RU2191409C2 - Способ идентификации альфа-излучающих радионуклидов в пробах с использованием жидкостного сцинтилляционного счетчика - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение относится к области радиоэкологического мониторинга, может быть использовано для измерения содержания радионуклидов в различных компонентах окружающей среды при обработке результатов измерений в комплексе аппаратно-программных средств, позволяющих оперировать с большими массивами радиоэкологической информации. Сущность изобретения: способ включает отбор проб окружающей среды и технологических проб, обработку проб для измерения на ЖСС, измерение и запись спектра пробы и параметров измерения, создание модельного спектра пробы, минимизацию отклонения модельного спектра от спектра пробы и определение содержания альфа-излучающих радионуклидов в пробе. При подготовке пробы предварительно определяют суммарную активность анализируемой пробы и энергетический интервал альфа-излучающих радионуклидов в пробе, затем в пробу вводят раствор изотопа в качестве внутреннего стандарта с определенной энергией и заданной активностью альфа-излучения. На основании результатов измерения спектра пробы, минимизируя отклонение модельного спектра от спектра пробы в области внутреннего стандарта, определяют параметры асимметричного распределения Гаусса, описывающего пик внутреннего стандарта. Используя формулы зависимости параметров асимметричного распределения Гаусса от энергии и тушения и справочных данных по альфа-излучающим радионуклидам составляют модельный спектр. Технический результат: увеличение чувствительности спектроскопического анализа, повышение достоверности идентификации и точности определения содержания альфа-излучающих радионуклидов в пробах с использованием жидкостного сцинтилляционного счетчика (ЖСС). 3 з.п. ф-лы, 4 табл., 4 ил.

Description

Изобретение относится к области радиоэкологического мониторинга, может быть использовано для измерения содержания радионуклидов в различных компонентах окружающей среды при обработке результатов измерений в комплексе аппаратно-программных средств, позволяющих оперировать с большими массивами радиоэкологической информации. В частности, способ применяется для определения активности альфа излучающих радионуклидов, таких как ²³²U, ²³⁴U, ²³⁸U, ²³⁶Pu, ²³⁸Pu, ²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu, ²⁴¹Am, ²⁴³Am, ²¹⁰Po и др., в подготовленных пробах с помощью обработки аппаратных спектров, полученных на жидкостных сцинтилляционных счетчиках.

Известен способ идентификации радионуклидов в жидком сцинтилляционном образце, в котором измеряют спектр исследуемого образца, после чего для соответствующего уровня тушения из библиотеки базовых спектров отдельных радионуклидов для различных уровней тушения методом интерполяции и экстраполяции определяют нормированные модельные спектры отдельных радионуклидов. Далее методом наименьших квадратов минимизируют разницу между спектром образца Pi и суммой модельных спектров отдельных радионуклидов Mij, умноженных на коэффициенты cj, определяющие активность отдельных радионуклидов. Минимизируемое выражение при этом выглядит следующим образом:

где i - номер канала анализатора, j - индекс радионуклида [1].

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому эффекту является способ идентификации альфа-излучающих радионуклидов в пробах с использованием жидкостного сцинтилляционного счетчика (ЖСС), включающий отбор проб окружающей среды и технологических проб, подготовку проб к измерению на жидкостном сцинтилляционном счетчике, измерение и запись спектра пробы и параметров измерения, сворачивание аппаратного спектра пробы в группы, создание модельного спектра пробы на основе библиотеки базовых спектров, минимизацию отклонения модельного спектра от спектра пробы и определение содержания радионуклидов в пробе. При этом идентифицируют альфа-излучающие радионуклиды при наличии в отобранных пробах мешающих радионуклидов. Для этого при подготовке твердых проб перед вскрытием пробы проводят ее отжиг, осуществляют кислотное вскрытие с помощью концентрированной азотной кислоты и перекиси водорода, концентрируют упариванием до состояния влажных солей, переводят влажный остаток в солянокислый раствор путем добавления горячего раствора 1М соляной кислоты и концентрируют упариванием при периодическом добавлении не менее двух раз растворов концентрированной перекиси водорода и дистиллированной воды до объема не менее 2 мл. Затем в полученный раствор добавляют концентрированную ортофосфорную кислоту, концентрируют упариванием при периодическом добавлении не менее двух раз концентрированной перекиси водорода и горячей дистиллированной воды до образования бесцветного вязкого раствора объемом не менее 2 мл, представляющего собой смесь пирофосфатных комплексов катионов основных компонентов твердой пробы. Раствор охлаждают до комнатной температуры, добавляют в него насыщенный раствор хлорида двухвалентного олова и переносят в сцинтилляционный коктейль, добавляя 1 мл эмульгатора "Triton Х-100" и смесь тщательно перемешивают, получая пробу, подготовленную для спектрометрического анализа, измеряют ее на жидкосцинтилляционном счетчике, и записывают полученный спектр образца. Сворачивают спектр образца в группы, граничные значения N, в которых являются квазиарифмитической прогрессией вида N_i+1=N_i+[(i+1)/2], где i= 1, 2, . . . n. Осуществляют минимизацию отклонения модельного спектра от спектра пробы путем составления модельного спектра

