Oznaczanie izotopów uranu i radu w wodach metodą pomiarów niezależnych promieniowania alfa i beta za pomocą spektrometru z ciekłym scyntylatorem

Transkrypt

1 PL Oznaczanie izotopów uranu i radu w wodach metodą pomiarów niezależnych promieniowania alfa i beta za pomocą spektrometru z ciekłym scyntylatorem Determination of uranium and radium isotopes in water by alpha-and beta-liquid scintillation spectrometry Nguyen Dinh Chau, Edward Chruściel, Jerzy Niewodniczański, Andrzej Ochoński Wydział Fizyki i Techniki Jądrowej AGH, ul. Reymonta 19, Kraków. Abstract A new method for the determination of uranium and radium isotopes in ground and surface waters based on the separated measurements of alpha - and beta -intensities is presented. Samples are prepared in a standard way and measured by liquid scintillation spectrometry with special interpretation procedure. The lower limit of detection of uranium isotopes for 8 hours measurement and 1 hour for radium isotopes are: 0.02, 0.04, 0.02 and 0.06 Bq/dm 3 for S4 U, ^U, ^ a and 228 Ra respectively. Streszczenie W pracy przedstawiono zasady fizyczne metody oznaczania stężeń izotopów uranu i radu w próbkach wody za pomocą niezależnych pomiarów natężeń promieniowania alfa i beta spektrometrem z ciekłym scyntylatorem. Opracowano oryginalną procedurę interpretacji wyników pomiarowych. Określono granice oznaczalności dla poszczególnych izotopów w stosowanych procedurach pomiarowych. Przyjmując czas pomiaru ośmiu godzin dla próbek zawierających izotopy uranu ustalono, że granica oznaczalności dla 238 U wynosi 0,04 Bq/dm 3, a dla 234 U wynosi 0,02 Bq/dm 3, oraz przy jednogodzinnym pomiarze dla próbek zawierających izotopy radu, próg oznaczalności dla izotopu 226 Ra wynosi 0,02 Bq/dm' 1 a dla 228 Ra - 0,06 Bq/dm Podstawy fizyczne Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono schematy rozpadu początkowego odcinka szeregu uranowego ^U i dwu grup izotopów radu, zaznaczono okresy półrozpadu poszczególnych izotopów, rodzaje i energie emitowanego promieniowania. Rys. 1. Schemat rozpadu początku szeregu uranu od U do Th U x10 9 y i a,e=4.20 MeV E mgx = 2.29 MeV U-234 P / /! 2.47x10 5 y Pa-234 / a E=4.77 MeV i / Th d E MeV Th-23O 8x10 4 y MeV 129

2 Ra-226: 1620 y; a Rn-222 i di E=4,78MeV a E=5,49MeV Ra-226 Po-218! Po-214 '3 05, E=0-3.26MeV m. V j x 1 0 s Ra-228 Ra y E=0-50 kev Ac h Th y E=0-2,11MeV Pb-214! 6-^ Pb mi 0-1,03MeV ~E= 22 y 0-0,67 MeV 228 T Rys.2. Schemat rozpadu grupy izotopów Ra i Ra Oznaczanie izotopów ( M8 U i 23 Po preparatyce chemicznej w próbce występują tylko izotopy 4 U, które mają bardzo długie czasy połowicznego rozpadu i emitują promieniowania alfa. Praktycznie intensywność promieniowania alfa w próbce nie ulega zmianie w czasie. Natomiast narasta intensywność promieniowania beta emitowanego przez izotopy ^Th i^pa, które są produktami rozpadu izotopu 238 U. Rejestrowane natężenia promieniowania alfa I a i beta Ip można zapisać następująco: Ip (0 = 2e p (0A-B«0 - expc-^-w) = s fi (0 A-23S A (0 (2) gdzie: Au-238 i Au-234 są to odpowiednio aktywności izotopów ^U i ^''U w próbce, e a i s p (t) są to wydajności pomiaru promieniowania alfa i beta. Xvx stała rozpadu izotopu ^Th, F p {t)- funkcja nagromadzenia aktywności promieniowania beta po czasie; Fp{t) = 2(1 - excir^rh-tij)) Znając Ip(t) i s p (t) można obliczyć aktywność uranu 238: Wydajność pomiaru promieniowania alfa jest równa 100 % [1]. Do oznaczania wydajności pomiaru promieniowania beta Sp(t) należy preparować próbkę wzorcową o znanym stosunku aktywności izotopu 234 U do 238 U, (ff=au-234/au-238). Znając aktywność izotopu U w próbce badanej, można obliczyć zawartość izotopu U z równania (1). Oznaczanie izotopów radu ( 228 Ra, 226 Ra ) Po preparatyce chemicznej w próbce zostają tylko izotopy 226 Ra, i 228 Ra. Z biegiem czasu narastają aktywności izotopów powstałych z rozpadu. Izotopy w grupach radowych (4) 130

