40К
advertisement
Лабораторная работа № 412. «РАДИОАКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА В ПРИРОДЕ» Цель работы: - ознакомиться с уровнем естественной радиоактивности окружающей среды; - изучить допустимые уровни радиоактивности строительных материалов; - ознакомиться с задачами и методами спектрометрии ионизирующих излучений в строительных материалах. 1. Естественная радиоактивность окружающей среды. Естественные радионуклиды (ЕРН) присутствуют во всех объектах биосферы. Наиболее распространены в природе радиоактивных рядов 238 U и 232 40 K, 87 Rb и члены Тh. Степень естественной радиоактивности живых организмов (в том числе человека) и среды их обитания не является величиной постоянной и изменяется под действием многих факторов. Определяющую роль в формировании фонового облучения человека от ЕРК играет радиоактивность горных пород, почв и воздуха. Основное количество ЕРН содержится в горных породах, которые в процессе своего образования включили в свои структуры все радиоактивные элементы, существующие на первых этапах развития Земли. В итоге оказалось, что радионуклиды в земной коре распределены неравномерно (табл. 1). Различия происхождением в пород. концентрации Породы радионуклидов магматического связаны с (вулканического) происхождения обычно имеют более высокую радиоактивность, чем осадочные. Исключение составляют некоторые фосфатные породы и сланцы, особенно те, которые содержат органическое вещество. По многочисленным 1 данным наибольшее количество радионуклидов содержат гранитные породы, а наименьшее - известняки и карбонаты. Содержание радионуклидов в почвах определяется главным образом радиоактивностью пород, из которых образуются почвы, и характером процесса почвообразования. Атомы урана в почвах, как правило, очень подвижны и способны образовывать растворимые комплексные соединения. В результате уран слабо сорбируется и легко вымывается из почвенных минералов. Торий обычно прочно сцеплен с неразрушаемыми остатками горных пород и постепенно накапливается в верхних слоях почвы. По характеру поведения в почве радий обнаруживает те же свойства, что и торий. Соединения калия равномерно распределяются в почве и прочно удерживаются вследствие сорбции глинами. Наиболее низкой оказывается концентрация естественных радионуклидов в дерново-подзолистых, подзолистых и торфяных почвах (табл. 2). В черноземных почвах содержание естественных радионуклидов выше. Глинистые почвы богаче ЕРН, чем песчаные. Таблица 1. Средняя удельная активность Тип породы Магматические Граниты Диориты Базальты Дюриты Осадочные Известняки Карбонаты Песчаники Сланцы 2 40 К, 238U и 40 К 232 Th в горных породах А, МБк/кг 238 U 232 Th 1000 700 240 150 60 20 10 0,4 80 30 10 25 90 370 700 30 27 19 44 7 8 10 45 Таблица 2. Средняя удельная активность Тип породы 40 К, 238U и 40 232 К Th в различных почвах А, МБк/кг 238 U 31 232 Th Сероземы 670 Серо-коричневые 700 28 41 Каштановые Черноземы Серые лесные Дерново-подзолистые Подзолистые Торфянистые 550 410 370 300 150 90 27 22 18 15 9 6 37 36 27 22 12 6 Типичные диапазоны 110-740 11-52 7,5-48 48 2. Радиоактивные семейства Все встречающиеся в природе радиоактивные элементы являются звеном длинной цепочки взаимных превращений. Такие цепочки превращений называются радиоактивными рядами или радиоактивными семействами элементов. Переход одних элементов в другие осуществляется путем альфа- и бета-распадов. Массовые числа при альфа-распаде меняются сразу на четыре, заряд ядра меняется на две единицы и новый элемент отстоит в этом случае на дне клеточки влево по периодической системе (например, 222 226 Ra88 → Rn86). При бета-распаде массовые числа не меняются вовсе, так как излучается электрон (те = тр/1840 ). Заряд же ядра увеличивается на единицу, и новый элемент сдвигается вправо на одну клеточку в периодической таблице Д. И. Менделеева. По признаку делимости массовых чисел на 1 и на 4 (соответственно бета-- и альфа-распаду) должны существовать четыре радиоактивных