где M_ij - модельные спектры радионуклидов, с_j - относительные вклады спектров радионуклидов в модельный спектр пробы, i - номер группы, j - индекс радионуклида. Для определения относительных вкладов спектров радионуклидов в модельный спектр пробы минимизируют разницу между модельным спектром и спектром пробы по выражению

где Р_i - спектр пробы, M_i - модельный спектр, δ - коэффициент устойчивости процесса минимизации. Минимизацию проводят в несколько этапов, выбирая сначала большую величину δ и нулевые значения с_j, определяют минимум, после чего δ уменьшают, повторяя процесс минимизации, при этом исходными значениями вкладов с_j для каждого следующего шага минимизации являются результаты предыдущего шага. Расчет останавливают, когда процесс минимизации становится неустойчивым. Завершают идентификацию альфа-радионуклидов в исследуемой пробе пересчетом полученных значений с_j в значения абсолютных активностей радионуклидов в пробе.

Однако известный способ не всегда позволяет достоверно идентифицировать альфа-излучающие радионуклиды с близкими по энергии альфа-пиками на жидкосцинтилляционном счетчике. Это обусловлено следующим: альфа-спектры различных радиоизотопов при измерении на жидко-сцинтилляционном счетчике имеют близкие по форме и практически полностью перекрывающиеся спектры. Спектр пробы, состоящей из нескольких альфа-активных нуклидов, по форме практически ничем не отличается от спектра отдельного радионуклида, в связи с чем вклады различных альфа-излучателей трудно идентифицировать. Также ввиду наличия малоизученных явлений ионизационного тушения и эффекта стенок положение альфа-пиков на спектрах может не совпадать с библиотечным, что может привести к недостоверным результатам.

Техническим результатом предложенного способа является точное определение величины и типа тушения, основанное на введении внутреннего стандарта, более корректное построение модельного спектра, основанное на асимметричном распределении Гаусса и, как следствие, увеличение чувствительности спектрометрического анализа, повышение достоверности идентификации и точности определения содержания альфа-излучающих радионуклидов в пробах с использованием ЖСС.

Для получения технического результата предложен способ идентификации радионуклидов в пробах с использованием ЖСС, включающий отбор проб окружающей среды и технологических проб, обработку проб, подготовку проб для измерения на ЖСС, измерение и запись спектра пробы и параметров измерения, создание модельного спектра пробы, минимизацию отклонения модельного спектра от спектра пробы и определение содержания альфа-излучающих радионуклидов в пробе. В соответствии с изобретением при подготовке пробы предварительно определяют ее суммарную активность и энергетический интервал альфа-излучающих радионуклидов, а затем вводят раствор изотопа в качестве внутреннего стандарта с определенной энергией и заданной активностью альфа-излучения. Далее измеряют спектр альфа-излучения пробы. На основании результатов измерения спектра альфа-излучения, минимизируя отклонение модельного спектра от спектра альфа-излучения в области внутреннего стандарта, определяют параметры асимметричного распределения Гаусса, описывающего пик внутреннего стандарта. По этим параметрам, используя эмпирические формулы зависимостей параметров от тушения для энергии альфа-излучения внутреннего стандарта, определяют величину и тип тушения анализируемой пробы. По полученным значениям величины и типа тушения пробы, используя формулы зависимости параметров асимметричного распределения Гаусса от энергии и тушения и справочных данных по альфа-излучающим радионуклидам, составляют модельный спектр. Затем осуществляют минимизацию отклонения модельного спектра от спектра альфа-излучения пробы и определяют содержание альфа-излучающих радионуклидов в анализируемой пробе.

Энергия альфа-излучения внутреннего стандарта должна не менее чем на разрешение спектрометра для энергии выбранного внутреннего стандарта (0.3-1 МэВ) отличаться от энергий альфа-излучателей в анализируемой пробе.

В качестве внутреннего стандарта используют изотопы: ¹⁴⁸Gd, ¹⁵²Gd, ¹⁴⁷Sm, ²¹⁴Po, ²⁴⁴Pu, ²⁴³Cm, ²⁴⁴Cm, ²⁴⁷Cm, ²⁴⁸Cm, ²⁴⁸Cf.

Активность внутреннего стандарта выбирается исходя из суммарной активности пробы.

