ПРАКТИКУМ радиология
.pdfдве точки, достаточно удаленные друг от друга, определите значения lnN1, lnN2, d1 и d2 и рассчитайте массовый коэффициент поглощения μ′
с точностью до трех значащих цифр;
8.Рассчитайте слой половинного поглощения d1/2 β-излучения 90Y;
9.Сравните результаты, полученные экспериментально, с табличными данными (см. Приложения, табл. 3). Оцените точность полученного результата.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1.Закон поглощения β-излучения в веществе.
2.Дайте определение понятий: линейный и массовый коэффициенты поглощения β-излучения. От чего они зависят?
3.Что такое поверхностная плотность?
4.Что такое толщина половинного поглощения?
5.Что такое максимальный пробег β-излучения в веществе?
6.Определите величину массового коэффициента поглощения β-излучения 35S, если толщина половинного поглощения d1/2 = 3 мг/см2.
7.Толщина половинного поглощения 45Са d1/2 = 5,5 мг/см2. Во сколько раз ослабит данное излучение поглотитель толщиной d = 16,5 мг/см2?
8.На какую толщину (в см) излучение 90Sr (90Y) может проникать в биоло-
гические ткани? (Справочные данные см. Приложения, табл.3, плотность биологических тканей ρ ≈ 1,0 г/см3).
9.Во сколько раз слой почвы толщиной в 1 см поглощает излучение 90Y? (Справочные данные см. Приложения, табл.3, плотность почвы ρ ≈ 1,3 г/см3).
10.В чем отличия закона поглощения излучения в веществе для β- и для γ-излучения?
Лабораторная работа № 8
52
Обнаружение радиоактивного загрязнения сельскохозяйственных объектов по суммарной удельной β-активности
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
8.1. Понятие «радиоактивное загрязнение»
По происхождению радионуклиды разделяют на естественные и искусственные (или техногенные), появившиеся на Земле в результате деятельности человека.
Кестественным радионуклидам относятся:
1)элементы радиоактивных семейств урана и тория:
-235U (11 дочерних радионуклидов, в т.ч. 227 Ac, 211Pb, 211Bi и др.)
-238U (14 дочерних радионуклидов, в т.ч. 226Ra, 222Rn, 218,210Po,
214,210Pb и др.)
-232Th (10 дочерних радионуклидов, в т.ч.
2)40K
3)космогенные радионуклиды: 3Н, 7Ве, 14С
220Rn, 228, 224Ra и др.)
и др.
Наряду с космическим излучением естественные радионуклиды явля-
ются важной составляющей природного радиационного фона.
Искусственные радионуклиды, созданные человеком для определенных целей или являющиеся побочным продуктом технической деятельности, могут находиться в процессе нормальной эксплуатации, под контролем человека, или оказаться вне его контроля (утерянные и украденные или рассеянные в окружающей среде в результате взрывов и аварий на ядерных объектах источники). В последнем случае они становятся причиной радиоактивного загрязнения.
Радиоактивное загрязнение − это присутствие в окружающей среде радиоактивных веществ техногенного происхождения.
Естественные радионуклиды также могут стать источниками радиоактивного загрязнения, но только в тех случаях, когда, сконцентрированные человеком, они оказываются в окружающей среде в количествах, превышающих естественное их содержание, характерное для данной местности или объекта.
8.2. Источники радиоактивного загрязнения экосистем
53
Основными источниками радиоактивного загрязнения окружающей среды являются:
1)ядерные взрывы в военных и мирных целях, в том числе испытания ядерного оружия;
2)аварийные ситуации на этапах ядерного топливного цикла (ЯТЦ), включающего:
-добычу урана
-обогащение урана и получение ядерного топлива
-изготовление тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов)
-эксплуатацию ядерного реактора
-переработку и регенерацию отработанного ядерного топлива;
3)аварийные ситуации при утилизации и хранении радиоактивных отходов.
Для оценки радиоэкологической обстановки очень важно знать какие конкретно радионуклиды образуются в результате той или иной ситуации
икакие попадают в сферу сельскохозяйственного производства.
Воснове работы ядерного реактора, а также взрыва атомной бомбы лежит цепная реакция деления тяжелых атомов урана или плутония (235U, 239Pu). Под действием нейтронов ядро элемента делится на два новых оско-
лочных ядра, образуется 2–3 нейтрона, которые приводят к цепному развитию процесса, и освобождению большого количества энергии (около 200 МэВ на 1 деление):
n + 235U → M1X + M2Y + 2–3 n + Q
В случае, когда количество участвующих в реакции нейтронов регулируется (наличие в устройстве стержней из материалов, поглощающих избыток нейтронов), а образующееся тепло отводится из активной зоны (различные системы охлаждения), имеют дело с регулируемым ядерным реактором. Если число образующихся нейтронов и количество энергии не регулируется, создаются условия для неконтролируемой цепной реакции, при которой выделяется огромное количество тепла, и весьма вероятны авария или ядерный взрыв.
