МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Технология бетона и строительные материалы» ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ЭФФЕКТИВНОЙ АКТИВНОСТИ ЕСТЕСТВЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ В СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ Методические указания к лабораторной работе Минск БНТУ 2014 1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Технология бетона и строительные материалы» ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ЭФФЕКТИВНОЙ АКТИВНОСТИ ЕСТЕСТВЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ В СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Строительное материаловедение» для студентов строительных специальностей Минск БНТУ 2014 2 УДК 691:539.16(076.5) (075.8) ББК 38.3я7 О-62 Составитель Л. В. Красулина Рецензенты : Ю. А. Рыхленок, А. Э. Змачинский В издании рассмотрено явление радиоактивности, указаны основные виды ра- диоактивных излучений, их воздействие на различные вещества и биологические ткани. Приводятся сведения о естественной радиоактивности горных пород. Изложен метод определения удельной активности и удельной эффективной ак- тивности естественных радионуклидов. © Белорусский национальный технический университет, 2014 3 Цель работы: ознакомиться со сведениями об основных есте- ственных радиоактивных элементах, содержащихся в строительных материалах; изучить методику определения содержания радиоак- тивных изотопов в природных каменных материалах и материалах, полученных на основе горных пород; экспериментально определить удельную активность радионуклидов природного происхождения в природных и искусственных строительных материалах, а также удельную эффективную активность естественных радионуклидов в этих материалах, учитывая их биологическое воздействие на орга- низм человека; определить класс и область применения строитель- ных материалов в зависимости от полученных значений удельной эффективной активности естественных радионуклидов Средства измерений: – радиометр; – весы; – сушильный шкаф. Радиоактивные излучения Радиацией называют всевозможные виды излучений, действу- ющих на человека и среду его обитания. Все их принято делить на ионизирующие и неионизирующие. К ионизирующим относят те из- лучения, которые способны делить молекулы вещества на ионы. Ионизирующие излучения, их еще называют радиоактивным из- лучением, имеют огромную энергию и малую длину волны, причем чем меньше длина волны, тем больше энергия порций излучения – квантов. Установлено три основных типа ионизирующих излучений, каж- дому из которых соответствует свой тип распада: -, β- и γ-излучение. Выделяют излучение корпускулярное (состоящее из частиц с массой покоя отличной от нуля альфа ()- и бета (β-)-излучения и нейтронное излучение), и электромагнитное (гамма (γ-)-излучение и рентгенов- ское излучение) с очень малой длиной волны. Ионизирующие излучения являются обязательной частью среды обитания живых организмов. Общий радиационный фон на Земле создается рядом источников: – космическим излучением; 4 – излучениями от естественных радиоактивных веществ, нахо- дящихся в почве, в воздухе, воде, а также попадающих внутрь орга- низмов и накапливающихся в тканях; – излучениями от искусственных источников. Основные законы радиоактивных превращений Радиоактивность – самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием различных видов излучений (-; β-; γ-) и некоторых элементарных частиц. Са- мопроизвольное превращение ядер называют радиоактивным рас- падом. Ядро, претерпевающее распад, называют радионуклидом. Радиоактивный распад происходит так, что количество ядер радио- активного элемента dN, распавшихся за бесконечно малый проме- жуток времени dt, пропорционально числу ядер N, не распавшихся к моменту времени t: –dN = λNdt, (1) где λ – постоянная распада, характеризующая вероятность распада ядра в единицу времени. Интегрируя уравнение (1) и полагая, что при t = 0, N = N0 (N0 – чис- ло атомов радиоактивного вещества в начальный момент времени), получим N = N0 еxp(–λt). (2) Из уравнения (2) следует, что радиоактивный распад подчиняет- ся экспоненциальному закону. При распаде радиоактивного атома выделяется огромное коли- чество энергии, которое можно точно измерить. Распад ядер радио- активных веществ происходит в случайные моменты времени, ко- торые невозможно предугадать для каждого конкретного ядра. Но существует вполне определенное время, в течение которого распа- дается половина всех атомов вещества. Это время называется пери- одом полураспада для большого количества атомов (Т1/2). 