Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 8, стр. 1172-1177

ВВЕДЕНИЕ

Важной задачей Радиевого института является работа с отработанным ядерным топливом (ОЯТ). Задачу по определению концентрации изотопов плутония в растворах, находящихся в нескольких емкостях (каждая со своим, отличным от других радионуклидным составом), было решено расширить и провести сравнение результатов измерений, проведенных в лаборатории переработки ОЯТ и в метрологической службе института. Для такого подхода было несколько оснований: а) состав растворов оказался сложнее, чем предполагалось первоначально; б) для отработки и улучшения методики измерения счетных образцов; в) для оценки возможностей программного обеспечения для разделения плохо разрешенных линий; г) для выработки оптимальной по времени и затратам методики определения изотопного состава растворов. В работе были использованы следующие методы анализа: а) альфа-спектроскопия с ионизационной 2π-камерой; б) полупроводниковая альфа-спектроскопия с PIPS-детекторами двух разных производителей; в) гамма-спектроскопия с NaI(Tl)-сцинтиллятором и детектором из сверхчистого германия (ОЧГ).

Для сравнительных измерений был предложен следующий порядок действий. В начале из растворов изготавливались счетные образцы, которые представляют собой подложки из нержавеющей стали с нанесенными на них растворами радионуклидов. Счетные образцы измерялись в лаборатории ОЯТ и в метрологической службе института с помощью альфа-спектрометрии. Затем результаты измерений сводились в таблицы для сравнения. По результатам анализа было решено провести дополнительные измерения гамма-спектров для подтверждения наличия и уточнения содержания выявленных радионуклидов.

ПОДГОТОВКА СЧЕТНЫХ ОБРАЗЦОВ

Для определения концентрации в азотнокислых растворах актиноидов и изотопов других ядер, подверженных альфа-распаду, используется методика изготовления счетных образцов с дальнейшим измерением их активности при помощи альфа-спектрометров. Сложность изготовления счетных образцов заключается в том, что на них накладываются два взаимоисключающих требования: компактность источника для воспроизводимости измерений и малая толщина, чтобы уменьшить влияние рассеяния и самопоглощения. Это требует от экспериментатора определенного навыка в области пробоподготовки.

Регламенты изготовления счетных образцов отличаются в зависимости от геометрических размеров, материала подложки, наличия органического покрытия. Технология изготовления может состоять, например, из следующих стадий: снятие органического загрязнения с поверхности подложки, предварительного отжига, нанесения порции азотнокислого раствора, добавления ПАВ, сушки, повторного отжига. В зависимости от конкретных условий – доступности материалов и оборудования, экономической целесообразности, временных ограничений, – те или иные стадии технологического процесса могут быть исключены из цепочки действий. В нашем случае использовались подложки диаметром 25 мм и толщиной 0.5 мм из нержавеющей стали с плотностью 7.85 г/см³. Одна сторона отшлифована и покрыта полимерным самоклеящимся материалом. Подложка после прокаливания приобретает золотистый цвет. Изначально в лаборатории использовалась следующая технология: обезжиривание поверхности ацетоном, нанесение раствора на подложку с последующим взвешиванием, сушка под лампой, отжиг на спиртовке. Преимущество такой пробоподготовки – простота и не большое время изготовления образца, недостаток – толстый слой радиоактивного пятна и поэтому слишком широкие линии в альфа-спектрах. На рис. 1 представлены фрагменты альфа-спектра одного и того же образца, измеренные на ионизационной 2π-альфа-камере и полупроводниковом детекторе PIPS. Очевидно, что широкие альфа-линии затрудняют идентификацию радионуклидов в случае сложного состава раствора и поэтому являются существенным недостатком. По этой причине процедура изготовления была изменена на следующую: обезжиривание подложки, нанесение азотнокислого раствора на подложку с последующим взвешиванием, добавление спирта, сушка, отжиг в муфельной печи при 500°C в течение 5 мин. Изготовленные таким способом образцы получаются “тонкими” и не только позволяют получить правильные значения активностей, но и определить наличие в образцах примесей (рис. 1б).

Рис. 1.

Альфа-спектры счетного образца (в условных единицах), измеренные на ионизационной 2π-альфа-камере (а) и на полупроводниковом детекторе PIPS (б). Видны две группы линий, соответствующие основным радионуклидам в растворе – ²³⁹Pu и ²³⁸Pu. По оси абсцисс отложена энергия альфа-частиц.