В результате деления атомов урана первоначально образуется смесь продуктов деления, содержащая более 200 радионуклидов – изотопов приблизительно 35 химических элементов. Вероятность выхода продуктов деления урана в зависимости от массового числа осколочных элементов представлена на рис.24. Максимальное количество вещества осколочных нуклидов приходится на элементы с массовыми числами около 90 и 140.
54
Кроме радиоактивных осколков деления тяжелых ядер в окружаю-
щую среду могут попадать радионуклиды − продукты наведенной радиоактивности (65Zn, 54Mn, 55,59Fe, 60Co и др.) и радиоактивные трансурановые
элементы (238, 239, 241Pu, 241Am, 239Np и др.).
Выход |
90Sr 95Zr |
|
137Cs 140Ba |
|
|
|
131I 144Ce |
70 |
90 |
140 |
170 |
|
массовое число |
||
Рис. 24. Выход продуктов деления урана в зависимости от массового числа осколочных элементов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Цель работы – обнаружить наличие радиоактивного загрязнения в образцах почвы, растений и золы растений.
Принцип работы
Определение радиоактивных загрязнений в природных, в частно-
сти, сельскохозяйственных объектах включает следующие этапы:
1)определение наличия радиоактивного загрязнения;
2)идентификация (распознавание) радионуклидного состава радиоактивного загрязнения;
3)оценка уровня радиоактивного загрязнения путем сравнения с су-
ществующими в РФ в настоящее время нормативными показателями.
В данной лабораторной работе № 8 рассматривается первый этап определения, проведению второго и третьего этапов будут посвящены лабораторные работы № 9 и 10.
55
Обнаружить в изучаемом объекте радиоактивное загрязнение, – значит, найти присутствие в нем радиоактивных элементов искусственного происхождения. Методика, используемая в данной работе, позволяет решать более ограниченную задачу – обнаружить наличие в объекте двух наиболее актуальных в настоящее время искусственных радионуклидовзагрязнителей 137Cs и 90Sr и приближенно оценить их суммарное содержание.
Общее свойство, которое объединяет 137Cs и 90Sr, – наличие β- компоненты в составе излучения (137Cs → β− + 137mВа → γ + 137Ва; 90Sr → β−
+ 90Y → β− + 90Zr). В упражнении будет использоваться счетчик ГейгераМюллера с относительно высокой эффективностью регистрации только β- излучения (см. лаб. раб. №2).
Кроме искусственных радионуклидов (которые в изучаемом образце могут и отсутствовать), любой природный объект содержит естественные радионуклиды. Вкладом их в суммарную активность образца нельзя пренебрегать, так как активность естественных радионуклидов сопоставима, а нередко и превышает активность радионуклидов-загрязнителей. Наибольшую β-активность среди естественных радионуклидов, присутствующих в компонентах агроэкосистем, имеет 40К. Бета-активность других радионуклидов (14С, 3Н, элементы – представители радиоактивных семейств 238, 235U и 232Th), многие из которых α- и γ-излучатели, в сумме невелика, и ее можно не учитывать.
Таким образом, основной показатель при оценке уровня загрязнения в современных условиях, когда отсутствуют свежие радиоактивные выпаде-
ния – суммарная β-активность образца (Σапр) – складывается из активно-
сти главным образом трех радионуклидов: естественного 40К и радионук- лидов-загрязнителей 137Cs и 90Sr (рис. 25).
Как и в предыдущих работах измерения проводят на радиометрической аппаратуре, получая результаты в единицах скорости счета (Nпр, имп/с). Абсолютную активность образца (Σапр) рассчитывают методом сравнения с эталоном, т.е. скорость счета изучаемого препарата (Nпр) сопоставляют со скоростью счёта эталонного образца (Nэт).
В одинаковых условиях измерения эффективность счета обоих образцов одинакова, и верным будет соотношение:
F = |
Nпр |
= |
Nэт |
Σапр |
Σаэт |
56
+ |
− |
+ |
− |
+ |
− |
счетчик |
+ |
− |
+ |
− |
+ |
− |
|
+ |
− |
+ |
− |
+ |
− |
Гейгера-Мюллера |
+ |
− |
+ |
− |
+ |
− |
|
γ β |
|
γ β |
β |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
40К |
|
137Cs |
90Sr |
исследуемый |
|
|
|
|
образец |
естественные |
|
радиоактивное |
|
|
радионуклиды |
|
загрязнение |
|
|
|
|
|||
?