5 Периоды полураспада радиоактивных элементов – это числа, по- казывающие время, в течение которого распадаются половина име- ющегося количества элемента: Т1/2 = ln2/λ = 0,693/λ. (3) Для каждого радиоактивного элемента постоянная распада и пе- риод полураспада Т1/2 являются характерными величинами и имеют строго определенные значения. Для различных элементов эти пара- метры изменяются. Количественной мерой радиоактивности источника является физи- ческая величина, называемая активностью. Активность радионуклида в источнике – это среднее число распадов ядер за единицу времени: А(t) = dN(t)/dt. (4) Благодаря распаду, количество радиоактивных ядер в первона- чальной массе вещества с течением времени уменьшается, соответ- ственно снижается активность радионуклида. Активность радио- нуклида А, как и число радионуклидов N(t), с течением времени уменьшается по экспоненциальному закону: А(t) = А0е –λt, (5) где А0 = λ N0 – активность радионуклида в источнике в начальный момент времени t0 = 0. Удельная активность радионуклида – это отношение активно- сти А радионуклида в веществе к массе вещества m: Аm = А/m. (6) Удельная эффективная активность естественных радионуклидов в материале определяется с учетом биологического воздействия на организм человека основных радиоактивных нуклидов природного происхождения: радий (Ra226), торий (Th232), калий (K40). Ионизирующее излучение, проходя через вещество, ионизирует и возбуждает атомы и молекулы среды. Ионизируя и возбуждая атомы и молекулы среды излучение теряет свою энергию, а облучаемое веще- ство поглощает ее. Степень воздействия ионизирующего излучения на вещество характеризуется количеством поглощенной энергии. 6 Поглощенная доза ионизирующего излучения равна отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веще- ству в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме: D = dE/dm (7) Единицы измерения радиоактивности Для сравнительной оценки радиоактивности веществ применя- ются два вида единиц: единицы активности, или содержания в ма- териале радиоактивных элементов, и единицы дозы излучения, определяющие меру воздействия радиоактивных излучений на ве- щество. Единицей активности в Международной системе единиц СИ явля- ется беккерель (Бк). Один беккерель равен активности радионуклида в источнике, в котором происходит один распад в секунду. Часто ис- пользуется внесистемная единица измерения активности – кюри (Ки). Под единицей кюри понимается количество любого радиоак- тивного изотопа, в котором в 1 с происходит в среднем 3,7·1010 рас- падов, приблизительно столько, сколько и в 1 г радия. Соотношения между беккерелем и кюри: 1 Ки = 3,71010 Бк; 1 Бк = 2,710–11 Ки. Масса радиоактивных элементов, соответствующая активности 1 Ки, возрастает с увеличением периода полураспада. Если для по- лония (Т1/2 = 138 дней) эта масса равна 0,22 мг, для радия (Т1/2 = = 1590 лет) – 1 г, то для урана (Т1/2 = 4,49109 лет) она равна 3 т. Единицей концентрации радиоактивного изотопа в веществе яв- ляется Бк/кг, а также Ки/кг и ее производные (Ки/г и т. п.). Концен- трация радона и других газообразных радиоэлементов выражается в единицах – Ки/л и в эманах (1 эман = 1·10–10 Ки/л). Единицы дозы излучения позволяют проводить количественную оценку воздействия радиоактивных излучений на облучаемую сре- ду. Поглощенная доза определяется как энергия излучения любого вида, поглощенная единицей массы любого вещества, измеряется в джоулях на килограмм (Дж/кг) и имеет специальное название – грей (Гр или Gy). Один грей равен одному джоулю поглощенному в ки- 7 лограмме вещества. Специальная внесистемная единица поглоще- ния дозы – рад: 1рад = 100 эрг/г = 110–2 Дж/кг = 0,01 Гр. Доза, образуемая излучением в единицу времени, называется мощностью дозы и определяется