детектирования изотопов 129I2, 127I129I и 127I2 , основанный на использовании частотно-перестраиваемого гелий-неонового лазера. Суть метода заключается в следующем.

Вначале производится измерение интенсивностей флуоресценции в двух «точках»: 1 – на частоте лазерного излучения w1, смещенной на 2 ГГц в коротковолновую часть спектра относительно w0 при температуре примерно600 К (максимум интенсивности флуоресценции 129I2); 2 – на частоте w2, смещенной на 0,85 ГГц в длинноволновую область спектра относительно w0 при той же тем-

120