 |
Газо-ионизационные датчики
|
|
|
|
Методы количественного обнаружения присутствия в образцах экологически опасных радионуклидов
Реферат
Выполнил:
студент БХФ, гр. Х-41,
Мухин М. С.
Проверил:
к. х.н., доц. Логинова Е. В.
Йошкар-Ола
2004
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................ 3
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ............................................................................... 4
2. РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ............................................................................................. 5
2.1. А п п а р а т у р а..................................................................................................................... 6
2.1.1. Газо-ионизационные датчики......................................................................................... 6
2.1.2. Сцинтилляционные счетчики......................................................................................... 7
2.1.3. Полупроводниковые датчики......................................................................................... 8
2.1.4. Эффективность счета................................................................................................... 8
2.2. П р я м о й а н а л и з............................................................................................................. 8
2.3. Р а д и о х и м и ч е с к о е т и т р о в а н и е...................................................................... 9
3. Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой.......................................................... 10
4. Определение отдельных радионуклидов.................................................................................. 12
4.1. Т р и т и й............................................................................................................................... 12
4.2. К а л и й.................................................................................................................................. 12
4.3. Ц е з и й.................................................................................................................................. 12
4.4. С т р о н ц и й........................................................................................................................ 13
4.5. Ц е р и й................................................................................................................................. 13
|
|
|
4.6. П л у т о н и й........................................................................................................................ 14
4.7. У г л е р о д............................................................................................................................ 14
4.8. Й о д........................................................................................................................................ 15
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................................................... 16
ВВЕДЕНИЕ
Развитие ядерной энергетики и использование радионуклидов в различных сферах деятельности человека предъявляет все большие требования к контролю радиоактивности окружающей среды и оценке радиационной обстановки. Это требует в свою очередь разработки надежных и экспрессных методов определения содержания радионуклидов во всех компонентах наземных и водных экосистем. Не менее важным является изучение форм поступления и нахождения радионуклидов в аэрозолях, атмосферных осадках, почвах, водах и донных отложениях. Это необходимо не только для прогнозирования поведения радионуклидов в биосфере, но и для правильного выбора методов их определения.
В настоящее время при исследовании радиоактивности окружающей среды применяют различные ядерно-физические и радиохимические методы. Без использования последних невозможно определение α-радиоактивных и ряда β- и γ-излучателей в сложных по химическому и радиоизотопному составу образцах. Радиохимический анализ основан на принципах и методах аналитической химии, но имеет свои особенности, связанные с выделением ультрамикроколичеств вещества, как правило, с помощью изотопных или неизотопных носителей, подобных по химическим свойствам определяемым радиоизотопам. С этой целью используют два приема: отделение анализируемого радионуклида наиболее специфичными для него методами от других радиоактивных и стабильных химических элементов или удаление как можно большего числа посторонних примесей на общем для них носителе.
|
|
|
В последние годы все большее значение приобретают экстракционные и хроматографические методы, отличающиеся селективностью, простотой выполнения, высокой производительностью и практически исключающие возможные при операциях осаждения адсорбционные процессы и связанные с ними неконтролируемые потери определяемых радионуклидов или загрязнение примесями. Кроме того, при использовании этих методов можно проводить выделение и радиохимическую очистку радионуклидов в отсутствие носителей.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ
Для определения радиоактивных элементов в самых различных объектах в целях оперативного контроля существующих радиохимических процессов, анализа объектов окружающей среды, создания стандартных образцов и в других целях широко используется весь арсенал современных аналитических методов, и прежде всего радиометрические методы.
Существенно улучшились параметры спектрометрических методов анализа как за счет использования современных анализаторов с встроенными ЭВМ, так и новых математических методов обработки полученных результатов.
Большое значение имеют методы, обеспечивающие определение отдельных элементов с максимальной чувствительностью и точностью. Наибольшую чувствительность наряду с радиометрией и нейтронно-активационным анализом обеспечивают в настоящее время люминесцентные методы, основанные на измерении интенсивности люминесценции кристаллофосфоров – неорганических соединений, кристаллическая решетка которых содержит определяемые элементы.
Безусловно, наиболее перспективен при определении следов актинидов метод лазерной резонансной спектроскопии.