как приращение поглощенной дозы dD за малый промежуток времени dt, деленное на этот проме- жуток: Р = dD/dt. (9) Мощность поглощенной дозы измеряется в единицах грей в се- кунду (Гр/с). Единицей дозы излучения является рентген (Р). Один рентген соответствует поглощению такого количества рентгенов- ского или гамма излучения, которое в 1 см3 сухого воздуха при тем- пературе 0° С и давлении 760 мм рт. ет. образует ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каж- дого знака (2,083109 пар ионов). Энергетический эквивалент рентгена: 1Р = 88 эрг или 5,5107 МэВ поглощенной энергии в 1 г воздуха. Доза, образуемая излучением в единицу времени, называется мощностью дозы и выражается в рентгенах в час (Р/ч). Естественная радиоактивность горных пород В земной коре содержится большое количество естественных радиоактивных веществ, т. е. веществ способных самопроизвольно распадаться, излучая при этом энергию. Энергия распада отдается внешней среде посредством - и -частиц, а также γ-квантов. Ос- новные радиоактивные вещества, встречающиеся в окружающей среде, – это калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных се- мейств, берущих начало от урана-238 и тория-232. Уран и торий имеют возраст, равный возрасту Земли, и рассеяны в почве, содер- жатся в горных породах, морской воде и т. д. Известно более 230 радиоактивных изотопов различных элемен- тов, называемых радиоактивными нуклидами или радионуклидами. Радиоактивность тяжелых элементов с порядковым номером в таб- лице Менделеева, большим 82, сводится к последовательным пре- вращениям одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов. Конечным продуктом пре- вращений урана является нерадиоактивный, так называемый радио- генный, свинец. 8 В настоящее время известно более 50 естественных радиоактивных элементов. К ним относятся тяжелые элементы, входящие в состав радиоактивных семейств, и более легкие радиоактивные элементы, распад которых ограничивается одним звеном превращений. Радиоак- тивный ряд (радиоактивное семейство) это последовательность радио- нуклидов, каждый из которых образуется посредством радиоактивного распада предыдущего. В число радиоактивных семейств входят эле- менты семейств урана U238, актиноурана U236 и тория Th232. Распад этих семейств имеет много общего. Представители ряда актиноурана U236 в природе встречаются в малых количествах и поэтому далее не рас- сматриваются. Схемы радиоактивных превращений семейств урана и тория представлены на рис. 1 и рис. 2. Рис. 1. Схема радиоактивных превращений семейства урана Рис. 2. Схема радиоактивных превращений семейства тория 9 На этих рисунках стрелками указана последовательность распа- да. Над стрелками приведены типы излучений, сопровождающие распад, под стрелками – периоды полураспада в следующих едини- цах: л – годы (лет), д – дни, ч – часы, м – минуты, с – секунды. Родоначальники семейств характеризуются самыми большими массовыми числами и относятся к наиболее долгоживущим. Во всех случаях в результате распада образуются все более легкие элемен- ты. В первой половине цепи превращений каждого семейства рас- пад сопровождается преимущественно испусканием -частиц, во второй половине преобладает β-распад. В середине цепи превраще- ний каждого семейства имеются радиоактивные газы эманации (в ряду урана это радон Rn220, в ряду тория – торон Tn220), относя- щиеся к группе инертных. За эманациями следуют группы корот- коживущих элементов, часть атомов которых распадается с испус- канием -частиц, а другая часть – β-частиц. Эти элементы образуют разветвления рядов – «вилки». Необходимо отметить, что - и β- распады сопровождаются испусканием γ-квантов различных энер- гий. Конечным продуктом распада этих двух семейств являются стабильные изотопы свинца Рb206 и Рb208. По суммарной -активности семейства урана и тория примерно одинаковы, энергетические спектры -частиц, испускаемых каж- дым семейством в целом, друг от друга существенно не отличаются, энергия -частиц находится в интервале 2–8 МэВ. По суммарной интенсивности β-излучения семейства урана и тория также суще- ственно не различаются. Основными γ-излучателями в семействе урана являются продук- ты распада радия (Ra226) и радона (Rn222). Важной особенностью этого семейства является то, что на долю продуктов распада урана, расположенных в цепи превращения до радия, приходится всего лишь около 2 % от общего γ-излучения ряда. Вследствие этого при нарушении в горных породах радиоактивного равновесия между ураном и радием, приводящего к недостатку радия, γ-активность горных пород резко снижается, и, наоборот, породы, обогащенные солями радия или радоном, даже при отсутствии в них урана явля- ются γ-активными. В семействе тория основные γ-излучатели рас- пределены относительно равномерно. 