РАДИАЦИОННОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ
ГАТЧИНСКИХ ПАРКОВ

Исполнители работы: Князева Екатерина (9 кл.), Шабанова Наталья (9 кл.), Якимов Александр (9 кл.), школа-лицей № 3, г. Гатчина

Компьютерная графика: Шабанова Наталья, Якимов Александр

Руководители работы: Ямщиков М.А, Лепехина Н.А., Мирошкина С.М.

Лауреаты 4-ой Международной Биос-Олимпиады-99, награждены дипломами II степени

Князева Екатерина	Шабанова Наталья	Якимов Александр

I. Измерение радиационного фона парков и Гатчинского дворца

Наш город является одним из исторических и культурных центров Ленинградской области. Самыми известными и наиболее посещаемыми памятниками являются парки и дворцы. Людям, которые выбрали эти места для отдыха, важно знать, нет ли объектов, которые могут загрязнить данный район, и вообще всем интересна радиационная обстановка района их отдыха, проживания. Вот поэтому мы и решили заняться исследованием радиационной обстановки в Гатчинских парках и у дворца.

Уровень радиации или мощность дозы гамма-излучения измеряют в рентгенах в час (Р/ч). Но рентген в час — очень большая величина, поэтому обычно используют миллионные доли рентгена — микрорентген в час (мкР/ч). На улицах города радиационный фон находится в пределах от 10 до 30 мкР/ч, а в квартирах — 15 – 26 мкР/ч.

Радиоактивные природные вещества окружают нас повсюду: они есть в земле, строительных материалах, перекрытиях и т. д. Их количество в строительных материалах может быть большим или меньшим в зависимости от места, где добывали гранитный щебень, глину и песок.

Мы решили измерить радиационный фон в Гатчинских парках и у дворца, для этого мы использовали дозиметрический прибор «СОСНА АНРИ-01»

Места измерений радиационного фона в Гатчинских парках приведены на карте-схеме, а результаты — в таблице 1.

Таблица 1

Радиационный фон в Гатчинских парках

Карта-схема Гатчинских парков

Вывод

На территории Гатчинских парков радиационный фон не превышает величины естественного фона

Измерение радиационного фона у Гатчинского дворца

Мы измерили радиационный фон в парке, но у нас в городе есть ещё одно наиболее посещаемое место — дворец. Теперь мы займёмся изучением радиационного фона вокруг него. Также мы сопоставим полученные результаты с данными за 1997 год. Гатчинский дворец является историческим памятником XVIII века, построен в 1776-1781 годах по проекту А. Ринальди.

Мы произвели измерения радиационного фона вокруг Гатчинского дворца и сопоставили данные с результатами 1997 года. Схема Гатчинского дворца приводится на карте-схеме, а результаты измерения радиационного фона — в таблице 2.

В 1997 году измерения проводились дозиметром «Мастер-1», а в 1999 году — дозиметром-радиометром «СОСНА АНРИ-01». Все данные приведены в мкР/ч. Для перевода результатов в единицы системы СИ (в мкЗв/ч) необходимо табличные значения мощности дозы разделить на 100.

Схема Гатчинского дворца

Таблица 2

Радиационный фон вокруг Гатчинского дворца за 1997, 1999 гг.

Вывод.

В 1997 году между точками 16 и 17 не было повышенных значений радиационного фона, а в июне 1999 года мы нашли небольшое превышение, радиационный фон составил 38 мкР/ч. Это, как мы считали, было обусловлено наличием свалки строительного мусора, находящейся рядом, также была версия, что уровень радиационного фона повышен рядом с отверстием, которое ведёт в подвал. Но, измерив радиационный фон в этом месте в августе 1999 года, мы не нашли превышения — радиационный фон составлял 23 мкР/ч, это обусловлено тем, что находившаяся там свалка теперь убрана. Но у отверстия радиационный фон всё же несколько повышен и составляет 40мкР/ч. В 1997 г. в точках 8 и 28 было небольшое превышение радиационного фона, а в 1999 г. радиационный фон в этих местах нормальный.

Из приведённых данных можно сделать вывод: в целом уровень гамма-излучения в Гатчинских парках не превышает величины естественного фона, характерного для данной местности, что подтверждают и предыдущие исследования радиационного фона. Жители нашего города могут спокойно отдыхать в наших парках.