Одним из наиболее прецизионных методов определения является кулонометрический метод. Главное преимущество этого метода в том, что он не требует стандартных образцов. Количество вещества определяют по абсолютному количеству электричества, полученного в результате интегрирования тока электролиза.
Наряду с люминесценцией и кулонометрией в последнее время для определения нептуния и плутония в растворах, в том числе и в производственных, а также в твердых веществах, главным образом в тепловыводящих элементах, все шире используется рентгенофлуоресцентный метод.
|
|
|
РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Скорость распада, или активность, для радиоактивного изотопа соответствует кинетике первого порядка
(1)
где А – активность, N – число радиоактивных атомов, присутствующих в образце во время t, и λ – константа распада радиоизотопа. Активность выражается количеством распадов в единицу времени, которая эквивалентна количеству атомов, подвергшихся радиоактивному распаду в единицу времени. В международной системе единиц (СИ) единицей активности является беккерель (Бк), равный одному распаду в секунду. Допускается применение внесистемных единиц расп./мин и кюри (Ки). 1 Ки = 3,7 × 1010 Бк.
Как любой процесс первого порядка, уравнение (1) может быть выражено в интегральной форме.
(2)
Подстановка уравнения (2) в уравнение (1) дает
(3)
Измеряя активность во время t, следовательно, мы можем определить начальную активность, А0, или количество радиоактивных атомов первоначально присутствующих в образце, N0.
Важным характеристическим свойством радиоактивного изотопа является его период полураспада, t1/2, который является временем, необходимым для того, чтобы распалась половина радиоактивных атомов. Для кинетики первого порядка период полураспада не зависит от концентрации и выражается как
(4)
Поскольку период полураспада не зависит от количества радиоактивных атомов, то он остается постоянным в течение процесса распада. Таким образом, 50% радиоактивных атомов распадается за один период полураспада, 75% за два периода полураспада, и 87,5% за три периода полураспада.
Кинетическая информация о радиоактивных изотопах обычно дается в рамках периода полураспада, потому что он обеспечивает более интуитивное чувство устойчивости изотопа. Знание, например, что константа распада для 
равна 0,0247 лет-1, не дает немедленного чувства, как быстро он распадается. С другой стороны, знание того, что период полураспада для равен 28,1 года, проясняет, что концентрация в образце остается по существу постоянной в течение короткого периода времени.
|
|
|
А п п а р а т у р а
a-частицы, b-частицы, g-лучи и рентгеновские лучи измеряются, используя энергию частиц, которая производит усиленный импульс электрического тока в датчике. Эти импульсы считаются, давая скорость разложения. Обычно сталкиваются с тремя типами датчиков: газо-ионизационные датчики, сцинтилляционные счетчики и полупроводниковые датчики.
Газо-ионизационные датчики
Большинство газо-ионизационных датчиков состоит из заполненной инертным газом, таким как Ar, камеры с таким приложенным напряжением, что центральный провод становится анодом, а стенка камеры – катодом (Рис. 1). Когда радиоактивные частицы входят в трубку, они ионизируют инертный газ, производя большое число Ar+/e- ионных пар. Движение электронов к аноду, а Ar+ к катоду производит измеряемый электрический ток. В зависимости от напряжения, приложенного к камере, датчики можно разделить на ионизационные камеры, пропорциональный счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера (ГМ).
Рисунок 1. Изображение газо-ионизационного датчика.
Из-за универсальности и надежности счетчик Гейгера-Мюллера наиболее широко используется как портативный исследовательский прибор. Он особенно чувствителен к b-частицам средней и высокой энергии (например, как от 32P) давая эффективность счета 20 процентов. Счетчик ГМ также полезен в определении уровней излучения вблизи сравнительно больших (например, по крайней мере, порядка мкКи) источников g- или рентгеновских лучей средней и высокой энергии.
Датчик ГМ, однако, не особенно чувствителен к низкоэнергетическим b-частицам (например, от 35S и 14C), давая эффективность не более 5 процентов, и при этом не очень чувствителен к низкоэнергетическим g- и рентгеновским лучам (например, от 125I). Кроме того, ни ГМ, ни любой другой портативный дозиметр не способен обнаружить низкоэнергетические b-частицы от 3H.
