Физики Новосибирского государственного университета разработали инновационную методику, позволяющую измерять крайне низкие концентрации радиоактивных веществ, распад которых сопровождается гамма-излучением. Новая разработка может найти широкое применение в различных областях, включая экологический мониторинг и изучение радиационной обстановки, сообщает пресс-служба НГУ.
В основе методики лежит использование детектора из сверхчистого германия, входящего в состав оборудования Межфакультетской лаборатории атомной физики и спектрометрии НГУ. Для обработки полученных данных создан специальный программно-аппаратный комплекс.
Первым проектом, реализованным с применением новой методики, стало исследование содержания радиоактивных веществ, в частности радона, в грунтах шахт и угольных разрезов Кемеровской области. Исследование КемГУ направлено на определение влияния типов почв, искусственного (например, добычи полезных ископаемых) и естественного изменения почв и климата на радиоактивную обстановку.
Высокая чувствительность метода достигается за счёт уникальных свойств германиевого детектора, который способен очень точно определять энергию гамма-квантов, излучаемых радиоактивными веществами, и хорошо различать близко расположенные энергии гамма-квантов. Это позволяет отделять полезный сигнал от фонового излучения и точно определять концентрацию различных радионуклидов, что особенно важно при измерении сверхмалых концентраций.
«Главная сложность задачи состояла в том, что в предоставленных образцах грунта наблюдается очень низкая концентрация радиоактивных веществ. Поэтому нужно было набирать очень много статистики для достоверного результата, причём статистики как самого образца, так и фона, показатели которого в дальнейшем "вычитались"», — рассказывает Елена Старостина, старший преподаватель Физического факультета НГУ.
В дальнейшем разработка может быть использована для прогнозирования радиационной обстановки, например, при строительстве жилья или добыче полезных ископаемых.
В рамках сотрудничества с коллегами из Кемеровского государственного университета (КемГУ) были исследованы 230 образцов почв, собранных с разных мест и глубин. Сбор данных проводился в течение нескольких месяцев, с мая по ноябрь 2024 года.
Для анализа использовался детектор из сверхчистого германия, охлаждаемый азотным криостатом и окруженный свинцовой трубой. Эта труба толщиной около 10 мм значительно снижала влияние фонового излучения из помещения, хотя и не могла его полностью исключить. По словам старшего преподавателя НГУ Вячеслава Каминского, излучение образцов было более чем в семь раз слабее фонового, что требовало продолжительного времени набора спектра для каждого образца (не менее 2,5 часа).
Особенностью установки в НГУ является возможность работы с образцами любых размеров, в отличие от детекторов колодезного типа, которые ограничивают размер образца, но имеют более высокую эффективность регистрации гамма-квантов. Разработанная методика в НГУ компенсирует этот недостаток.
Ключевым этапом анализа являлась сложная обработка полученных спектров для выделения полезного сигнала из фонового шума. Ученые использовали совместную подгонку отдельных гамма-линий, характерных для каждого изотопа, чтобы точно определить амплитуду пиков и оценить погрешность измерений. Разница между амплитудами для спектра образца с фоном и спектра только фона и давала информацию о радиоактивности исследуемого образца.
Для сбора и обработки экспериментальных данных учёные разработали несколько специализированных программ на языке Python, охватывающих автоматический набор спектров, их калибровку и суммирование, вычисление активности радионуклидов и определение абсолютной эффективности детектора. Для анализа параметров пиков использовались классические статистические методы, в том числе метод наименьших квадратов, реализованный в программной библиотеке MINUIT2.
В ходе исследования было установлено, что в исследованных образцах присутствуют только радиоактивные изотопы калия-40, тория-232 и урана-238, а также продукты их распада — типичные радионуклиды, встречающиеся в грунтах, горных породах и строительных материалах. Удельная активность образцов варьировалась от 0,1 до 2 беккерелей на грамм, что соответствует безопасным уровням. Однако, как отмечают учёные, самый активный образец эквивалентен нескольким бананам, что демонстрирует высокую чувствительность разработанной методики. Даже самый малоактивный образец удалось измерить с приемлемой точностью, сравнив его с половиной банана.
В планах у учёных — регистрация программы для обработки данных в Роспатенте, аттестация и лицензирование методики. В перспективе планируется создание центра коллективного пользования для проведения комплексных работ по химическому анализу образцов спектральными методами в оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах.