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

Гамма-спектрометрический анализ донных отложений и почвы

1. Цель работы. Ознакомление с методом гамма-спектрометрического анализа

Вступление

Летом все люди обычно стремятся отдохнуть. И местом отдыха чаще всего становятся пляжи, места купания. Поэтому мы решили заняться вопросом радиоактивной загрязнённости этих мест и провели гамма-спектрометрический анализ почвы и донных отложений, взятых в местах отдыха, в Отделе радиационной безопасности ПИЯФ РАН.

Понятие радиоактивности

Под радиоактивностью понимается самопроизвольное превращение неустойчивого нуклида в другой нуклид, сопровождающееся испусканием ионизирующего излучения. Для определённого количества радионуклида в определённом энергетическом состоянии в заданный момент времени активность (А) задаётся в виде А= dN/dt, где dN — ожидаемое число спонтанных ядерных превращений от данного энергетического уровня за интервал времени dt. В системе СИ единицей измерения активности является 1 распад в секунду, имеет специальное название (Беккерель, Бк)

Удельная эффективная активность(А_ЭФФ) естественных радионуклидов строительных материалов, добываемых на их месторождениях (щебень, гравий, песок, цементное и кирпичное сырьё и пр.), или являющихся побочным продуктом промышленности, а также отходов промышленного производства, используемых для приготовления строительных материалов(золы, шлаки и пр.), не должна превышать предельно допустимого значения (нормы радиационной безопасности) для материалов, используемых во вновь строящихся зданиях:

А_ЭФФ =A_Ra + 1,31 A_Th + 0,085 A_K,

где A_Ra и A_Th — удельные активности ²²⁶Ra и ²³²Th, находящихся в равновесии с остальными членами уранового и ториевого семейств. А_K — удельная активность калия-40.

Радионуклид — радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером, а для изомерных атомов — и с данным энергетическим состоянием атомного ядра.

Искусственные источники излучения. Население подвергается внешнему и внутреннему облучению ионизирующим излучением природных и искусственных источников. К природным источникам относятся космическое излучение и природные радионуклиды, содержащиеся в окружающей среде и поступающие в организм человека с воздухом, водой, пищей. Искусственные источники излучения разделяются на медицинские (диагностические и радиотерапевтические процедуры) и техногенные.

Виды радиации

Существует 2 вида радиации: естественная и искусственная.

• Естественная радиация

На поверхности Земли с момента её образования и до наших дней ни в одну из геологических эпох не было зон, свободных от радиоактивных изотопов или защищённых от ионизирующего излучения. Под влиянием космического излучения, пронизывающего первичную атмосферу Земли и непрерывно воздействующего на все её элементы, возникает множество радионуклидов. Радионуклиды могут существовать в земной коре в рассеянном, распылённом виде во всех составляющих её породах и минералах либо в виде скоплений значительного количества радионуклидов в нижних слоях земной коры. При разломах земной коры, рифтообразовании как на суше, так и на дне океанов, скопления радионуклидов из земных недр выходили на поверхность, образуя области с повышенной мощностью ионизирующего излучения. Биосфера Земли постоянно подвергается действию ионизирующего излучения, в том числе космического, альфа-, бета- и гамма-излучения многочисленных радионуклидов, рассеянных в земных породах, воде подземных источников, рек, морей и океанов, в воздухе, а также входящих в состав живых организмов. Совокупность этих видов ионизирующего излучения получила название природного или естественного радиационного фона.

Естественная радиоактивность подразделяется на несколько видов — космическое излучение, излучение за счет космогенных радионуклидов и земная радиация.

Земная радиация. Основные радиоактивные радионуклиды, встречающиеся в горных породах, — калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало от урана-238 и тория-232, долгоживущих изотопов, входящих в состав Земли с момента её возникновения.

Калий-40 (период полураспада 1,3 млн. лет) — долгоживущий радионуклид. В природе встречается 3 изотопа калия: калий-39, калий-40 и калий-41, из которых радиоактивен только калий-40. Калий-40 испытывает превращения двоякого рода: в 88% он распадается с излучением бета-частиц (максимальная энергия 1,4 МэВ) и превращается при этом в стабильный изотоп кальций-40; в 12% происходит K-захват электрона с ближайшей орбиты, сопровождающийся слабым гамма-излучением с энергией 1,46 МэВ и образованием стабильного изотопа аргон-40.

