Ученые физического факультета Новосибирского государственного университета разработали методику для измерения сверхмалых концентраций радиоактивных веществ, распад которых сопровождается гамма-излучением.
Сбор данных осуществляется с помощью детектора из сверхчистого германия, который входит в состав оборудования Межфакультетской лаборатории атомной физики и спектрометрии НГУ; для обработки данных создан специальный программно-аппаратный комплекс. Первый проект, реализованный с применением данной методики, — научно-исследовательские работы по определению уровня содержания радиоактивных веществ (радона) в грунте шахт и угольных разрезов Кемеровской области.
Для измерения радиоактивности образцов грунта по различным нуклидам набирались спектры гамма-излучения детектором из сверхчистого германия. Это уникальное оборудование, позволяющее очень точно определять энергию гамма-квантов, которые излучают радиоактивные вещества. Германий — редкий в литосфере Земли химический элемент. Как и кремний, он является полупроводником и используется в микроэлектронике, но сфера его применения узка. В качестве материала детектора его эффективность регистрации фотонов более высока, чем у кремния, поэтому его применяют в детекторах не только рентгеновского, но и гамма-излучения. Получение сверхчистого германия – сложный и медленный процесс очистки методом зонной плавки, что определяет высокую стоимость и сложность изготовления оборудования.
Существуют приборы, способные регистрировать гамма-излучение с еще большей эффективностью, чем германиевый детектор, но только он способен хорошо различить близко расположенные энергии гамма-квантов, а значит, гамма-кванты от различных радионуклидов. Это называется высоким энергетическим разрешением, для детектора из сверхчистого германия оно составляет примерно 0,01% в диапазоне энергий, характерных для гамма-квантов из атомных ядер (единицы мегаэлектрон-вольт). Высокое разрешение играет определяющую роль при измерении сверхмалых концентраций радиоактивных веществ, когда требуется разделить фоновое излучение и излучение образца и определить конкретные излучающие радионуклиды.
Ученые НГУ разработали уникальный высокочувствительный метод, который позволяет определить сверхмалые концентрации радиоактивных веществ в любых образцах — грунта, почвы, горных пород и т.д. Методика прошла апробацию и подтвердила эффективность в ходе реализации проекта по определению содержания радиоактивных веществ (в частности, радона) в грунте шахт и угольных разрезов Кемеровской области. С данной задачей в НГУ сотрудники Кемеровского государственного университета обратились весной 2024 года. Исследование КемГУ направлено на определение влияния типов почв, искусственного (например, добычи полезных ископаемых) и естественного изменения почв и климата на радиоактивную обстановку. В дальнейшем это может позволить прогнозировать радиационную обстановку, например, при постройке жилья.
«Главная сложность задачи состояла в том, что в предоставленных образцах грунта очень низкая концентрация радиоактивных веществ. Поэтому нужно было набирать очень много статистики для достоверного результата, причём статистики как самого образца, так и фона, показатели которого в дальнейшем "вычитались". Работа длилась почти полгода, к ней мы привлекли научных сотрудников учебной Межфакультетской лаборатории атомной физики и спектрометрии НГУ, а также студентов, проходящих практикум в рамках обучения», — рассказывает Елена Старостина, старший преподаватель физического факультета НГУ.
Первый этап включал сбор данных непосредственно на детекторе. Всего коллеги из КемГУ предоставили порядка 230 образцов массой от 100 до 250 граммов, полученных из разных мест и с разной глубины — полуметра, одного метра и полутора метров. Данные набирали ежедневно с мая по ноябрь 2024 года, а также каждую неделю набирали фоновый спектр, без образцов.
Схема эксперимента была следующая: детектор из сверхчистого германия, охлаждаемый азотным криостатом, окружён свинцовой трубой с толщиной стенки около 10 мм. Труба подавляет поток фоновых гамма-квантов из помещения примерно в три раза. Труба опирается на стол с отверстием для детектора. Образцы ставились непосредственно на детектор.
