Способ определения активности изотопа Th (тория) в урансодержащих минералах

Необходимость определять величину полной радиоактивности изотопа ²³⁰Th в пробе возникает при решении ряда задач геохронологии объектов литосферы или построения хронологической шкалы некоторых геологических процессов, при исследовании эффектов нарушенного радиоактивного равновесия в ряду урана-238 в результате природного фракционирования изотопов или миграции свободного урана и т.д. Для корректного определение величины альфа-активности ²³⁰Th используют радиотрассеры: ²³⁴Th, ²²⁸Th, ²²⁹Th.

Использование в качестве трассера изотопа тория ²²⁹Th представляется наиболее оптимальным вариантом решения данной задачи [1-2]. Однако в этом случае предъявляются достаточно высокие требования к используемому альфа-спектрометрическому оборудованию и к качеству изготавливаемых альфа-источников, поскольку альфа-линии трассера и целевого нуклида в суммарном альфа-спектре разделены интервалом 126-157 кэВ. Наложение низкоэнергетических хвостов альфа-пиков может негативно отразиться на точности получаемых результатов.

Подобная проблема не возникает при использовании в качестве трассера радионуклида ²²⁸Th. Однако в этом случае мы встречаемся с трудностями иного происхождения: ²²⁸Th является дочерним продуктом распада тория-232 и присутствует во всех объектах литосферы, где обнаруживается материнский изотоп. В работе [3] эта проблема была преодолена путем двойного анализа минерала: без трассеров и с добавлением радионуклидов ²²⁸Th и ²³²U (очищенного от дочернего нуклида ²²⁸Th). В отсутствии других возможностей описанная методика может быть использована для определения содержания радионулида ²³⁰Th в образцах литосферы. Но вполне очевидно, что она более трудоемка, а получаемые результаты отягощены повышенной погрешностью.

Вероятно, наиболее простым способом следует считать применение в качестве трассера бета-излучателя ²³⁴Th [4]. Многочисленные примеры исследований геохронологического характера ²³⁰Th/U-методом с использованием трассеров ²³²U и ²³⁴Th детально изложены в монографии [5]. Единственным естественным ограничением для применения нуклида ²³⁴Th может явиться высокая концентрация урана в исследуемом образце, в равновесии с которым находится дочерний изотоп ²³⁴Th.

С учетом изложенных обстоятельств в настоящей работе предлагается метод определения величины AR(²³⁰Th/U), отличающийся тем, что контроль химического выхода фракции тория проводится по бета-излучению изотопа ²³⁴Th(^234mPa), содержащегося в минерале, величина полной радиоактивности которого в минерале определяется с помощью радиотрассера ²³²U по измеренной величине альфа-активности изотопа ²³⁸U.

Способ осуществляется следующим образом.

1. Измеряется альфа-активность химических фракций урана и тория. По урановому радиотрассеру и известному коэффициенту регистрации (коэффициенту счетности) альфа-излучения (θ_α) рассчитывается величина полной активности ²³⁸U в изучаемом образце А(²³⁸U), Bq. Регистрируемая альфа-активность ²³⁰Th обозначена как A(²³⁰Th), имп/с.

2. Измеряется фон бета-установки и бета-активность источника ²³⁰Th(²³⁴Th). Для задержки мягкого бета-излучения ²³⁴Th используется поглотитель толщиной около 40 мг/см² (включая толщину окна бета-счетчика). Регистрация производится по бета-излучению ^234mРа с максимальной энергией 2300 keV и выходом 98%. Полученная величина пересчитывается на момент выделения фракции тория из исследуемого образца с учетом периода полураспада нуклида ²³⁴Th, равного 24,1 дням. Данная активность обозначена как A(²³⁴Th) имп/с.

3. С тем же поглотителем измеряется бета-активность стандартного препарата урана с известной полной величиной альфа-активности (Бк) и рассчитывается эффективность регистрации (коэффициент счетности) бета-частиц (θ_β) в данном энергетическом диапазоне при используемом телесном угле измерений.

4. С учетом найденного коэффициента счетности θ_β рассчитывается полная бета-активность источника ²³⁰Th как отношение A(²³⁴Th), имп/с/ θ_β.

5. Зная полную альфа-активность изотопа ²³⁸U в изучаемом образце и, следовательно, соответствующую активность дочернего нуклида ²³⁴Th, рассчитываем химический выход (Р_α) изотопа ²³⁰Тh:

6. Находим полную альфа-активность ²³⁰Th в навеске минерала с учетом найденного химического выхода ториевой фракции и коэффициента счетности θα. Вид окончательной формулы для расчета следующий:

Таким образом, можно отметить два преимущества, возникающих при использовании в качестве ториевого трассера нуклида ²³⁴Th, содержащегося в изучаемом образце, вместо приготовления трассера ²³⁴Th. Во-первых, исчезает необходимость изготавливать каждые 1-2 месяца новый раствор трассера с известной (на момент изготовления) удельной активностью тория-234. Во-вторых, не требуется при расчетах активности ²³⁰Th постоянно вводить в соответствующее уравнение скользящую величину доли изотопа ²³⁴Th, распавшегося за время, прошедшее со дня изготовления трассера.

Пример конкретного выполнения.

Объектом исследований был образец метамиктного минерала (Ti-Ta-ниобата). Для выполнения двух параллельных опытов были отобраны 2 навески (№1 и №2) порошка минерала по 7 мг каждая. Для определения содержания и изотопного состава U (Th) в образцах необходимо полное разложение минералов. Это достигалось растворением образцов в концентрированной HF, а затем в царской водке. Фракции U и Th после кислотного разложения проб выделяли методом анионообменной хроматографии. Используя известную методику [6], были приготовлены альфа-источники фракции урана и фракции тория. В качестве трассера для определения выхода U использовался изотоп ²³²U.

