230
Способ определения активности изотопа Th (тория) в урансодержащих минералах
230
METHOD OF DETERMINING Th (THORIUM) ISOTOPE ACTIVITY IN URANIUM-CONTAINING MINERALS

230
230
234
228
229
Необходимость определять величину полной радиоактивности изотопа Th в пробе возникает при решении ряда задач геохронологии объектов литосферы или построения хронологической шкалы некоторых геологических процессов, при исследовании эффектов нарушенного радиоактивного равновесия в ряду урана-238 в результате природного фракционирования изотопов или миграции свободного урана и т.д. Для корректного определение величины альфа-активности Th используют радиотрассеры: Th, Th, Th.
229
Использование в качестве трассера изотопа тория Th представляется наиболее оптимальным вариантом решения данной задачи [1-2]. Однако в этом случае предъявляются достаточно высокие требования к используемому альфа-спектрометрическому оборудованию и к качеству изготавливаемых альфа-источников, поскольку альфа-линии трассера и целевого нуклида в суммарном альфа-спектре разделены интервалом 126-157 кэВ. Наложение низкоэнергетических хвостов альфа-пиков может негативно отразиться на точности получаемых результатов.
228
228
228
232
228
230
Подобная проблема не возникает при использовании в качестве трассера радионуклида Th. Однако в этом случае мы встречаемся с трудностями иного происхождения: Th является дочерним продуктом распада тория-232 и присутствует во всех объектах литосферы, где обнаруживается материнский изотоп. В работе [3] эта проблема была преодолена путем двойного анализа минерала: без трассеров и с добавлением радионуклидов Th и U (очищенного от дочернего нуклида Th). В отсутствии других возможностей описанная методика может быть использована для определения содержания радионулида Th в образцах литосферы. Но вполне очевидно, что она более трудоемка, а получаемые результаты отягощены повышенной погрешностью.
234
230
232
234
234
234
Вероятно, наиболее простым способом следует считать применение в качестве трассера бета-излучателя Th [4]. Многочисленные примеры исследований геохронологического характера Th/U-методом с использованием трассеров U и Th детально изложены в монографии [5]. Единственным естественным ограничением для применения нуклида Th может явиться высокая концентрация урана в исследуемом образце, в равновесии с которым находится дочерний изотоп Th.
230
234
234m
232
238
С учетом изложенных обстоятельств в настоящей работе предлагается метод определения величины AR(Th/U), отличающийся тем, что контроль химического выхода фракции тория проводится по бета-излучению изотопа Th(Pa), содержащегося в минерале, величина полной радиоактивности которого в минерале определяется с помощью радиотрассера U по измеренной величине альфа-активности изотопа U.
Способ осуществляется следующим образом.
α
238
238
230
230
1. Измеряется альфа-активность химических фракций урана и тория. По урановому радиотрассеру и известному коэффициенту регистрации (коэффициенту счетности) альфа-излучения (θ) рассчитывается величина полной активности U в изучаемом образце А(U), Bq. Регистрируемая альфа-активность Th обозначена как A(Th), имп/с.
230
234
234
2
234m
234
234
2. Измеряется фон бета-установки и бета-активность источника Th(Th). Для задержки мягкого бета-излучения Th используется поглотитель толщиной около 40 мг/см (включая толщину окна бета-счетчика). Регистрация производится по бета-излучению Ра с максимальной энергией 2300 keV и выходом 98%. Полученная величина пересчитывается на момент выделения фракции тория из исследуемого образца с учетом периода полураспада нуклида Th, равного 24,1 дням. Данная активность обозначена как A(Th) имп/с.
β
3. С тем же поглотителем измеряется бета-активность стандартного препарата урана с известной полной величиной альфа-активности (Бк) и рассчитывается эффективность регистрации (коэффициент счетности) бета-частиц (θ) в данном энергетическом диапазоне при используемом телесном угле измерений.
β
β
230
234
4. С учетом найденного коэффициента счетности θ рассчитывается полная бета-активность источника Th как отношение A(Th), имп/с/ θ.
238
234
230
α
5. Зная полную альфа-активность изотопа U в изучаемом образце и, следовательно, соответствующую активность дочернего нуклида Th, рассчитываем химический выход (Р) изотопа Тh:
230
6. Находим полную альфа-активность Th в навеске минерала с учетом найденного химического выхода ториевой фракции и коэффициента счетности θα. Вид окончательной формулы для расчета следующий:
234
234
230
234
Таким образом, можно отметить два преимущества, возникающих при использовании в качестве ториевого трассера нуклида Th, содержащегося в изучаемом образце, вместо приготовления трассера Th. Во-первых, исчезает необходимость изготавливать каждые 1-2 месяца новый раствор трассера с известной (на момент изготовления) удельной активностью тория-234. Во-вторых, не требуется при расчетах активности Th постоянно вводить в соответствующее уравнение скользящую величину доли изотопа Th, распавшегося за время, прошедшее со дня изготовления трассера.
Пример конкретного выполнения.
232
Объектом исследований был образец метамиктного минерала (Ti-Ta-ниобата). Для выполнения двух параллельных опытов были отобраны 2 навески (№1 и №2) порошка минерала по 7 мг каждая. Для определения содержания и изотопного состава U (Th) в образцах необходимо полное разложение минералов. Это достигалось растворением образцов в концентрированной HF, а затем в царской водке. Фракции U и Th после кислотного разложения проб выделяли методом анионообменной хроматографии. Используя известную методику [6], были приготовлены альфа-источники фракции урана и фракции тория. В качестве трассера для определения выхода U использовался изотоп U.
