Определение содержания ²³⁸U по гамма-излучению ^234mPa

В атомной энергетике, в геологоразведке, при контроле радиоактивного загрязнения почв и сырья, используемого при строительстве, одним из важнейших радиоактивных элементов, который необходимо контролировать, является ²³⁸U. Наиболее оптимально для контроля ²³⁸U использовать радионуклид ^234mPa, активность которого из-за малости времени его жизни (≈ 1,2 мин) однозначно связана с активностью ²³⁸U даже при условии нарушения векового равновесия в исследуемом образце. Исследована и продемонстрирована на простейших примерах возможность использования гамма-излучения нуклида ^234mPa для определения ²³⁸U с помощью сцинтилляционного детектора в среде, содержащей естественные радионуклиды. Предложенный алгоритм определения содержания ²³⁸U основан на моделировании методом Монте-Карло отклика детектора на излучение радионуклида ^234mPa на его монолинии 1001 кэВ и последующей обработке экспериментального спектра прибора, включающей винеровскую фильтрацию сигнала. Этот способ позволяет определить содержание ²³⁸U в сплошной однородной среде при наличии в ней естественных радионуклидов. Алгоритм определения содержания радионуклида включает в себя несколько основных этапов.

Фильтрация на основе алгоритма Винера позволяет выделить медленно меняющуюся часть спектра. Результаты Монте-Карло моделирования дают возможность определить эффективность регистрации в ограниченном информативном участке спектра, включающем наряду с пиком 1001 кэВ от нуклида ^234mPa, являющегося продуктом распада радионуклида ²³⁴Th, и ближайший к нему пик мешающего радионуклида из цепочки распада ²³²Th. Этот участок спектра по определению не содержит никаких других линии гамма-излучения от естественных радионуклидов – продуктов распада как ториевой, так и урановых цепочек. Указанные два пика на исследуемом участке спектра могут быть отделены друг от друга в среде с типичной концентрацией ²³⁴Th.

Анализ результатов измерения активности обеднённого металлического урана в соответствии с предложенным алгоритмом показывает возможность определения содержания ²³⁸U с погрешностью 3–5 %.

1. Agbalagba E.O., Avwiri G.O., Chad-Umoreh Y.E. γ-Spectroscopy measurement of natural radioactivity and assessment of radiation hazard indices in soil samples from oil fields environment of Delta State, Nigeria. Journal of environmental radioactivity, 2012, vol. 109, pp. 64–70. DOI: 10.1016/j.jenvrad.2011.10.012

2. Analytical Methodology for the Determination of Radium Isotopes in Environmental Samples. IAEA Analytical Quality in Nuclear Applications Series, 2010, no. 19 VIENNA.

3. Seokki Cha, Siu Kim, Geehyun Kim. Development of fast measurements of concentration of NORM U-238 by HPGe. Journal of Instrumentation, 2017, vol. 12, P02013. DOI: 10.1088/1748-0221/12/02/P02013

4. Passive Nondestructive Assay of Nuclear Materials, Doug Reilly, 7 part, Hastings A. Smith, Jr. The Measurement of Uranium Enrichment, 1991.

5. Briestmeister J.F. Ed. MCNPA general MonteCarlo N-particle transport code, Version 4A. Report LA12625-M, Los Alamos. NM, Los Alamos National Laboratory, 1994.

6. Wiener N. Extrapolation, interpolation and smoothing of stationary time series with engineering applications, J. Wiley, 1950.

7. BardinV. Sposob dekonvolyucii spektrometricheskoj informacii i obnaruzheniya spektral'nyh pikov [WAY Deconvolution spectrometer information and detection of spectral peaks]. Nauchnoe priborostroenie [Scientific instrumentation], 2017, vol. 27, no. 2, pp. 75–82 (in Russian). DOI: 10.18358/np-27-2-i7582

8. Wolfram Research, Inc., Mathematica, Version 12.1, Champaign, IL, 2020.