Лабораторная работа 4. Определение содержания стронция-90 в почВе

Краткие теоретические сведения. Принцип и особенности метода. Данный метод является основным стандартным методом для радиологических лабораторий 1 и 2 классов.

Стронций из почвы экстрагируется 6 н. раствором соляной кислоты. При этом в вытяжку переходят значительные количества других элементов-макрокомпонентов (железо, алюминий, кальций, кремний и др.).

Отделение стронция от основной массы макрокомпонентов достигается путем осаждения стронция совместно с другими ще­лочноземельными элементами в виде оксалатов с последующими дополнительными очистками.

Активность ⁹⁰Sr определяется по активности дочернего продук­та распада ⁹⁰Y, который выделяется из раствора в виде гидроксида. В растворе ⁹⁰Sr и ⁹⁰Y должны находиться в состоянии радиоак­тивного равновесия.

Выход радионуклидов ⁹⁰Sr и ⁹⁰Y рассчитывается по выходу но­сителей стронция и иттрия в отдельности. Стронций определяется в присутствии кальция без их разделения методом пламенной спек-трофотометрии или фотометрии, иттрий – весовым методом путем непосред­ственного взвешивания выделенного осадка. Радиохимическая чистота выделенного ⁹⁰Y определяется по кривой радиоактивного распада или определением постоянной распада.

Примечания:

1. При анализе проб почвы, отобранной после "свежих" выпадений (до 4 мес.), необходима радиохимическая очистка стронция от бария. В раствор, полученный после растворения карбонатов (п.9), вносят 1 см³ хлористого бария (30 мг в расчете на Ва), раствор нейтрализуют аммиаком до рН-4,0-5,0 и добавляют 50 см³ буферной смеси (10 см³ 6н уксусной кислоты + 40 см³ 3н карбоната аммония). К раствору добавляют 2 см³ 3н раствора хромата натрия и нагревают в течение 20-30 мин до коагуляции осадка (потирая стеклянной палочкой по стенкам стакана). К раствору с осадком хромата бария снова прибавляют 1 см³ хлорида бария, нагревают в течение 20-30 минут. Пробу охлаждают, выпавший осадок отфильтровывают, промывают 3 раза дистиллированной водой по 10 см³ и отбрасывают. Раствор подкисляют и продолжают анализ с п.7.

2. При необходимости быстрого получения результатов выделение иттрия-90 можно проводить через 3-5 суток, не дожидаясь наступления равновесия стронция-90 и иттрия-90. При расчете содержания стронция-90 следует вносить поправку – коэффициент (f₁), учитывающий накопление иттрия-90

3. См. лабораторную работу 6.

Материалы и оборудование: пробы почвы, мельница, сито с диа­метром отверстий 2 мм, радиометр КРВП-3Б, пламенный фотометр любой марки или атомно-абсорционный спектрометр с пламенной ионизацией, весы лабораторные аналитические и технические, шкаф сушильный, печь муфельная с терморегулятором до 1000°С. плитка электрическая, лампа зеркальная ЗМ-8, 220x500 для сушки проб, центрифуга, эксикатор, посуда мерная лабораторная, стеклянная: центрифужные пробирки на 10 см³, пипетки – 1, 2, 5 и 10 см³, колбы мерные – 50, 100, 500, 1000 и 2000 см³, посуда стеклянная термостойкая: стаканы вместительностью 50, 100, 150, 200 и 500 см³, колбы конические вместительностью 500 см³, воронки диаметром 5, 10 и 15 см, чашки фарфоровые, фильтры бумажные беззольные: белая лента, синяя лента 10 и 15 см, бумага фильтровальная лабораторная, бумага индикаторная универсальная, стеклянные палочки.

Реактивы:

1.Соляная кислота, концентрированная плотностью 1,19 г/см³; 1 н. и 6 н. раствор соляной кислоты (приготовление: 83,3 и 500 см³ концентрированной кислоты соответственно разбавляют дистиллированной водой до 1000 см³).

2. Азотная кислота, концентрированная плотностью 1,4 г/см³; 1 н. раствор (приготовление: 67,2 см³ концентрированной кислоты разбавляют дистиллированной водой до 1000 см³).

3.Уксусная кислота.

4. Щавелевая кислота (насыщенный раствор).

5. Аммиак водный.

6. Аммиак безугольный. Способ приготовления: 50 г Ca(NO₃)₂ растворяют в 300 см³ дистиллированной воды с добавлением 20% NaOH до полного выпадения осадка Ca(OH)₂. Осадок оставляют на 24 часа. Затем осадок отфильтровывают, промывают 3-4 раза аммиачной водой 1:10. Осадок переносят в стакан, разбавляют водой до 600 см³. Взбалтывают 3-4 раза в течение дня и оставляют отстаиваться. 200 см³ осветленного раствора приливают к 800 см³ концентрированного аммиака и оставляют на 4 суток. Через 4 суток безугольный аммиак готов к употреблению.

