М.И. Афанасов и др. - Основы радиохимии и радиоэкологии (Практикум) (2016)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛомоносоваХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТОсновы радиохимии и радиоэкологииПРАКТИКУММОСКВА 2016Практикум «Основы радиохимии и радиоэкологии» подготовленколлективом преподавателей кафедры радиохимии Химическогофакультета МГУ имени М.В. Ломоносова в составе:Алиев Рамиз Автандилович,Афанасов Михаил Иванович,Афиногенов Алексей МаксимовичБадун Геннадий Александрович,Бердоносов Сергей Серафимович,Гопин Александр ВикторовичКалмыков Степан Николаевич,Куликов Леонид Алексеевич,Северин Александр Валерьевич,Чернышева Мария Григорьевна.Под редакцией профессора Афанасова М.И.Рецензенты:И.Г.

Тананаев – доктор химических наук, профессор, заместитель директора понауке ОТИ Национального ядерного исследовательского университета«МИФИ», член-корр. РАН;Н.Е. Щепина – доктор химических наук, заведующая лабораториейрадиохимии Естественнонаучного института Пермского государственногонационального исследовательского университетаРекомендованоФедеральным учебно-методическим объединением в системе высшегообразования по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки04.00.00 Химия в качестве учебного пособия для обучающихся по основнымобразовательным программам высшего образования уровня бакалавриата понаправлению подготовки 04.03.01 Химия и специальности 04.05.01Фундаментальная и прикладная химия Коллектив авторов, 2016ISBN 978-588762-031-2«ОСНОВЫ РАДИОХИМИИ И РАДИОЭКОЛОГИИ.

ПРАКТИКУМ».Учебное пособие. Под редакцией М.И. АфанасоваМ: ЗАО «ПРИНТ-АТЕЛЬЕ», 20162Кафедра радиохимии с момента ее основания в 1959 г. проводила обучениестудентов Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова по курсу «Методрадиоактивных индикаторов в химии». В последние годы в связи с возрастающейнеобходимостью экологического, в том числе и радиоэкологического мониторингасреды обитания, курс был трансформирован в «Основы радиохимии и радиоэкологии», в рамках которого, начиная с 2013 года, студентам химического факультета ифакультета фундаментальной физико-химической инженерии читается курс лекций.Теоретический материал курса (радиоактивные превращения, законы распада инакопления радионуклидов, взаимодействие излучения с веществом и его регистрация, ядерные реакции, методы получения и разделения радионуклидов, применениерадионуклидов в научных исследованиях, радиационная безопасность, радиоактивность окружающей среды, ядерная медицина, основы ядерной энергетики) приведенв новых учебниках «Радиактивность» (Алиев Р.А., Калмыков С.Н., СПб ; Лань, 2013)и «Радиохимия» (Бекман И.Н., М.; Юрайт, 2014).

Кроме того, ядерно-физические основы радиохимии рассмотрены в книге «Радиоактивные индикаторы в химии. Основы метода» (под редакцией Лукьянова В.Б., М.; Высшая школа, 1985).Настоящее учебное пособия содержит описание 17 лабораторных работ (какправило, по учебному плану студенты выполняют 6-7 работ) с кратким теоретическим введением к каждой работе.Лабораторные работы условно распределены по 3 модулям:1. радиоактивность и методы регистрации радиоактивных излучений;2.

контроль радиационной обстановки и радиоактивность окружающейсреды;3. применение радионуклидов в химии, медицине и других областях наукии техники.В пособии на примере ряда практических работ рассматриваются вопросы математической статистики и обработки результатов измерений. В пособие включеныпримеры расчетных задач по некоторым разделам курса для самостоятельного решения. Приведены необходимые для расчетов справочные таблицы.3РАБОТА 1. ИЗМЕРЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ С ПОМОЩЬЮ СЧЕТЧИКОВГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА1.1.