При составлении модельного спектра вклад в него каждого радионуклида представляют в виде суммы асимметричных распределений Гаусса, каждое из которых описывает отдельную энергетическую линию альфа-излучения радионуклида.

На фиг.1 представлена блок-схема реализации способа идентификации альфа-радионуклидов в пробах с использованием жидкостного сцинтилляционного счетчика.

На фиг. 2 представлен измеренный спектр ²¹⁰Ро и описывающее его асимметричное распределение Гаусса.

На фиг.3 и фиг.4 показаны спектры альфа-активных проб с введенным внутренним стандартом.

Способ осуществляют в соответствии с блок схемой на фиг.1 следующим образом.

I. Отбор и подготовка проб к измерению.

Спектрометрический анализ на основе жидкосцинтилляционного счета можно проводить для любых проб (окружающей среды и технологических) после их соответствующей подготовки. Как правило, это водные пробы, твердые пробы (почва, грунт, донные осадки и др.), пробы растительности (древесная и травяная) и пробы воздуха.

I.1. Отбор проб.

Водные пробы отбирают в чистые емкости объемом 1 л в количестве не менее 3-х штук на контролируемый объект. Подкисляют до рН 3-4. Емкости герметично закрывают. Указывают название пробы, время и место отбора и доставляют в лабораторию.

Твердые пробы, в частности пробы почвы, отбирают с участка размером 10х10 м. Площадь отбора размечают конвертом, с узлов конверта (5 точек) отбирают пробы монолитным куском размером 10х10 см, толщиной 5 см, с которого предварительно удаляют травяной покров.

Пробу очищают от корней и упаковывают в полиэтиленовый пакет с указанием названия пробы, места отбора, даты отбора, массы пробы, мощности дозы в месте отбора пробы и доставляют в лабораторию.

Пробы растительности для травянистых проб отбирают с элементарных площадок площадью от 0.25 до 1 кв. м в зависимости от густоты травянистого покрова. Смешанную пробу составляют из 4-5 индивидуальных проб, причем отбирают надземные части растений. Пробы древесной растительности составляют путем объединения нескольких индивидуальных проб от различных видов деревьев пропорционально их доле в составе древостояния. В качестве пробы отбирают побег последнего годового прироста (хвойные) или листву с одной ветки из нижней части кроны. Отобранные пробы растительности упаковывают в полиэтиленовый пакет с указанием названия пробы, места отбора, даты отбора, массы пробы и доставляют в лабораторию.

Пробы воздуха отбирают с помощью аспирационных установок с производительностью не менее 1000 м³/ч на тонковолокнистый фильтр Петрянова. После прокачивания необходимого объема воздуха фильтр снимают и упаковывают в чистую, плотную бумагу, указывают название пробы, место и дату отбора, объем прокаченного воздуха и доставляют в лабораторию.

I.2. Подготовка проб к измерению с помощью жидкосцинтилляционного счета.

I.2.1. Подготовка водных проб.

I.2.1.1. Технологические пробы.

Если предполагаемая объемная активность радионуклида в пробе составляет более 10² Бк/л, то пробу не концентрируют, а анализируют сразу. Для этого отбирают по 5 мл каждой из трех параллельных проб, проверяют рН раствора и при необходимости доводят его до нейтрального (концентрированными соляной кислотой или аммиаком), затем вносят нейтральные растворы во флаконы для жидкосцинтилляционного счета, предварительно заполненные 10 мл сцинтилляционного коктейля. Энергично перемешивают содержимое каждого флакона для получения гомогенного раствора, выдерживают флаконы в темноте не менее 12 ч (для затухания возможных процессов хемо- и фотолюминесценции) и затем устанавливают в жидкосцинтилляционный анализатор для дальнейших измерений.

Одновременно с анализируемой пробой по аналогии готовят фоновую, в которую вносят такой же объем деионизованной воды, как и подготовленной пробы, но не более 10 мл.

I.2.1.2. Низкоактивные пробы.

Пробы с низкой объемной активностью радионуклидов (<10² Бк/л) перед анализом концентрируют. Для этого отбирают три параллельных пробы объемом 1 л каждая, при необходимости подкисляют концентрированной соляной кислотой до рН 3-4 и упаривают на электрической плитке до объема 50-70 мл, переносят в термостойкий стакан объемом 0.1 л и упаривают до объема 5-8 мл. Далее раствор охлаждают, нейтрализуют концентрированным раствором аммиака до рН 5-7 (объем подготовленной пробы не должен превышать 10 мл) и вносят во флаконы для жидкосцинтилляционного счета, предварительно заполненные 10 мл сцинтилляционного коктейля. Содержимое флаконов тщательно перемешивают и выдерживают в темноте не менее 12 ч перед измерением. Одновременно с анализируемой пробой по аналогии готовят фоновую, в которую вносят такой же объем деионизованной воды, как и подготовленной пробы.