Особенно велика роль калия-40 при внутреннем облучении организма, поскольку калий, являясь незаменимым элементом, участвующим в обмене веществ, активно поглощается организмом из окружающей среды. Из почвы калий-40 поступает через корневую систему в растения и с растительной пищей в организм животных и человека. Особенно интенсивно усваивается калий фасолью (~220 Бк/кг), картофелем (~220 Бк/кг), орехами (~220 Бк/кг), клюквой (~300 Бк/кг). В различных полевых растениях его концентрация неодинакова: максимальные значения свойственны высшим цветковым растениям, несколько ниже они у голосеменных и минимальны — у мхов и лишайников. В высших растениях содержание калия-40 может достигать 50-60% всех бета-излучающих радионуклидов. Его средняя концентрация в различных органах и тканях человека 20-120 Бк/кг. Как правило, он является основным естественным бета-излучателем, содержащимся в теле любого представителя флоры и фауны.

Природный уран состоит из трёх изотопов — уран-238 (4,5 млрд. лет), уран-235 (0,7 млрд. лет) и уран-234 (248 тыс. лет). Основную массу природного урана (99,28%) составляет уран-238. Уран-234 является альфа-излучающим, он имеет значительно меньший период полураспада, поэтому несмотря на малое процентное содержание в облучение окружающей среды вносит почти такой же вклад, как и уран-238.

Из продуктов радиоактивного распада урана-238 в естественную радиоактивность наибольший вклад вносят полоний-210, радий-226 и свинец-210.

Радий-266 (1620 лет) — радионуклид среднего времени жизни, испускает альфа-излучение (с энергией 4,76 МэВ) и гамма–излучение (с энергией 0,187 МэВ). Он сопутствует урану в местах его накопления, повсеместно распространён в земных породах, почве, воде.

Рассеянный в породах земной коры радий-226 распадается с образованием инертного благородного газа — радона-222 (3,82 суток), при его распаде образуется цепь радиоактивных короткоживущих дочерних элементов, за которыми следуют относительно долгоживущие радионуклиды — свинец-210 (22,3 года) и полоний-210 (138,4 суток).

Радон и продукты его распада являются основным источником, формирующим естественную радиоактивность низших слоёв атмосферы. Поскольку радон, являясь инертным газом, не вступает в химические связи с другими элементами, но сравнительно хорошо растворим в воде, он способен мигрировать на значительные расстояния, что создаёт благоприятные условия для рассеяния в биосфере долгоживущих продуктов его распада – свинца-210 и полония-210.

Радиевый ряд

Вторым после урана широко распространённым естественным радионуклидом является торий-232, находящийся в природе в состоянии равновесия со своими многочисленными, чаще всего короткоживущими, дочерними продуктами радиоактивного распада.

Торий-232 (14 млрд. лет) является альфа–излучателем (с энергией 3,95—4,05 МэВ), однако в зонах его распространения естественный радиоактивный фон повышается за счёт электронов (с энергией 0,2—2,6 МэВ), испускаемых дочерними продуктами распада. Торий, как и уран, встречается в виде крупных месторождений и в рассеянном состоянии во всех породах и водах.

Ториевый ряд

Из горных пород и почв торий-232 и продукт его распада радий-228 (особенно легко выщелачивающийся) поступают в грунтовые воды, реки, моря и океаны.

• Искусственная радиация

Самый яркий пример искусственной радиации — цезий-137. У нас, если он и встречается, то это преимущественно после аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году. Период полураспада цезия-137 ~30 лет.

Ознакомившись с теорией, переходим к практической работе.

Ход работы

Мы взяли несколько проб в наиболее посещаемых местах купания: пляж на Филькином озере, «Холодные ванны» и так называемый «Водопад» (у Белого озера).

Проба 1 — Пляж на Филькином озере (донные отложения)

Проба 2 — «Холодные ванны», Белое озеро (донные отложения)

Проба 3 — Шлюз (водопад), Белое озеро (донные отложения)

Проба 4 — Пляж на Филькином озере (почва)

Проба 5 — Шлюз (водопад), Белое озеро (почва)

Проба 6 — «Холодные ванны», Белое озеро (почва).