3 emitują promieniowania alfa i beta. Natężenia promieniowania alfa w chwili t po preparowaniu próbki można wyrażać następująco: K (0 = *«1 (t)f al (04^ S «l (OKi (0 A.-22S i beta rejestrowane gdzie: A Ra. 22 6, AR^S są to aktywności izotopów 226 Ra i ns Ra. w próbce; a e al (t),s a2 (t) 1 s p\(*), s pi(t) - to wydajności pomiaru promieniowania alfa i beta emitowanego odpowiednio z grupy 226 Ra, i 228 Ra; F al (t),f a2 (t) oraz F px (t),f p2 (t) - funkcje nagromadzenia intensywności promieniowania alfa i beta w czasie dla grupy 226 Ra i 228 Ra od preparowania próbki. Formuły funkcji nagromadzenia i ich przebiegi po czasie są szczegółowo opisane w pracy [2]. Stwierdzono również, że w ciągu 200 godzin od zakończenia preparatyki chemicznej wartość funkcji F^t) jest praktycznie równa zero [2]. A więc można określić zawartość izotopu radu 226 z natężenia promieniowania alfa zmierzonego zaraz po preparatyce chemicznej próbki. Izotop 228 Ra emituje cząstki beta 0 energii w zakresie (0H-50) kev. W takim zakresie energii mogą się nakładać inne promieniowania zakłócające np. promieniowanie charakterystyczne baru (31 kev), czy promieniowanie wzbudzone przez naświetlanie scyntylatora światłem dziennym itp. Dla uniknięcia tego efektu korzystano z zmierzonego natężenia w kanale beta licząc od dolnego progu energii 60 kev. W ten sposób oznaczono zawartość Ra za pomocą zliczonych impulsów od promieniowania beta emitowanego przez izotop aktynu Ac, który emituje cząstki beta o energii w zakresie (0-2,11 MeV) Ponieważ zakresy energii promieniowania beta emitowanego przez izotopy 214 Pb i 2I4 Bi (należące do grupy radu-226) są takie jak zakres energii cząstek beta emitowanych przez izotop 228 Ac (należący do grupy radu-228), więc można przyjąć, że e P i(t)= s p2 (t)=sp(t). Wydajność pomiaru promieniowania beta można określić przez pomiar próbki wzorcowej zawierającej tylko izotopy grupy radu 226 [2]. Znając aktywność izotopu radu natężenia w kanale beta I^(t) można określić zawartość izotopu radu 228 z drugiego równania układu równań (5). 2. Procedura chemiczna Wydzielenie izotopów radu z próbki wodnej dokonuje się za pomocą siarczanu barowego. Wytrącony osad radu oczyszcza się od innych izotopów radioaktywnych poprzez jego rozpuszczenie w roztworze wersenianu dwusodowego zalkalizowanego amoniakiem i ponowne wytrącanie kwasem octowym. Końcowy osad przemieszcza się do naczynia pomiarowego, do którego dodajemy scyntylator żelujący. W przypadku uranu proces wytrącania dokonuje się za pomocą wodorotlenku żelaza. W celu oczyszczania, osad rozpuszcza się w roztworze kwasu solnego i roztwór ten przepuszcza się przez kolumnę anionitową (Dowex 1x8). W ten sposób atomy uranu są zatrzymane w kolumnie a inne pierwiastki jak tor i aktyn są usuwane. Uran z kolumny zostaje wymywany przez przepłukanie roztworem HCl. Następnie uran jest oddzielony od żelaza drogą ekstrakcji do fazy organicznej za pomocą roztworu TBP (trójbutylowy fosforan) i umieszcza się w naczyniu pomiarowym. Do naczynia należy dodać odpowiedni scyntylator do pomiarów promieniowania alfa i beta. Szczegółowo o procedurach preparatyki uranu i radu można znaleźć w pracy [3]. 131

4 Z wartości zmierzonych natężeń przy uwzględnieniu tła w kanałach alfa, beta wyznaczono koncentracje izotopów uranu i radu. Dla przykładu podano w tabeli 1 wyniki pomiarów kilku wybranych próbek wód r czas pomiaru^ godz. Próbka uranowa 5000r alfa (Rą-226, Rn-222, Po218 i Po-214)-; i ejas pomiaru -1 godz N 75 co! Nr kanału Rys. 4a Zmierzone widma prom. alfa i beta po 15 dniach od preparatyki z próbki zawierającej tylko izotopy z grupy uranu Nr kanału Rys. 4b. Zmierzone widma prom. alfa i beta po 5 dniach od preparatyki z próbki zawierającej tylko izotopy z grup radu Do wyznaczenia progu oznaczalności wykorzystano próbki przygotowane z wody destylowanej (jedna na izotopy uranu a druga na izotopy radu). Natężenia w kanałach alfa i beta wynosiły 9 i 15 imp/min. dla próbki uranowej a 6 i 12 imp/min. dla próbki radu. Korzystając z definicji granicy wykrywalności podanej w pracy [6], obliczono granicę oznaczalności, która wynosi 0,04, 0,02, 0,02 i 0,06 Bq/dm 3 odpowiednio dla ^U, ^U, 226 Rai 228 Ra. Tabela 1. Stężenia izotopów uranu i radu w wybranych próbkach wód. Nr próbki Data poboru L * o - Odchylenie standardowe. Miejsca poboru Kop. Piast Piast+Czeczot PAA(2-2) PAA(4-2) PAA(6-2) Kop. Żarów (U-2) Stężenia izotopów uranu (Bq/dm 3 ) 238 U±a* B4 U±a 0,76 ± 0,05 0,54 ± 0,07 Stężenia izotopów radu (Bq/dm 3 ) 225 Ra±a ^Ra+a 7,9 ± 0,7 3,6 + 0,3 8,0 ± 0,8 3,6 ±0,6 12,3 ± 0,6 12,6 ±0,8 21,8 ±0,3 <0,06 211,1+1,9 174 ±14 132