7. Карбонат аммония – насыщенный раствор

8. Хлорид бария.

9. Хлорид железа 6-ти водный.

10. Хлорид иттрия 6-ти водный или нитрат иттрия.

11. Индикаторная бумага универсальная.

12. Хромат натрия , 3 н водный раствор.

13. Спирт этиловый, ректифицированный

14. Хлорид стронция 6-водный или нитрат стронция.

15. Ацетат аммония, 3 н. водный раствор

16. Нитрат кальция, 4-х водный.

17. Натрий гидроксид.

18. Карбонат натрия безводный.

Задание 1. Выделение и концентрирование стронция-90

Выполнение работы:

1. Четыре навески прокаленной почвы (50-100 г) помещают в термостойкие стаканы емкостью 500 см³, которые предварительно нумеруются, в 1 и 2 стаканы вносят носитель стронция (200 мг в расчете на металл). Почву заливают 100-200 см³ раствором 6н. HCl, кипятят в течение часа при периодическом помешивании стеклянной палочкой на песчаной бане или на асбесте;

2. Отстоявшиеся растворы декантируют в конические колбы емкостью 500 см³;

3. К оставшимся частям проб вновь приливают 50-100 см³ раствора 6 н. HCl и кипятят 20 минут;

4. Растворам дают отстояться, декантируют в конические колбы с первым декантатом, нерастворившиеся остатки почвы промывают 2-3 раза горячей дистиллированной водой (по 15-20 см³), подкисленной 2-3 каплями 6 н. HCl . Промывные воды декантируют, объединяют с основными растворами, остатки почвы отбрасывают. Объем декантантов должен составлять примерно 250-300 см³.

Растворы в стаканах №1 и 2 используются для определения содержания стронция-90.

В стаканах № 3 и 4 мерным цилиндром определяют объемы растворов. Они в дальнейшем будут использованы для количественного определения стабильного стронция в почве на пламенном фотометре (лабораторная работа 6, задание 2).

5. К полученному раствору прибавляют концентрированный аммиак до рН =8, при этом осаждаются гидроксиды железа, алюминия, иттрия, марганца, и соосаждаются свинец, уран и другие радионуклиды. рН среды контролируют с помощью универсальной индикаторной бумаги. Осадку дают скоагулироваться в течение 5-10 минут;

6. Гидроксиды из горячего раствора фильтруют через бумажный фильтр «белая лента» (фильтр «белая лента» – бумага средней проницаемости с диаметром пор 3 нм). Осадок на фильтре и коническую колбу промывают по 2-3 раза горячей дистиллированной водой без CO₂ c добавлением 2-3 капель аммиака. Если раствор после осаждения окрашен в розоватый цвет, то добавляют несколько капель Н₂О₂. Фильтр с осадком отбрасывают;

7. К полученному фильтрату осторожно прибавляют 15-20 г карбоната аммония и нагревают до тех пор, пока раствор над осадком карбонатов не станет прозрачным, затем прибавляют 3-5 см³ насыщенного раствора карбоната аммония для проверки полноты осаждения. Если не наблюдается помутнения раствора, то осаждение карбонатов проведено полностью. (При отсутствии карбоната аммония применяют для осаждения карбонат натрий безводный);

8. Осветленную часть раствора декантируют, а оставшийся раствор с осадком карбонатов фильтруют через бумажный фильтр «белая лента». Колбу и фильтр промывают 2-3 раза дистиллированной водой;

9. Осадок карбонатов на фильтре растворяют минимальным объемом 6 н. HCl. Оставшийся осадок на стенках колбы также растворяют 6 н. HCl и объединяют с основным раствором. Колбу и фильтр промывают по 2-3 раза горячей подкисленной водой. Общий объем раствора должен быть 50-60 см³;

10. В этот раствор вносят 1 см ³ раствора FeCl₃ (10 мг в пересчете на железо) и кипятят 10-15 мин для удаления СО_2, добавить небольшими порциями аммиак без СО₂ до образования гидроксидов железа и иттрия, контролируя реакцию раствора с помощью индикаторной бумаги (рН =8);

11. Осадок гидроксидов фильтруют через бумажный фильтр "белая лента", промывают 2-3 раза дистиллированной горячей водой без СО₂, содержащей несколько капель аммиака. Время отделения гидроксидов фиксируют. Осадок отбрасывают;

12. Фильтрат подкисляют 2 см³ 6 н. НС1, вносят носитель иттрия (15 мг в расчете на металл) и оставляют для накопления иттрия-90.