семейства: 1) А=4п, 2) А=4п + 1, 3) А=4п+2, 4) А=4п + 3 3 Начинаться радиоактивные семейства должны с самого долгоживущего изотопа (с наибольшим периодом полураспада). Причем, изотопы должны иметь период полураспада, равный 1/10 от времени существования Земли; только при таких условиях они могут еще сохраниться до сего времени. Из возможных четырех радиоактивных семейств в природе в естественных условиях существуют только три.. Семейству типа 4n (n=52—58) соответствует ряд тория 232Th90, кончающийся стабильным изотопом свинца Для цепочки 4п+2 (п = 51—59) имеется ряд урана 208 238 Рb82 (рис. 1). U, конечным продуктом распада в котором является другой стабильный изотоп-свинца 206 Рb82 (рис. 2). Третий естественный ряд 4n+3 (n=51—58) начинается с более легкого изотопа урана рядом актиния (раньше 235 U92 и по одному из членов ряда называется этот ряд назывался Заканчивается он тоже на стабильном изотопе свинца из рассмотренных рядов завершается свинцом. рядом 207 актиноурана). Рb82 (рис. 3). Любой Последовательность превращений в них показана на рисунках 1—3, где в скобках приведены старые названия изотопов. По характеру цепей распада и по положению промежуточных членов в периодической системе все три ряда похожи друг на друга. Ученых давно интересовали вопросы: почему из четырех возможных радиоактивных семейств в природе существуют только три? Почему нет в природе элементов тяжелее урана? Теперь ответ ясен — члены четвертого радиоактивного семейства А = 4n + 1 давно распались, так как период полураспада его членов оказался много меньше возраста Земли. В последнее время, когда стало возможно проводить синтез элементов, давно не существующих в природе, удалось «реставрировать» четвертый ряд. Заканчивается он не свинцом, а стабильным изотопом висмута 209 Bi83. По имени наиболее долгоживущего члена ряда его назвали рядом нептуния Np93. Цепочка распада членов этого ряда приведена на рис 4 4 237 Рис. 1, Естественное семейство тория — 4 n-элементы. Для радиоактивных рядов характерны некоторые общие закономерности: родоначальниками каждого ряда являются альфа-активные радионуклиды, периоды полураспада которых лежат в пределах 108– 1010 лет; каждый ряд имеет в середине цепочки превращений изотоп инертного радиоактивного газа, который в зависимости от того, к какому семейству он относится, называют радоном тороном Rn Tn 86 220 или актиноном Rn 219 86 Rn 222 86 Rn , An ; за радиоактивным газом в каждом ряду следует относительно короткоживущий элемент ; 5 короткоживущие радионуклиды семейств испытывают конкурирующие альфа- и бета-распады, в результате екоторых ряды разветвляются; каждый ряд заканчивается стабильным изотопом свинца. Рис.2 Естественное радиоактивное семейство урана (4n+2) -элементы. На основе представлений о радиоактивных семействах стало возможно установить происхождение тех или иных элементов, наличие или возможное их присутствие в тех или иных рудах. Атомы более тяжелого изотопа урана238 являются родителями радия, полония и других/ 6 Рис, 3.Естественное радиоактивное семейство актиния (4n+З) -элементы, 7 Рис. 4. Воссозданное искусственно семейство нептуния— (4n+1) -элементы. 3 Радиоактивность строительных материалов. Радон. Радиоактивность строительных материалов обусловлена главным образом содержанием ЕРН в горных породах, которые используются в строительной промышленности в качестве минерального сырья. В строительной индустрии для изготовления цемента, теплоизоляционных плит и в качестве легких наполнителей для бетона также широко применяются побочные отходы промышленности (золы и шлаки ТЭС; шлаки черной и цветной металлургии; фосфорные шлаки химической промышленности). В ряде случаев они содержат повышенные количества ЕРН, т.