5 3. Wybór parametru rozdzielenia impulsów pochodzących od promieniowania alfa i beta PSA (pulse shape analysis). Dla dobrego rozdzielenia impulsów trzeba dobrać parametr PSA. Niewłaściwy wybór tego parametru może spowodować pozornie zwiększanie lub zmniejszanie, impulsów w kanałach alfa i beta. Jedna z metod wyboru parametru PSA polega na pomiarach natężeń w dwóch kanałach alfa i beta dla dwóch próbek, jedna zawiera tylko izotop beta promieniotwórczy a druga tylko alfa promieniotwórczy [4]. Ze względu na wrażliwość parametru PSA na skład chemiczny próbki i rodzaj scyntylatora, w naszym przypadku używano próbki wzorcowe zawierające badany izotop i używany scyntylator. Dla przykładu podano sposób doboru parametru PSA dla oznaczania izotopów radu na rys. 3. Rys.3 Dobór parametru PSA. A (alfa) 1 PSA-LEVEL Właściwa wartość parametru PSA jest dobrana, z punktu przecięcia krzywych Ao(beta) i Ao(alfa). Gdzie: Ao(beta) i Ao(alfa) - są to odpowiednie wyliczone aktywności izotopu radu-226 z zmierzonego natężenia impulsów w kanale beta i alfa. 4. Procedura pomiarowa Ze względu na stałe rozpadu izotopów w grupach uranu i radu oraz z analizy funkcji nagromadzenia aktywności promieniowania alfa i beta w tych grupach [2,5] zalecono, że pomiary dla próbek zawierających izotopy uranu odbywają się około 15 dni po preparatyce chemicznej, czas pomiaru wynosi 8 godzin. Natomiast dla oznaczania izotopów radu pomiary dokonują się w ciągu siedmiu dni przez jedną godzinę. Rysunek 4a przedstawia widma zmierzone w kanałach alfa i beta dla próbki zawierającej izotopy uranu po 15 dniach od preparowania. Widmo zmierzone w kanale alfa zawiera impulsy pochodzące od cząstek alfa emitowanych przez izotopy 238 U i 234 U. Natomiast widmo zmierzone w kanale beta zawiera impulsy pochodzące od 234 Th i ^Pa. Na rysunku 4b przedstawiono widma promieniowania alfa i beta zmierzone dla próbki radu po pięciu dniach od preparatyki. Widmo promieniowania alfa zawiera impulsy od cząstek alfa emitowanych przez Ra, Rn, /18 Po T i 214 Po a w widmie beta są impulsy od cząstek beta od 214 Pb, " 14 Bi, 228 Ra i 228 Ac. Impulsy od promieniowania beta emitowanego przez 228 Ra występują wyraźnie w części niskoenergetycznej (od 5 do 250 kanału) co odpowiada zakresowi energii od 0 do 60 kev. 133

6 5. Literatura [1] - Horrocks D.L.: Applications of liquid scintillation counting. Academic Press, New York, London, 1974, 340. [2] - Chau N.D.; Niewodniczański J.; Dorda I; Ochoński A.; Chruściel E.; Tomza:I.. Jour, of Radioanal. and Nucl. Chem. 222, Nos 1-2, 69-74, (1997). [3] - Tomza I; Pluta I.: Metoda oznaczania izotopów uranu i radu w wodach podziemnych techniką ciekiych scyntylatorów. Raport Ifi TJNo.INT 199/1, [4] - Passo Jr. J.C.; Cook G.T.: Hanbook of Environmental liquid scintillation spectrometry. PACKARD [5] - Chau N.D.; Wyszomirski P.; Chruściel E,; Ochoński A.: Uran w wodach kopalni kaolinu w Żarowie (Dolny Śląsk)-Metodyka i przesłanki genetyczne. Krajowa Konf. Radiochemii i Chemii Jądrowej " W Stulecie Odkrycia Polonu i Radu", Kazimierz Dolny, maja 1998, 82. [6] - Curie L.A.: Analitycal Chemistry 40, No.3, , (1968). 134