Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?

Научные направления

Поделиться:
Статьи из раздела:
Универсальный характер закона всемирного тяготения (ЗВТ). Гипотеза.

Статья опубликована в №42 (февраль) 2017
Разделы: Техника
Размещена 25.02.2017. Последняя правка: 27.12.2018.
Просмотров - 1884

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОСТИ 129I МЕТОДОМ ФОТОН-ФОТОННЫХ СОВПАДЕНИЙ

Серебряный Григорий Зиновьевич

ктн

ОИЭЯИ-Сосны НАН Беларуси

ведущий научный сотрудник

Жемжуров Михаил Леонидович доктор технических наук Объединенный институт энергетических и ядерных исследований – Сосны НАН Беларуси заведующий лабораторией


Аннотация:
Предложена методика измерения активности 129I в объектах окружающей среды методом фотон-фотонных совпадений с использованием в качестве метки изотопов 125I или 125Sb.


Abstract:
Scale radiation, x-ray radiation, a method of coincidence, electronic capture.


Ключевые слова:
гамма излучение; рентгеновское излучение; метод совпадений; электронный захват.

Keywords:
scale radiation; x-ray radiation; a method of coincidence; electronic capture.


УДК 502.55: 621.039.7

Во время аварии на Чернобыльской АЭС в атмосферу поступил 131I (около 1200 ПБк) и его короткоживущие изотопы. Они явились причиной внутреннего облучения щитовидной железы населения, проживавшего на загрязненной территории в апреле - мае 1986 г., вследствие поступления в организм человека с пищей, преимущественно с молоком и молочными продуктами и вдыхаемым воздухом. Прогноз последствий облучения предсказывал значительное повышение заболеваний раком щитовидной железы детей и подростков, которое впервые было выявлено через 5 лет в Беларуси, России и на Украине [1]. Для изучения закономерностей проявления этого заболевания, прогноза и планирования медицинской помощи населению необходима корректная реконструкция поглощенной дозы облучения щитовидной железы жителей территорий, загрязненных радиоактивными выпадениями.
Поэтому в последнее время были предприняты неоднократные попытки реконструкции радиационной обстановки во время активной стадии аварии. Однако, все эти исследования по реконструкции доз, поглощённых щитовидной железой жителей во время "йодного удара", опосредованы через восстановление загрязнения 131I в основном почвы и воздуха.

Научное обоснование возможности ретроспективного анализа радиационной обстановки на территории Республики Беларусь в апреле-мае 1986г. на основании результатов современного измерения содержания 129I в объектах окружающей среды приведено в [2]. Методами нейтронно-активационного анализа (НАА) и масс-спектрометрии с линейным ускорителем (AMS) определено содержание 129I в поверхностном слое почвы с 37 площадок на различных расстояниях и направлениях от места аварии до и после Чернобыльской катастрофы. На основании предварительных измерений содержания 129I в щитовидной железе некоторых жителей г.Минска (гистологические срезы) после аварии на ЧАЭС разработан методологический подход к определению содержания 131I в щитовидной железе населения Беларуси на активной стадии Чернобыльской катастрофы.

Однако кроме проблем, связанных с аварийными выбросами в результате аварий на атомных станциях, в настоящее время одной из наиболее актуальных проблем мировой атомной энергетики является обеспечение эффективного и экологически безопасного функционирования предприятий ядерно-топливного цикла (ЯТЦ). Среди веществ, образующиеся в результате деятельности предприятий ЯТЦ, следует выделить четыре долгоживущих радионуклида – 129I, 14С, 85Kr и 3He (глобальные радионуклиды), которые вносят существенный вклад в глобальную дозу облучения населения всего мира. Особую важность представляет задача детектирования йода-129 в объектах окружающей среды, поскольку данный изотоп (период полураспада которого составляет примерно 16 млн. лет) чрезвычайно опасен для здоровья человека.
Предлагаемые в  [2] методы  определение концентрации 129I в объектах окружающей среды связаны не только с трудоемкими радиохимическими методами выделения и концентрирования 129I, но в большей мере дорогостоящими приборами для измерения его активности.
 
В данной работе для измерения концентрации 129I в объектах окружающей среды рассматривается метод фотон-фотонных совпадений [3].
Для использования метода фотон-фотонных совпадений необходимо знать диапазон значений энергий γ-квантов и  Х (рентгеновских) -  квантов, сопровождающих К захват электронов. С этой целью рассмотрим основные свойства следующих радионуклидов: 125I (Т1/2=60,14 сут.);  129I (Т1/2=1,57´107 лет);  125Sb (Т1/2=2,77 года). Основные свойства выбранных радионуклидов [4] представлены в таблице.