Сцинтилляционные счетчики
Действие сцинтилляционных счетчиков основано на том, что заряженная частица, пролетающая через вещество, вызывает не только ионизацию, но и возбуждение атомов. Возвращаясь в нормальное состояние, атомы испускают видимый свет. Вещества, в которых заряженные частицы возбуждают заметную световую вспышку (сцинтиллицию), называют фосфóрами. Сцинтилляционный счетчик состоит из фосфора, от которого свет подается по специальному светопроводу к фотоумножителю (Рис. 2). Импульсы, получающиеся на выходе фотоумножителя, подвергаются счету.
Рисунок 2. Изображение сцинтилляционного счетчика
Твердые сцинтилляционные датчики особенно полезны в качественном и количественном определении радионуклидов, испускающих g- и рентгеновские лучи. Обычный g-счетчик использует большой (например, “2x2”) кристалл йодида натрия (NaI) в пределах хорошо защищенного свинца. Пузырек с образцом опускается непосредственно в пустую камеру в пределах кристалла для счета. Такие системы чрезвычайно чувствительны, но не имеют разрешающей способности большей, чем у недавно разработанных полупроводниковых счетчиков. Портативные твердые сцинтилляционные датчики также широко используются для проведения различных типов исследований излучения. В частности исследователи, работающие с радиойодом, используют тонкокристаллический (NaI) датчик, который способен определять эмиссии от 125I с эффективностью, близкой к 20 процентам (ГМ датчик менее одного процента эффективности для 125I).
|
|
|
Наиболее обычное средство количественного определения присутствия b-частиц, испускаемых радионуклидами, через использование жидкого сцинтилляционного счетчика. В этих системах образец и фосфор объединяются в растворителе в пределах считающей камеры. Затем камера опускается в отверстие между двумя фотоумножающими трубками для счета. Жидкий сцинтилляционный счетчик стал существенным инструментом исследований, включающих такие радионуклиды, как 3H и 14C.
Полупроводниковые датчики
Полупроводниковый датчик представляет собой полупроводниковый диод, на который подается напряжение такого знака, что основные носители тока оттягиваются от переходного слоя. Следовательно, в нормальном состоянии диод заперт. При прохождении через переходный слой быстрая заряженная частица порождает электроны и дырки, которые отсасываются к электродам. В результате возникает электрический импульс, пропорциональный количеству порожденных частицей носителей тока.
Эффективность счета
Активная система определения излучения никогда не может видеть 100 процентов распадов, происходящих в данном радиоактивном образце. Это связано с многочисленными факторами, среди которых и конкретная система счета, и специфичные радионуклиды в образце. Количество единичных импульсов в минуту (и/м), отображаемых счетчиком, следовательно, должно отличаться от скорости распада (р/м) образца. Отношение скорости единичных импульсов (и/м) к скорости распадов (р/м), выражаемое в процентах – эффективность системы счета.
(5)
Эффективности конкретной системы счета излучения для различных радионуклидов можно определять через калибровку системы со стандартами этих же самых радионуклидов.
Поскольку каждая система счета будет регистрировать определенное число одиночных импульсов от окружающего излучения и электронного шума в счетчике (именуется фоном инструмента), то более правильная формула:
(6)
П р я м о й а н а л и з
Концентрация долгоживущего радиоактивного изотопа является по существу постоянной во время периода анализа. Активность образца может быть использована для вычисления число присутствующих радиоактивных частиц.
Пример. Активность в 10,00 мл образце радиоактивной сточной воды, содержащей 
была найденной 9,07´106 распадов/с. Какова молярная концентрация 
в образце? Период полураспада для равен 28,1 года.
Решение. Подстановка уравнения (4) в уравнение (1) и решение для N дает
Прежде, чем количество атомов может быть определено, необходимо выразить активность и период полураспада в тех же самых единицах. Преобразование периода полураспада для 
к секундам дает t1/2 = 8,86´108 с. Подстановка известных величин дает число атомов
Таким образом, концентрация в образце равна 
Прямой анализ короткоживущих радиоактивных изотопов, используя метод, приведенный в примере, менее полезен, т. к. он обеспечивает только переходную меру концентрации изотопа. Концентрация изотопа в конкретный момент может быть определена измерением его активности по прошествии времени, t, и использованием уравнения (3) для вычисления N0.
|
|
|
