ПРАКТИКУМ радиология

10.2. Спектрометры

Приборы, при помощи которых получают энергетические спектры, называются спектрометрами. В спектрометрах широко используются сцинтилляционные детекторы (см. лаб. раб. №1). Сцинтилляционный кристалл, или жидкий сцинтиллятор, имеет очень важное свойство – интенсивность вспышки (сцинтилляции) прямо пропорциональна энергии излучения. В фотоэлектронном умножителе (ФЭУ) эта пропорциональность сохраняется, и амплитуда импульса на аноде ФЭУ оказывается пропорциональной энергии излучения. Такая особенность позволяет разделять частицы или фотоны по энергиям излучения. Технически это осуществляется при помощи амплитудного анализатора импульсов, позволяющего размещать информацию (количество импульсов) в ячейки памяти или каналы («окна»), которые соответствуют той или иной амплитуде импульсов, а, значит, и энергии излучения. Широко используются многоканальные анализаторы, имеющие 512, 1024, 2048 и более каналов; причем, чем больше каналов имеет прибор, тем более подробный и точный спектр излучения можно получить.

В отличие от сцинтилляционных детекторов, газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера позволяют регистрировать только те частицы или фотоны, которые вызывают ионизацию газа, независимо от их энергии. Приборы с такими детекторами не могут использоваться для идентификации радионуклидного состава загрязнения.

Один из современных гамма-спектрометров WIZARD 2480 показан на рисунке 29.

Рис. 29. Автоматический гамма-счетчик модель WIZARD 2480. (Perkin Elmer /Wallac, США, Финляндия)

72

WIZARD 2480 может работать в двух режимах измерения: как гаммаспектрометр и как счетчик активности в определенном диапазоне энергий излучения. Он имеет многоканальный анализатор на 2048 каналов, высокую эффективность счета и постоянный низкий фон. Прибор полностью автоматизирован, имеет встроенную «библиотеку» изотопов и пересчитывает результаты с учетом радиоактивного распада; он идеален для образцов, имеющих низкие активности.

Детектор в спектрометре – твердый цилиндрический кристалл йодистого натрия, модифицированный таллием NaI(Tl). Он выполнен в виде колодца, в который помещаются пробирки с анализируемым образцом, объемом до 20 мл (рис. 13). Такая конструкция сцинтиллятора позволяет значительно улучшить геометрию расположения измеряемого образца относительно детектора и повысить эффективность счета, добиваясь почти полного поглощения γ-квантов (4π-геометрия – полная сфера).

Детектор помещается в специальную свинцовую защиту, что обеспечивает стабильно низкий фон и позволяет снизить влияние на результат измерения излучения других образцов. Счетчик может одновременно вмещать 270 или 1000 пробирок с образцами диаметром 28 и 12 мм, соответственно.

Для анализа образцов спектрометрическим методом часто можно не проводить их предварительную пробоподготовку. Этот метод имеет высокую точность, прост, не требует больших затрат времени. Он широко используется для идентификации γ-излучающих радионуклидов.

Отечественный измерительный комплекс «Прогресс-2000 АБГ» (рис. 30) имеет в своем составе альфа-, бета- и гамма-спектрометры, что позволяет анализировать спектры и измерять активности не только γ-, но и

Рис.30. Измерительный комплекс «Прогресс-2000 АБГ»

73

α- и β-излучающих радионуклидов. Это значительно расширяет возможности прибора.

Однако прибор не имеет системы автоматической смены образцов, и помещать пробы можно только по одной вручную. Измерения проводят в сосуде Маринелли. Особая форма сосуда (см. рис. 14) позволяет увеличить эффективность счета. Кроме того, сосуд Маринелли имеет высокую емкость (до 1,0 кг). Это очень важно при измерениях природных образцов, т.к. они имеют обычно низкие активности.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Цель данной работы – 1) провести идентификацию радионуклидного состава смеси изотопов, предложенных преподавателем, используя γ- спектрометрический метод; 2) определить в образце почвы наличие радиоактивного загрязнения, провести его идентификацию и оценить уровень.

