Методы обнаружения и регистрации ионизирующих излучений

Поглощение энергии  ионизирующих излучений в веществе может вызывать различные химические реакции, приводящие к необратимым  изменениям в химическом составе вещества. Измеряя выход химических реакций, т.е. количество вновь образованных конечных продуктов реакций, можно определить поглощенную энергию. На этом принципе основаны химические методы обнаружения и измерения радиоактивного излучения.

Достоинство химических детекторов заключается в возможности  выбора таких веществ, которые по воздействию на них ионизирующих излучений мало отличаются от тканей. Следовательно, химические изменения, происходящие в этих веществах под действием излучения, могут непосредственно служить мерой энергии излучения, поглощенной тканью. Химические детекторы могут быть использованы для измерений больших доз гамма-излучения/3/.

Можно выделить следующие  виды детекторов:

Жидкостные детекторы:

Ферросульфатный детектор основан на свойстве ионов двухвалентного железа окисляться в кислой среде радикалами ОН* до трехвалентного железа. Ферросульфатный детектор чувствителен к органическим примесям и требует насыщения кислородом. Недостатком считается низкая чувствительность.

Нитратный детектор основан на свойстве ионов нитрата востанавливаться атомарным водородом до нитрит ионов, которые могут быть обнаружены рядом  индикаторов. Имеют широкий диапазон измерения поглащения доз гамма-излучения. Недостатком является невысокая чувствительность.

Цериевый детектор нечувствителен к содержанию кислорода. Недостатком является невысокая чувствительность.

Детектор на основе хлорзамещенных углеводородов:

Детектор на основе хлороформа позволяет  определять дозу гамма-излучения начиная с 10 рад. Недостатком является недостаточная термическая устойчивость, зависимость радиационного выхода от температуры и мощность дозы, чувствительность к примесям и дневному свету, плохая стабильность при хранении.

Детектор на основе четыреххлористого углерода. Недостатком является недостаточная термическая устойчивость, зависимость радиационного выхода от температуры и мощность дозы, чувствительность к примесям и дневному свету, плохая стабильность при хранении.

Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ICP/MS, ИСП/МС) развилась в один из наиболее успешных методов в атомной спектроскопии благодаря высокой чувствительности и возможности выполнения многоэлементного анализа.

Масс-спектрометрия - это физический метод измерения отношения массы  заряженных частиц материи (ионов) к их заряду. Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия имеет дело с самими частицами вещества. Масс-спектрометрия измеряет их массы, вернее соотношение массы к заряду. Для этого используются законы движения заряженных частиц материи в магнитном или электрическом поле. Масс-спектр - это просто рассортировка заряженных частиц по их массам (точнее отношениям массы к заряду). Следовательно, первое, что надо сделать для того, чтобы получить масс-спектр, превратить нейтральные молекулы и атомы, составляющие любое органическое или неорганическое вещество, в заряженные частицы - ионы. Этот процесс называется ионизацией.

Наиболее распространенный способ ионизации в так называемой индуктивно-связанной  плазме. Индуктивно-связанная плазма (ИСП, ICP) образуется внутри горелки, в  которой горит, обычно, аргон. Аргон, вообще говоря, инертный негорючий газ, поэтому, чтобы заставить его гореть, в него закачивают энергию, помещая горелку в индукционную катушку. Когда в плазму аргоновой горелки попадают атомы и молекулы, они моментально превращаются в ионы. Для того чтобы ввести атомы и молекулы интересующего материала в плазму их обычно растворяют в воде и распыляют в плазму в виде мельчайшей взвеси.

В индуктивно-связанной плазме ионы генерируются при атмосферном давлении, в то время как масс-спектрометр работает при давлении меньше чем 10^-5 мБар. Между ИСП и МС используется интерфейс в виде “узкого горла”, с помощью которого вытягиваются ионы из плазмы и осуществляется перепад давлений. В начале развития ИСП/МС в качестве интерфейса просто использовалось вытянутое носиком отверстие диаметром всего 50-70 мкм, охлаждаемое водой. Проблема, связанная с такой конструкцией заключалась в том, что холодные пограничные слои впереди конуса способствовали генерации большого количества посторонних ионов. Эту проблему удалось преодолеть путем увеличения диаметра входного отверстия до 1 мм, что отодвигало пограничные слои и ионы напрямую входили в масс-спектрометр из плазмы. Эта методика известна как непрерывный отбор образца и, следовательно, конус называется конус образца.

Поскольку поток газа через этот конус образца намного больше, чем было ранее при использовании  отверстий с меньшим диаметром, давление следует понижать путем  использования дифференциальной вакуумной  откачки в две или более  стадий. По этой причине на пути потока газа был установлен второй конус и пространство между этим конусом и конусом образца откачивается форвакуумным насосом с высокой скоростью откачки. Поскольку существует большой перепад давлений между источником индуктивно-связанной плазмы и первой стадией откачки, ионы засасываются в в пространство интерфейса и ускоряются до сверхзвуковых скоростей.