к. в процессе сжигания, обогащения, химической концентрирование ЕРН, особенно 8 226 переработки Ra - продукта распада 238 происходит U. Естественные радионуклиды, содержащиеся в строительных материалах, облучают людей. Дозы облучения существенно зависят от концентрации ЕРН, Поэтому очевидна необходимость тщательного контроля радиоактивности строительных материалов. Особый интерес представляют уровни гамма-фона в жилых зданиях. Наименьший гамма-фон отмечается в зданиях, построенных из дерева, - до 0,5 мГр/год (100 мрад/год) и железобетонных – до 1,7 мГр/год (170 мрад/год). Усредненная мощность поглощенной дозы внутри помещений равна 6∙10 -8 Гр/час (6 мкрад/час). Учитывая время пребывания человека в помещениях, выражаемое коэффициентом 0,8, можно подсчитать, что годовая эффективная эквивалентная доза за счет внешнего облучения внутри помещений составляет 2,9∙10-4 Зв (29 мбэр), а суммарная (вне и внутри помещений) годовая эффективная эквивалентная доза за счет внешнего облучения радионуклидами земного происхождения равна 3,5∙10-4 Зв (35 мбэр). Значительную дозу облучения человек получает с вдыхаемым воздухом, находясь длительное время в непроветриваемых помещениях. Наиболее высокий вклад в дозу вносит невидимый, не имеющий вкуса и запаха газ радон (см. рис.5). Среди изотопов радона известны Rn222 с периодом полураспада 3,823 дня, Rn220 с периодом полураспада 54,5 с, Rn219 с периодом полураспада 3,92 с. Наиболее опасным из них является радон-222, альфа-излучатель. Просачиваясь через фундамент и пол из грунта или высвобождаясь из материалов, используемых при строительстве дома, радон скапливается в закрытых непроветриваемых помещениях (подвалах, ванных комнатах, кухнях) (рис.6). Самые распространенные строительные материалы содержат немного радона. Это дерево, кирпич и бетон. Гораздо больше его в пемзе, граните, шлаке (побочном продукте, получаемом при переработке фосфорных руд), сухой штукатурке, строительных блоках, изготовленных из фосфогипса. 9 ПРИРОДНЫЙ ГАЗ ВОДА 3 4 НАРУЖНЫЙ ВОЗДУХ 10 стройматериалы и грунт под зданием 60 кБк/сут Рис.5 Радон в зданиях. Средняя концентрация радона, кБк/м 8,5 ванная комната 3,0 кухня Радон в разных помещениях. Рис.6. 10 0,20 жилая комната Много радона содержит кирпич из красной глины, полученной из отходов производства алюминия, доменные шлаки – отходы черной металлургии, зольная пыль, образующаяся при сжигании каменного угля. Главным источником поступления радона в закрытые помещения является грунт. Концентрация радона на верхних этажах многоэтажного здания, как правило, ниже, чем на первом и цокольном этажах. Эффективным средством уменьшения высоких концентраций радона, просачивающегося через пол, являются вентиляционные установки в подвалах. Выделение радона из стен уменьшается при покрытии их тремя слоями масляной краски или слоем обоев. Радон проникает в кухонные помещения вместе с природным газом. Снижение содержания радона в природном газе происходит при его переработке на газонаполнительных станциях и в процессе хранения. Снизить накопление радона в кухне можно с помощью местной вытяжной вентиляции. Предметом особого разговора является питьевая вода, обогащенная радоном. Содержание его в воде многих колодцев значительно превышает20 пКи/л и нередко достигает 1000 пКи/л. Меньшее содержание радона отмечается в воде озер и рек, большее в грунтовых водах, воде глубоких скважин и некоторых минеральных источников. В незначительных дозах радон стимулирующее действует на организм, а в больших – угнетающе. Присутствующий в воде радон в –значительной степени улетучивается при приготовлении пищи и кипячении. Но даже при поступлении в организм, в основном с некипяченой водой, он быстро выводится. Опасность для человека представляет попадание паров воды с высоким содержанием радона в легкие вместе с вдыхаемым воздухом, что чаще всего происходит в ванной комнате. Исследования показали, что содержание радона в ванной комнате приблизительно в 40 раз больше, чем в жилой, а 11 также что концентрация радона быстро, в течение 7 минут, возрастает во много раз, а восстанавливается только через 1,5 часа. Радон, выделяющийся из почвы, воды, строительных материалов, рассеивается в воздухе. Продукты распада, т.