Принцип работы газовых ионизационных детекторовЯдерное излучение в подавляющем большинстве случаев регистрируется с помощью детекторов – устройств, преобразующих энергию ядерного излучения в соответствующие электрические сигналы, которые затем измеряются и записываются радиометрической аппаратурой. Работа детекторов основана на ионизирующем действииизлучения или эффектах, обусловленных ионизацией вещества. Ниже кратко рассматривается механизм регистрации ядерного излучения с помощью газовых ионизационных детекторов, среди которых наибольшее применение находят счетчики Гейгера-Мюллера.Детекторы представляют собой заполненное газом устройства с двумя электродами,на которые подается высокое напряжение (схема включения на рис.

1.1). Под действием электрического поля электроны и ионы, образовавшиеся при прохожденииядерной частицы (фотона) через рабочий объем детектора, направленно перемещаются к электродам. При этом происходит «разряд» источника высокого напряжения через газовую среду и создается13разность потенциалов (выходCной сигнал) на сопротивленииR. Амплитуда выходного сигнала во многом определяетсяпроцессом развития разряда,R5который, в свою очередь, зави2сит от приложенного напряжения, конструкции детектора+4и состава газа-наполнителя.В настоящей работе используются цилиндрические самогасящиеся галогенные счетчики Гейгера-Мюллера типаРис. 1.1.

Схема включения газового счетчика:СТС, рабочий объем которых1- анод; 2 – катод; 3 – изолятор; 4- источникзаполнен смесью аргона (освысокого напряжения; 5- блок регистрации;новной компонент) и хлораR – нагрузочное сопротивление; C - конденсаторили паров брома (гасящая добавка). Стенки цилиндра являются катодом, а натянута пооси счетчика тонкая металлическая нить – анодом. На электроды подается рабочеенапряжение 400÷450 В. Поскольку диаметры электродов различаются между собой всотни раз, напряженность поля вблизи нити на 2-3 порядка выше, чем около стенкицилиндра.

Следует отметить, что цилиндрический катод-стенка и расположенный коаксиально анод-нить являются общим элементом конструкции счетчиков ГейгераМюллера любого типа.Счетчики Гейгера-Мюллера характеризуются тем, что в некотором интервале подаваемого на электроды напряжения амплитуда выходного сигнала не зависит отэнергии ядерной частицы. Рабочее напряжение, от правильного выбора которого вомногом зависит стабильность работы счетчика, должно соответствовать середине это4го интервала.

В регистрирующих приборах, которые, как правило, снабжены детекторами определенного типа, требуемое (указанное в паспорте) постоянное напряжениеподдерживается автоматически.Рабочее напряжение обеспечивает появление так называемого «прерываемого коронного разряда». Электроны и ионы, образовавшиеся как при прохождении ядернойчастицы (фотона) через рабочий объем детектора, так и на следующих стадиях развития разряда, ускоряются электрическим полем и приобретают энергию, достаточнуюдля ионизации и возбуждения большого числа атомов. В результате в пространствевблизи анода образуются лавины заряженных частиц. Фотоионизация молекул галогена и материала катода электромагнитным излучением возбужденных атомов аргонаспособствует мгновенному распространению разряда вдоль всей длины анода.

В рабочем объеме детектора образуется до 109 пар ионов, причем их число не зависит отпервичной ионизации.Электроны быстро (менее, чем за 106 с) собираются на аноде, что вызывает импульс напряжения на сопротивлении R и позволяет зарегистрировать частицу. Приэтом вокруг анода остается «чехол» малоподвижных положительных ионов инапряженность поля уменьшается настолько, что разряд прерывается, а следующаяядерная частица не может вызвать новых лавин. Счетчик будет готов регистрироватьновую частицу тогда, когда пространственный положительный заряд переместится ккатоду и разность потенциалов между электродами достигнет порогового значения,при котором возможен коронный разряд.

Время восстановления «работоспособности» детектора определяется в основном скоростью дрейфа положительных ионов исоставляет примерно 104 с, что соответствует минимальному интервалу временимежду двумя последовательными частицами, которые могут быть зарегистрированыраздельно (разрешающее время детектора ).Необходимо отметить, что в счетчике, заполненным только аргоном, после восстановления напряжения на электродах коронный разряд развивается уже без участияядерной частицы.