При концентрировании проб упариванием могут быть утеряны некоторые радионуклиды, например ²²²Rn, ²²⁰Rn, находящиеся в воде в виде растворенных газов, поэтому их наличие и количество необходимо оценить измерением 10 мл не концентрированной пробы на жидкосцинтилляционном анализаторе.

I.2.2. Подготовка твердых проб (почвы, грунта и др.).

Отобранную твердую пробу, например, почвы весом 1 кг высушивают в течение 6-8 ч при температуре 60^oС в сушильном шкафу. В зависимости от вида пробы (песок, глина) и ее твердости ее либо предварительно измельчают в фарфоровой ступке, либо сразу рассеивают на вибростоле с набором сит различного диаметра. Самую мелкую фракцию (0.5 мм и менее) делят методом квартования и отбирают для анализа навеску 20 г. Дальнейшую подготовку твердых проб проводят с помощью кислотного разложения или микроволновой технологии.

I.2.2.1. Подготовка твердых проб путем кислотного разложения.

Перед вскрытием пробы проводят ее отжиг от возможно присутствующих органических примесей, которые могут вызывать дополнительное окрашивание подготовленного образца и служить причиной оптического тушения. Отжиг ведут в течение 5-7 ч при температуре 450-550^oС. Возможную потерю изотопов цезия и иода предварительно оценивают гамма-спектрометрией неотожженной пробы. Для отжига берут 10-20 г тонкоизмельченной пробы. После отжига берут навеску 3-5 г пробы и проводят ее кислотное вскрытие с помощью концентрированной азотной кислоты НNО₃ и концентрированной перекиси водорода Н₂O₂. Навеску пробы переносят в термостойкий стеклянный стакан объемом 150-200 мл, приливают 40 мл концентрированной азотной кислоты, 2 мл 30% перекиси водорода. Смесь перемешивают, накрывают часовым стеклом и нагревают на электрической плитке в течение 1 ч. Затем смесь фильтруют на воронке с фильтром "синяя лента", остаток с фильтром переносят в тот же стакан, вносят такие же объемы азотной кислоты и перекиси водорода и процесс повторяют. Осадок на фильтре промывают 20 мл 6Н азотной кислоты. Все три кислотные вытяжки объединяют. Объединенную кислотную вытяжку объемом 40-60 мл концентрируют упариванием. Упаривают вытяжку до состояния влажных солей.

При подготовке пробы к жидкосцинтилляционному счету с минимизацией нежелательных процессов химического и оптического тушения и хемолюминесценции проводят следующие операции.

Для снижения степени химического тушения переводят азотнокислый раствор в солянокислый. К влажному остатку приливают 20 мл горячей дистиллированной воды, растворяют остаток и упаривают до состояния влажных солей. К остатку приливают 20 мл раствора горячей 1Н соляной кислоты до полного растворения осадка и упаривают до состояния влажных солей. Этим обеспечивается перевод нитратов в хлориды и окончательная отгонка окислов азота. Далее к остатку приливают 10 мл горячей дистиллированной воды и вновь упаривают до состояния влажных солей для удаления избытка хлора, являющегося сильным тушителем. Остаток растворяют в 3-5 мл горячей соляной кислоты.

Для снижения степени оптического тушения раствора переводят составляющие его хлориды в пирофосфатные комплексы. Для этого в солянокислый раствор (охлажденный) при перемешивании вносят 2 мл концентрированной ортофосфорной кислоты (Н₃РO₄).

Для образования пирофосфорной кислоты (Н₄Р₂O₇) по реакции:
2 Н₃РO₄-->Н₄Р₂O₇+H₂O
солянокислый раствор с добавленной Н₃РO₄ нагревают до температуры ≥200^oС,
При нагревании и упаривании соляная кислота удаляется, раствор Н₃РO₄ постепенно концентрируется и образуется пирофосфорная кислота, с которой в свою очередь реагируют катионы металлов с образованием устойчивых пирофосфатных комплексов. Раствор упаривают до образования вязкой массы. В процессе упаривания в кипящий раствор этой массы 2-3 раза (T≥200^oС) добавляют небольшими порциями (5-10мл) горячую дистиллированную воду для удаления остатка хлора и по каплям 300-500 мкл 30%-ной Н₂O₂ для дополнительного разложения органических соединений, возможно присутствующих в растворе после отжига пробы.

Раствор при этом обесцвечивается вследствие образования бесцветных пирофосфатных комплексов. Упаривание ведут до объема не менее 1,5-2 мл. Далее раствор охлаждают до температуры приблизительно 30^oС и при необходимости (если начался процесс стеклования) добавляют 1 мл горячей дистиллированной воды и раствор тщательно перемешивают до однородной консистенции.