е. дочерние продукты радона, присоединяются капелькам воды или молекулам кислорода и других газов, а затем адсорбируются на аэрозольных частицах, содержащихся в воздухе. Вдыхаемые аэрозольные частицы осаждаются в дыхательных путях. Содержании е радона в легких на 20-40% выше, чем в других тканях. Содержание ЕРН в различных строительных материалах сравнивают по их суммарной эффективной удельной активности, которая определяется по формуле Аэфф=АRa + 1,31ATh + 0,085AK где АRa, ATh и AK - (1) удельные активности соответственно 226Ra, 232Th и 40К - в строительных материалах, Бк/кг. Если известно среднее значение эффективной удельной активности Аэфф (Бк/кг) строительных материалов, использованных при строительстве каменного здания, то с погрешностью не более 10% можно оценить мощность поглощенной дозы в воздухе внутри помещения D 0,79 Aэфф D пом (нГр/ч): (2) Все строительные материалы подразделяются на 4 класса: для каждого из них ограничена область возможного использования. Материалы I класса, для которых выполняется условие (1) или Аэфф 370 Бк/кг, могут применяться для всех видов строительства без ограничений. 12 ≤ Материалы 2 класса (Аэфф ≤ 740 Бк/кг) не должны использоваться в жилищном и культурно-бытовом строительстве. Они могут применяться для всех видов промышленного и дорожного строительства. При использовании этих материалов для сооружения промышленных зданий в помещениях должен быть обеспечен достаточный воздухообмен (не менее трехкратного в час). Материалы 3 класса (Аэфф ≤ 1850 Бк/кг) пригодны в пределах населенных пунктов только для строительства подземных сооружений, в которых исключено пребывание людей (канализационные трубопроводы, коллекторы и т.д.) при условии покрытия их слоем грунта не менее 0,5 м или низкорадиоактивным материалом. За пределами населенного пункта материал может использоваться для дорожного строительства, сооружения железнодорожных насыпей, изготовления шпал, столбов и т.п. Строительные материалы 4 класса (1850 < Аэфф ≤ 4000 Бк/кг) применяются только для подземного строительства вне населенных пунктов при условии их покрытия слоем низкорадиоактивного материала не менее 0,5 м. Строительные материалы с Аэфф > 4000 Бк/кг не должны применяться в строительстве. Такая квалификация позволяет правильно оценить все виды строительных материалов, включая отхода промышленного производства с различной удельной активностью радионуклидов, не увеличивая степень облучения населения. Следует иметь в виду, что нормативы относятся не к сырью, а к готовой продукции - строительным материалам (цемент, заполнитель, щебень, бетон и др.). Поэтому в тех случаях, когда сырье в процессе изготовления строительного материала подвергается обработке, которая может изменить суммарную удельную активность радионуклидов (промывка, обжиг и т.п.), нормативам должен удовлетворять продукт такой переработки. 13 3. Спектрометрия ионизирующих излучений. Спектрометрия ионизирующих излучений - это область физики и техники, разрабатывающая теорию и методы измерения энергетических спектров ионизирующих излучений. Под энергетическим спектром понимается распределение по энергии ионизирующих частиц или γ-квантов. Важнейшей прикладной задачей, решаемой методами спектрометрии, является измерение активности каждого нуклида и его относительного содержания в пробах, включающих смесь радионуклидов различных видов. Именно такая задача возникает при контроле объектов окружающей среды и пищевых продуктов на радиоактивную загрязненность. Приборы для регистрации и измерения энергетического спектра ионизирующих излучений называют спектрометрами. Спектрометры ионизирующих излучений классифицируются по виду излучения (альфа-, бета-, гамма-спектрометры), по принципу их действия (сцинтилляционные, полупроводниковые и т.