Задание 2. Выделение иттрия-90 и определение активности стронция-90 (по иттрию-90)

Выполнение работы:

1. Через 14 суток раствор кипятят 15-20 мин для удаления СО₂ и осаждают гидроксид иттрия безугольным аммиаком при рН=8 по индикаторной бумаге (см. примечание п.2). Перед кипячением раствор переносят в химический стакан для предотвращения его потерь из колбы при вскипании;

2. Горячий раствор с осадком фильтруют через бумажный фильтр "белая лента", осадок промывают 2-3 раза в горячей воде с добавлением нескольких капель аммиака. Время отделения иттрия от стронция записывают. Фильтрат оставляют для определения химического выхода стронция (лабораторная работа 6, задание 2);

3. Осадок на фильтре растворяют в минимальном объеме 6 н.НС1. Фильтр промывают подкисленной дистиллированной водой и вносят раствор хлорида или нитрата стронция–5-10 мг в расчете на металл;

4. Повторяют осаждение гидроксида иттрия аммиаком без СО_2;

5. Раствор с осадком фильтруют через бумажный фильтр "белая лента" (или центрифугируют), осадок промывают 2 раза дистиллированной водой без CO₂ с добавлением 2-3 капель аммиака, раствор отбрасывают (см. примечание 5);

6. Осадок в пробирке растворяют минимальным объемом 1н. НС1, добавляя кислоту по каплям до полного растворения осадка;

7. К полученному раствору (1-1,5 см³) добавляют насыщенный раствор щавелевой кислоты до объема 8-10 см³ и ставят на водяную баню для коагуляции осадка оксалата иттрия (10 мин);

8. Содержание пробирки фильтруют через бумажный фильтр "синяя лента" (или центрифугируют), осадок промывают дважды горячей дистиллированной водой и 1 раз этиловым спиртом (4-5 см³);

9. Осадок оксалата иттрия переносят этиловым спиртом на предварительно взвешенную алюминиевую подложку (d=2 см), сушат под зеркальной лампой до постоянного веса (t=50°C);

10. Осадок с подложкой взвешивают для определения химического выхода иттрия (лабораторная работа 6);

11. Подложку с осадком радиометрируют на радиометре КРВП-3Б (лабораторная работа 5).

Лабораторная работа 5. Радиометрический анализ выделенных препаратов

Краткие теоретические сведения. В радиохимическом анализе определение активности стронция-90 проводится путем радиометрирования его дочернего продукта распада – иттрия-90 после выделения его из раствора, нанесения на подложку из алюминия и высушивания.

При измерении активности препарата только часть ионизирующих частиц от радиоактивного источника попадает в рабочий объем газоразрядного счетчика. Причина этого заключается в том, что частицы разлетаются от источника во все стороны с равной вероятностью и поэтому в направлении счетчика движется только часть из них. При этом не все эти частицы попадут в рабочий объем счетчика, т.к. часть их поглотится слоем воздуха между счетчиком и источникам и корпусом счетчика. Следовательно, при использовании газоразрядных счетчиков в радиометрах типа КРВП-3Б измеряемой величиной является скорость счета N, выражаемая числом импульсов в единицу времени, которая связана c активностью (А) следующей зависимостью:

А=N·К,

где К - коэффициент перехода к абсолютной активности, учитывающий эффективность регистрации аппаратуры и самопоглощение излучения в слое образца.

Определение активности выделенного препарата проводится относительным методом, т.е. сравнением скорости счета от полученного препарата и контрольного источника, активность которого известна. Измерения скоростей счета обоих источников должны производиться при одинаковых условиях: источники должны содержать один и тот же изотоп, иметь одинаковые размеры и поверхностную плотность, помещаться на одинаковые подложки и измеряться на одном и том же расстоянии от счетчика и одним и тем же счетчиком. В этом случае значение коэффициента (К) перехода от скорости счета к абсолютной активности, полученное при радиометрировании контрольного источника с известной активностью, можно использовать при расчете активности препарата.

Энергии бета-спектра

Выполнение работы:

1. Включите и прогрейте радиометр КРВП-3Б, проверьте его исправность;

2. Измерьте количество фоновых импульсов за время t = 600 сек. Определите скорость счета фона прибора (N_ф) в имп/сек;

3. Рассчитайте толщину алюминиевых пластинок, соответствующую слою половинного поглощения бета-излучения иттрия-90;

4. Установите контрольный источник на нижнюю позицию держателя в детекторный блок, над ним поместите алюминиевые пластинки, толщина которых соответствует слою половинного поглощения излучения от иттрия. Измерьте количество импульсов за 600 сек, рассчитайте скорость счета (N₁) в имп/сек;

5. Рассчитайте «чистую» скорость счета от контрольного источника по формуле: N = N₁ – N_ф;

6. Рассчитайте коэффициент (К) перевода скорости счета в имп/сек в активность источника в Бк. Паспортная активность контрольного источника указывается преподавателем, ее необходимо пересчитать на дату проведения измерения;

7. Установите подложку с осадком на нижнюю позицию держателя в детекторный блок (алюминиевые пластинки сверху не устанавливать). Измерьте количество импульсов за 600 сек, рассчитайте скорость счета (N₂) в имп/сек. Аналогично радиометрируйте вторую пробу. Найдите среднее значение N_ср.;