«В случае с измерением сверхмалых концентраций, близких к естественным, основная сложность связана с тем, что есть фоновое излучение. Его можно ослабить свинцовым экраном, что мы и делали, однако полностью исключить его невозможно. Даже при всех мерах излучение образцов было более чем в 7 раз слабее фонового. Чтобы получить хороший контраст между фоновым и реальным изучением образцов, необходимо набирать спектр в течение продолжительного периода. Спектр каждого образца набирался получасовыми порциям, не менее трёх часов, далее отбирались получасовые спектры хорошего качества, так чтобы суммарное время статистики составило не менее 2.5 часов. Раз в неделю набирались многочасовые фоновые спектры», — делится подробностями эксперимента Вячеслав Каминский, старший преподаватель, куратор Межфакультетской лаборатории атомной физики и спектрометрии НГУ.
Другая особенность эксперимента — геометрия измерений такова, что в детектор попадает только примерно 10% гамма-квантов от образца. Существуют детекторы из сверхчистого германия колодезного типа, которые окружают образец почти со всех сторон, однако в них можно поместить только маленькие образцы. Детектор из сверхчистого германия в НГУ позволяет работать с образцами любых размеров, а разработанная методика в некотором смысле компенсирует недостаточную эффективность регистрации гамма-квантов.
Экспериментальные данные представлены в виде спектров с пиками от гамма-линий и непрерывной «подложки». Пики обладают сложной формой: они похожи на гауссову кривую с разной шириной слева и справа, у них есть «хвост» слева, а подложка слева и справа имеет разный уровень. Ширина этого «колокола» в энергетических единицах и характеризует разрешение детектора: чем пик уже, тем более тонкие измерения можно проводить. Такую форму пика обеспечивают как процессы взаимодействия гамма-квантов с веществом детектора и окружения (например, Комптон-эффект), так и процессы образования заряда при поглощении гамма-квантов в полупроводнике и его сбора.
После сбора данных перед исследователями стояла задача определить излучение образцов, исключив фоновое. Происходила обработка спектров и вычислялась активность радионуклидов.
«Методика заключалась в том, что в полученных данных, в которых очень маленькая разница между фоном и образцом, проводилась совместная для спектров с образцом и фоном подгонка отдельных гамма-линий. У каждого изотопа, который излучает гамма-кванты, может быть с десяток гамма-линий, они разные, при разных энергиях и с разными интенсивностями. Сначала были отобраны хорошие, интенсивные линии, чтобы они не были очень близко расположены друг к другу. По набору хороших, интенсивных линий осуществлялась подгонка каждого пика, она одновременно шла для фона и для фона с образцом. Такая сложная процедура необходима для того, чтобы измерить не только амплитуду пиков, но и корректно оценить погрешность измерений. Получаемая разница между амплитудами для образца с неизбежным фоном и только фона — это показатели собственно образца», — рассказывает Вячеслав Каминский.
Для сбора и обработки экспериментальных данных было разработано несколько программ, написанных на языке Python. Первая – для автоматического набора спектров, которая также записывает, какой оператор ставил образец. Другая – для отбора, калибровки и суммирования спектров. Третья – для вычисления активностей радионуклидов. Кроме того, отдельная программа вычисляла абсолютную эффективность детектора. Ученые использовали классические статистические методы для определения параметров пиков, такие как метод наименьших квадратов, реализованные в программной библиотеке MINUIT2.
В результате исследования было выяснено, в образцах присутствуют только радиоактивные изотопы калий-40, торий-232 и уран-238 и продукты их распада, это обычные радионуклиды, которые встречаются в грунтах, горных породах и многих стройматериалах. Удельная активность образцов составила от 0,1 до 2 беккерелей на грамм (распадов на грамм). Эти значения находятся в безопасных пределах, но самый активный образец (с погрешностью около 7%) эквивалентен нескольким бананам (см. «банановый эквивалент», бананы активны в основном за счёт содержащегося в них калия-40). Самый малоактивный образец эквивалентен половине банана при погрешности больше 50%, и это свидетельствует об очень высокой чувствительности методики. На данный момент научная группа КемГУ получила результаты измерений и обрабатывает их.
Таким образом, методика, разработанная учеными НГУ, позволяет измерять очень низкие уровни радиации, причём связать её с конкретными излучающими агентами – радионуклидами. Данная методика найдет применение в мониторинге экологической обстановки, для составления карт радиоактивного заражения после радиационных аварий и т.д.
В планах ученых — зарегистрировать в Роспатенте программу для обработки данных, аттестовать и лицензировать методику, а в дальнейшей перспективе — создать центр коллективного пользования, который будет проводить комплексные работы по химическому анализу образцов спектральными методами в оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах. Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)