п.) и по конструктивным особенностям. Существует несколько методов измерений энергетических спектров ионизирующих излучений, основанных на разных принципах регистрации. В прикладной спектрометрии широкое распространение получил сцинтиляционный метод. Он основан на измерении и анализе световых вспышек (сцинтилляций), возникающих в определенных веществах (сцинтилляторах) под воздействием ионизирующего излучения. Чаще всего используются кристаллы галоидов щелочных металлов NаI, СsI, LiI, в которые добавлено небольшое количество (около 0,1 %) активатора (обычно Ti). Сцинтилляционный счетчик (рис.7) представляет собой совокупность сцинтилляционного кристалла с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). ФЭУ позволяет преобразовывать слабые световые вспышки от осциллятора в достаточно большие электрические импульсы. ФЭУ состоит из фотокатода, 14 нескольких (до 15 20) электродов (динодов) и анода, заключенных в цилиндрический вакуумный стеклянный баллон. Напряжение на каждом диноде на 50..100 В выше, чем у предыдущего. Под действием ионизирующего излучения в сцинтилляторе образуются свободные электроны, которые затем, поглощаясь веществом сцинтиллятора, вызывает ионизацию и возбуждение его атомов и молекул. При переходе возбужденных атомов и молекул в основное состояние испускаются фотоны, кванты света с ~ 400 нм. При этом наблюдаются слабые вспышки света. Свет через световод падает на фотокатод ФЭУ. Из фотокатода выбиваются фотоэлектроны. С помощью фокусирующего электрода фотоэлектроны попадают на первый динод, из которого они выбивают в результате вторичной эмиссии дополнительные электроны. На последующих динодах происходит дальнейшее увеличение потока электронов. С последнего динода электроны попадают на анод, связанный с устройством усиления и регистрации тока. Каждому электрону, поглощенному в сцинтилляторе соответствует импульс напряжения на нагрузочном сопротивлении в анодной цепи ФЭУ. -Квант Квант света Фотоэлектрон ФК ФД Рис.7. Схема устройства и принцип работы фотоэлектронного умножителя: 1-10 - электроды(диноды); А - анод; ФК - фотокатод; ФД фокусирующая диафрагма. Рассмотрим далее принцип действия простейшего γ-спектрометра, детектор которого содержит один сцинтилляционный кристалл. Такой спектрометр называется однокристальным сцинтилляционнымм γ- спектрометром. Его блок-схема изображена на рис. 8. 15 С ФЭУ КП У АА ПС ИП Рис.8. Блок-схема однокристального сцинтилляционного γ- спектрометра: С - сцинтиллятор; ФЭУ - фотоэлектронный умножитель; ИП - источник питания; У - усилитель; АА - амплитудный анализатор; ПС пересчетное устройство; КП - катодный повторитель. Катодный повторитель передает импульсы с ФЭУ на усилитель импульсов. Усиленные импульсы анализируются по амплитуде амплитудным анализатором, и распределение импульсов по амплитудам регистрируется пересчетным устройством. Вид γ-спектра исследуемой пробы зависит от того, какой процесс имеет место при взаимодействии (фотоэффект, γ-излучения с веществом сцинтиллятора Комптон-эффект или эффект образования электронно- позитронных пар). Для γ-квантов, испускаемых радионуклидами, наиболее вероятными процессами взаимодействия являются фотоэффект и комптонэффект. Остановимся на них подробнее. Если γ-квант поглощается сцинтиллятором в результате фотоэффекта, то практически вся его энергия передается возникающему электрону: ЕγЕе. Этот фотоэлектрон, как правило, полностью тормозится в веществе сцинтиллятора. Его энергия Ее расходуется на возбуждение кристалла, в конечном итоге на образование фотонов, которые регистрируются ФЭУ. В свое очередь образовавшиеся фотоны создают в анодной цепи ФЭУ импульс напряжения, величина которого пропорциональна начальной энергии электрона Ее, а значит и энергии γ-кванта Еγ. Таким образом, в случае для определения Еγ необходимо изморить амплитуду импульса напряжения в анодной цепи ФЭУ. 16 В идеальном детекторе амплитуды импульсов, соответствующих регистрации моноэнергетического γ-излучения, будут одинаковы (см. рис.3). В реальном детекторе все описанные выше процессы носят статистический характер, поэтому число электронов, попадающих на анод ФЭУ подвержено флуктуации. Как следствие, даже при регистрации моноэнергетического γизлучения возникают импульсы напряжения с неодинаковой амплитудой (см. рис.4). Их совокупность образует некоторое амплитудное распределение (обычно гауссовской формы). Это распределение получило название пика полного поглощения (ППП). При комптоновском рассеянии γ-излучения веществом сцинтиллятора в нем образуются электроны, энергия которых изменяется в широких пределах от нуля до максимального значения. 