Таблица. Энергии и интенсивности излучений радионуклидов 

g и RX

лучи

125I

129I

125Sb

Энергия,

кэВ

Интенсив.,

Бк/c

Энергия,

кэВ

Интенсив.,

Бк/c

Энергия,

кэВ

Интенсив.,

Бк/c

g1

35,4919

0,0667

39,578

0,0742

35,489

0,0584

RX Ka1

  27,47

0,741

29,78

0,369

27,47

0,363

RX Ka2

27,20

0,398

29,46

0,199

27,20

0,196

RX Kb1

31,00

0,140

33,62

0,0709

31,00

0,0703

RX Kb2

31,71

0,043

34,43

0,0236

31,71

0,0221

RX Kb3

30,94

0,072

33,56

0,0365

30,94

0,0323

RX Kb5

31,24

0,00144

33,88

0,000809

31,24

0,0008

 

Как видно из таблицы,  основное излучение всех перечисленных радионуклидов лежит в диапазоне энергий 27-40 кэВ. Причем испускаемые γ -кванты лежат в той же области, что и Х-лучи. Эти свойства и обуславливают идею использования метода фотон-фотонных  совпадений.
Суть метода состоит в следующем. Если между двумя  детекторами поместить источник, то будем иметь совпадения между Х-лучами от электронных захватов, регистрируемых детектором 1 (или 2),  и  γ -лучами, регистрируемых детектором 2 (или 1). Так как энергия g и Х близки друг к другу, можно положить, что эффективность для обоих видов излучений идентична. Следуя общей теории регистрации методом совпадений двумя детекторами, можно записать выражения для скоростей счета в первом, втором детекторе и суммарных совпадений (N1, N2, Nс):
                                     (1)
                                   (2)
                                     (3)
где e1 - эффективность регистрации в первом детекторе; e2 - эффективность регистрации во втором детекторе; К - коэффициент, учитывающий свойства рентгеновских лучей; N0 - истинная скорость распада изучаемого элемента или его активность (расп/с).
Используя выражения (1)-(3), можно записать следующее выражение:

 ,                                       (4)

обозначая                                                                  (5
                                   (6)

получим следующую линейную зависимость

                                                               (7)

Проведя измерения при нескольких значениях x и экстраполируя к x`->`0 , можно сразу определить активность образца. Величина К является константой для данного вещества и может быть определена или экспериментально, или рассчитана теоретически. Из приблизительного равенства основного γ-излучения и их выходов, а также равенства энергий Х излучений и их свойств в диапазоне 27‑31 кэВ, эта величина приблизительно одинакова и меняется от 125I до 129I от 1,067 до 1,039, т.е. порядка 2%. Поэтому с такой же точностью можно принять, что величина  в выражении (7) равна 1,0.
Эффективности e1 и e2 могут быть вычислены с использованием экспериментальных данных N1, N2 и Nc для различных расстояний между детекторами из следующих выражений:
                                            (8)
                                          (9)
В работе [5] этот метод был использован  для стандартизации эталонных источников   125I.
Используя  идентичность свойств излучения  125I, 125Sb и 129I,  этот метод может быть использован  и для определения концентрации 129I в объектах окружающей среды, если в качестве метки использовать  125I или 125Sb.
Соотношения (1)-(3) для этого случая принимают следующий вид

                                           (10)

                                             (11)

                                                  (12)

где значок 5 относится к 125I или 125Sb, а 9 – к 129I.

Используя выражения (10-12), можно записать следующее выражение:



                 (13)

Решая  (10-12) относительно e1 и e2         получим    

                                                     (14)                                                       
                     

                                                       (15)
где
                               .

Подставив выражения для e1 и e2 в (13) легко получить ту же линейную зависимость между экспериментальными значениями 

где                                                       (16)
  

Для определения  активности А9 необходимо в (16) подставить выражение для К и после несложных преобразований окончательно получим

                                                 (17)
экстраполируя которую к x`->` `0` можно вычислить активность 129I по известной активности 125I или 125Sb .

Как следует из теории метода фотон-фотонных совпадений, для его реализации необходимо иметь: два фотонных детектора с бериллиевыми окнами;  защиту из свинца, позволяющую разместить в ней два детектора и возможность перемещения их друг относительно друга в вертикальном положении; два фотоумножителя и одноканальных анализатора, включенных по схеме совпадений. Использование схемы совпадений требует тщательной подгонки окон дискриминации в обоих детекторах. С этой целью могут быть использованы эталонные источники 57Co (14,6 кэВ), 241Am (14,1 и 59,6 кэВ) и 137Cs (32-33 кэВ).
Таким образом, предложенный метод фотон-фотонных совпадений позволит решить задачу измерения концентраций йода-129 в объектах окружающей среды, что внесет существенный вклад в повышение эффективности и экологической безопасности атомной энергетики.

