УДК 551.510.721:[629.73+539.166+543.42.062]
Авиационная гамма-спектрометрия и возможности ее применения
Ю. А. Израэль , Л. И. Болтнева , С. М. Вакуловский ,
М. В. Никифоров**
Представлены примеры использования авиационной гамма-спектрометрии для определения радиоактивного загрязнения больших территорий и другие возможности ее применения.
1. Введение
Развитие в 1950—1960-х годах атомной энергетики и промышленности, производство и испытание атомного оружия обусловили увеличение потребности в радиоактивном сырье. Проведение ядерных испытаний, эксплуатация АЭС и предприятий атомной промышленности привели к глобальному загрязнению радиоактивными выпадениями природной среды [12, 13]. Актуальной задачей стали оценки внешнего облучения населения, ис следо ва ния изотоп но го со ста ва ра ди о актив ных вы па де ний, за ко номер нос тей рас преде ле ния ис ку сствен ных и ес тес твен ных ра ди о и зото пов. В СССР по предложению Е. К. Федорова для определения радиоактивного загрязнения атмосферы и земной поверхности начиная с 1954 г. (после проведения испытаний ядерного оружия) начали широко применять самолетную дозиметрическую и гамма-спектрометрическую съемки. Начиная с 1959 г. впервые в мировой практике в СССР стали проводить самолетные гам ма-спектро мет ри чес кие изме ре ния с целью по ис ка тер ри то рий с по вы-шенным содержанием и, 1Ь и К в почвах и горных породах. В 1963 г. по ини ци ати ве Е. К. Федо ро ва была начата раз ра бот ка метода оценки запаса воды в снежном покрове методом авиационной гамма-спектрометрической съемки. Результативность аэрогамма-спектрометрических измерений стала основанием для подачи заявок на три изобретения [4, 5, 16].
Глобальное радиоактивное загрязнение территории страны выпадениями продуктов ис пы та ний ядер но го оружия форми ро ва лось практи чес ки до середины 1960-х годов. Наиболее оперативным и эффективным способом определения изотопного состава и плотности загрязнения больших площадей стал метод авиационной гамма-спектрометрии.
* Научно-производственное объединение "Тайфун"; е-таИ; vakulovsky@rpatyphoon.ru.
** г. Обнинск.
2. Загрязнение территории радиоактивными продуктами ядерных взрывов
Первые испытания ядерных зарядов и особенно первого наземного термоядерного заряда (1953 г.) показали, что эти взрывы сопровождались значительным радиоактивным загрязнением полигона и примыкающей к нему территории, поэтому было принято решение о проведении испытаний мощных термоядерных зарядов только в атмосфере, на высоте, исключающей касание огненным шаром, образующимся при взрыве, поверхности земли. Стал чрезвычайно актуальным прогноз степени радиоактивного загрязнения местности при таких взрывах. Подготовить прогноз было поручено Е. К. Федорову и И. В. Курчатову. Для прогноза и его кор-ректи ров ки для по следу ю щих ис пы та ний не обходи мо было полу чить экспериментальные данные об общем количестве радиоактивных веществ, соотношении количества радиоактивных веществ, заброшенных в атмосферу на большую высоту и выпавших на земную поверхность, а также информацию об изотопном составе радиоактивных веществ в ближней и даль ней зо нах от мес та про веде ния взры ва. Для полу че ния ука зан ных экспериментальных данных в 1954 г. начальник Геофизической комплексной экспедиции ГЕОФИАН АН СССР Е. К. Федоров первым в СССР предложил для опреде ле ния изотоп но го со ста ва продуктов ядер ных взры вов на территории ядерного полигона и примыкающей к нему местности установить на самолете или вертолете гамма-спектрометр. По его поручению в 1955 г. выпускник физического факультета МГУ инженер М. В. Никифоров с помощью сконструированного им 12-канального амплитудного анализатора, установленного на вертолете МИ-4, произвел гамма-спектрометрическую съемку радиоактивного следа на территории Семипалатинского полигона после сброса с самолета первой в СССР термоядерной бомбы. На самолете Ту-4, на котором были установлены дозиметр и средство отбора аэрозолей из радиоактивного облака, младший научный сотрудник Ю. А. Израэль произвел серию запланированных измерений. Результаты этих уникальных измерений показали, что предварительный прогноз степени загрязнения территории полигона и примыкающей к нему местности в основном оправдался. Был выявлен факт изменения изотопного состава на разных расстояниях от места взрыва, определенного Ю. А. Израэлем впоследствии как явление фракционирования при распространении радиоактивных веществ в окружающей среде, и была подтверждена чрезвычайная полезность для прогнозов при проведении последующих испытаний получения информации об изотопном составе продуктов ядерных взрывов [13]. Очевидной стала также необходимость создания гамма-спектрометров на базе мно го ка наль ных ам пли туд ных анали зато ров и де текто ров с большим энергетическим разрешением. В качестве такого М. В. Никифоровым в 1958 г. было предложено использовать 128-канальный амплитудный анализатор типа АМА-3С, разработанный в Ленинградском электротехническом институте В. А. Вяземским, и в качестве детектора — сцин-тиллятор на основе кристалла Ка1(Т1) в сочетании с фотоэлектронным умножителем. Впервые с таким гамма-спектрометром В. М. Никифоров произвел съемку территории Восточно-Уральского радиоактивного следа,
Рис. 1. Дальние следы от серии атмосферных ядерных взрывов в 1961—1962 гг. (съемка 1963 г.).
