Киреев Оптические методы детектирования долгоживусчих изотопов ёда 2010

Глава 9. Факторы, влияющие на точность и чувствительность

шедших через них частицa = 0,5, 1, 2 и 5 мкм соответственно, и пропускающих все частицы с меньшими размерами.

Рис. 9.5. Зависимость интенсивности рассеянного излучения от длины волны и размера частиц оксида бария

Поскольку распределение по размерам прошедших через фильтры частиц может быть произвольным, вычисления делались

для трех различных распределенийf(r) частиц по размерам: а) постоянный размер частиц; б) линейное увеличение размера от 0 до a; в) гауссово распределение с максимумом при размере частиц равном a. Во всех случаях распределения нормировались на полную концентрацию частиц в растворе, считавшуюся постоянной:

251

Глава 9. Факторы, влияющие на точность и чувствительность

a

ò f (r)dr = 1.

0

На рис. 9.6 приведены результаты вычисления зависимости коэффициента рассеяния asca от длины волны излучения:

a

α sca = òCsca (r ) f (r )dr.

0

Сравнение зависимостей, полученных для каждого фильтра, позволяет, прежде всего, сделать вывод о том, что использование различных распределений частиц по размерам практически не влияет на величину изменения интенсивности рассеяния при переходе от одного спектрального диапазона к другому. Так, при максимальном размере пропускаемых фильтром частиц1 мкм для всех распределений наблюдается рост рассеяния в1,3–1,5 раз при изменении длины волны от 0,20 до 0,63 мкм.

Полученный результат является важным, поскольку для пересчета интенсивности рассеянного излучения, измеренной на определенной длине волны, при переходе к другой длине волны необходимо знание именно относительного изменения этой величины.

Сопоставление результатов расчетов, сделанных для разных фильтров, показывает, что, во-первых, максимальный размер пропускаемых фильтром частиц не должен превышать1–2 мкм потому, что дальнейший рост величины a от 2 до 5 мкм приводит к увеличению коэффициента затухания почти на порядок, а это может привести к существенному ухудшению чувствительности измерений. Во-вторых, для достижения как наилучшей точности, так и чувствительности оптимальными являются условия, когда либо интенсивность рассеяния максимальна в красной области спектра и минимальна в коротковолновом диапазоне, либо интенсивности рассеяния в обоих диапазонах находятся на одном уровне, что не обеспечивается при использовании фильтров, пропускающих частицы с максимальным размером менее 1 мкм.

252

Глава 9. Факторы, влияющие на точность и чувствительность

asca, 1012 см-1	a)	asca, 1012 см-1	1	б)
		6
1,2	1		2
	2	5
0,8	3	4

3

3

0,4

2

0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7
		l, мкм						l, мкм
asca, 1012 см-1			1		asca, 1012 см-1					1
24					160
				в)	140						г)
					120
20					100
										2
16			2			80
12			3			60				3
8
0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7
		l						l, мкм
		, мкм

Рис. 9.6. Зависимости коэффициента рассеяния от длины волны излучения при максимальном размере частиц a = 0,5 (а), 1 (б), 2 (в) и 5 (г) мкм: 1 – гауссово распределение; 2 – линейное распределение; 3 – фиксированный размер частиц

253

Глава 9. Факторы, влияющие на точность и чувствительность

Таким образом, на основании проведенных исследований может быть сделан общий вывод о том, что измерение интенсивности рассеянного излучения в спектральном диапазоне, соответствующем минимуму поглощения йодсодержащих веществ, позволяет оценить вклад рассеяния в изменение интенсивности прошедшего через поглощающую ячейку излучения на длинах волн, где производится измерение их концентрации абсорбционным методом. Оптимальными с точки зрения как наилучшей чувствительности, так и точности детектирования йодсодержащих веществ является выбор таких аэрозольных фильтров, которые обеспечивают наличие в растворе частиц, размеры которых не превышают 1–2 мкм.