Порядок выполнения работы

1.Познакомьтесь с работой γ-спектрометра WIZARD 2480.

2.Получите у преподавателя распечатки спектров эталонных источников излучения и спектра неизвестной смеси изотопов.

3.Пользуясь спектрами эталонных источников излучения, определите, какие радионуклиды присутствуют в составе анализируемой смеси изотопов.

Задание: вариант № ____________________

В составе анализируемой смеси радионуклидов присутствуют:

_______________________________________________________

4.Возьмите навеску почвы массой 15-20 г и поместите в пробирку для измерения радиоактивности.

5.На γ-спектрометре WIZARD 2480 измерьте активность 137Cs в почве с использованием активностей эталонных образцов.

6.Рассчитайте удельную активность 137Cs в Бк/кг почвы (ап).

7.Рассчитайте плотность поверхностного загрязнения почвы 137Cs (as) в Ки/км2 (см. лаб. раб. №9). Сделайте вывод об уровне загрязнения земель.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

74

1.Какой принцип лежит в основе спектрометрического метода идентификации изотопного состава радиоактивного загрязнения?

2.Что такое энергетический спектр излучения?

3.Какие бывают спектры излучения? Для каких видов излучения они характерны?

4.Каковы преимущества спектрометрического анализа?

5.Каковы ограничения спектрометрического метода идентификации радионуклидного состава радиоактивного загрязнения?

6.Как называют приборы, позволяющие получать энергетические спектры излучения?

7.Что такое амплитудный анализатор?

8.Дайте характеристику γ-спектрометру WIZARD 2480.

9.Дайте характеристику измерительному комплексу «Прогресс-2000 АБГ».

10.Для идентификации каких радионуклидов можно использовать спектрометрический метод анализа?

Лабораторная работа № 11

75

Раздельное определение активности 137Cs и 90Sr в образце методом частичного поглощения излучения

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

При отсутствии других радионуклидных загрязнений в образце, кроме долгоживущих 137Cs и 90Sr, можно определить скорость счета и активность для каждого из радионуклидов в отдельности. Метод основан на измерении скоростей счета образцов, преимущественно по β-излучению, с фильтром определенной толщины и без фильтра, а также на использовании эмпирически найденных значений коэффициентов поглощения излучения, равных отношению скоростей счета препаратов с фильтром и без фильтра. Эмпирические коэффициенты поглощения определяются для эталонных образцов, содержащих раздельно 137Cs и 90Sr известной активности. Это дает возможность определять не только скорость счета образца, обусловленную раздельно 137Cs и 90Sr при их совместном присутствии, но и абсолютную активность этих радионуклидов в образце.

Рекомендуемая толщина фильтра составляет от 50 до 100 мг/см2. Расчеты показывают, что для точечных источников излучения коэффициенты поглощения для 137Cs и 90Sr будут различаться в десятки раз. Однако при работе с объемными образцами почв или растительного материала необходимо определять коэффициенты поглощения опытным путем.

Введем необходимые обозначения:

N1 – скорость счета в смешанном (90Sr + 137Cs) образце, обусловленная

90Sr;

N2 – скорость счета в смешанном (90Sr + 137Cs) образце, обусловленная

137Cs;

NΣ = N1 + N2 – скорость счета образца, обусловленная наличием двух радионуклидов, определяемая при измерениях без фильтра;

K1 и K2 – эмпирические коэффициенты ослабления излучения для 90Sr и 137Cs соответственно, найденные опытным путем на эталонных препаратах;

NΣф = N1• K1+ N2 • K2 скорость счета образца, обусловленная наличием двух радионуклидов, определяемая при измерениях с фильтром.