Приведено распределение циркония-95 и ниобия-95 на первую декаду августа 1963 г.; 1 — маршруты аэрогамма-спектральных измерений; 2 — маршруты повторных измерений; 3 — максимальная концентрация 957г + 95КЬ.
образовавшегося в результате взрыва емкости с радиоактивными отходами на комбинате "Маяк". В 1962 г. после серии термоядерных воздушных ядер ных взры вов ави а ци он ные гам ма-спектро мет ри чес кие съем ки тер ри-тории страны проводились как с помощью вышеуказанного комплекса, так и с помощью комплекса в составе промышленного 100-канального амплитудного анализатора и детектора на основе кристалла Ка1(Т1) сотрудниками Института прикладной геофизики Л. И. Болтневой, А. В. Дмитриевым и др. [18]. Эти исследования выявили загрязнение местности короткоживущи-ми продуктами ядерных взрывов (103Яи + 103ЯИ, 140Ва + 140Ьа, 952г + 95№) и естественных радионуклидов (40К, ТЬС). В 1962 г. Ю. А. Израэлем и С. М. Вакуловским при облете места проведения единственного на Новоземель-ском полигоне наземного ядерного взрыва впервые было однозначно определено наличие 60Со по двум фотопикам в спектре, соответствующим энергии 1,17 и 1,33 МэВ, являющегося продуктом нейтронной активации грунта в эпицентре взрыва [20]. Выполненные в 1963 г. маршрутные пересече ния тер ри то рии стра ны в ме ри ди о наль ном направле нии по ка за ли, что загрязнение было обусловлено в основном 952г + 95№. Пространственное рас преде ле ние этих ра ди о и зото пов по ка за но на рис. 1. Плот ность за гряз-нения на большей площади съемки составляла 4—8 ГБк/км2 и была об-условле на глав ным об ра зом стратосфер ны ми вы па де ни я ми. На этом фоне выделялись отдельные зоны повышенных значений плотности загрязнения до 12—20 ГБк/км2, на отдельных локальных участках до 40 ГБк/км2.
Впервые в мире в 1968—1974 гг. плотность загрязнения 137С8 и его распределение по территории СССР были изучены методом самолетной гамма-спектрометрии [7]. Измеренные величины запаса 137С8 (по состоянию на 1974 г.) заключены в интервале от 0,6 до 7,4 ГБк/км2, средний запас его
на территории страны составил 3,4 ГБк/км2. Частотное распределение этого параметра при площади его осреднения 3—6 км2 хорошо аппроксимируется нормальным законом, среднеквадратическое отклонение составляет 1,2 ГБк/км2. Закономерность в распределении загрязнения 137С8 связана с географо-климатическими условиями. Для уровней загрязнения в целом характерна широтная зональность, все локальные зоны практически также вытянуты в широтном направлении. Область с максимальным запасом 137С8 до 3,7—6,5 ГБк/км2 приурочена к зонам распространения хвойного (тайги) и смешанного лесов и северной части лесостепи (примерно 50—62° с. ш.). Севернее (лесотундра и тундра) и южнее (от степи до пустынь) уровни загрязнения уменьшаются до значений 1,0—2,8 ГБк/км2. Уровень загрязнения 137С8 вне зависимости от широтной зональности увели чи ва ет ся по мере при бли же ния к гор ным сис те мам Кар пат, Кры ма, Кавказа, Урала, Тянь-Шаня, Алтая, Забайкалья, Восточной Сибири. В настоящее время уровни загрязнения данным радиоизотопом уменьшились примерно в 2—2,5 раза по сравнению с 1974 г.
3. Загрязнение местности радиоизотопами промышленными предприятиями, мирными ядерными взрывами и в аварийных ситуациях
В сентябре 1972 г. была проведена гамма-спектральная съемка поймы Енисея, в воды которого начиная с 1961 г. сбрасывались технологические радиоактивно загрязненные воды Горно-химического комбината. В результате сброса вдоль Енисея образовалась наиболее протяженная на территории СССР зона загрязнения 137С8, которая прослежена на расстоянии 1100 км между Железногорском и Туруханском. Большая часть зоны характеризовалась плотностью загрязнения 137Св порядка 8 ГБк/км2 [14]. В августе 1973 г. была проведена повторная съемка поймы р. Енисей, поймы рек Обь и Иртыш, территории, примыкающей к месту проведения экскава-ционного ядерного взрыва на севере Пермской области в районе планировавшегося строительства Печеро-Колвинского канала [19], которая выявила на пойме Енисея кроме повышенных уровней содержания 137С8 присутствие 652п, 60Со, 54Мп, также было определено их содержание. Съемка поймы р. Обь выявила участки с повышенными уровнями загрязнения 137Св на берегах р. Исеть после впадения в нее р. Теча, которые были следствием ядерной аварии на предприятии "Маяк" на Южном Урале вблизи г. Кыш-тым. Максимальные уровни загрязнения этим изотопом составляли 5 ГБк/км2. Обследование территории, примыкающей к месту проведения экскаваци-онного взрыва на севере Пермской области в районе планировавшегося строительства Печеро-Колвинского канала, через два года и четыре месяца после взрыва позволило установить размер зоны остаточного загрязнения и его
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.