4е Всес. совещ.: «Проблемы научных исследований в области изучения и освоения мирового океана», г.Владивосток, 1983 г., с.148-151

 

ПРЯМЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПРИРОДНОЙ РАДИОАКТИВНОСТИ МОРСКОЙ ВОДЫ И ПРИВОДНОГО СЛОЯ ВОЗДУХА

 

Бекман И.Н., Овчаренко В.П., Синьков С.И.

 

В настоящей работе приведены основные результаты морских экспедиций 1980-1982 гг., проведенных кафедрой радиохимии Химического факультета МГУ на НИС «Эксперимент» в бассейне Черного (побережье Крыма и Кавказа), в бассейне Азовского моря (Темрюкский и Таганрогский заливы), в нижних течениях рек Дона и Волги, Цимлянском водохранилище и в центральной и южной частях Каспийского моря. Цель экспедиции состояла в изучении распределения радионуклидов (главным образом калия-40, радия-226, тория-232) в приповерхностном слое воды, а также распределения радия и короткоживущих продуктов его распада в приводном слое воздуха.

В работе значительное внимание уделяли созданию удобной малогабаритной лаборатории, включающей радиохимические методы выделения и анализа природных радионуклидов (методы соосаждения, хроматографии, экстракции), прямые методы измерения радиоактивности воды (включая подкилевой детектор непрерывного действия и погружаемый спектрометрический датчик), аппаратуру для отбора и измерения активности аэрозолей, снятия кривых распада, а также датчик непрерывного измерения активности воздуха. На борту судна имелись приспособления для анализа состояния радионуклидов в природных средах методов авторадиографии. работы проводились как на станциях, так и при движении судна во время переходов. Предварительную обработку результатов (расчет средних, дисперсии и т.д.) проводили с помощью бортового миникомпьютера, окончательную обработку результатов (расчет абсолютных активностей, коэффициента турбулентной диффузии, радиоактивных равновесий, разложение сложных гамма-спектров на отдельные компоненты и т.п.) осуществляли в Вычислительном центре МГУ с помощью ЭВМ типа БЭСМ-6.

Определение содержания радионуклидов в морской воде (главным образом гамма-излучателей высокой энергии) проводили с помощью сцинтилляционных гамма-декторов прямыми методами. Погружаемый датчик представлял собой стальную герметическую капсулу с толщиной стенок 2 мм, в которой находился стандартный сцинтилляционный детектор типа «Лимон», который работал в спектроскопическом режиме. Детектор погружался на глубины до 30 м (погружение на большие глубины осложнялось неблагоприятными погодными условиями). Гамма-спектры снимались с помощью анализатора импульсов (АИ-128). Перед началом измерений проводилась калибровка датчика с помощью стандартных эталонов. При этом показано, что высокоэнергетические пики за счет эффекта Комптона значительно ухудшают разрешение пиков с умеренными энергиями. Разрешение можно повысить путем использования специальных алгоритмов при обработки результатов, основанных на решении интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода. Переход от интегральной  скорости счета к абсолютной активности проводили по формулам для оценки эффективности регистрации излучения погружаемым детектором (выведенным ранее).

Работу с погружаемым датчиком проводили на станциях в интегральном и спектроскопическом режимах. Как правило, сканировали вертикальные разрезы: сначала регистрировали гамма-спектры дна, затем проводили измерения на различных горизонтах, потом на границе раздела воздух-воздух и, наконец, проводили гамма-спектроскопические измерения воздуха. На спектрах, снятых в воде хорошо видны линии калия-40 (Е=1,46 МэВ), продуктов распада радия (Е₁=2,33 МэВ, Е₂=1,75 МэВ) и тория (Е1=2,26 МэВ и Е=2,104 МэВ). Эксперименты проводили в различных  географических зонах, характеризующихся различным составом грунта, различной соленостью воды и различным изотопным составом. Обнаружено, что наибольшей активностью обладает грунт, причем гамма-спектры грунта на море и в реках в указанных регионах достаточно хорошо согласуются друг с другом, лишь высота линии калия-40, как и следовало ожидать, несколько уменьшается в пресноводных водоемах и реках. В специальных экспериментах показано, что влияние грунта сказывается на расстояниях меньших 40 см от детектора. По мере подъема датчика, при приближении к поверхности воды интегральная скорость счета увеличивается, что связано с появлением в спектре жестких (с энергией более 3 МэВ, гамма-квантов космического излучения.

В зависимости от географического местоположения в первую очередь (как было показано и в других работах) меняется интенсивность гамма-пиков калия-40 – в первом приближении пропорционально солености воды. Относительное полвышение концентрации радия-226 обнаружено в районе Кара-Дага (Крымское побережье , Черное море) и в районе залива Кара-Богаз-Гол (Каспийское море). Аномально высокое содержание тория-232 наблюдалось в районах, связанных с вулканической деятельностью: банка Макарова (действующий подводный гейзер), Темрюкский залив Азовского моря. Флуктуации фонового уровня активности морской воды измеряли с помощью подкилевого датчика непрерывного действия. Для подтверждения результатов по изотопному составу приповерхностного слоя воды, полученных прямыми методами, использовали радиохимические методики. При этом изотопы радия и тория выделяли экстракцией трибутилфосфатом с реэкстракцией соляной кислотой.

Колебания фонового уровня радиоактивности воздуха измеряли прямыми методами с помощью гамма-спектрометрического детектора, аналогичного погружаемому датчику. Регистрацию проводили в интегральном режиме, с последующим построением графиков зависимости средней скорости счета и дисперсии от расстояния от берега (при движении судна) или от времени суток (на станциях). Показано, что колебания фона воздуха значительно превышают колебания активности морской воды. Гамма-спектрометрическим методом подтверждено, что основной вклад в гамма-излучение воздуха вносят дочерние продукты распада радона: свинец-214 и висмут-214. Лишь в некоторых случаях  обнаружено присутствие продуктов распада ториевого ряда. Полученные результаты подтверждены измерением альфа- и бета-активности аэрозолей. Обнаружено значительное возрастание активности аэрозолей, отобранных в устье реки Риони. Показано, что во всех географических местоположениях наблюдаются заметные суточные колебания активности аэрозолей.

Полученные результаты могут быть использованы для прогнозов поведения техногенных радионуклидов: отходов атомной промышленности, продуктов испытания ядерного оружия и т.п., для исследования процессов локального эманирования и ореолов рассеяния, для диагностики окружающей  среды, в частности, для исследования динамики и структуры атмосферы (определения коэффициента турбулентной диффузии, интенсивности вертикального смешения воздушных масс, возраста аэрозолей и других параметров).