Предложенный способ включает последовательное выполнение определения полной величины альфа-активности урана-238 в пробе, затем определение коэффициента счетности бета-установки, после чего определение химического выхода тория-230 и полной альфа-активности 230Th в пробе. Каждая из этих процедур ниже поясняется в данном примере реализации заявленного способа.

1. Определение полной величины альфа-активности урана-238 в навесках 1 и 2

Результаты двух параллельных опытов следующие: измеренная на альфа-спектрометре активность изотопа ²³⁸U, выделенного из первой навески, составила 0.697±0.003 имп/с., из второй - 0.478±0.003 имп/с. При этом химический выход урана, определенный с использованием радиотрассера ²³²U, для первого источника составил величину 0.720±0.011, для второго - 0.52. С учетом величин химического выхода и известного коэффициента счетности альфа-частиц (0.365) величина A(²³⁸U) составила 2.652±0.041Bq для навески №1 и 2.518±0.047 Bq для навески №2.

2. Определение коэффициента счетности бета-установки

Полная альфа-активность стандартного препарата урана-238 равна 6.05 Bq.

Бета-активность этого источника равна 2 имп/с. Таким образом, коэффициент счетности бета-частиц θ_β=0.33.

3. Определение химического выхода тория-230 для навесок 1 и 2

Величины бета-активности A(²³⁰Th, имп/с) после вычитания фона и отнесения на момент выделения фракции тория составили: 0.588±0.006 имп/с для навески №1 и 0.614±0.005 имп/с для навески №2. Следовательно, полная бета-активность первого источника равна 0.588:0.33=1.78±0.018 Bq, второго: 0.614:0.33=1.861±0.015 Bq. Соответственно, химический выход Р_α изотопа ²³⁰Th в первом случае составил: 1.78:2.65=0.672±0.012, во втором случае: 1.86:2.52=0.739±0.015.

4. Определение полной альфа-активности ²³⁰Th в навесках

Навеска 1. Измеренная альфа-активность изотопа ²³⁰Th составила 0.738±0.003 имп/с. С учетом величин химического выхода Р_α и коэффициента счетности альфа-частиц рассчитываем полную альфа-активность ²³⁰Th в образце:

Навеска 2. Измеренная альфа-активность изотопа ²³⁰Th составила 0.781 имп/с. Полная альфа-активность ²³⁰Th в образце:

5. Определение отношения активностей ²³⁰Th/U

Про необходимости нетрудно найти отношение активности тория-230 к активности ²³⁸U. Средняя величина активности урана-238, содержащегося в 7 мг минерала, равна 2.585±0.031 Bq. Соответственно, средняя величина активности тория-230 составила 2.952±0.037 Bq. Таким образом, для исследуемого минерала AR(²³⁰Th/²³⁸U)=2.955:2.585=1.142±0.020.

Соотношение активности ²³⁰Th/²³⁸U больше единицы, Это величина отражает нарушение векового равновесия в ряду урана в изучаемом образце и позволяет рассчитать константу скорости инконгруентного растворения урана под действием природных флюидов В свою очередь эта величина дает косвенные сведения об устойчивости «иловых» форм актинидов в минералоподобных матрицах радиоактивных отходов.

Полученные результаты, иллюстрируемые конкретным расчетом с использованием реальных экспериментальных данных, свидетельствуют, что предложенный метод дает верную оценку величины радиоактивности ²³⁰Th. Это достигается тем, что контроль химического выхода фракции тория проводится по бета-излучению изотопа ²³⁴Th(^234mPa), содержащегося в минерале, величина полной радиоактивности которого в минерале определяется с помощью радиотрассера ²³²U по измеренной величине альфа-активности изотопа ²³⁸U.

Список используемой литературы

[1] Lavison, P. de., Husband, L.J., Jerome, S.M., Keightley, J.D., Woodman, A.P., Woods, D.H., Woods, S.A., 2000. The standardisation of ²²⁹Th for an environmental yield tracer. Applied Radiation and Isotopes 53 (1-2), 243-249.

[2] Tuovinen, H., Vesterbacka, D., Pohjolainen, E., Read, D., Solatie, D., Lehto, J., 2015. A comparison of analytical methods for determining uranium and thorium in ores and mill tailings. J. of Geochemical Exploration 148, 174-180.

[3] Bogdanov R.V., Batrakov Yu. F., Puchkova E.V., and Sergeev A.S., (2002). On the Kinetics of Natural Leaching of ²³⁸U and ²³⁴U from Rocks and Minerals. Geochemistry International, Vol. 40, No. 11, pp. 1056-1065. (Translated from Geokhimiya, No. 11, pp. 1167-1177.)

[4] Maksimov, F, Arslanov, Kh., Kuznetsov, V., Chernov, S., 2006. ²³⁰Th/U and ¹⁴C dating of Upper and Middle Pleistocene Interglacial and Interstadial organic deposits from the East-European Plain and Siberia // Pleistocene Environments in Eurasia Chronology, Paleoclimate and Teleconnection. INTAS Final Workshop. Hannover, Germany, 2-3 November, 34-38 (прототип)

[5] Kuznetsov V.Yu., Maksimov F.E. 2012. Methods of Quaternary geochronometry in palaeogeography and marine geology. Saint-Petersburg, «NAUKA», 192 p. (In Russian).

[6] Bogdanov, R.V., Puchkova, E.V., Parnikov, N.G., Sergeev, A.S., 2011. Radiogenic Uranium in Paragenetic Mineral Associations. Radiochemistry 53 (6), 651-661, (Translated from Radiokhimiya 53 (6), 549-558).