ИЗМЕРЕНИЕ АКТИВНОСТИ СЧЕТНЫХ ОБРАЗЦОВ НА АЛЬФА-КАМЕРЕ И PIPS-ДЕТЕКТОРЕ

Измерения активности счетных образцов проводились в ионизационной 2π-альфа-камере, работающей в спектрометрическом режиме, и на спектрометрах с твердотельными кремниевыми детекторами (PIPS).

На рис. 2 представлены фрагменты спектров, полученных при помощи полупроводниковых детекторов (рис. 2а для “толстого” образца, рис. 2б – для “тонкого” образца) и на альфа-камере для “тонкого” образца (рис. 2в).

Рис. 2.

Фрагменты альфа-спектров (в условных единицах), соответствующих линии ²³⁸Pu/ ²⁴¹Am: “толстый” образец, детектор PIPS (а); “тонкий” образец, детектор PIPS (б); “тонкий” образец, ионизационная 2π-альфа-камера (в). Представлено разложение сложной линии на компоненты, соответствующие радионуклидам ²³⁸Pu и ²⁴¹Am. По оси абсцисс отложена энергия альфа-частиц.

Из анализа измерений на спектрометре с PIPS-детектором стало ясно, что в растворах кроме основных радионуклидов ²³⁸Pu и ²³⁹Pu содержатся также и примеси иных радионуклидов, скорее всего ²⁴⁰Pu и ²⁴¹Am (см. рис. 2б). Обнаружить же надежно наличие примесей при измерениях на альфа-камере (рис. 2в) оказывается гораздо сложнее.

Ионизационная камера имеет статус вторичного эталона, активность образцов определяется прямым измерением счета. Камера имеет 2π-геометрию и активность счетного образца равна удвоенному счету в единицу времени [1]. Альфа-спектры хорошо разделяются на две группы линий, но довольно сложно разделить линии внутри групп, чтобы определить к каким изотопам они относятся и какую долю вносит в распад данный изотоп. В случае сложного образца, состоящего из нескольких различных альфа-излучателей, для определения активности каждого компонента спектр раскладывается на составляющие и площади линий дают активность соответствующего компонента [2]. Если линии разделены, тогда это не вызывает сложностей, например, линии ²³⁸Pu и ²³⁹Pu разделены приблизительно на 300 кэВ при разрешении альфа-камеры 40 кэВ и PIPS-детектора 13 кэВ. Но в случае, если разница энергий альфа-частиц меньше разрешения спектрометрического тракта, то приходится использовать специальные методы анализа или априорную информацию.

Анализ формы и ширины линии, соответствующей пику ²³⁸Pu показывает, что можно предположить наличие примесей в растворе, радионуклиды которых имеют альфа-линии с близкими к ²³⁸Pu энергиями. Из предыдущего опыта работы с растворами плутония, полученными из ОЯТ, мы предположили, что примесью может являться радионуклид ²⁴¹Am, имеющий альфа-линии, близкие к линиям ²³⁸Pu. На основании этого предположения мы разложили линию на несколько компонент и получили вклад примеси в суммарную активность. Следует отметить, что алгоритмы разложения сложной линии на составляющие не являются надежными и устойчивыми [3]. Поэтому мы проводили несколько попыток каждый раз с различными начальными условиями. Каждый раз результаты несколько отличались от предыдущих, поэтому за окончательное значение мы брали среднее между ними, а за ошибку принимали разброс.

Для подтверждения нашего предположения о наличии в растворах ²⁴¹Am мы провели измерения образцов на гамма-спектрометре с детектором из ОЧГ. Измерения на оборудовании с PIPS детектором другого североамериканского производителя в лаборатории по переработке ОЯТ и измерение активности ²⁴¹Am в лаборатории ОЯТ на сцинтилляционном детекторе показали близкие результаты к тем, которые были получены в метрологической службе.

Аналогичным способом мы проанализировали форму и ширину линии, соответствующей радионуклиду ²³⁹Pu, и было сделано предположении о наличии в растворе изотопа ²⁴⁰Pu, который затруднительно обнаружить по гамма-излучению.

Таким образом, мы предполагаем, что к первой группе линий можно отнести линии ²³⁹Pu: 5104.6 кэВ (11.5%), 5143 кэВ (15.1%), 5155 кэВ (73.3%) и ²⁴⁰Pu: 5123.7 кэВ (27.1%), 5168.7 кэВ (72.8%). Ко второй группе можно отнести линии ²³⁸Pu: 5456.3 кэВ (28.85%), 5499 кэВ (71%) и ²⁴¹Am: 5388.2 кэВ (1.6%), 5442.8 кэВ (13%), 5485.6 кэВ (84.5%). В тонких счетных образцах все эти линии также наблюдаются. Для второй группы задача идентификации проще, т.к. у ²⁴¹Am в гамма-спектре есть интенсивные линии, по которым его легко идентифицировать гамма-спектрометрией, определить его активность и подтвердить измерения на альфа-спектрометрах.