Для подавления процессов хемолюминесценции в раствор при перемешивании добавляют 1 мл насыщенного свежеприготовленного раствора хлорида двухвалентного олова.

При подготовке низкоактивных проб после кислотного разложения проводят радиохимическую очистку определяемых альфа-излучающих радионуклидов методами ионного обмена, экстракцией и т.д.

Для подготовки пробы к измерению полученный раствор переносят в измерительный флакон для ЖСС, предварительно заполненный 10 мл сцинтилляционного коктейля марки "Ultima Gold AB" фирмы "Canberra Packard" (США) и добавляют 1 мл концентрированного раствора эмульгатора - октилфенолдека-этиленгликолевого эфира (С₃₄Н₆₂O₁₁) - "TRITON X-100", повышающего эмульгирующую способность сцинтилляционного коктейля и растворимость в нем солей.

Для подавления фотолюминесценции подготовленную таким образом пробу выдерживают не менее 12 ч в затемненном месте и затем измеряют на жидкосцинтилляционном счетчике.

I.2.2.2. Подготовка твердых проб с помощью микроволновой технологии.

Мелкодисперсную фракцию отквартованной пробы измельчают в планетарной микромельнице до размера 0.1 мм и менее, отбирают навеску 5-10 г и вносят во фторопластовые стаканы ротора микроволновой печи. В каждый из стаканов вносят также по 10 мл смеси концентрированной азотной кислоты и 30% перекиси водорода в объемном соотношении 9:1. Стаканы закрывают специальными крышками с перепускными клапанами, помещают в ротор и устанавливают в микроволновую печь. Процесс разложения пробы проводится в следующих режимах: 5 мин при 250 Вт импульсного микроволнового излучения, 10 мин - 400 Вт и 5 мин - 500 Вт. Благодаря равномерному микроволновому нагреву пробы в закрытом объеме в реакционной среде создаются высокие температура и давление, позволяющие на порядок сократить время вскрытия пробы и способствующие в большинстве случаев ее полному разложению.

После окончания процесса и охлаждения пробы ее фильтруют (в случае неполного разложения), остаток на фильтре промывают 2 раза по 5 мл 5 М азотной кислоты, кислотные фракции объединяют и подготавливают для жидкосцинтилляционного счета, как описано в п.1.2.2.1.

I.2.3. Подготовка проб растительности.

Пробы растительности высушивают в течение 6-8 ч при температуре 60^oС в сушильном шкафу. Высушенные пробы измельчают с помощью мельницы, взвешивают, помещают в фарфоровые тигли с крышками и озоляют в муфельной печи в течение 6-7 ч при 400-450^oС. После завершения озоления и охлаждения тиглей в них заливают 10-20 мл концентрированной азотной кислоты (в зависимости от количества полученной золы) и проводят кислотное выщелачивание и подготовку для жидкосцинтилляционного счета, как описано для проб почвы.

I.2.4. Подготовка проб воздуха.

Фильтры, состоящие из ткани Петрянова, измельчают ножницами, помещают в фарфоровые тигли с крышками и озоляют в муфельной печи в течение нескольких часов при 400-450^oС. После завершения озоления и охлаждения тиглей в них заливают 10-20 мл концентрированной азотной кислоты (в зависимости от количества полученной золы) и проводят кислотное выщелачивание и подготовку для жидкосцинтилляционного счета, как описано для проб почвы.

I.2.5. Подготовка фоновых образцов.

При анализе проб воды, почвы, растительности и воздуха в качестве фоновых используют образцы, приготовленные смешением во флаконах для жидкосцинтилляционного счета (объемом 20 мл) 10 мл сцинтилляционного коктейля с объемом 1 н. соляной кислоты (или ее смеси с раствором хлорида олова), равным объему подготовленной и внесенной в измерительный флакон пробы.

II. Предварительное измерение спектра пробы и оценка активности и энергетического диапазона альфа-излучающих радионуклидов в пробе.

Подготовленную пробу измеряют на жидкостном сцинтилляционном счетчике в течение времени, необходимого для оценки активности и энергетического диапазона альфа-излучения. Затем, исходя из полученных значений скорости счета импульсов и формы спектра, определяют интегральную активность и приблизительный энергетический диапазон альфа-излучения анализируемой пробы.