Таким образом, мы имеем систему из двух простых уравнений с двумя неизвестными:

N1 + N2 = NΣ

76

N1• K1+ N2 • K2 = NΣф

Решение системы уравнений дает значение для N1

N1 =	NΣф − NΣ K2 ,	тогда	N2 = NΣ – N1
	K1 − K2
или для N2
N2 =	NΣф − NΣ K1 ,	тогда	N1 = NΣ – N2
	K2 − K1

Переход от скоростей счета к активности радионуклидов производят на основании измерений, выполненных с эталонными образцами:

ASr	=	N1	Aэт.Sr	или	ASr =		N1	100 %
		Nэт.Sr					F1
ACs	=	N2	Aэт.Cs	или	ACs	=	N	2	100 %
		Nэт.Cs					F2

Эталонные препараты готовят с применением образцовых радиоактивных растворов (ОРР), аттестованных по соответствующему классу точности. Для приготовления используют тот материал, с которым будут проводиться основные измерения, например «чистую» почву или «чистый» растительный материал, содержащие такое же количество природного калия. Образцы «чистой» почвы можно отбирать на изучаемых территориях с глубины 30-40 см, где загрязнения минимальны, тщательно отбирая растительные остатки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Цель работы – провести раздельную оценку скоростей счета и активностей, обусловленных наличием 90Sr и 137Cs в образце с использованием фильтров, частично поглощающих излучение.

Порядок выполнения работы

77

4.Включите радиометр «Эксперт-М», установите режим измерения –

100 с.

5.Измерьте скорость счёта калийного фона (Nф, имп/с), помещая в свинцовый домик образец «чистой почвы».

6.Измерьте скорости счёта соответствующих эталонных препаратов 90Sr и 137Cs, приготовленных на основе почвенного или растительного материалов, без фильтра и с фильтром. Вычислите скорости счета эталонных

препаратов (Nэт = N – Nф, имп/с) для каждого случая. Запишите в таблицу результаты измерений и активности эталонных препаратов.

	Nф =	имп/с,
	толщина фильтра = мг/см2,
	масса образца почвы (растения) =				г
	Эталонные	Аэт,	Условия	N,	Nэт=	K1,2 =	Nэт.ф	F1,2 =	Nэт
					N – Nф,
	препараты	Бк	измерения	имп/с			Nэт		Аэт
					имп/с
			без		(N1эт)			(F1)
	90Sr		фильтра
			с фильт-			(К1)
					(N1эт.ф)			–
			ром
			без		(N2эт)			(F2)
	137Cs		фильтра
			с фильт-			(К2)
					(N2эт.ф)			–
			ром

7.Рассчитайте эмпирические коэффициенты ослабления излучения 90Sr (К1) и 137Cs (К2) соответственно.

8.Рассчитайте эффективности счета при измерении эталонных препаратов

90Sr (F1) и 137Cs (F2) без фильтров.

9.Измерьте скорости счёта изучаемых образцов почвы и растительного материала без фильтра и с фильтром. Вычислите скорости счета изучае-

мых образцов (N – Nф, имп/с) для каждого случая. Полученные результаты запишите в таблицу.

№	Образец	Измеряемые значения		Расчетные значения
п/п		без фильтра	с фильтром	90Sr	137Cs
			78

		N,	NΣ=	N,	NΣ,ф=	N1,	ASr,	N2,	ACs,
			N – Nф,		N – Nф,
		имп/с		имп/с		имп/с	Бк	имп/с	Бк
			имп/с		имп/с
1	почва
2	расти-
	тельный
	материал
…	…

7.Используя полученные эмпирические коэффициенты ослабления излучения 90Sr (К1) и 137Cs (К2), а также эффективности счета F1 и F2, соответственно, рассчитайте скорости счета и активности, обусловленные раздельно 90Sr и 137Cs при их совместном присутствии в образцах почвы и растительного материала. При расчетах используйте формулы, приведенные в теоретической части лабораторной работы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

8.В чем суть предложенного в лабораторной работе метода определения активностей 137Cs и 90Sr в образце?

9.Какие свойства излучений лежат в основе предложенного метода раздельного определения активности 137Cs и 90Sr в природном образце?