10 Кроме радиоактивных семейств имеются одиночные радио- нуклиды, в которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений. Среди них наиболее распространен калий-40. В целом в земной коре повышены концентрации следующих трех радиоактивных элементов: урана-238, тория-232 и калия-40. Поэто- му в радиометрии изучают только эти элементы. Они находятся в горных породах в рассеянном состоянии в виде изоморфных приме- сей и самостоятельных минералов. Изотоп калия-40 (K40) представляет большой интерес, так как рас- пространенность Са40 в природе огромно – этот элемент входит в со- став породообразующих минералов (кальцит, доломит и др.). Физи- ко-химические свойства калия резко отличны от свойств других ра- диоактивных элементов. Калий распространен в природе в больших количествах. Он относится к группе щелочных металлов. Химически калий более активен, чем натрий и образует соли со всеми известны- ми кислотами. Из наиболее распространенных калийсодержащих минералов, обусловивших повышенную радиоактивность горных пород, следует отметить сильвин (КС1), карналлит (KCl MgCl 6H2 O), калиевую селитру (KNO3), микроклин (KAlSiO8), ортоклаз (K 2 OAl 2O 3SiO2), биотит, мусковит, нефелин, глауконит и др. В глинистых минералах значительная часть калия присутствует не в виде свободного иона, а заключена в решетку минералов. Остальная часть калия захвачена в ионной форме поглощающим комплексом глин и прочно связана в них адсорбционными силами. Наиболее сильно фиксация калия выражена у гидрослюд. Большое количество калия содержится в осадочных породах, в которых мо- гут находиться и другие радиоактивные элементы. Среди осадоч- ных пород имеются неактивные хемогенные отложения (ангидрит, гипс, галит) и слабоактивные неглинистые пески, песчаники, из- вестняки, доломиты, но есть и высокоактивные глины, глинистые сланцы, битуминозные сланцы и фосфориты по концентрации ра- диоактивных элементов близкие к гранитам. Однако в среднем оса- дочные породы менее радиоактивны, чем кислые и средние магма- тические породы. В суммарной радиоактивности песчаников, глин и хемогенных пород большую роль играют торий и калий. Для из- вестняков и доломитов характерно резкое повышение содержания урана по сравнению с содержанием тория и калия. 11 Радиоактивность почв определяется радиоактивностью горных пород и условиями почвообразования. Максимальной радиоактив- ностью характеризуются почвы, развитые на кислых магматических породах и глинах, но в среднем она ниже радиоактивности осадоч- ных горных пород. Первые урановые и урано-ториевые минералы образуются на этапе кристаллизации магмы, в которой в рассеянном состоянии первоначально представлены все природные элементы. Эти мине- ралы находятся в земной коре в состоянии рассеяния, поэтому они считаются более редкими элементами, чем например свинец или олово, для которых более характерно состояние концентрации, чем рассеяния. Особенностью распределения урана, радия, тория и других ра- диоактивных элементов является неравномерность их содержания в однотипных породах, особенно в магматогенных. Среди генетиче- ски различных типов пород наибольшей радиоактивностью харак- теризуются кислые магматические изверженные породы (граниты), представляющие собой продукт кристаллизации магмы. С умень- шением содержания оксида кремния в изверженных породах, т. е. с увеличением их основности, содержание радиоактивных элемен- тов сокращается. Чаще всего изверженные породы розовых и крас- ных тонов оказываются более радиоактивными, чем серые и темно- серые. При разрушении продуктов