В заключение следует отметить, что используемые в настоящее время методы детектирования долгоживущих изотопов йода, как правило, не обеспечивают возможность регистрации в реальном масштабе времени. Так, методы, имеющие высокую чувствительность  - нейтронно-активационный, масс-спектрометрический, химический не позволяют проводить измерения в реальном масштабе времени, поскольку требуется сложная и продолжительная по времени предварительная подготовка исследуемых образцов [2]. Предлагаемый метод определения 129I   позволяет в реальном времени определять его концентрации для любых объктов окружающей среды без использования радиохимических методов его извлечения.

Библиографический список:

1. Sources and Effects of Ionizing Radiation. UNSCEAR 2000: Report to the General Assembly with Scientific Annexes. United Nations. New York. 2000. – 654 p.
2. Использование йода-129 для реконструкции содержания йода-131 в щитовидной железе населения во время активной стадии Чернобыльской аварии: научные основы и возможности / В.Миронов [ и др.]. – Минск, 1999,- 42 с – (Препринт/ НАН Беларуси, Институт Радиобиологии; ИРБ – 2).
3. Схемы распада радионуклидов. Энергия и интенсивность излучения: Публикация 38 МКРЗ. М., 1987. – 197 c.
4. Альфа-, бета - и гамма- спектрометрия / под редакцией К.Зигбана. М., вып.1, 1969. –259 c.
5. Schrader H., Watz K. F. // Appl. Radiat. Isot. 1987. Vol. 38, № 10. C. 763 – 766.




Рецензии:

1.03.2017, 16:10 Лобанов Игорь Евгеньевич
Рецензия: Тема работы актуальна. Предложенный метод представляется эффективным. Теоретическое решение представляется несколько упрощённым. Считаю, что автор недостаточно расшифровал формулу (17): надо подробнее её вывести. Из недостатков работы: автор не указал, как ведутся измерения существующими методами и чем его метод преимущественно(!) отличается от существующих. После внесения этих небольших поправок статья может быть рекомендована к публикации.

07.03.2017 11:11 Ответ на рецензию автора Серебряный Григорий Зиновьевич:
Уважаемый Игорь Евгеньевич! Огромное спасибо за Ваши замечания по нашей статье. В выражении (16)не была определена величина x, которая вычисляется по экспериментальным данным N1 N2 и Nc. Величина А9 легко вычисляется из(16) подставляя К и проведя несложные преобразования. По второму замечанию. Мы в заключении добавили В заключение следует отметить, что используемые в настоящее время методы детектирования долгоживущих изотопов йода, как правило, не обеспечивают возможность регистрации в реальном масштабе времени. Так, методы, имеющие высокую чувствительность - нейтронно-активационный, масс-спектрометрический, химический не позволяют проводить измерения в реальном масштабе времени, поскольку требуется сложная и продолжительная по времени предварительная подготовка исследуемых образцов [2]. Предлагаемый метод определения 129I позволяет в реальном времени определять его концентрации для любых объктов окружающей среды без использования радиохимических методов его извлечения. Особенно это важно при аварийных ситуациях, когда требуется проводить измерения для большого количества проб объектов окружающей среды. С уважением авторы!

7.03.2017, 18:13 Лобанов Игорь Евгеньевич
Рецензия: В процессе доработки статьи были внесены нужные изменения, после которых статью можно рекомендовать к публикации.
09.03.2017 12:12 Ответ на рецензию автора Серебряный Григорий Зиновьевич:
Благодарим за положительную рецензию!



Комментарии пользователей:

30.03.2017, 18:31 Редакция журнала SCI-ARTICLE.RU
Отзыв: К сожалению, формулы и рисунки в формате, в котором они сейчас представлены в статье, не переносятся и не отображаются в файле формата pdf. Вам необходимо В ТЕЧЕНИЕ СУТОК отредактировать статью, вставив рисунки методом, который является обязательным для нашего журнала, в противном случае статья не будет включена в pdf-номер журнала. Рисунки и изображения в текст статьи добавляются в виде ссылки на него с внешнего хостинга изображений (например, http://itmages.ru). В текстовом редакторе статьи для добавления изображения использовать кнопку "Добавить / Изменить изображение". (Т.е. сначала заходите на http://itmages.ru, загружаете первый рисунок. После загрузки Вы попадаете на страницу с изображением и ссылками на него. Вам необходимо скопировать ссылку из окна «Прямая ссылка». В личном кабинете на сайте журнала переходите в режим редактирования статьи, ставите курсор в то место, где должно быть первое изображение, нажимаете в панели редактора кнопку "Добавить / Изменить изображение" и вставляете в поле адрес ссылку, скопированную со страницы загруженного изображения на http://itmages.ru. И так далее с остальными изображениями.)


Оставить комментарий


 
 
▲
Вверх