Для того, чтобы избежать турбуленции  на втором конусе, он выполняется с  острыми краями для "срезания" (скимирования) ионов из сверхзвукового пучка и, следовательно, этот конус получил название "скимерный". Конструкция, состоящая из конуса образца и скимерного конуса с диаметрами около 1 мм получила название "интерфейс. Создание интерфейса означало прорыв в ИСП/МС технологии, обеспечивший более эффективную экстракцию ионов, улучшив пропускание ионов, а, следовательно, чувствительность метода, и снизив спектральные интерференции более чем на порядок по величине. Тем не менее, спектральные интерференции все еще оставались одним из главных ограничений метода элементного анализа.

Предел обнаружения метода составляет 16 фг/г. Данный метод позволяет определять не только количественный, но и качественный состав изотопов, тем самым делая  возможным определение попадания  изотопа в образце.

Нейтронно-активационный анализ является высокочувствительным методом определения ультрамикроколичеств стабильных изотопов в различных биологических материалах. Он заключается в том, что исследуемый материал подвергается воздействию в условиях ядерного реактора потока нейтронов. В результате этого образуются радиоактивные продукты, которые затем подвергаются радиохимическому анализу и радиометрии.

1. Токсикология цезия – 137, нормы содержания, период полураспада

Среди антропогенных радионуклидов, глобально загрязняющих биосферу, особого к себе внимания требует радиоактивный цезий - один из основных источников, формирующих дозы внешнего и внутреннего облучения людей. Известно 34 изотопа цезия с массовыми числами 114-148, из них только один (¹³³Cs) стабильный, остальные - радиоактивны.

¹³³Cs относится к рассеянным элементам. В незначительных количествах он содержится практически во всех объектах внешней среды. Цезий-137 - бета-излучатель с периодом полураспада 30.174 года. ¹³⁷Сs  открыт в 1860 г. немецкими учеными Кирхгофом и Бунзеном. Название получил от латинского слова caesius — голубой, по характерной яркой линии в синей области спектра. В настоящее время известно несколько изотопов цезия. Наибольшее практическое значение имеет ¹³⁷Сs, один из наиболее долгоживущих продуктов деления урана.    

Ядерная энергетика является источником поступления ¹³⁷Сs в окружающую среду. Согласно опубликованным данным в 2000 году реакторами АЭС всех стран мира в атмосферу было выброшено около 22,2 х 10¹⁹ Бк ¹³⁷Сs. Выброс ¹³⁷Сs осуществляется не только в атмосферу, но и в океаны с атомных подводных лодок, танкеров, ледоколов, оснащенных ядерно-энергетическими установками. Суммарная активность продуктов деления, образовавшихся в ядерном реакторе атомной подводной лодки мощностью 60 МВт при его непрерывной работе в течение одного года, достигает более 3,7 х 10¹⁷ Вк, в том числе ¹³⁷Сs — приблизительно 24 х 10¹⁴ Бк. Естественно, что при крупных авариях, происшедших с двумя атомными подводными лодками США («Третер» в 1963 году и «Скорпион» в 1967), большая часть радиоактивных веществ, включая ¹³⁷Сs, могла поступить в воду и явиться источником длительного загрязнения.

По своим химическим свойствам цезий близок к рубидию и калию — элементам 1 группы. Радиоизотопы цезия применяются в химических исследованиях, в гаммадефектоскопии, в радиационной технологии, в радиобиологических экспериментах. ¹³⁷Сs используется как источник -излучения для контактной и дистанционной лучевой терапии, а также для радиационной стерилизации. Изотопы цезия при любом пути поступления в организм хорошо всасываются.  

Биологическое действие ¹³⁷Сs

Изотопы цезия, являясь продуктами деления урана, включаются в биологический круговорот и свободно мигрируют по различным биологическим цепочкам. В настоящее время ¹³⁷Сs обнаруживается в организме различных животных и человека. Следует отметить, что стабильный цезий входит в состав организма человека и животных в количествах от 0,002 до 0,6 мкг на 1 г мягкой ткани.

Всасывание ¹³⁷Сs в ЖКТ животных и человека составляет 100%. В отдельных участках ЖКТ всасывание ¹³⁷Сs происходит с различной скоростью. По данным ученых через час после введения всасывается по отношению к введенной дозе: в желудке всасывается 7% ¹³⁷Сs, в двенадцатиперстной кишке—77%, в тощей—76%, в подвздошной—78%, в слепой—13%, в поперечно-ободочной кишке—39%.

Через дыхательные пути в организм человека поступление ¹³⁷Сs составляет 0,25% величины, поступающей с пищевым рационом. После перорального поступления цезия значительные количества всосавшегося радионуклида секретируются в кишечник, затем реабсорбируются в нисходящих отделах кишечника. Степень реабсорбции цезия может существенно различаться у разных видов животных. Поступив в кровь, он сравнительно равномерно распределяется по органам и тканям. Путь поступления и вид животного не влияют на характер распределения изотопа.