Итак, проведенные экспериментальные и расчетные исследования позволили выбрать теоретическую модель светорассеяния, удовлетворительно описывающую процессы рассеяния излучения частицами, имеющимися в жидкой фазе технологических сред азотно-кислой стадии процесса переработки ОЯТ. Использование такой модели позволяет существенно (до нескольких десятков процентов в зависимости от условий проведения процесса азотнокислого растворения ОЯТ) повысить точность разработанных способов одновременного определения концентраций йодсодержащих веществ, содержащихся в этих средах, в реальном масштабе времени.

9.2.3. Оптическая схема с применением лазерных источников излучения

Полученные в этой главе результаты позволяют предложить вариант оптической системы, позволяющей при детектировании йодсодержащих веществ в жидких средах учитывать процессы светорассеяния и использующей лазерные источники (рис. 9.7).

Основными элементами системы являются лазерные источники излучения, поглощающая ячейка, через которую осуществляется прокачка исследуемой жидкости, система сбора и регистрации излучения.

Лазерный блок содержит в себе лазеры, излучающие на четырех или пяти длинах волн, три или четыре(в зависимости от того, в

254

Глава 9. Факторы, влияющие на точность и чувствительность

каких средах, нейтральных либо кислых и щелочных производятся измерения) из которых используются для детектирования йодсодержащих веществ, а последняя используется для измерения рассеяния.

Рис. 9.7. Блок-схема оптической системы: 1 обтюратор; 3 – поглощающая ячейка; 4 – синхронный детектор; 5 – фотоприемник; 6 – ФЭУ; 7 – термометр; 8 – насос; 9 – персональный компьютер; 10 – частичноотражающее зеркало; 11–14 – диафрагмы; 15, 16 – фокусирующие линзы; 17 – аэрозольный фильтр;

18 – светонепроницаемый кожух

Промодулированное с помощью обтюратора излучение лазера делится посредством частичноотражающего зеркала с коэффициентом отражения порядка 50% на два световых пучка. Отраженное от зеркала излучение фокусируется в центре измерительной ячейки. Прошедшее через измерительную ячейку излучение фокусируется на фотокатод ФЭУ, далее поступает на вход синхронного детектора и затем на вход АЦП компьютера. Излучение, прошедшее через частичноотражающее зеркало, измеряется фотоприемником, сигнал с которого, во-первых, используется в качестве опорного для синхронного детектирования, а, во-вторых, также поступает на

255

Глава 9. Факторы, влияющие на точность и чувствительность

вход АЦП компьютера, что позволяет осуществлять контроль за стабильностью выходной мощности источника излучения во времени. Снижение уровня шумов, обусловленных, главным образом, рассеянным излучением источника, достигается путем установления ряда диафрагм вдоль оптической оси, а также помещением измерительной ячейки в светонепроницаемый кожух.

Исследуемая жидкость прокачивается через измерительную ячейку с помощью насоса. В процессе измерений скорость прокачки и температура жидкости измеряются с помощью термометра и расходомера. На входе в измерительную ячейку устанавливается аэрозольный фильтр, ограничивающий поступление в нее частиц больше некоторого фиксированного размера а.

В качестве лазерных источников на длинах волнприменяю, - щихся для детектирования йодсодержащих веществ, могут быть, в частности, использованы лазеры, основанные на ионных переходах в атомах Ne (201,8; 206,5; 226,6; 228,5; 286,7 нм), и аргоновые лазе-

ры (211,4; 224,9; 288,4 нм) [117]. В качестве источника излучения, применяемого для измерений рассеянного излучения, может быть использован He-Ne лазер, излучающий на длине волны 633 нм.

256

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение можно отметить следующие основные результаты, полученные авторами монографии в ходе многолетних исследований.

Впервые проведен широкий комплекс исследований лазерновозбуждаемой флуоресценции изотопов молекулярного йода в -га зовых средах. Получены новые фундаментальные знания о процессах поглощения и релаксации изотопов молекулярного йода в видимом диапазоне спектра:

·определены сечения самотушения и тушения флуоресценции, константы скорости столкновительной предиссоциации возбужденных колебательных уровней В-состояния для целого ряда различных по физико-химическим свойствам газов;

·впервые определены сечения вращательной релаксации ко- лебательно-вращательных уровней В-состояния;

·обнаружены оптимальные диапазоны температур паров изотопов йода, частоты возбуждающего излучения и давления газовой смеси, содержащей йод, при которых интенсивность флуоресценции йода увеличивается более чем на порядок по сравнению

снормальными условиями.