Пробы почвы отбираются методом «Конверта». Он заключается в следующем: необходимо выбрать квадрат и взять почву из углов этого квадрата и из середины.

• Подготовка проб к измерениям

Предварительно почву высушивают, отбирают камешки, посторонние примеси, затем просеивают. Вес приготовленной пробы равен 1 кг. Измерения производят в сосуде Маринелли (Рис.1), закрытом крышкой. Диаметр 155 мм, а высота — 115 мм. У этого сосуда форма, способствующая большему попаданию частиц на детектор.

Рис. 1. Разрез сосуда Маринелли в изометрической проекции

• Измерение проб

Измерения производились на многоканальном анализаторе LP—4900В с германиево-литиевым детектором. На анализаторе задаётся время измерения пробы. На экране мы можем увидеть спектр измеряемой пробы.

На графике, который выдаёт гамма-спектрометр, мы видим пики, которые обозначают различные радиоактивные элементы. На наших получившихся графиках присутствует везде довольно большой пик, это - калий—40. Пики имеют различную энергию.

• Обработка спектров. Вычисление активности идентифицированных радионуклидов

Определяем площадь пиков. После этого считаем статистическую ошибку площади пика по формуле:

где

d(S) - статистическая ошибка площади пика,

S - площадь пика,

S_n- площадь основания пика.

Потом рассчитываем С_а (удельную активность) по формуле:

где

S - площадь пика пробы,

t - время измерения пробы, с,

К_g - квантовый выход гамма-излучения,

e - эффективность,

m - масса пробы, кг.

Далее рассчитываем статистическую ошибку удельной активности по формуле:

Рассчитываем отклонение по формуле:

По этим формулам ведем расчет всех проб. В качестве примера приводим расчет удельной активности одной из проб (проба № 5), результаты заносим в таблицу 4.

Аналогично расчету пробы № 5 производим расчет и всех остальных проб, результаты заносим в таблицу 3.

Таблица 3

Содержание радионуклидов в пробах

Примечание.

Элементы ториевого ряда выделены жирным шрифтом, радиевого — курсивом.

Таблица 4

Расчет удельной активности почвы (проба № 5)

Примечания.

1. N₁, N₂, N_max — номера каналов начала, конца и максимума пика, соответственно.
2. Время измерения.(t=13840c).
3. Для калия-40 вычитается фон прибора, обусловленный излучением от стен здания, содержащих бетон, в который входит калий-40. Фон калия-40 равен: (имп/с).

• Выводы.

1. Мы ознакомились с методом гамма-спектрометрического анализа, с помощью которого можно определять полный состав гамма-излучающих нуклидов в пробах.
2. Во всех измеренных нами пробах почвы и донных отложениях обнаружено большое содержание калия-40, а также содержатся радионуклиды рядов радия и тория.
   Во всех пробах также содержится в небольших количествах цезий-137.
3. Из таблицы 2 видно, что удельная эффективная активность всех проб не превышает предельно-допустимого значения для стройматериалов, которое составляет 370 Бк/кг. Так как не существует нормативов на почву и донные отложения, мы воспользовались нормативными данными для стройматериалов.

Поэтому мы можем сделать вывод, что места, в которых мы брали пробы почвы и донных отложений, пригодны для купания и отдыха горожан.

Используемая литература

1. «Нормы радиационной безопасности», Госкомсанэпиднадзор России, Москва, 1996.
2. Ярошинская А.А. «Ядерная энциклопедия», Москва, 1996.
3. «Applied Gamma-ray Spectrometry», Crouthamel C. E., Adams F. And Dams R., Oxford - New York - Toronto - Sydney -Braunschweig, 1970.
4. Гусев Н.Г., Дмитриев П.П. «Квантовое излучение радиоактивных нуклидов», Москва, Атомиздат. 1997.
5. «Методика измерения объёмной (удельной) активности в пищевых гамма-излучающих радионуклидах в пробах продуктов, пищевом сырье, растительности, почве, сыпучих строительных материалах», Гатчина – С.-Петербург, 1994.
6. Гусев Н.Г., Мошкович В.П., Вербицкий Б.В. «Радиоактивные изотопы как гамма-излучатели», Атомиздат, 1964.

	Перейти к оглавлению