Радиция ... Немного про мифы и факты...
Радиация: будни радиохимической лаборатории
… В конце восьмидесятых, начале девяностых годов люди часто ходили на рынок с дозиметром, выбирая с его помощью «чистые», как они думали, овощи и фрукты. Иногда и сейчас в тематических пабликах и форумах встречается вопрос: какой дозиметр купить, чтобы ходить на рынок за продуктами. И если в сообществе есть компетентные люди, они дадут правильный ответ: никакой. И объяснят, что дозиметром радиоактивность продуктов питания обнаруживается только при уровнях, многократно превышающих предельные, дозиметр не отличит безвредную активность калия-40 от эквивалентной по показаниям дозиметра, но убийственной при регулярном потреблении активности стронция-90, а альфа-активные и очень радиотоксичные плутоний с америцием и вовсе не увидит, а для оценки пригодности продукта к употреблению необходимо исследование в специальной лаборатории.
В настоящий момент я как раз в такой лаборатории работаю. Мы не занимаемся санитарно-гигиеническими измерениями. Наша задача – это исследование радиоактивности природной среды – в основном, морской воды, осадков. Нас интересует не факт превышения нормативов, а сами уровни содержания радионуклидов в природных объектах, формы, в которых они присутствуют, их распределение и миграция. К счастью, пока содержание радионуклидов в окружающей среде в большинстве случаев очень мало. И я хотел бы рассказать, как мы эти низкие уровни обнаруживаем, а заодно развеять некоторые расхожие мифы.
На КДПВ — Новая Земля, где я побывал в позапрошлом году в рамках экспедиции на научно-исследовательском судне «Мстислав Келдыш» в Арктику.
Альфа, бета, гамма, крибле, крабле, бумс
Уникальным свойством радиоактивного распада, как источника аналитического сигнала является то, что мы легко регистрируем единичный акт распада – то есть то, что произошло с одним атомом. Поэтому измерение радиоактивности часто превосходит по чувствительности любые другие аналитические методы. Только очень долгоживущие элементы – уран-238 и 235, торий, иногда нептуний – чувствительнее определять химически.
Как все, наверное, знают, при радиоактивном распаде излучаются альфа-частицы – ядра гелия-4, бета-частицы – электроны и иногда позитроны, гамма-кванты, и в редких случаях – нейтроны, «осколочные» ядра и протоны. Иногда, впрочем, бывает, что вроде бы не излучается ничего: наоборот, ядро захватывает электрон. Но и в этом случае не обходится без радиации: электронная оболочка атома, перестраиваясь, испускает характеристическое рентгеновское излучение.
Проще всего, если интересующий нас изотоп является гамма-излучателем. Гамма-излучение редко существует отдельно от всех прочих – только при переходе долгоживущих ядерных изомеров в основное состояние ядра. Как правило, оно возникает при альфа- и бета-распаде, из-за того, что после распада новому ядру нужно сбросить излишек энергии. За счет проникающей способности, гамма-излучение обычно легко покидает пределы очень толстого образца, что невозможно в случае альфа-излучения и не всегда возможно, когда речь идет о бете. А еще у гамма-излучения есть хорошая черта: его спектр линейчатый, и он однозначно идентифицирует испустивший его нуклид.
Увы, далеко не все радионуклиды – эффективные источники гамма-излучения. У кого-то гамма-квант излучается в 0,0001% всех распадов, у кого-то вовсе распад происходит сразу в основное состояние дочернего ядра и никакой гаммы от него не дождешься. Поэтому приходится смотреть еще и на альфа- и бета-излучения.
Еще со школы мы знаем, что альфа-излучение задерживается листком бумаги. Я скажу больше: оно задерживается парой сантиметров воздуха, а главное — оно задерживается самой пробой. И если мы попытаемся обнаружить альфа-излучение, поднеся к ней датчик снаружи, то в него попадут только альфа-частицы, испущенные самым верхним слоем вещества, толщиной в доли микрона или единицы микрон. Аналогичная проблема и с регистрацией бета-излучения. Если оно жесткое (как у стронция-90), оно способно преодолеть несколько миллиметров пробы. А бета-лучи трития еще меньше «пробивают», чем альфа-частицы, и не могут преодолеть никакое окно. Даже бета-частицы углерода-14 или никеля-63 с трудом проходят сквозь тонкую слюду счетчика Гейгера или светонепроницаемую фольгу, закрывающую сцинтилляционный детектор.
Потом я расскажу, что с этой непроницаемостью делают и как с ней справляются.
Но сначала — о гамма-спектрометрии
Про гамма-спектрометрию наверняка упомянут в любой дискуссии на тему «проверки грибов дозиметром». Это и понятно: метод в рамках решения задачи «определить цезий-137 на уровне ПДК» относительно прост аппаратурно (вплоть до домашних «наколенных» вариантов) и достаточно экспрессен (то есть дает быстрый результат).
Гамма-спектрометрия основана на том, что гамма-излучение, возникающее при радиоактивном распаде данного конкретного изотопа, представляет собой поток практически моноэнергетических гамма-квантов. То есть на спектре излучения мы видим узкую линию, либо несколько линий. И этот спектр — характеристический, по нему можно надежно идентифицировать радионуклид.
Если оптическое излучение или даже рентген можно разложить в спектр с помощью некоего диспергирующего элемента — призмы или дифракционной решетки (для рентгена в качестве последней служит кристаллическая решетка, например, графита), то единственный способ получить спектр гамма-излучения — это измерять энергию каждого из зарегистрированных его квантов. Способов такого измерения достаточно много, существуют, например, различные способы, при которых гамма-квант «конвертируется» в электрон с почти такой же энергией, а затем поток электронов раскладывают в спектр по энергиям в магнитном поле. Но такие методы бывают применимы в экспериментальной ядерной физике — но не в рутинных измерениях. Обычно для измерения энергии гамма-квантов служит какой-либо пропорциональный детектор ионизирующего излучения.
Счетчик Гейгера-Мюллера, например, таким детектором не является. Поглотив квант гамма-излучения америция-241, он сформирует импульс, который ничем не будет отличаться от такого же импульса, который счетчик Гейгера выдаст в ответ на квант гамма-излучения кобальта-60, несмотря на то, что энергии этих двух квантов отличаются в 23 раза. А вот сцинтилляционный счетчик напротив, свойством пропорциональности обладает — интенсивность вспышки света, а значит, и амплитуда импульса на аноде фотоэлектронного умножителя определяется величиной поглощенной в кристалле энергии.
Сцинтилляционный гамма-спектрометр, таким образом, представляет просто сцинтилляционный детектор — кристалл сцинтиллятора, например, йодистого натрия, активированного таллием, к которому приставлен ФЭУ. Импульсы с ФЭУ подаются на особый прибор, называемый многоканальный анализатор (часто встречается англоязычная аббревиатура MCA). По сути, это АЦП, но с рядом специфических требований (в частности, предельно малая дифференциальная нелинейность, которая в обычных применениях мало кого волнует). Принцип его действия — он измеряет величину (его амплитуду, или же интеграл под этим импульсом) каждого импульса и «раскладывает» эти импульсы по «кучкам» в соответствии с их величиной. Этих «кучек» — каналов — обычно от 256 до 4096 и больше. По сути, MCA работает, подобно функции, вызываемой с каждым новым импульсом... далее :
https://zen.yandex.ru/media/habr/rad...ac0e00ad1ec833