магматической кристаллизации (граниты, сиениты и др.), в которых уран связан с химически стой- кими минералами (монацит, самарскит, циркон и др.) начинает про- текать процесс растворения первичных урановых минералов, но значительная часть урана остается здесь нерастворенной и рассеи- вается в остаточных минералах коры выветривания, в россыпях. В процессах последующего переотложения этих пород содержание первичных минералов урана непрерывно уменьшается. Весьма важную роль в выпадении из растворов и в концентрации урана играют процессы адсорбции и соосаждения, особенно интен- сивно протекающие на глинистых и органических коллоидах, осад- ках гидрата железа, алюминия, марганца, кремния. Среди других веществ с повышенным содержанием урана обычно отмечают так- же фосфатные минералы, в которые он входит, изоморфно замещая кальций. Основными концентраторами тория являются остаточные минералы, сосредоточенные в зоне коры выветривания или 12 в обломочных породах. Для урана и радия такими концентраторами являются глинистые минералы, некоторые органические соедине- ния и фосфатные минералы. К породообразующим минералам с низкой радиоактивностью относятся такие минералы как кварц, доломит, кальцит, ангидрит, каменная соль и др. Средней радиоактивностью обладают некото- рые полевые шпаты, а также железосодержащие минералы – лимо- нит, магнетит. В группу минералов с повышенной радиоактивно- стью входят глинистые минералы, слюды, большая часть поле- вошпатовых минералов, калийные соли, апатит и сфен. Распределение радиоактивных элементов определяется физико- химическими условиями, существовавшими в период образования горных пород. Действие радиации на вещество Радиоактивные излучения могут инициировать различные хими- ческие реакции; поглощение этого излучения живыми тканями мо- жет привести к необратимым изменениям. Воздействие излучения на металлы изменяет многие физические свойства – ускоряет наступление фазовых переходов, увеличивает модуль упругости, предел текучести (нейтронное излучение). Вы- званные облучением изменения механических свойств устойчивы и отжигаются лишь при температурах рекристаллизации. Воздействие излучения на неметаллы (соли, кварц и т. п.) изменя- ет их кристаллическую структуру, приводит к уменьшению плотно- сти (кварц – на 4 %), изменению модуля упругости, твердости и т. п. При воздействии излучения на диэлектрики изменяется их элек- тропроводность, величина и знак этого изменения зависит от дозы облучения. Сильно изменяются коэффициенты преломления, опти- ческая прозрачность, диэлектрическая проницаемость. В полимерах облучение вызывает ряд радиационно-химических реакций – образование химических связей между молекулами (сши- вание), деструкция молекул, образование или разрыв двойных свя- зей, выделение газообразных продуктов. В результате изменяются электрические и механические свойства; направление этих измене- ний зависит как от строения полимера, так и от состава и дозы об- лучения. 13 При облучении биологической ткани в сложных молекулах, из которых состоят клетки биологических веществ, происходит разрыв химических связей. Масса биологической ткани на 60–70 % состоит из молекул воды, которые под действием радиации разлагаются на так называемые свободные радикалы водорода и гидроксильные группы, а также перекиси и гидроперекиси водорода. Получающие- ся в процессе радиолиза воды свободные радикалы, обладая высо- кой химической активностью, вступают в реакцию с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биохимических процессов в орга- низме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, возникают новые химические со- единения, не свойственные организму, – токсины. Это приводит к нарушению жизнедеятельности как отдельных систем, так и орга- низма в целом. Образовавшиеся свободные радикалы вовлекают в химические реакции тысячи молекул не затронутых излучением. В результате производимый эффект облучения не зависит фактически от количества энергии, поглощенной в облучаемом объекте. Из естественных радионуклидов, содержащихся в земной коре, наибольшей радиоактивностью обладает калий-40. Его активность в 1 т земной коры в 3,8 раза выше