Рис.25. Основные компоненты суммарной β-активности загрязненного образца
Исходя из этого, активность препарата можно рассчитать по формуле:
Σапр = |
Nобр Σaэт |
|
Nэт |
||
|
В данной лабораторной работе в качестве эталонного образца удобно использовать соединения калия, например, K2SO4. Изотоп 40К имеет энергию β-излучения близкую к средневзвешенным энергиям излучения 137Cs и 90Sr (40К: Еβ – 1,31 МэВ; 90Sr и 90Y – 0,55 и 2,28 МэВ, соответственно; 137Cs – 0,51 (94,1%) и 1,18 (5,9%) МэВ), кроме того, соединения калия имеются в любой химической лаборатории.
Активность эталона (Σаэт) рассчитывается следующим образом: установлено, что β-активность 1 г природного калия – 27 Бк, а содержание калия в соли K2SO4 составляет 44,8%, т.е. 448 г/кг соли, следовательно, удельная активность эталона равна 27 Бк/г • 448 г/кг = 12 096 Бк/кг K2SO4.
На следующем этапе выполнения упражнения рассчитывается величина радиоактивного загрязнения (азагр). Для этого из суммарной β- активности (Σапр) вычитается активность, обусловленная наличием естественного калия (аК). Величина аК находится расчетным путем по данным химического анализа на содержание валового калия в образце (СК, г/кг):
аК [Бк/кг] = СК [г/кг] • 27 [Бк/г].
57
Необходимо подчеркнуть, что предложенный способ обнаружения радиоактивного загрязнения имеет ряд ограничений и носит приближен-
ный характер.
Этот метод используется для оценки образцов, содержащих только долгоживущие β-излучающие радионуклиды 137Cs и 90Sr. Кроме того, измерения возможны, если активности 137Cs и 90Sr в образце достоверно превышают активность 40К. В противном случае, например, при очень низких уровнях загрязнения, получаются результаты с большой ошибкой.
Приближенный, оценочный характер данного подхода обусловлен следующими причинами:
а) из естественных радионуклидов учитывается вклад только 40К; при этом игнорируется присутствие других β-излучающих естественных радионуклидов (14С, 3Н, некоторые элементы радиоактивных семейств 238, 235U и 232Th). Вклад 40К по активности составляет не менее 90%.
б) не учитывается регистрация счетчиком Гейгера-Мюллера γ-излуче- ния 137Cs, а также 40К и некоторых других естественных радионуклидов. Этот вклад невелик (т.к. эффективность регистрации γ-излучения мала и составляет доли процента), однако он вносит свою ошибку в конечный результат измерений.
в) используемый эталон K2SO4 не удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к эталону, поскольку эффективности счета 40К и смеси 137Cs и 90Sr не только не равны, но и соотношение между ними может изменяться в зависимости от соотношения 137Cs и 90Sr в образце.
Для увеличения точности получаемого результата следует:
1)увеличивать эффективность счета путём повышения чувствительности радиометрической аппаратуры и увеличения массы анализируемых проб. Для этого используют специальную технику, например 4-π счётчики, позволяющие значительно улучшить геометрию измерений за счет включения нескольких счетчиков вокруг образца в один радиометрический прибор, ультрамалофоновые установки и т.д.
2)проводить пробоподготовку с целью сконцентрировать измеряемый радионуклид, например, озоление растительных образцов, экстракцию радионуклидов из почвенных проб, выпаривание жидких образцов и т.д.
Несмотря на некоторые перечисленные недостатки данного метода, он позволяет быстро обнаружить присутствие радиоактивного загрязнения,
атакже отделить загрязненные образцы от незагрязненных и таким обра-
зом сократить объем работ при более точных радиометрических и спектрометрических исследованиях по идентификации радионуклидного состава загрязнения, которые требуют значительного времени и более сложной аппаратуры.
58
Порядок выполнения работы
1.Включите радиометр «Эксперт-М», установите режим измерения 100 с.
2.Измерьте скорость счёта фона (Nф).
3.Измерьте скорость счёта эталона (K2SO4), образцов почв и растительного материала (N, имп/с), помещая их на верхнюю позицию свинцового домика. При измерении растительной золы время измерения уменьшите до 10 с. Рассчитайте скорость счета каждого препарата (Nпр= N – Nф).
4.Используя метод определения абсолютной активности сравнением с эталоном (см. лаб. раб. № 5), рассчитайте величину суммарной удельной β- активности каждого образца: Σапр = (Nпр/Nэт) • Σ аэт. Результаты округляйте до целых.