1 Ee , max E 1 2 , 1 2 E /( m0 c ) где m0 c 2 - энергия покоя электрона. Соответственно, и распределение выходных импульсов при регистрации моноэнергетического γ-излучения даже идеальным детектором будет непрерывным (рис. 9). Лишь край комптоновского распределения выходных импульсов, определяемый величиной Ee, max, однозначно связан с энергией падающих γ-квантов. Поэтому для определения энергии γ-квантов наиболее удобно использовать ППП, который отделен от края комптоновского распределения энергетическим интервалом E 1 2 E /( m0 c 2 ) . N, число импульсов E E e, max U, амплитуда импульсов 17 Рис.9. Амплитудное распределение выходных импульсов идеального детектора. Первый пик соответствует фотоэффекту, непрерывное распределение - комптоновскому рассеянию. Для измерения амплитудного распределения выходных импульсов сцинтилляционного детектора в γ-спектрометре применяется анализатор импульсов (рис. 2). При этом шкала амплитуд разбивается на равномерные интервалы, называемые каналами. Ширина канала является характеристикой используемого анализатора. Измеряется количество импульсов в каждом канале. Типичный вид результатов измерений распределения импульсов по каналам представлен на рис. 10. Это распределение для реального спектрометра носит название аппаратурной линии. Из рис. 10 видно, что аппаратурная линия состоит из двух компонентов: явно выраженного максимума и непрерывного распределения слева от него, Максимум представляет собой ППП. Он обусловлен полным поглощением энергии γ-излучения веществом сцинтиллятора за счет фотоэффекта и многократного фотопоглощением. комптоновского рассеяния с последующим Распределение импульсов, находящееся слева от ППП, обусловлено главным образом регистрацией комптоновских электронов, образующихся при взаимодействии γ-излучения с веществом сцинтиллятора. E N Номер канала Рис.10. Аппаратурная линия γ-спектрометра моноэнергетического γизлучения. Справа - пик полного поглощения (ППП). 18 В общем случае аппаратурная линия имеет довольно сложную форму. При одновременной регистрации нескольких групп моноэнергетического γизлучения (это соответствует исследованию пробы содержащей смесь радионуклидов) аппаратурная линия будет представлять собой суперпозицию аппаратурных линий каждой группы. Расшифровка такого спектра позволяет судить о радиоизотопном составе исследуемой пробы и об активности каждого радионуклида в ней. Наиболее информативной частью спектра являются ППП. Энергия, соответствующая ППП, достаточно точно определяется по градуировочным графикам зависимости амплитуды импульсов от энергии γ-квантов. Примерный вид градуировочного графика для сцинтилляционного γспектрометра приведен на рис. 11. Градуировку спектрометра производят с помощью изотопов, энергия γ-квантов которых хорошо известна (137Cs, 60 Co и др.). 1500 60 60 Co Co 1000 137 Cs 500 10 Рис.11. 20 Градуировочный 30 40 график 50 U, B 60 (номер канала) γ-спектрометра. (Распад 60 Co сопровождается γ-излучением с двумя значениями энергии). Содержание γ-излучающих изотопов в пробе устанавливается идентифицированием ППП, т.е. определением радионуклидов, за счет каких формируется каждый пик. Для этого используются сведения о спектре γизлучения радионуклидов. Активность радионуклидов в анализируемой пробе определяется по площади ППП или по числу импульсов в нем. 19 4. Устройство гамма-радиометра. Гамма-радиометр РУГ-91М "Адани" предназначен для измерения удельных активностей радионуклидов индикацией абсолютных 137 статистических Cs/134Cs, 40 K, погрешностей 226 Ra, 232 Th (С измерения и вычислением Аэфф) для широкого класса исследуемых образцов продуктов питания, проб, почв, строительных материалов, лесопиломатериалов, хлопчатобумажных тканей, сухих трав и т.