активности рубидия и почти в 40 раз выше активности тория. В среднем человек получает около 10 % внутреннего облучения за счет калия-40, который усваивается вместе с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма. Большой вклад в дозу внутреннего облучения человека вносит продукт распада урана – газ радон. В живом организме восстановление повреждений от радиации никогда не бывает полным, со временем происходит накопление необратимых повреждений. Они могут вызвать сокращение про- должительности жизни, возникновение злокачественных новообра- зований. Эксперименты позволяют предполагать, что 80 % повре- ждений от облучения являются обратимыми, а 20 % относятся к стойким дефектам, снижающим жизнеспособность организма. Для обеспечения радиационной безопасности при воздействии радионуклидов необходимо проведение контроля строительных ма- териалов на содержание в них радиоактивных изотопов. 14 В Республике Беларусь приняты законодательно-правовые и нормативные документы, обеспечивающие радиационную безопас- ность населения. Основным документом является Закон Республики Беларусь «О радиационной безопасности населения», утвержден- ный Указом Президента Республики Беларусь от 05.01.1998 г. № 122-3. Требования по радиационной безопасности населения от воз- действия материалов и изделий, применяемых в строительстве, из- ложены в ГОСТ 30108–94. В соответствии с требованиями нормативных документов разрабо- таны классы строительных материалов и критерии их использования: – материалы, которые относятся к I классу, – это материалы с удельной эффективной активностью естественных радионуклидов (Аэфф) до 370 Бк/кг; можно использовать для всех видов строительства; – материалы, которые относятся ко II классу это материалы с удельной эффективной активностью естественных радионуклидов (Аэфф) от 370 Бк/кг до 740 Бк/кг; можно применять в дорожном строительстве в пределах населенных пунктов и зон перспективной застройки, строительства производственных сооружений; – материалы, которые относятся к III классу, это материалы с удельной эффективной активностью естественных радионуклидов (Аэфф) от 740 Бк/кг до 1350 Бк/кг; можно применять в дорожном строительстве вне населенных пунктов; – материалы, которые относятся к IV классу, это материалы с удельной эффективной активностью естественных радионуклидов (Аэфф) от 1350 БК/кг до 4000 Бк/кг; можно применять по согласова- нию с республиканским органом санитарно-эпидемиологической службы Министерства здравоохранения Республики Беларусь; – материалы с удельной эффективной активностью естественных радионуклидов (Аэфф) свыше 4000 Бк/кг не должны использоваться в строительстве. Радиометры Для обнаружения и измерения интенсивности ядерных излуче- ний применяются приборы, называемые радиометрами. Радиометры – это приборы, предназначенные для измерения удельной и объемной активности γ-излучающих радионуклидов 137Cs, 40K, 226Ra, 232Th в воде, продуктах питания, кормах, почве, 15 строительных материалах, промышленном сырье и других объектах окружающей среды. Радиометры состоят: из индикаторов (детекто- ров) излучения, блока регистрации излучения, а также источников, фильтров и других специальных устройств. Детектор ионизирую- щих излучений – это устройство, преобразующее энергию излуче- ния в другие виды энергии, удобные для регистрации, чаще всего в электрическую энергию. По принципу действия, т. е. по эффекту, используемому для преобразования энергии излучения детекторы подразделяются на ионизационные и сцинтилляционные. Работа ионизационных детекторов основана на ионизирующей способно- сти излучения, сцинтилляционных – на преобразовании фотоэлек- трическим умножителем световых вспышек (сцинтилляций), возни- кающих в люминофорах от воздействия излучения, в электрические сигналы. По возможности регистрировать энергетическое распре- деление излучения детекторы подразделяются на интегральные и спектрометрические. Для спектрометрических детекторов харак- терна прямо пропорциональная зависимость выходного сигнала от энергии регистрируемого излучения. Спектрометрические детекто- ры подразделяются на сцинтилляционные, полупроводниковые, пропорциональные. Регистрация