10.Какие материалы можно использовать в качестве фильтра?

11.С какой целью в работе используются эталонные препараты 137Cs и

90Sr?

12.Как готовят эталонные препараты для данной работы?

13.Выведите самостоятельно расчетные формулы для значений N1 и N2?

14.Имеет ли значение наличие γ-излучения 137Cs при выполнении данной работы? Дайте обоснование.

15.Почему необходимо раздельное определение активностей 137Cs и

90Sr?

16. Как получить «чистый» образец почвы или растительного материала?

79

Лабораторная работа № 12

Дозиметрия ионизирующих излучений. Дозиметрические приборы. Измерение мощности дозы излучения в рабочем помещении

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

12.1. Понятие дозы. Основные виды доз

В предыдущих разделах рассматривались только вопросы определения активности радионуклидов и некоторых свойств различных видов испускаемых ими излучений и не затрагивались вопросы передачи энергии излучений окружающей среде. Излучение, возникающее при ядерных превращениях, частично или полностью поглощается (абсорбируется) веществом с которым оно взаимодействует. При этом происходит потеря энергии излучения. Энергетический эффект (поглощенная энергия излучения) взаимодействия излучения со средой и оценка этого эффекта в виде дозы излучения – предмет раздела «дозиметрия ионизирующих излучений»

(рис.31).

	ИЗЛУЧЕНИЕ
	РАДИО-	ОБЪЕКТЫ
	НУКЛИДЫ	ВОЗДЕЙСТВИЯ
	Количественная	Количественная
	мера	мера
	содержания	воздействия
	радионуклида	излучения
	Активность (А)	Доза излучения (Д)
		[Рентген, Гр, рад,
	[Бк, Ки]
		Зв, бэр]
	Рис.31. «Активность» и «доза излучения» – базовые количественные
	показатели радиоэкологии

80

Таким образом:

Доза ионизирующего излучения (Д1) – это количественная мера его воздействия на объекты окружающей среды.

Радиационная дозиметрия как наука возникла в связи с использованием ионизирующих излучений в медицине. Само понятие «доза» заимствовано из медицины, и основной интерес представляет определение дозы излучения, получаемой живым организмом в связи с его биологическим действием.

Следует различать дозу, формирующуюся при внешнем и при внутреннем облучении. При внешнем облучении источник излучения находится вне облучаемого объекта, при внутреннем – внутри него.

Существуют несколько подходов к оценке доз ионизирующих излучений. Основной физической величиной, принятой в дозиметрии для оценки меры воздействия ионизирующего излучения, является поглощенная доза

или просто доза излучения.

Доза излучения (поглощенная доза) D – это поглощенная энергия излучения E, рассчитанная на единицу массы m облученного объекта:

D = E/m

В Международной системе единиц (СИ) поглощенная доза выражается в джоулях на килограмм массы (Дж/кг). Эта величина получила название грей (Гр) в честь английского ученого Л. Грея, внесшего большой вклад в становление радиационной дозиметрии. Для человека доза в 1 грей

– большая величина. Достаточно указать, что LD50 для человека составляет всего около 4 Гр. Поэтому часто используют и другую, внесистемную единицу измерения поглощенной дозы – рад (от англ. radiation absorbed dose, дословно – доза поглощенной радиации), причем, 1 рад = 10−2Гр.

Поглощенная доза является, пожалуй, самым корректным способом выражения дозы ионизирующего излучения. Однако, с измерением поглощенной энергии излучения на практике возникают определенные проблемы. Поэтому исторически раньше появился более простой способ оценки дозы излучения – по ионизирующей способности его в конкретной среде, в частности в сухом воздухе. Этим способом – экспозиционной дозой (дозой в воздухе) Х – оценивали дозу только фотонного излучения.

1 при обозначении дозы без указания вида будем использовать обозначение Д, при обозначении разных видов доз – приведённые в НРБ-99/2009.

81