д. Упрощенная функциональная схема гамма-радиометра приведена на рис.12 Для повышения эффективности регистрации световых импульсов, возникающих в сцинтилляторе 6 при попадании в него γ-квантов, исследуемый образец 1 помещается в специальную кювету (сосуд Маринелли объемом 0,5 л) 2. Кювета с пробой устанавливается в свинцовый защитный экран 3, уменьшающий влияние внешнего фонового излучения. Экран закрывается сверху свинцовой крышкой 4. 4 1 2 5 3 6 Устройство 7 селекции Устройство индикации Устройство и управления обработки Рис.12. Функциональная схема гамма-радиометра. 20 1 – исследуемый образец (проба); 2 – кювета (сосуд Маринелли); 3 – защитный свинцовый экран; 4 - защитная свинцовая крышка; 5 – сцинтиллятор CsI(T1); 6 – световод; 7 – фотоэлектронный умножитель. Световые вспышки через светодиод 7 попадают на фотокатод ФЭУ 8 и преобразуются в электрические импульсы, которые после усиления поступают на устройство селекции импульсов. Устройство селекции осуществляет сортировку импульсов по 256 амплитудным каналам, измеряя тем самым амплитудное распределение этих импульсов. Устройство обработки анализирует, амплитудные распределения и вычисляет активности перечисленных выше радионуклидов. Устройство индикации и управления задает режимы работы гамма-радиометра и индицирует на табло результаты измерения. Режим работы задается с помощью четырнадцати кнопок, расположенных на передней панели радиометра (см. рис. 13). Результаты измерений индицируются на расположенных там же двух жидкокристаллических индикаторах. Величина удельной активности высвечивается в левом окне, а погрешность измерения в правом окне, В режиме индикации массы пробы в левом окне индицируется величина массы пробы в кг. Gamma-radioveter RUG-91m Activity 137 40 226 232 Cs Ra Time, min Reset Background 2 10 20 K Th Sample On Auto Mass Tare col Effective activity Рис.13. Органы управления гамма-радиометра. Кнопка”RESET” (СБРОС) служит для отмены ошибочной команды и приведения радиометра в исходное состояние. 21 Кнопка”BACKGROUND” (ФОН) служит для включения режима измерения фона. Кнопки ”Time, min” “2”,”10”,”20” (ВРЕМЯ, мин) служат для выбора времени и запуска регистрации фона или удельной активности. Кнопки ”Sample” (ОБРАЗЕЦ); “On” (ВКЛ) - для включения режима измерения удельной активности; “Mass” (МАССА) - для включения режима индикации массы пробы; “Tare” (ТАРА) - дня учета массы сосуда Маринелли; “Auto Cal” (АВТОКАЛИБРОВКА) - для включения режима калибровки по эталонному образцу. Кнопки “Activity” (АКТИВНОСТЬ) служит для включения индикации удельной активности соответствующего изотопа: “Cs-137”,”K-40”,”Ra226”и”Th-232”. Кнопка ”Effective Activity” (ЭФФЕКТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ) включает режим индикации суммарной эффективной удельной активности Aэфф Выполнение соответствующей команда при нажатии любой ив кнопок подтверждается звуковым сигналом» При этом загорается соответствующий этой кнопке светодиод. 5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ. 1. Клавишным выключателем “СЕТЬ”, расположенным на задней панели, включите прибор и выдержите его включенным в течение 2 мин. Выход радиометра на рабочий режим сопровождается звуковым сигналом, высвечиванием “О” во всех разрядах левого окна и включением светодиода над кнопкой”Background” (ФОН). 