γ-квантов в сцинтилляционном счетчике происхо- дит благодаря вторичным электронам и позитронам, образующимся при поглощении γ-квантов люминофорами. Люминофоры это веще- ства обладающие хорошей оптической прозрачностью, что обеспе- чивает сбор света на фотокатод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Конструктивно сцинтилляционный детектор состоит из двух частей: «кристалл» куда помещается люминофор и фотоэлек- тронный умножитель. Назначение люминофора – преобразование энергии частицы (кванта) в энергию фотона света. Назначение ФЭУ – преобразование энергии фотона в электрический импульс. Радиометр РКГ-АТ1320 состоит из блока детектирования и блока обработки информации (рис. 3). Блок детектирования содержит сцинтилляционный детектор NaJ(Tl) и электронную часть, состоящую из светодиода, фотоумно- жителя (ФЭУ), усилителя, блока питания (БП) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП). 16 Рис. 3.Схема блока детектирования Принцип действия радиометра основан на использовании сцин- тилляциониого эффекта, при котором световые вспышки, возника- ющие в кристалле-сцинтилляторе NaJ(Tl), при попадании в него гамма квантов, регистрируются фотодетектором. Световые вспыш- ки, возникающие в сцинтилляторе, через светодиод попадают на фотокатод фотоэлектронного умножителя и преобразуются в элек- трические импульсы, которые после усиления поступают в устрой- ство селекции. Устройство селекции производит сортировку им- пульсов по их амплитудам (пропорционально энергии регистрируе- мых γ-квантов). На рис. 4 представлен общий вид блока обработки информации радиометра РКГ-АТ1320. Устройство обработки информации управляет работой устрой- ства селекции и вычисляет количественные характеристики иони- зирующего излучения. Устройство индикации и управления задает режим работы γ-радиометра и индуцирует на табло результат изме- рений. Режим работы задается с помощью кнопок, расположенных на лицевой панели прибора (рис. 4). Исследуемый образец (проба) размещается в кювете, в качестве которой используется сосуд Ма- ринелли объемом 1,0 л. Кювета с пробой устанавливается вовнутрь свинцового защитного экрана, уменьшающего влияние внешнего фонового излучения. Сверху экран закрывается свинцовой защит- ной крышкой. Программно выбирается состав радионуклидов, эф- фективную активность которых необходимо измерять. 17 Рис. 4. Внешний вид блока обработки информации радиометра РКГ-АТ1320 Порядок выполнения работы 1. Перед началом работы подключите сетевой кабель радиометра РКГ-АТ1320 к сети питания. 2. На экране блока обработки информации нажиме кнопку «ВКЛ». На экране на несколько секунд появится надпись «АТОМТЕХ», а затем сообщение: 3. Прогрев радиометра производится в течение 10 мин. В про- цессе прогрева установите контрольную пробу в радиометр и за- кройте блок защиты. 4. После того как на экране появится сообщение «Проверка за- вершена», извлеките контрольную пробу из радиометра. 5. Выполните измерения активности следующих проб строи- тельных материалов: гранита, мрамора, известняка, гравия, щебня, цемента, кирпича, песка, сухих растворных смесей. Пробы камен- ных материалов получают путем измельчения этих материалов. До- 18 пускается использование материала, полученного при определении предела прочности при сжатии, растяжении или изгибе изделий. Пробы высушивают до постоянной массы, затем ими заполняют специальные контейнеры. 6. Поместите сосуд с пробой исследуемого материала в блок за- щиты радиометра и закройте блок. Нажмите кнопку «Меню», авто- матически вы попадаете в режим «Отображение спектра». На экране вы будете видеть изображение спектра. 7. Нажмите клавишу «Набор» и введите значения параметров: – продолжительность измерения – 900 с (15 мин); – масса пробы в граммах – (указана на сосуде); – геометрия измерения – сосуд Маринелли, 1 л. После ввода параметров нажмите кнопку «Ввод». 8. По окончании процесса измерений, который длится 15 мин, опре- делите удельную активность естественных радионуклидов в пробе ис- следуемого материала. Для этого на клавиатуре нажмите «Меню». 