Л. А. Булдаков, Г. К. Королев считают, что изотопы цезия больше всего накапливаются в мышцах. По данным Ю. И. Москалева после внутривенного введения ¹³⁷Сs быстро покидает кровяное русло. В первые 10 - 30 мин максимальная концентрация его регистрируется в почках (7-10% в 1 грамме ткани). Затем происходит перераспределение его, и основные количества — до 52,2% — задерживаются в мышечной ткани.

Проводили исследования по распределению ¹³⁷Сs в организме свиней. Свиньям скармливали ¹³⁷Сs с пищей однократно или повторно в течение 7 суток в суммарных дозах 2,9 или 1,6 кБк. На 1, 7, 14, 28 и 60 суток после введения изотопа животных забивали и исследовали содержание ¹³⁷Сs в мышечной ткани. Содержание активности в мышечной ткани животных, получавших ¹³⁷Сs в дозе 2,967 кБк, было почти в 2 раза выше, чем у животных, получавших ¹³⁷Сs в дозе 1,609 кБк. Уменьшение радиоактивности в мышечной ткани было наиболее выражено в первые 14 суток при обеих дозах радионуклида. Выведение ¹³⁷Сs из организма свиней осуществлялось главным образом с мочой. Скорости выведения ¹³⁷Сs при однократном и повторных введениях существенно различались. Период полувыведения изотопа при однократном введении составлял 5 суток, а при повторных— 14 суток.

В организме северных оленей, после  однократного введения, ¹³⁷Сs распределятся таким образом. В мышцах накапливается 100%, в почках - 79, сердце - б7, селезенке - 60, легких - 55, печени - 48 %.  

В опытах на собаках, проведенных в 1968 году, было установлено, что при  однократным внутри-венным введением ¹³⁷Сs в количестве 3,5 – 14 х 10⁷ Бк/кг изучал распределение по органам. Показано, что наибольшие количества ¹³⁷Сs через 19—81 суток содержатся в скелетных мышцах, печени, почках. Важно отметить, что введенная доза ¹³⁷Сs и пол животных не влияют на распределение нуклида по органам и тканям.

Определение ¹³⁷Сs в организме человека проводят по измерению гамма-излучения от тела и бета-, гамма-излучению от выделений (моча, кал). Для этой цели используют бета-гамма-радиометры и счетчик излучений человека (СИЧ). По отдельным пикам спектра, соответствующим различным гамма-излучателям, можно определить их активность в организме. С целью профилактики радиационных поражений ¹³⁷Сs все работы с жидкими и твердыми соединениями рекомендуется проводить в герметичных боксах. Для предупреждения попадания цезия и его соединений внутрь организма необходимо использовать средства индивидуальной защиты и соблюдать правила личной гигиены.

На рабочем месте без разрешения санэпидемслужбы могут находиться открытые препараты цезия с активностью 0,37— 3,7 мБк (10—100 мкКи).

Допустимое поступление ¹³⁷Сs в организм человека не должно превышать 7,4 х 10² Бк/сутки. Допустимое годовое поступление ¹³⁷Сs в организм персонала через органы дыхания составляет 13,3 х 10⁴ Бк/год. Допустимая концентрация ¹³⁷Сs в воздухе рабочих помещений 5,18 х 10^-1 Бк/л, в воде — 5,5 х 10²  Бк/л, в атмосферном воздухе 18 х 10^-3  Бк/л.  

 Миграция ¹³⁷Сs в почвах

Выпавший, после аварии на ЧАЭС, на почву ¹³⁷Сs прочно удерживается в верхнем гумусированном слое. Со временем происходят его физико-химические превращения, осуществляется миграция по почвенному профилю, накопление растительностью. Для цезия характерно поглощение минеральной частью почв. Элемент внедряется в кристаллические решетки глинистых минералов, прочно связываясь там самой тонкодисперсной частью почвы. Наиболее интенсивно цезий поглощается вермикулитом, флогопитом, гидрофлогопитом, асканитом, гумбрином. Сорбция цезия почвенным поглощающим комплексом после его выпадения в почву осуществляется в первое время крупнодисперсными частицами, смещаясь затем в сторону поглощения мелкодисперсной фракцией. За семь лет доля цезия, фиксированного минеральной частью почвы, увеличилась в серых лесных почвах в 2,5 раза, дерново-подзолистых -4,5 раза, в черноземных - 7 раз и может достигать 80-95% валового содержания элемента в почве. Прочно связывается цезий почвенной органикой, образуя, в частности, гуматы и фульваты. Последние характеризуются значительно большей подвижностью. Увеличивают подвижность металла водорастворимые органические вещества, образующиеся при разложении растительности. При миграции цезия в глубь почвенного горизонта выделяют два типа массопереноса - быстрый (обусловленный передвижением металла вместе с тонкодисперсными частицами) и медленный (обусловленный передвижением водорастворимых форм). В суглинистых разностях дерново-подзолистых почв наблюдается только медленный перенос, в супесчаных и песчаных - и медленный, и быстрый с преобладанием последнего. В среднем доля быстрого переноса составляет 15% всех мигрирующих форм цезия.