22 2. Измерьте фон. Для этого заполните сосуд Маринелли дистиллированной водой и установите его внутрь свинцового экрана, В случае измерения объемной активности сухих легких проб сосуд Маринелли необходимо оставить пустым. Нажмите сначала кнопку “Background” (ФОН), а затем ”Time,min” (ВРЕМЯ) - 20 мин. В процессе измерения фона в правом окне индуцируется обратный отсчет времени измерения, а в левом - заданное время измерения фона. Измеренное значение заносится в память прибора и хранится в нем до следующего измерения фона. 3. Занесите в прибор массу измеряемой пробы. Значение массы указано на сосуде Маринелли, заполненном пробой. Нажмите клавишу”Mass” (МАССА). При этом в левом окне индуцируется значение массы равное 0,500 кг. Набор значения массы производится нажатием клавиши ”Mass” (МАССА) и ”Tare” (ТАРА). Каждое дальнейшее нажатие клавиши ”Tare” (ТАРА) увеличивает показания индикатора на + 0,005 кг, а нажатие клавиши ”Mass” (МАССА) уменьшает набранное значение на - 0,006 кг. Выход из режима набора массы пробы осуществляется нажатием клавиши ”On” (ВКЛ). 4. Измерьте удельную активность пробы. Для этого в положении, когда внутри защитного экрана находится кювета с пробой №1, нажмите кнопку ”On” (ВКЛ). Обязательно проконтролируйте включение режима по загоранию светодиода над кнопкой и звуковому сигналу. Если не был зарегистрирован фон или не производился учет массы пробы, то светодиод не загорается и звуковой сигнал отсутствует. Для начала измерения удельной активности пробы нажмите кнопку ”2” ”Time”. В процессе измерения активности индикация на передней панели прибора такая же, как и при измерении фона. По окончании измерения на левый индикатор выводится величина эффективной удельной активности пробы. Для индикации активности отдельных 23 изотопов необходимо нажать соответствующую кнопку в группе”Activity”. Занесите результаты измерения в таблицу №1 и повторите опыт еще четыре раза. Перед началом каждого нового измерения необходимо нажать кнопку ”Reset” (СБРОС). Вычислите среднее значение удельной активности каждого радионуклида и Aэфф в пробе. 5. Повторите измерения, описанные в п.4, с остальными пробами. Результаты занесите в таблицу. 6. В таблицу №2 занесите погрешности измерения активности пробы № 3 в последнем опыте. Нажмите кнопку ”10” - ”Time” и повторите эксперимент с этим образцом. Заполните вторую строку таблицы 2. Убедитесь, что при большем времени измерения точность измерения повышается (погрешность уменьшается). 7. Проанализируйте результаты измерений. Укажите, к какому классу строительных материалов относятся Объясните, почему удельная активность исследованные 137 образцы. Cs/134Cs в них равна нулю? Таблица 1. Образец №…; порода: … Материал … класса Удельная активность, Бк/кг Номер измерения Dпом, нГр/ч 137 Cs/ 134 Cs 1 2 3 4 5 среднее 24 40 K 226 Ra 232 Th Aэфф Таблица 2. Погрешность измерения удельной активности, Бк/кг Время 137 Cs измерения 40 K 226 232 Ra Th Aэфф 134 / Cs 2 мин 10 мин 8. По формуле (2) оценить мощность поглощенной дозы в воздухе внутри здания, построенного из строительных материалов, средняя эффективная удельная активность ЕРН в которых равна Aэфф для исследуемых образцов. Сравните полученные значения со среднемировой мощности поглощенной дозы вне помещений от γизлучения ЕРН, содержащихся в почве, D2П = 44нГр/ч. Отметим, что величина D2П не учитывает вклада в мощность дозы космического излучения. 25 6. ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ. 1. Перечислите естественные радионуклиды, наиболее распространенные в природе. 2. Какие горные породы и какие почвы наиболее богаты естественными радионуклидами? 3. Почему необходим контроль радиоактивности строительных материалов? 4. Как классифицируют строительные материалы в зависимости от содержания естественных радионуклидов? 5. Что представляет собой спектр ионизирующих излучений? 6. Объясните амплитудное распределение выходных импульсов идеального детектора. 7. Что называется аппаратурной линией γ-спектрометра? Из чего она состоит? 8. Что такое эффективная активность строительных материалов эквивалентная доза? Какую эффективную эквивалентную дозу за счет естественных источников радиации получает в среднем житель Земли? 9. Какова роль радона в формировании индивидуальной дозы облучения? 10. Радиоактивные ряды и семейства. 11. Сделайте правильное перечисление указанных строительных материалов по уровню их естественной радиоактивности от большей к меньшей (дерево, мел, гранит, цемент, красный кирпич). 26