9. В режиме «Обр» при помощи клавиши «→» выберите функ- цию «Активн». Нажмите «Ввод». На экране появится сообщение: 10. Для определения в пробе четырех нуклидов (137Cs, Ra266, Th232, K40) нажимайте клавишу «→» и выберите опцию EPH + Cs. Затем нажмите «Ввод». На экране появятся результаты измерений удельной активности пробы исследуемого материала в виде: 11. Полученные данные занесите в рабочую тетрадь в таблицу и нажмите клавишу «Набор». 19 Наименование пробы Удельная активность, Бк/кг Погрешности измерений удельной активности, % Удельная эффективная активность, Бк/кг Гранит Мрамор Кирпич керамический Сухая растворная смесь Заполнитель Откройте блок защиты радиометра, достаньте пробу исследуе- мого материала и поместите туда следующую по таблице пробу. Закройте блок. 12. Введите значения параметров для следующей пробы. Для этого клавишей «→»очистите данные для предыдущей пробы. 13. Повторите пп. 7–12 для всех проб, указанных в таблицу. 14. Вычислите удельную эффективную активность Аэфф природ- ных радионуклидов в строительных материалах по формуле Ra Th Csфф Kэ 1,31 0,065 0,22 ,A A A AА     где RaA , ThA , KA , CsA – удельные активности 226Ra, 232Th, 137Cs, 40K соответственно. 15. Проведите сравнительный анализ полученных данных для Аэфф с нормами радиационной безопасности (НРБ–2000). Сделайте вывод о возможности использования строительных материалов. 20 16. Кнопка «ВКЛ» служит для включения и выключения радио- метра. Для выключения радиометра три раза нажмите кнопку «ВКЛ». После появления на экране дисплея сообщения «Выклю- чить прибор?» еще раз нажмите кнопку «ВКЛ». Достаньте вилку прибора из сети питания. Контрольные вопросы 1. Что такое ионизирующее излучение, основные типы этого из- лучения? 2. Сформулируйте закон радиоактивного распада. 3. Дайте определение постоянной радиоактивного распада, пери- ода полураспада, активности радионуклида. 4. Что называется активностью радионуклида, удельной эффектив- ной активностью радионуклида и в каких единицах они измеряются? 5. Расскажите о радиоактивных семействах урана-238 и тория- 232, об особенностях их радиоактивных превращений. Назовите основные гамма-излучения в этих рядах. 6. В каких горных породах находится повышенное содержание изотопа калия-40? 7. Почему по гамма-активности 1 г Ra226 эквивалентны примерно 3 тоннам U238 ? Чему будет равна активность источника, содержащего 10 мг Со60 (Т1/2 = 5,25 лет)? 8. Перечислите основные характеристики детекторов излучения. 9. Перечислите типы детекторов. 10. Перечислите составные части радиометров и расскажите об их назначении. 11. Из каких компонент состоит сцинтилляционный детектор (СД)? 12. Какие природные радионуклиды присутствуют в строитель- ных материалах? 13. Какие радионуклиды обычно измеряются в образцах строи- тельного материала? 14. Критерии использования строительных материалов в зависи- мости от значения удельной эффективной активности естественных радионуклидов? 21 Литература 1. Савельев, И. В. Курс общей физики : в 3 т. / И. В. Савельев. – М. : Наука, 1986. – Т. 3. 2. Кужир, П. Г. Прикладная ядерная физика / П. Г. Кужир. Минск : УП «Технопринт», 2003. 3. Нормы радиационной безопасности (НРБ–2000). – Минск, 2000. 4. Божин, Ю. М. Радиация вокруг нас / Ю. М. Божин. – Десно- горск. 2011. 5. Материалы и изделия строительные. Определение удельной эф- фективной активности естественных радионуклидов : ГОСТ 30108–94. 6. Ибрагимов, Ш. З. Ядерная геофизика / Ш. З. Ибрагимов. – Ка- зань : Казанский государственный университет, 2008. 22 Учебное издание ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ЭФФЕКТИВНОЙ АКТИВНОСТИ ЕСТЕСТВЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ В СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Строительное материаловедение» для студентов строительных специальностей Составитель КРАСУЛИНА Людмила Владимировна Редактор Т. А. Зезюльчик Компьютерная верстка А. Г. Занкевич Подписано в печать 18.06.2014. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 1,28. Уч.-изд. л. 1,00. Тираж 150. Заказ 1032. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. Свидетельство о государственной регистрации издателя, изготовителя, распространителя печатных изданий № 1/173 от 12.02.2014. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.