СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ Ra-226 В ПОЧВЕ
METHOD OF DETERMINING SPECIFIC ACTIVITY OF Ra-226 IN SOIL

Изобретение относится к сфере радиационного контроля объектов окружающей среды, а более точно к радиационному контролю почвы, в которую для повышения плодородия вносятся минеральные удобрения. Способ может найти применение в хозяйствах, которые для повышения плодородия систематически вносят в почву минеральные удобрения. Для того чтобы предотвратить чрезмерное накопление Ra-226 в почве сельскохозяйственных угодий, требуется проводить радиационный контроль почвы. Предлагаемый способ дает возможность проводить контроль за удельной активностью Ra-226 в почве при минимальных затратах времени и средств.
Известен эманационный способ определения удельной активности Ra-226 в почве [1]. Этот способ основан на измерении активности радона-222, находящегося в пробе почвы в радиоактивном равновесии с радием-226. К недостаткам способа относится то, что для его осуществления требуется радиохимическое выделение сульфата радия-бария в трилоне Б с применением плавиковой, азотной, соляной и серной кислот, а также необходимость применения анализатора для измерения альфа-активности пробы.
Другой, радиометрический способ определения Ra-226 в почве [2], имеет те же недостатки, что и предыдущий способ. Дополнительным недостатком этого способа является необходимость радиохимического выделения осадка сульфата радия-бария, используемого для измерения альфа-активности Ra-226. Отпадает только необходимость накопления радона-222.
Определение Ra-226 в почве путем альфа-спектрометрии практически нереально из-за присутствия в почве U-234, испускающего при распаде альфа-частицы такой же энергии (4,773 МэВ), как и альфа-частицы, испускаемые Ra-226 (4,785 МэВ) [3].
Наиболее близким к заявляемому является способ определения Ra-226 в почве путем снятия гамма-спектра от пробы почвы полупроводниковым германиевым детектором [4]. Недостатком этого способа является необходимость калибровки энергетической шкалы гамма-спекрометра методом многих гамма-источников, требующим использования набора калиброванных гамма-излучателей с известными активностями и энергиями испускаемых фотонов, например, в виде комплекта образцовых спектрометрических гамма-источников (ОСГИ).
Целью заявляемого способа является упрощение анализа почвы на содержание Ra-226.
1
1
2
2
Цель достигается тем, что в известном способе определения удельной активности Ra-226 в почве, включающем снятие гамма-спектра гамма-спектрометром с германиевым детектором от пробы почвы, с целью упрощения перед снятием гамма-спектра пробу почвы помещают в герметичную емкость и выдерживают в ней не менее 20 суток, после чего измеряют число импульсов n от фотонов с энергией 0,6093 МэВ гамма-линии Bi-214, накопленных детектором в используемой геометрии измерения от пробы почвы за время t, тем же детектором и в той же геометрии измеряют число импульсов n от фотонов с энергией 1,46 МэВ гамма-линии К-40 от пробы соли хлористого калия, накопленных за время t, a удельную активность Ra-226 в пробе почвы рассчитывают по формуле
1
где: a - удельная активность Ra-226 в пробе почвы, Бк/г;
1
2
е[e] - эффективность детектора для фотонов Bi-214 гамма-линии 0,6093 МэВ [К-40 гамма-линии 1,46 МэВ];
1
2
-1
m[m]- линейный коэффициент ослабления фотонов Bi-214 в почве [фотонов К-40 в соли KCl], см;
1
i
р,…,p - параметры, определяющие геометрию измерения пробы;
1
1
i
2
1
i
F(m,p,…,p) [F(m,р,…,p)] - функция геометрии измерения потока фотонов от пробы почвы [соли KCl], см.
Полную энергию, высвобождаемую при распаде радионуклида, сохраняют только нерассеянные фотоны. Мощность потока нерассеянных фотонов данной энергии в используемой геометрии измерения от пробы, содержащей радионуклид, можно рассчитать по формуле
2
где Ф - мощность потока нерассеянных фотонов, фотонов/(сек·см);
а - удельная активность радионуклида в пробе, Бк/г,
3
d - плотность материала пробы, г/см;
f - доля распадов радионуклида, сопровождающихся испусканием фотонов данной энергии, фотона/распад;
-1
m - линейный коэффициент ослабления фотонов данной энергии в веществе пробы, см.
1
i
F(m,p,…,p) - функция геометрии измерения потока фотонов от пробы, см.
2
1
2
При одинаковой геометрии измерения отношение числа нерассеянных фотонов Bi-214 гамма-линии 0,6093 МэВ к числу нерассеянных фотонов К-40 гамма-линии 1,46 МэВ, испущенных от проб соответственно кремнезема SiO и соли KCl за временные интервалы t и t, равно отношению соответствующих зарегистрированных чисел импульсов от фотонов Bi-214 и от фотонов К-40. Поэтому можно записать
1
2
1
2
где: n[n] - зарегистрированное за интервал t[t] число импульсов от фотонов Bi-214 [К-40];
1
2
t[t] - длительность набора импульсов от фотонов Bi-214 гамма-линии 0,6093 МэВ [К-40 гамма-линии 1,46 МэВ];
1
2
Ф[Ф] - мощность потока нерассеянных фотонов от пробы почвы [соли KCl];
1
2
3
d[d] - плотность почвы [соли KCl], г/см.