Предложенный способ включает последовательное выполнение определения полной величины альфа-активности урана-238 в пробе, затем определение коэффициента счетности бета-установки, после чего определение химического выхода тория-230 и полной альфа-активности 230Th в пробе. Каждая из этих процедур ниже поясняется в данном примере реализации заявленного способа.
1. Определение полной величины альфа-активности урана-238 в навесках 1 и 2
238
232
238
Результаты двух параллельных опытов следующие: измеренная на альфа-спектрометре активность изотопа U, выделенного из первой навески, составила 0.697±0.003 имп/с., из второй - 0.478±0.003 имп/с. При этом химический выход урана, определенный с использованием радиотрассера U, для первого источника составил величину 0.720±0.011, для второго - 0.52. С учетом величин химического выхода и известного коэффициента счетности альфа-частиц (0.365) величина A(U) составила 2.652±0.041Bq для навески №1 и 2.518±0.047 Bq для навески №2.
2. Определение коэффициента счетности бета-установки
Полная альфа-активность стандартного препарата урана-238 равна 6.05 Bq.
β
Бета-активность этого источника равна 2 имп/с. Таким образом, коэффициент счетности бета-частиц θ=0.33.
3. Определение химического выхода тория-230 для навесок 1 и 2
230
230
α
Величины бета-активности A(Th, имп/с) после вычитания фона и отнесения на момент выделения фракции тория составили: 0.588±0.006 имп/с для навески №1 и 0.614±0.005 имп/с для навески №2. Следовательно, полная бета-активность первого источника равна 0.588:0.33=1.78±0.018 Bq, второго: 0.614:0.33=1.861±0.015 Bq. Соответственно, химический выход Р изотопа Th в первом случае составил: 1.78:2.65=0.672±0.012, во втором случае: 1.86:2.52=0.739±0.015.
230
4. Определение полной альфа-активности Th в навесках
230
230
α
Навеска 1. Измеренная альфа-активность изотопа Th составила 0.738±0.003 имп/с. С учетом величин химического выхода Р и коэффициента счетности альфа-частиц рассчитываем полную альфа-активность Th в образце:
230
230
Навеска 2. Измеренная альфа-активность изотопа Th составила 0.781 имп/с. Полная альфа-активность Th в образце:
230
5. Определение отношения активностей Th/U
238
230
238
Про необходимости нетрудно найти отношение активности тория-230 к активности U. Средняя величина активности урана-238, содержащегося в 7 мг минерала, равна 2.585±0.031 Bq. Соответственно, средняя величина активности тория-230 составила 2.952±0.037 Bq. Таким образом, для исследуемого минерала AR(Th/U)=2.955:2.585=1.142±0.020.
230
238
Соотношение активности Th/U больше единицы, Это величина отражает нарушение векового равновесия в ряду урана в изучаемом образце и позволяет рассчитать константу скорости инконгруентного растворения урана под действием природных флюидов В свою очередь эта величина дает косвенные сведения об устойчивости «иловых» форм актинидов в минералоподобных матрицах радиоактивных отходов.
230
234
234m
232
238
Полученные результаты, иллюстрируемые конкретным расчетом с использованием реальных экспериментальных данных, свидетельствуют, что предложенный метод дает верную оценку величины радиоактивности Th. Это достигается тем, что контроль химического выхода фракции тория проводится по бета-излучению изотопа Th(Pa), содержащегося в минерале, величина полной радиоактивности которого в минерале определяется с помощью радиотрассера U по измеренной величине альфа-активности изотопа U.
Список используемой литературы
229
[1] Lavison, P. de., Husband, L.J., Jerome, S.M., Keightley, J.D., Woodman, A.P., Woods, D.H., Woods, S.A., 2000. The standardisation of Th for an environmental yield tracer. Applied Radiation and Isotopes 53 (1-2), 243-249.
[2] Tuovinen, H., Vesterbacka, D., Pohjolainen, E., Read, D., Solatie, D., Lehto, J., 2015. A comparison of analytical methods for determining uranium and thorium in ores and mill tailings. J. of Geochemical Exploration 148, 174-180.
238
234
[3] Bogdanov R.V., Batrakov Yu. F., Puchkova E.V., and Sergeev A.S., (2002). On the Kinetics of Natural Leaching of U and U from Rocks and Minerals. Geochemistry International, Vol. 40, No. 11, pp. 1056-1065. (Translated from Geokhimiya, No. 11, pp. 1167-1177.)
230
14
[4] Maksimov, F, Arslanov, Kh., Kuznetsov, V., Chernov, S., 2006. Th/U and C dating of Upper and Middle Pleistocene Interglacial and Interstadial organic deposits from the East-European Plain and Siberia // Pleistocene Environments in Eurasia Chronology, Paleoclimate and Teleconnection. INTAS Final Workshop. Hannover, Germany, 2-3 November, 34-38 (прототип)
[5] Kuznetsov V.Yu., Maksimov F.E. 2012. Methods of Quaternary geochronometry in palaeogeography and marine geology. Saint-Petersburg, «NAUKA», 192 p. (In Russian).
[6] Bogdanov, R.V., Puchkova, E.V., Parnikov, N.G., Sergeev, A.S., 2011. Radiogenic Uranium in Paragenetic Mineral Associations. Radiochemistry 53 (6), 651-661, (Translated from Radiokhimiya 53 (6), 549-558).