5.Зная содержание валового калия в образцах (СК, см. табл. ниже), рассчитайте удельную β-активность в образце за счет 40К:
|
аК [Бк/кг] = СК [г/кг] • 27 [Бк/г]). |
||||
Nф = |
имп/с |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Суммар- |
Содержание |
|
|
|
Nпр= |
ная |
||
|
N, |
удельная |
валового |
||
Образец |
N – Nф, |
β-актив- |
калия в |
||
имп/с |
|||||
|
|
имп/с |
ность |
образце |
|
|
|
|
(Σапр), |
(СК), г/кг |
|
|
|
|
Бк/кг |
|
|
эталон-К2SO4 |
|
|
12 096 |
448 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
почва №1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
почва №2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
растения №1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
растения №2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зола расте- |
|
|
|
|
|
ний №1 |
|
|
|
|
|
зола расте- |
|
|
|
|
|
ний №2 |
|
|
|
|
|
Удельная Радиоак- β-актив- тивное заность за грязнение
счет 40К |
азагр= |
(аК), |
Σапр – аК, |
Бк/кг |
Бк/кг |
|
|
12 096 |
– |
|
59
6.Определите наличие искусственных радионуклидов (137Cs и 90Sr) в об-
разцах (азагр) путем вычитания β-активности за счет 40К из суммарной β- активности, обусловленной 40К, 137Cs и 90Sr (Σапр – аК).
7.Результаты измерений и расчётов занесите в таблицу. Запишите выводы о наличии радиоактивных загрязнений в предложенных образцах.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1.Что такое радиоактивное загрязнение?
2.Какие Вы знаете естественные радионуклиды? Какой из этих радионуклидов вносит наибольший вклад в суммарную β-активность?
3.Какие радионуклиды являются главными источниками радиоактивных загрязнений агроэкосистем?
4.Какие радионуклиды образуются в результате деления 235U?
5.Из каких компонентов может складываться суммарная β-активность препаратов различных сельскохозяйственных объектов?
6.Почему именно 137Cs и 90Sr, по прошествии нескольких лет после аварийной ситуации, являются основными радионуклидамизагрязнителями окружающей среды?
7.С какой целью в лабораторной работе используется эталон K2SO4?
8.В чем суть метода определения абсолютной активности препарата путем сравнения с эталоном?
9.Чему равна абсолютная активность препарата, если скорость счета препарата равна 20 имп/с, а скорость счета эталона, имеющего активность
240 Бк, – 60 имп/с?
10.Имеет ли растительный образец радиоактивное загрязнение, если его суммарная β-активность равна 840 Бк/кг, а содержание валового калия составляет 15 г/кг образца?
60
Лабораторная работа № 9
Идентификация изотопного состава радионуклидных загрязнений. Радиохимический метод идентификации
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Идентификация (от англ. «identify» – распознавать) радионуклидного состава радиоактивного загрязнения предполагает определение активности отдельно каждого радионуклида в составе загрязнения. Необходимость этого этапа обусловлена тем, что разные радионуклиды характеризуются неодинаковыми физическими, химическими и биологическими свойствами и, следовательно, представляют различную опасность.
9.1. Характеристика основных радионуклидов – загрязнителей окружающей среды
Более 2/3 из всех радионуклидов, которые образуются в результате испытаний ядерного оружия или аварий на разных этапах ЯТЦ, характеризуются коротким периодом полураспада, Т1/2 (например, 99Mo – 2,7 суток; 131I – 8,02 суток, 133Xe – 5,2 суток) и представляют опасность только первое время. Особое место среди короткоживущих радионуклидов занимает 131I, так как является биофильным элементом и накапливается в щитовидной железе. Для долгосрочного загрязнения агроэкосистем короткоживущие радионуклиды опасности практически не представляют. Их доля в общем загрязнении быстро уменьшается, и в составе радиополлютантов начинают преобладать долгоживущие радионуклиды, в частности 137Cs (30,08 лет) и
90Sr (28,88 лет).
Кроме осколочных радионуклидов большие периоды полураспада имеют некоторые образующиеся при работе реактора трансурановые элементы. Например, в выбросах Чернобыльской аварии присутствовал 239Pu (Т1/2 – 24110 лет). Однако этот радионуклид не представляет глобальной экологической опасности, так как загрязнение 239Pu отмечено только в пределах 30 км зоны вокруг аварийного реактора, проживание и ведение сельского хозяйства в которой строго запрещено.
Итак, спустя короткое время после большинства аварийных ситуаций
главными радионуклидами-загрязнителями агроэкосистем становятся 137Cs
и 90Sr.
Сравнивая физические, химические и биологические свойства этих радионуклидов, можно отметить следующее:
61