III. Выбор и введение в пробу внутреннего стандарта.

После проведения оценки активности и энергетического интервала альфа-излучающих радионуклидов в пробе выбирают в качестве внутреннего стандарта изотоп, энергия альфа-излучения которого отличается от энергий альфа-излучателей в анализируемой пробе не менее чем на разрешение спектрометра для энергии выбранного внутреннего стандарта (0.3-1 МэВ). Таким изотопами могут быть ¹⁴⁸Gd, ¹⁵²Gd, ¹⁴⁷Sm, ²¹⁴Ро, ²⁴⁴Pu, ²⁴³Cm, ²⁴⁴Cm, ²⁴⁷Cm, ²⁴⁸Cm, ²⁴⁸Сf и др.

Далее вводят в анализируемую пробу рассчитанное исходя из суммарной активности анализируемой пробы количество выбранного внутреннего стандарта.

IV. Измерение и запись спектра пробы.

При измерении спектра пробы выполняют следующие операции.

Подготовленную пробу измеряют на жидкостном сцинтилляционном счетчике в течение времени, необходимого для набора необходимой статистики. Записываются необходимые для дальнейших расчетов параметры (индекс пробы и время измерения) и полученный спектр образца в виде файла с распределением количества зарегистрированных импульсов по энергетическим каналам многоканального анализатора.

V. Получение эмпирических формул для построения модельных спектров.

Форма спектра моноэнергетического альфа-излучателя, измеренного на жидкостном сцинтилляционном спектрометре, описывается асимметричным распределением Гаусса (фиг.2):

где S - площадь пика,
σ₁ и σ₂ - левая и правая полуширины распределения,
μ - центр распределения,
n_k - номер канала амплитудного анализатора спектрометра,
E_α - энергия альфа-излучения.

Параметр μ распределения Гаусса зависит от энергии альфа-излучения E_α и величины тушения пробы Т, а параметры σ₁ и σ₂ зависят от энергии альфа-излучения, величины и типа тушения пробы Q:
μ = μ(E_α,T); (2)
σ₁ = σ₁(E_α, T, Q), σ₂ = σ₂(E_α, T, Q), (3)
Данные зависимости зависят от технических характеристик жидкосцинтилляционного спектрометра и используемого сцинтилляционного коктейля и для каждого спектрометра и коктейля определяются эмпирическим путем.

Для этого проводится минимизация разницы между реальными спектрами, снятыми при различных тушениях для различных альфа-излучающих изотопов (с энергиями, перекрывающими весь энергетический диапазон), и модельными спектрами, описываемыми асимметричным распределением Гаусса, где параметрами минимизации являются параметры распределения Гаусса. Используемый метод мимнимизации будет описан в п/пVIII. Полученный набор параметров используется для вывода эмпирических формул.

Как правило, спектр альфа-излучающего изотопа состоит из нескольких моноэнергетических линий. При построении модельного спектра пробы или внутреннего стандарта каждая линия описывается отдельным распределением Гаусса.

VI. Определение по пику внутреннего стандарта величины и типа тушения.

Определение величины и типа тушения производится на основе того, что нам известна энергия альфа-излучения введенного внутреннего стандарта и зависимости (2) и (3). Выделив участок измеренного спектра пробы, в котором находится пик внутреннего стандарта (фиг.3), и создав модельный спектр, представляющий собой распределение Гаусса (1) для энергии внутреннего стандарта E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{BC}}{\text{α}}$ (или сумму распределений, если внутренний стандарт имеет несколько альфа-линий), проводим минимизацию отклонения спектра пробы от модельного, где параметрами минимизации являются параметры распределения Гаусса (так же, как это делалось в п/п V для вывода эмпирических формул).

Получив таким образом параметры μ_BC, σ_1BC и σ_2BC, из формулы (2), решая уравнение μ_BC = μ(E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{BC}}{\text{α}}$ , T), определяем величину тушения Т пробы и, далее, из формулы (3), подставив полученное значение тушения, решая уравнения σ_1BC = σ₁(E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{BC}}{\text{α}}$ , T, Q), σ₂ = σ₂(E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{BC}}{\text{α}}$ , T, Q), определяем тип тушения Q.

VII. Построение модельного спектра.

Модельный спектр, которым моделируется спектр пробы, строится исходя из того, что каждая энергетическая линия каждого альфа-излучателя, который может присутствовать в пробе, описывается ассиметричным распределением Гаусса (1):

где i и I - индекс радионуклидов, которые могут присутствовать в пробе, и их количество,

- модельный спектр i-го радионуклида,
N_i - количество импульсов, вызванных активностью i-го радионуклида,
j и J - индекс энергетической линии радионуклида и их количество,
p_ij - вклад j-й энергетической линии в активность i-го радионуклида (Σp_ij/= 1),

- распределение Гаусса, описывающее каждую линию радионуклида.

