Журнал аналитической химии, 2021, T. 76, № 1, стр. 74-78

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве иллюстративного образца для недеструктивных гамма- спектрометрических исследований в данной работе использовали пробу донного осадка, отобранную во время 66-го рейса научно-исследовательского судна “Академик Мстислав Келдыш” в Карском море (станция № 5346, координаты станции: 72°30.4′ с.ш., 80°20.4′ в.д., глубина 14 м).

Для получения γ-спектра применяли прибор с детектором из сверхчистого германия HPGe-3808 фирмы “Canberra Industries” (США) с программным обеспечением Genie PC-2000. Продолжительность измерения составила 72000 с. Аппаратурный γ-спектр данной пробы представлен на рис. 1.

Рис. 1.

Аппаратурный гамма-спектр пробы донного осадка со станции № 5346.

Для расчетов абсолютных активностей радионуклидов ряда ²³²Th применяли сертифицированный стандарт ОИСН № 420/51942-1 с паспортным значением удельной активности ²³²Th 1020 Бк/кг, приготовленный на основе диоксида тория, равномерно распределенного в чешуйках эпоксидной смолы. При обработке спектра исследуемой пробы из всей совокупности гамма-линий радионуклидов, относящихся к природному ряду ²³²Th, отбирали только те, квантовый выход которых превышал 2% (с учетом ветвления). Было отобрано 19 линий, представляющих 5 радионуклидов ряда (табл. 1). Использовали ядерно-физические характеристики нуклидов, подготовленные и рекомендованные международным Проектом оценки данных распада (Decay Data Evaluation Project) [7].

Для расчетов абсолютных активностей радионуклидов ряда ²³⁸U в анализируемой пробе применяли стандарт IAEA-447, изготовленный на основе торфяной почвы (moss-soil), с паспортной удельной активностью ²³⁸U 22.2 Бк/кг. Из всей совокупности гамма- линий радионуклидов, относящихся к урановому ряду, отбирали линии, свободные от помех со стороны нуклидов ряда ²³²Th, и с квантовым выходом выше 3%. Было отобрано 10 линий, относящихся к 3 радионуклидам ряда (Decay Data Evaluation Project) [7] (табл. 2).

В ходе расчетов предполагали, что выбранные радионуклиды, генетически связанные в естественных радиоактивных рядах ²³²Th и ²³⁸U, находятся в состоянии, близком к вековому равновесию.

На рис. 2, 3 представлены значения удельных активностей ²³²Th и ²³⁸U, рассчитанные по отдельным γ-линиям спектра с соответствующими доверительными интервалами. Толстая сплошная линия на рисунках соответствует удельным активностям материнских радионуклидов, рассчитанным как средневзвешенные по 19 и 10 линиям соответственно (весовой множитель определяется через дисперсии скоростей счета [8]). Пунктирные линии выше и ниже средневзвешенного значения удельной активности – доверительный интервал этого значения.

Рис. 2.

Результаты определения удельной активности ²³²Th в пробе донного осадка со станции № 5346 по отдельным γ-линиям спектра и их совокупности.

Рис. 3.

Результаты определения удельной активности ²³⁸U в пробе донного осадка со станции № 5346 по отдельным γ‑линиям спектра и их совокупности.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В данной работе результаты измерения γ-спектра исследуемой пробы донного осадка за вычетом фона для каждой отдельной гамма-линии сопоставляли с результатом измерения стандарта той же массы (также за вычетом фона). При таком сопоставлении отпадает необходимость учета квантового выхода и эффективности регистрации γ-квантов для всех значений энергии. Основным показателем качества измерений радиоактивности является FOM (factor of merit measurement) – величина, обратно пропорциональная времени, затрачиваемому на измерение препарата с фоном и фона в данных условиях [9].

При выборе общей стратегии измерения большой серии препаратов (в частности, морских донных осадков) возникает вопрос о целесообразной частоте измерений стандартов и фона. Очевидно, что измерение стандарта и фонового препарата для каждой пробы, масса которой обычно довольно сильно варьируется, потребовало бы слишком больших затрат времени. Чтобы для каждого препарата определенной массы не выполнять измерение стандартного препарата той же массы и фона, весь диапазон измеряемых масс разделили на несколько дискретных значений (например, 40, 60 и 80 г), и массу каждой из измеряемых проб привели к соответствующему дискретному значению. Такая мера может вызвать некоторое увеличение погрешности отдельного измерения, но FOM для всего массива данных улучшится в результате отказа от измерений стандартных и фоновых препаратов случайных (не дискретных) масс. В этом аспекте оптимальным представляется использование именно ториевого стандарта для обработки гамма-спектров природных образцов. Основные преимущества заключаются, во-первых, в том, что благодаря большому периоду полураспада ²³²Th (~14 млрд лет) исходная навеска может быть с высокой точностью определена и разделена на дискретные массы гравиметрически, а во-вторых, одним стандартным препаратом может быть перекрыта большая часть энергетического диапазона измеряемых γ-квантов (92−2614 кэВ). По результатам измерения ториевого стандарта можно построить семейство кривых эффективности регистрации гамма-квантов для широкого спектра радионуклидов, включающих в том числе и членов ряда ²³⁸U, в зависимости от массы стандартного препарата.

В целом подход, при котором равновесную удельную активность радионуклидов в природных семействах ²³²Th и²³⁸U, находящихся в состоянии векового равновесия, рассчитывают как средневзвешенную по основным реперным линиям, является эффективным инструментов гамма-спектрометрических исследований. Таким образом результат, получаемый при однократном измерении спектра во всем доступном диапазоне энергий γ-квантов, приводит к надежному определению удельной активности материнских радионуклидов.

Данный подход можно эффективно применять в геохимических исследованиях донных отложений рек, морей и океанов, в частности, при изучении режимов седиментации молодых осадков, где используется модель расчета скорости осадконакопления по неподержанному Pb-210. Можно будет более корректно оценить так называемое “равновесное” содержание свинца в каждом горизонте, используя средневзвешенное расчетное значение.

Обобщение результатов и подготовка к публикации выполнены в рамках государственного задания (тема 0137-2020-0010). Отбор проб и методическая часть работы осуществлялись при поддержке РНФ, проект 19-17-00234.