Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 9, стр. 1343-1347

ВВЕДЕНИЕ

В экспериментах, проводимых по схеме описанной в работе [1], итоговым результатом являются распределение концентраций элементов в ступенях экстракторов. Для корректировки эксперимента отбираются соответствующие образцы растворов. Наиболее удобным и оперативным инструментом для определения концентрации ТПЭ являются спектрометры ионизирующих излучений. Для анализа концентраций находятся объемные активности растворов, концентрация вычисляется по формуле (1):

где n – концентрация ТПЭ в растворе, $\left| {\frac{{dN}}{{dt}}~} \right|$ – активность образца, V – его объем, ${{T}_{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}$ – период полураспада ТПЭ, M – его молярная масса, ${{N}_{A}}~$ – число Авогадро. Например, для ²⁴¹Am${{T}_{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}$ = 1.365 ⋅ ⋅ 10¹⁰ с, M = 241. Пробы отбирались объемом 5 мл. Тогда для перевода активности в концентрацию для ²⁴¹Am получается следующее соотношение:

ВЫБОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ

При распаде ²⁴¹Am можно наблюдать несколько альфа-, гамма- и рентгеновские линий (рис. 1). Процесс альфа-распада²⁴¹Am можно записать в следующем виде:

Основные альфа-линии имеют следующие энергии:

– 5485 кэВ – 84.8%;

– 5442 кэВ – 13.1%;

– 5388 кэВ – 1.66%.

Линии, наблюдаемые на гамма-спектрометрах при распаде ²⁴¹Am относятся к спектру нептуния. Часть из них – это излучение, обусловленное гамма-переходами между уровнями ядра ²³⁷Np, часть – это рентгеновские переходы между внутренними электронными оболочками атома нептуния. Наиболее интенсивные из них:

– 13.9 кэВ – рентген, интенсивность – 35% в пересчете на число альфа-распадов);

– 26.3 кэВ – гамма, 2.27%;

– 59.6 кэВ – гамма, 35.9%.

Значения энергий и интенсивности приведены по базе данных Брукхевенской национальной лаборатории [2], в других базах данных значения могут несколько отличаться.

На рис. 2–4 приведены спектры ²⁴¹Am на альфа-спектрометре c PIPS-детектором, сцинтилляционном гамма-спектрометре NaI(Tl) с колодцем и полупроводниковом спектрометре.

Измерения на альфа-спектрометре требуют сложной пробоподготовки: нанесение образца на подложку с добавлением спирта, сушки и отжига, что неудобно для оперативного контроля. Кроме того, альфа-спектры обладают сложной формой линий (асимметрией) из-за сильного рассеяния даже в очень тонких образцах, что усложняет анализ спектра. Если в образце содержатся другие альфа-излучатели (например, Pu) с близкими по энергии альфа-линиями, то для количественного анализа нужна априорная информация о составе образца (например, качественный изотопный состав примеси).

При подготовке эксперимента важно было не только определиться с методикой для данного эксперимента, но и понять, как действовать в дальнейших экспериментах по экстракции, особенно с короткоживущими изотопами.

В распоряжение имелись две возможности для измерения гамма-спектров: гамма-спектрометр с полупроводниковым детектором (ППД), который обладает высоким разрешением, но низкой эффективностью регистрации в необходимом диапазоне энергий рентгеновского и гамма-излучения (10–100 кэВ) и сцинтилляционный спектрометр с большим кристаллом и колодцем, обладающий высокой эффективностью и низким энергетическим разрешением, а также альфа-спектрометр. Так как эксперимент проводился на модельных растворах и не предполагал наличия других гамма-излучателей, кроме ²⁴¹Am, то не предполагалось, что в гамма-спектрах понадобится разделять близко лежащие линии от различных элементов (изотопов), поэтому для регистрации был предложен сцинтилляционный метод, как для мониторинга в течение эксперимента, так и для окончательного расчета концентраций. Использование альфа-спектрометра не рассматривалось из-за длительной пробоподготовки.

Сравним спектры на рис. 2 и 3. Как видно из рисунков, время экспозиции для сцинтиллятора составило около 15 мин (904 c), а для ППД – около 50 мин (2894 с). При этом амплитуда пика, соответствующего для ППД – 299 имп., для сцинтиллятора – 7000 имп. Поэтому выбор был сделан в пользу сцинтиллятора, т.к. его эффективность в данной области почти на 2 порядка превосходит ППД.

Активность растворов определялась по спектру гамма-излучения в диапазоне энергий от 10 до 65 кэВ. Для измерений метрологическим отделом Радиевого института был изготовлен эталон в виде пробирки Эппендорфа с раствором ²⁴¹Am активностью 1750 Бк. Вычисление активности производилось при помощи встроенных возможностей программы управления спектрометром ASW. Расчет проводился двумя способами: В первом случае, спектральная линия измеряемого образца, соответствующая энергии 59.6 кэВ, аппроксимировалась функцией Гаусса (встроенная функция ASW) и ее площадь сравнивалась с площадью эталона, во втором – использовалась встроенная в ASW функция “Расчет”, которая определяет активность по предварительно сохраненному калибровочному спектру. Результаты функция “Расчет” корректны только, когда параметры работы спектрометра (высокое напряжение, усиление) были идентичны при наборе спектров изучаемого образца и эталона.

РАСЧЕТЫ

Кроме измерений были проведены расчеты в программе PHiTS [3], как с целью проанализировать эксперимент, так и с целью настройки программы на простом эксперименте с последующим использованием предварительных расчетов в программе для эксперимента более сложного. Были рассчитаны и сравнивались с экспериментом количество событий в фотопиках в секунду, проанализирована геометрия поглощения гамма-квантов в детекторах, рассчитаны спектры поглощения в детекторах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из табл. 1 видно, что положение линии 59.6 кэВ и полуширина на половине высоты воспроизводятся во всех измерениях со значениями 41.9 ± 0.2 и 6.5 ± 0.2%, а разница в активностях измеренных двумя разными методами в среднем составляет 4%. Все значения активности, полученные методом “Расчет”, несколько выше значений, полученные методом “Гаусс”. К сожалению, из-за того, что алгоритм работы кода программы не известен, сложно определить преимущество того или другого метода.

При измерении концентрации радиоактивных веществ в растворе с простыми спектрами (спектры, состоящие из одной линии, или из нескольких удаленных друг от друга линий) преимущество у сцинтилляционного детектора с колодцем. Его эффективность регистрации выше в 100 раз, чем у имеющегося в лаборатории HPGE-детектора, следовательно, в 100 раз меньше время экспозиции, что особенно важно при проведении эксперимента с короткоживущими элементами.

Монте-Карло расчеты эксперимента в пакете PHiTs не противоречат полученным экспериментальным данным и хорошо известным свойствам детекторов, однако предположение о существенном самопоглощении мягкого гамма-излучения в азотнокислом растворе не подтверждают ни расчеты, ни эксперимент. По оценкам расчета (который совпадает с экспериментальными данными) самопоглощение излучения в растворе не превышает 3–4%.