Значения E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{ij}}{\text{α}}$ и p_ij - берутся из справочников по радионуклидам, параметры Гаусса μ(E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{ij}}{\text{α}}$ , T), Т и Q определены на предыдущем этапе, σ₁(Eα^ij, T, Q) и σ₂(E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{ij}}{\text{α}}$ , T, Q) рассчитываются по эмпирическим формулам (2) и (3).

VIII. Минимизация отклонения модельного спектра от спектра пробы.

В формулах (4)-(6) единственными неопределенными параметрами остаются N_i - количество импульсов, вызванных активностью каждого радионуклида. Для его нахождения минимизируют разницу между модельным спектром и спектром пробы Р(n_k) следующим образом:

где Р(n_k) - спектр пробы,
δ - коэффициент устойчивости процесса минимизации.

Здесь деление на min(P(n_k), M(n_k)) (переход к относительному отклонению), а не просто на Р(п_k), используют для повышения чувствительности к "низкоактивным" областям спектра, так как это позволяет еще более увеличить роль слагаемых с малыми значениями M(n_k).

Коэффициент устойчивости δ является малой добавкой, необходимой для исключения деления на ноль при min(P(n_k), M(n_k))=0 и исключения неустойчивости решения (7) из-за слагаемых, в которых член min(P(n_k), M(n_k)) меньше статистического разброса значений Р_i.

Выбор коэффициента δ одновременно влияет как на устойчивость решения (чем больше δ, тем лучше устойчивость), так и на чувствительность способа к малоактивным элементам (чем больше δ, тем хуже чувствительность). При расчете сначала выбирают большую величину коэффициента δ, находят минимум выражения (7), после чего δ уменьшают и повторяют процесс минимизации. При этом исходными значениями N_i для каждого следующего шага являются результаты предыдущего шага. Расчет останавливают, когда процесс минимизации выражения (7) становится неустойчивым.

IX. Расчет активности радионуклидов.

Искомая активность радионуклидов в пробе А_i рассчитывается, исходя из полученных значений N_i и времени измерения пробы t:

где ε_i - эффективность регистрации.

Таким образом, в результате измерения и обработки спектра пробы идентифицирован радионуклидный состав и получены активности каждого входящего в состав пробы радионуклида.

Примеры осуществления способа.

Пример 1. Тестирование разработанного подхода на модельной смеси.

Готовят смесь образцовых растворов радионуклидов в 0.1М НС1: ²³⁶Рu-1.8Бк, ²³⁹Pu-4Бк, ²³⁶U-2.8Бк суммарным объемом 200мкл. Смесь вносят в измерительный флакон, предварительно заполненный 10мл сцинтилляционного коктейля UltimaGold АВ. Подготовленную пробу для оценки активности и энергетического диапазона альфа-излучения измеряют на жидкостном сцинтилляционном счетчике в течение 5 мин. Интегральная активность анализируемой пробы составила ~9 Бк. Энергетический диапазон альфа-излучения ~4-6 МэВ.

В качестве внутреннего стандарта выбирают ¹⁴⁸Gd, энергия альфа-излучения которого составляет 3.18 МэВ, и добавляют в счетный образец в количестве 2.4 Бк.

Образец тщательно перемешивают и измеряют на ЖСС в течение 999 мин. Измеренный спектр представлен на фиг.3.

Из суммарного спектра смеси выделяют энергетический диапазон, соответствующий пику внутреннего стандарта (200-440 каналы анализатора) и аппроксимируют спектр в этом диапазоне распределением Гаусса (1). В результате получают параметры распределения Гаусса: μ_BC=340, σ_1BC=39, σ_2BC=26. Решая уравнение μ_BC = μ(E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{BC}}{\text{α}}$ , T), получают величину тушения пробы T=751. Решая уравнения σ_1BC = σ₁(E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{BC}}{\text{α}}$ , T, Q), σ₂ = σ₂(E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{BC}}{\text{α}}$ , T, Q), определяют тип тушения (химическое).

Используя формулы (4)-(6), полученные параметры тушения и справочные данные по альфа-излучению изотопов (табл.1), строят модельный спектр и, минимизируя функционал (7), получают количество импульсов для каждого радионуклида в смеси.

Используя формулу (8), переходят к искомым активностям (табл.2).

Пример 2. Определение содержания изотопов Рu в технологической пробе.

Для анализа отбирают технологическую твердую пробу с одного из ПЗРО России. Отбор, вскрытие и подготовку счетного образца проводят согласно описанию в п. 1.2.2.1 для подготовки твердого образца [2]. Радиохимическое выделение изотопов Рu проводят с помощью ионообменной хроматографии по стандартным методикам.

Подготовленную пробу для оценки активности и энергетического диапазона альфа-излучения измеряют на жидкостном сцинтилляционном счетчике в течение 5 мин. Интегральная активность анализируемой пробы составила ~16 Бк. Энергетический диапазон альфа-излучения ~5-6 МэВ.