Предложен, разработан и реализован новый высокочувствительный лазерно-флуоресцентный метод детектирования изотопов йода-129 и йода-127, основанный на использовании частотноперестраиваемого гелий-неонового лазера. Установлено, что применение данного метода позволяет определять граничное отношение концентраций 129I/127I не хуже 10-3 , что примерно на порядок лучше известных результатов. Обнаружено, что выбор определенных спектральных диапазонов позволяет увеличить граничное отношение концентраций 129I/127I в исследуемой смеси (при котором возможно определение концентрации йода-129) до 10-5.

Предложен, разработан и реализован новый метод селективного определения концентраций изотопов 129I и 127I, находящихся в смеси, на основе криптонового лазера, заключающийся в том, что для возбуждения флуоресценции используется только одна частота лазерного излучения (при одновременной регистрации стоксовой и антистоксовой областей спектра). Установлено, что данный метод

257

Заключение

позволяет определять в реальном масштабе времени граничное отношение концентраций 129I/ 127I на уровне 10-3 – 10-4.

Предложен, разработан и реализован новый метод спектральной селекции флуоресценции йода-129 на фоне флуоресценции диоксида азота. Метод основан на раздельной регистрации стоксовой и антистоксовой частей спектра флуоресценции изотопов йода, возбуждаемой излучением гелий-неонового лазера. Применение данного метода позволяет существенно повысить точность измерений концентрации изотопов йода как в технологической среде переработки ОЯТ, так и в атмосферном воздухе.

Впервые создан лазерный комплекс для детектирования в -ре альном масштабе времени йода-129 и оксидов азота в процессах переработки ОЯТ как до, так и после газоочистительных фильтров на радиохимических предприятиях. Принцип его работы основан на методах, предложенных авторами. Проведены успешные испытания разработанного лазерного комплекса в реальных условиях азотно-кислого растворения облученного ядерного топлива в горячих камерах НПО«Радиевый институт им. В.Г. Хлопина» (что подтверждается актами о внедрении). Достигнута рекордная чувствительность регистрации изотопов йода в газах в реальном масштабе времени: в естественной атмосфере – 1·108 см-3 для йода-129 и 2·109 см-3 для йода-127, в технологической среде при переработке ОЯТ – 1·1010 см-3 для йода-129. Данная чувствительность позволяет осуществлять мониторинг экологического состояния воздуха как в рабочих зонах радиохимических производств, так и в жилых зонах

в реальном масштабе времени на уровне предельно допустимых концентраций. Лазерный комплекс уже несколько лет эксплуатируется в НПО «Радиевый институт им. В.Г. Хлопина».

Предложен, разработан и реализован новый оптический - аб сорбционный метод одновременного определения концентраций йодсодержащих веществ в жидких средах, позволяющий проводить измерения в реальном масштабе времени, что существенно расширяет возможности его применения, в частности позволяет исследовать кинетику физико-химических процессов переработки ОЯТ.

258

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Стыро Б., Филистович В.И., Недвецкайте Т.Н. Изотопы йода

ирадиационная безопасность. СПб.: Гидрометеоиздат, 1982.

2.Угай Я.А. Неорганическая химия. М.: Высшая школа, 1989.

3.Downs A.J., Adams S.J. The Chemistry of chlorine, bromine, iodine and astatine // Pergamon Press: Oxford, New York, Sydney, Paris, Brautschweig. 1975.

4.Популярная библиотека химических элементов. Кн.2. М.:

Наука, 1983. С. 70–80.

5.Luc P. New molecular constants and Dunham expansion parameters are given for the B–X system of iodine // J. Molec. Spectr. 1980. Vol. 80. P. 41–55.

6.Tellinghuisen J. Spontaneous Predissociation in I2 // J. Chem. Phys. 1972. V.57. P. 2397.