Нейтрализация положительных ионов аргона на катоде и (или)фотоионизация материала стенок приводит к появлению свободных электронов, которые порождают новые ионные лавины и, соответственно, ложный импульс. Через104 с цикл повторяется. В результате возбуждается прерывистый коронный разряди детектор становится нечувствителен к ядерным излучениям. Для устранения ложных разрядов в рабочий объем вводят вещества, молекулы которых имеют существенно более низкий потенциал ионизации, чем атомы аргона.

При столкновенияхионы аргона передают заряд и энергию возбуждения молекулам примеси. Дезактивация этих возбужденных молекул происходит, в основном, безизлучательно и сопровождается их диссоциацией. Таким образом, гасящие добавки резко уменьшают вероятность появления ложных импульсов и полностью исключают возможность возникновения «неуправляемого» коронного разряда.Развитие прерываемого коронного разряда предопределяет большую амплитудувыходного импульса и, соответственно, высокую чувствительность счетчика: частица, создавшая хотя бы одну пару ионов, будет зарегистрирована.

Это делает счетчикиособенно удобными для регистрации –частиц, имеющих непрерывный спектр энергий. Вместе с тем независимость амплитуды импульса от энергии ионизирующей частицы не позволяет использовать счетчики Гейгера-Мюллера в спектрометрическихисследованиях.Важными характеристиками счетчиков являются фон и разрешающее время.5Фон (скорость счета фона) – число импульсов, зарегистрированных прибором вединицу времени, в отсутствие исследуемых радиоактивных препаратов. Фон детектора обусловлен как внешним излучением (космические лучи, естественная радиоактивность конструкционных материалов, лабораторные источники излучения, радиоактивные загрязнения деталей радиометрической установки и т.п.), так и самопроизвольными разрядами в счетчике (ложные импульсы). Поскольку устранить все причины появления фона нельзя, измеряемая скорость счета препарата всегда содержитфоновую составляющую.

Фон оказывает влияние на точность определения скоростисчета радиоактивного вещества и тем большее, чем ниже активность препарата (см.уравнение (1.32)). Очевидно, что фон надо свести к минимуму. В частности, чтобыуменьшить влияния внешнего излучения счетчик обычно помещают в защитный “домик” из свинца.Фон, среднее значение которого указано в техническом паспорте каждого детектора, зависит от типа детектора, его конструкции, а также условий и срока эксплуатации.

Например, у счетчиков типа СТС фон не должен быть выше 110 имп/мин. Превышение этого уровня, при условии правильно установленного рабочего напряженияи отсутствия радиоактивных загрязнений в защитном домике, указывает на выходсчетчика из строя.Разрешающее время (τ) детектора или установки в целом – это минимальный интервал времени между двумя последовательными импульсами (частицами), которые регистрируются раздельно. В течение времени  установка не может фиксировать появление других частиц в рабочем объеме детектора.

Потери при регистрации в общемслучае определяются той частью установки, у которой разрешающее время максимально. Разрешающее время самогасящихся счетчиков Гейгера-Мюллера составляетприблизительно 104 с, сцинтилляционных детекторов - 108÷106 с, полупроводниковых – 108÷107 с. Электронные схемы блоков регистрации конструируются в каждомслучае, как правило, так, чтобы их разрешающее время было меньше указанных значений . Поэтому соответствующие потери определяются детекторами.Пусть в рабочий объем детектора проникает Iт частиц в секунду, каждая из которых ионизирует рабочее вещество. При этом установка фиксирует Iс импульсов (частиц).

Тогда доля незарегистрированных частиц, в первом приближении, составит·Iс, а их среднее число будет равняться Iт··Iс. Число незарегистрированных частицравно:Iт·· Iс = Iт  Iс(1.1)Согласно (1.1), разрешающее время можно рассчитать по уравнению:Iт  IсIт  Iс(1.2)Разрешающее время можно определить, например, по изменению скорости счетасерии препаратов с известной абсолютной активностью (Аi) каждого из них (см.