В то время, как в метрологической службе были проведены прямые измерения, в лаборатории переработки ОЯТ для определения активности используются эталонные источники, спектры которых сравниваются с изучаемыми образцами в одинаковой (близкой) геометрии. В данном случае, при анализе альфа-спектров использовалось сравнение площадей (суммы по каналам) соответствующих линий образца с соответствующими линиями эталонных образцов ²³⁹Pu, ²³⁸Pu.

Окончательно, зная процентное содержание отдельного радионуклида в растворе и общую удельную активность раствора, можно определить его удельную активность.

ИЗМЕРЕНИЕ ПРОЦЕНТНОГО СОДЕРЖАНИЯ ²⁴¹Am И ЕГО УДЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ В РАСТВОРЕ

Измерение гамма-активности ²⁴¹Am счетных образцов проводилось в метрологической службе института на гамма-спектрометре из ОЧГ путем сравнения скорости счета от счетных образцов и от эталонных гамма-источников. Несмотря на то, что поправки на геометрию счетных образцов по сравнению с точечным источником не вводились, ибо высокая точность оценки и не требовалась, мы получили хорошее согласие между результатами оценок из альфа- и гамма-спектрометрии. Это говорит о том, что при корректном анализе линий вполне возможно определять содержание радионуклида ²⁴¹Am только по альфа-спектрам счетных образцов. В то же время гамма-спектрометрия дает более надежные сведения о содержании радионуклидов в растворах, но вместе с тем увеличивает и общее время измерений.

Далее исследовалась возможность получить те же сведения путем измерения исследуемых растворов в пробирках Эппендорфа, т.е. без подготовки счетных образцов. Для этого метрологической службой был изготовлен специальный калибровочный образец. Измерения проводились на сцинтилляционном детекторе с колодцем методом компарирования. Результаты измерений также оказались в удовлетворительном согласии с альфа-измерениями и результатами метрологической службы, полученными из измерений на детекторе ОЧГ.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЦЕНТНОГО СОДЕРЖАНИЯ ²⁴⁰Pu И ЕГО УДЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ В РАСТВОРЕ

Как мы указывали выше, есть основания предполагать наличие в растворах радионуклида ²⁴⁰Pu. Небольшое уширение и изменение формы линии по сравнению с чистой линией ²³⁹Pu указывает на наличие еще одного компонента в ней (рис. 3). Поэтому мы попробовали разложить ее на составляющие альфа-линии аналогичным образом, как мы это делали для смеси линий ²³⁸Pu/²⁴¹Am.

Рис. 3.

Фрагменты альфа-спектров (в условных единицах), соответствующих линии ²³⁹Pu/²⁴⁰Pu: “толстый” образец, детектор PIPS (а); “тонкий” образец, детектор PIPS (б); “тонкий” образец, ионизационная 2π-альфа-камера (в). Представлено разложение сложной линии на компоненты, соответствующие радионуклидам ²³⁹Pu и ²⁴⁰Pu. По оси абсцисс отложена энергия альфа-частиц.

Как и в предыдущем случае, мы выполнили вычисления несколько раз с различными начальными условиями, чтобы посмотреть сходимость. Оказалось, что в этом случае разброс результатов был шире, чем в случае с ²³⁸Pu/²⁴¹Am.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты измерений сведены в табл. 1. Из каждого раствора (Б1, Б2, Б3, Б4, Б5 и Б6) были приготовлены несколько счетных образцов (А – “тонкий”, М – “толстый”, Ю – средняя толщина и Г – разбавленный раствор в пробирке). В графе ²⁴¹Am приведены средние значения удельной активности, полученные по измерениям на гамма-спектрометре (обозначены через γ) и альфа-спектрометре (обозначены через α).

Из табл. 1 видно, что, хотя в среднем значения активностей близки друг к другу, есть и существенные расхождения. Мы считаем, что это связано, в первую очередь, с качеством подготовки счетных образцов. Также на результаты влияет способ отбора пробы из исследуемой емкости.

Были сделаны практические выводы по регламенту подготовки счетных образцов и методике обработки результатов измерений.