7.Lutz G.J., Rook H.L., Lindstrom R.M. Determination of I-129 of natural levels by thermal neutron activation analysis // Trace and Micropr. Tech. 1984. № 2. P. 33.

8.Buckberger W., Huemer P. Trace analysis of iodine in air with an iodine-selective electrode // Microchemia Acta. 1985. Vol. 1. P. 421.

9.Brewer L., Tellinghuisen J. Quantum yield for unimolecular dis-

sociation of I2 in visibleabsorption // J. Chem. Phys. 1972. Vol. 56.

P.3929.

10.Goldstein N.P., Gonzalez J.L., Sun K.H. The measurement of extremely low-level radioiodine in air // Nucl. Technol. 1974. Vol. 23. № 3. P. 328–336.

11.Несмеянов А.Н., Лапицкий А.В., Руденко Н.П. Получение радиоактивных изотопов. М.: Госхимиздат, 1954.

12.Салинов Н.П. Изотопы. Ч.1. М.: Наука, 1970.

13.Справочник по ядерной физике. М.: Физматгиз, 1963.

14.Радиационные характеристики продуктов деления: Справочник / Н.Г. Гусев, П.М. Рубцов, В.В. Коваленко, В.М. Колобашкин. М.: Атомиздат, 1974.

15.Гусев Н.Г., Беляев В.А. Радиоактивные выбросы в биосфере: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1986.

16.Зысин Ю.А., Лбов А.А., Сельченков Л.И. Выходы продуктов деления и их распределение по массам. Госкомитет по использованию атомной энергии СССР. М.: Атомиздат, 1963.

259

Список литературы

17.Рекомендации МКРЗ. Схемы распадов, энергии и интенсивность излучения. Ч.1. Кн.2. М.: Энергоатомиздат, 1987.

18.Таблицы физических величин: Справочник. М.: Атомиздат,

1976.

19.Козлов В.Ф. Справочник по радиационной безопасности. М.: Энергоатомиздат, 1987.

20.Лащевский И.О., Галкин Б.Я., Исупов В.К. и др. Опыт эксплуатации радиохимического корпуса и вопросы обеспечения радиационной безопасности персонала и охраны окружающей среды

впроцессах переработки ОЯТ: Препринт РИ-256. М.: ЦНИИато-

минформ, 2000. 68 с.

21.Василенко И.Я. Значение радионуклидов йода в токсичности продуктов ядерного деления. Государственный комитет по использованию атомной энергии СССР // НКРЗ. 1978. Вып.5. C. 4–16.

22.Василенко И.Я., Москалев Ю.И. // Атомная энергия. 1982.

Т. 52. Вып.3. C.156–158.

23.Тверской П.Н. Курс геофизики. М.: ГОНТИ, 1939.

24.Russel J.L., Hahn P.B. Public health aspects of iodine-129 from

the nuclear power industry // Radiol. Health Data and Rep. 1971. Vol. 12. № 4. P. 189–194.

25.Edvards R.R. Iodine-129: Its occurance in nature and its utility as a tracer // Science. 1962. Vol. 137. № 35. P.851–853.

26.Филистович В.И., Недвецкайте Т.Н., Луянас В.Ю. Вертикальное распределение скорости образования йода-129 в атмосфере // Физика атмосферы. Вильнюс: Мокслас, 1984. С. 36–40.

27.Холина Ю.Б. Миграция в окружающей среде и биологическое значение 129I // Радиационная биохимия. 1983. Итоги науки и техники. М.: Энергоатомиздат. С.42–65.

28.Бабаев Н.С. и др. Ядерная энергетика, человек и окружающая среда / Под ред. А.П. Александрова. М.: Энергоиздат, 1981.

29.Ionizing radiation: Sources and biological effects. United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation. 1982, Report to the General Assembly. United Nations, New York, 1982. 773 p.

30.Maestas E. // Management of gaseous wastes from nuclear facilities. Vienna, IAEA, 1980.

31.Источники и действие ионизирующей радиации. Доклад за 1977 год Генеральной ассамблее ООН. Научный комитет ООН по действию радиации. Т.1. Нью-Йорк, ООН, 1978. 293 с.

260