В качестве внутреннего стандарта выбирают ¹⁴⁸Gd, энергия альфа-излучения которого составляет 3.18 МэВ, и добавляют в счетный образец в количестве 2.4 Бк.

Образец тщательно перемешивают и измеряют на ЖСС в течение 999 мин. Измеренный спектр представлен на фиг.4.

Из суммарного спектра смеси выделяют энергетический диапазон, соответствующий пику внутреннего стандарта (200-400 каналы анализатора) и аппроксимируют спектр в этом диапазоне распределением Гаусса (1). В результате получают параметры распределения Гаусса: μ_BC=314, σ_1BC=25, σ_2BC=35. Решая уравнение μ_BC = μ(E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{BC}}{\text{α}}$ , T), получают величину тушения пробы T=574. Решая уравнения σ_1BC = σ₁(E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{BC}}{\text{α}}$ , T, Q), σ₂ = σ₂(E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{BC}}{\text{α}}$ , T, Q), определяют тип тушения (химическое).

Используя формулы (4)-(6), полученные параметры тушения и справочные данные по альфа-излучению изотопов (табл.3), строят модельный спектр и, минимизируя функционал (7), получают количество импульсов для каждого радионуклида в смеси.

Используя формулу (8), переходят к искомым активностям (табл.4).

В результате проведенного отбора, пробоподготовки, измерения и обработки спектров пробы идентифицирован радионуклидный состав и получены активности каждого входящего в состав пробы радионуклида.

Техническая эффективность предложенного способа по сравнению с прототипом заключается в более корректном определении фактора тушения и построении модельного спектра, увеличении чувствительности спектрометрического анализа и повышении достоверности идентификации и точности определения содержания альфа-излучающих радионуклидов в пробах с использованием ЖСС.

Техническая эффективность предложенного способа по сравнению с прототипом заключается в точном определении величины и типа тушения, основанном на введении специального внутреннего стандарта, более корректном построении модельного спектра, основанном на описании элементарных спектров асимметричными распределениями Гаусса, что позволяет исключить из ЖСС-анализа дорогостоящий и трудоемкий процесс создания радионуклидной спектральной библиотеки и приводит к увеличению чувствительности спектрометрического анализа, повышению достоверности идентификации и точности определения содержания альфа-излучающих радионуклидов в пробах.

Источники информации
1. РСТ 91/10922, MПK G 01 T 1/204.

2. Патент 2132074, МПК G 01 T 1/204.

Claims (4)

1. Способ идентификации альфа-излучающих радионуклидов в пробах с использованием жидкостного сцинтилляционного счетчика, включающий отбор проб окружающей среды и технологических проб, обработку проб, подготовку проб для измерения на жидкостном сцинтилляционном счетчике, измерение и запись спектра пробы и параметров измерения, создание модельного спектра пробы, минимизацию отклонения модельного спектра от спектра пробы и определение содержания альфа-излучающих радионуклидов в пробе, отличающийся тем, что при подготовке пробы предварительно определяют суммарную активность анализируемой пробы и энергетический интервал альфа-излучающих радионуклидов в пробе, а затем в пробу вводят раствор изотопа в качестве внутреннего стандарта с определенной энергией и заданной активностью альфа-излучения, измеряют и записывают спектр альфа-излучения пробы, на основании результатов измерения спектра пробы, минимизируя отклонение модельного спектра от спектра пробы в области внутреннего стандарта, определяют параметры асимметричного распределения Гаусса, описывающего пик внутреннего стандарта, по этим параметрам, используя эмпирические формулы зависимостей параметров от тушения для энергии альфа-излучения внутреннего стандарта, определяют величину и тип тушения анализируемой пробы, по полученным значениям величины и типа тушения пробы, используя формулы зависимости параметров асимметричного распределения Гаусса от энергии и тушения и справочных данных по альфа-излучающим радионуклидам, составляют модельный спектр.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве внутреннего стандарта выбирают альфа-излучатель, энергия которого отличается от энергий альфа-излучателей в анализируемой пробе не менее чем на разрешение спектрометра для энергии выбранного внутреннего стандарта (0,3-1 МэВ).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что выбирают в качестве внутреннего стандарта изотопы: ¹⁴⁸Gd, ¹⁵²Gd, ¹⁴⁷Sm, ²¹⁴Po, ²⁴⁴Pu, ²⁴³Cm, ²⁴⁴Cm, ²⁴⁷Cm, ²⁴⁸Cm, ²⁴⁸Cf.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при составлении модельного спектра вклад в него каждого радионуклида представляют в виде суммы асимметричных распределений Гаусса, каждое из которых описывает отдельную энергетическую линию альфа-излучения радионуклида.

Images