1
1
2
2
1
i
Накопленные количества импульсов n от фотонов Bi-214 за время t от пробы почвы и n от фотонов К-40 за время t от пробы соли KCl можно измерить, а величины функции F(m,p,…,p) можно рассчитать исходя из параметров используемых источников излучения фотонов и геометрии измерения.
2
2
2
1
1
1
2
3
3
Для соли KCl, в которой фотоны испускаются при распаде К-40, удельная активность К-40 составляет 14,4 распадов/(сек·г), доля f=0,107 фотона/распад [5] и плотность d=1,988 г/см [6]. Источник из соли КС1 используется для градуировки детектора, а контролю подлежит удельная активность Bi-214 в почве. Доминирующей составляющей вещества почвы является кремнезем SiO, плотность которого d равна 2,26 г/см [6]. Доля f распадов Bi-214, при которых испускаются фотоны с энергией 0,6093 МэВ, составляет 0,461 фотона/распад [7]. Из формулы (3) следует, что удельную активность в почве Bi-214, а следовательно, и удельную активность Ra-226, находящегося в радиоактивном равновесии с Bi-214, можно рассчитать по формуле (1) исходя из результатов измерений числа импульсов n от фотонов Bi-214 в пробе почвы и числа импульсов n от фотонов К-40 в пробе соли KCl.
Пример осуществления способа. Цилиндрический объем из жести радиусом 30 см и высотой 60 см был заполнен солью KCl. Затем коаксиальным германиевым детектором было измерено количество импульсов от фотонов энергии 1,46 МэВ в центральной части нижней торцовой поверхности указанного цилиндрического объема. За 1 час было зарегистрировано 130000 импульсов от фотонов К-40.
Проба почвы такого же объема, как и проба соли KCl, была высушена и помещена в цилиндрический объем из жести с радиусом 30 см и высотой 60 см. Объем с пробой почвы был герметично закрыт в течение 30 суток. По истечении этого срока в центральную часть нижней торцовой поверхности пробы почвы был помещен тот же германиевый детектор, который использовался для измерения количества импульсов от фотонов, испущенных пробой соли KCl. За 2 часа было зарегистрировано 24000 фотонов энергии 0,6093 МэВ. Для потока нерассеянных фотонов данной энергии с центральной части торцовой поверхности цилиндрической пробы функция геометрии измерения потока фотонов от пробы имеет вид [8]
где h и r - высота и радиус цилиндрической пробы, см;
2
E(х) - интегральная показательная функция 2-го порядка;
2
G(x,y) - функция излучения цилиндрического источника [8].
2
1
2
1
2
-1
-1
Линейные коэффициенты ослабления фотонов К-40 в соли KCl и фотонов Bi-214 в кремнеземе (SiO) рассчитаны по методике и табличным данным, приведенным в в справочнике [9]. Получены следующие величины m=0,15 см и m=0,073 см. Расчет величины функции F(m,h,r), выполненный по формуле (4), дал для пробы почвы F(0,15;60;30)=3,09 см и для пробы соли KCl F(0,073; 60; 30)=6,24 см. Эффективность регистрации германиевым детектором фотонов Bi-214 гамма-линии 0,6093 МэВ е=0,9%, а фотонов К-40 гамма-линии 1,46 МэВ - e=0,03% [10].
Результаты выполненных измерений позволяют определить удельную активность Ra-226 в исследованной почве. Расчет выполняется по формуле (1)
Положительный экономический эффект от применения предлагаемого способа обусловлен тем, что по сравнению с существующими способами отпадает необходимость приобретения химических реактивов и комплекта образцовых спектрометрических источников (ОСГИ), а также не нужно выполнять радиохимические процедуры. Требуется только наличие необходимого количества соли KCl и гамма-спектрометр с германиевым детектором, который обычно имеется в лаборатории в том числе и для решения других задач. Ориентировочно экономию денежных средств за счет использования предлагаемого способа можно оценить в сумме около 1 млн. рублей в год.
Литература
1. Методические рекомендации по санитарному контролю за содержанием радиоактивных веществ в объектах внешней среды. Минздрав СССР, М., 1980, с.173-175.
2. Методические рекомендации по санитарному контролю за содержанием радиоактивных веществ в объектах внешней среды. Минздрав СССР, М., 1980, с.176-177.
3. Схемы распада радионуклидов. Энергия и интенсивность излучения. Публикация 38 МКРЗ. Часть 2, книга 2. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.226, с.314.
4. Методические рекомендации по санитарному контролю за содержанием радиоактивных веществ в объектах внешней среды. Минздрав СССР, М., 1980, с.275-280.
5. Схемы распада радионуклидов. Энергия и интенсивность излучения. Публикация 38 МКРЗ. Часть 1, книга 1. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.47.
6. Справочник химика. Т.2. М.: Госхимиздат, 1951.
7. Схемы распада радионуклидов. Энергия и интенсивность излучения. Публикация 38 МКРЗ. Часть 2, книга 2. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.165.
8. Бергельсон Б.Р., Зорикоев Г.А. Справочник по защите от излучений протяженных источников. М.: Атомиздат, 1965, с.17, с.88-101.
9. Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1982.
10. Germanium Detectors. Canberra.