3 курс / Гигиена / Физико_химические_характеристики_промышленных_альфа_излучающих_аэрозолей

Список литературы к главе 4

1.International Commission on Radiological Protection. Human respiratory tract model for radiological protection. ICRP Publication 66. – Oxford: Pergamon Press, 1994. – 482 p.

2.M.D. Dorrian, M.R. Bailey, Particle Size Distributions of Radioactive Aerosols Measured in Workplaces. // Radiat. Prot. Dosim., Vol. 60, No. 2, pp. 119–133 (1995).

3.Эйнштейн А., Смолуховский М. Броуновское движение: Сборник статей. – М. – Л.: ОНТИ, 1936.

4.Yeh H.C. A fundamental study of aerosol filtration by fibrous filters. Ph. D. Thesis, university of Minnesota. (1972).

5.Davies C.N. Air filtration. Academic Press, New York. (1973).

6.Kirsch A.A. and Stechkina I.B. Fundamentals of aerosol science. Chap. 4, p. 165, 1978, New York.

7.Cheng Y.S., Yeh H.C. Theory of screen type diffusion battery. Journal of Aerosol

Science 11: 313–319; 1980.

8. Гангрский Ю.П., Марков И.Г., Перелыгин В.П. Регистрация и спектрометрия осколков деления. – М.: Энергоатомиздат, 1979. 224 с.

220

5.МЕТОД ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ АЛЬФА-ИЗЛУЧАЮЩИХ НАНОЧАСТИЦ 239Pu

ИИЗМЕРЕНИЯ ИХ РАЗМЕРОВ

В.Э. Введенский, С. А. Сыпко, Г. Н. Бобов

Исследования физических и химических свойств наночастиц 239PuO2, а также их метаболизма в организме человека невозможны без разработки соответствующих методов выполнения измерений. Учитывая специфику исследований, которая заключается в чрезвычайно малых размерах объекта изучения (а, следовательно, крайне низкой его активности), можно сформулировать следующие требования к методам выполнения измерений:

·метод выполнения измерения должен быть неразрушающим, иначе говоря, в процессе подготовки проб наночастиц и последующего измерения сами частицы не должны подвергаться разрушению;

·метод выполнения измерений должен обладать очень высокой чувствительностью.

Оба требования, как отмечалось, вытекают из малых размеров объекта исследований. Из литературы известно, что наночастицы плутония или фрагменты, которые образуются в результате альфа-распада изотопов, могут иметь размеры не более (104–105) атомов. В связи с этим применение радиометрических методов анализа в исследованиях свойств наночастиц плутония в значительной мере ограничено. Это связано с тем, что в процессе радиохимического анализа, как правило, проводится так называемое влажное озоление, которое заключается в обработке пробы кислотами до полного растворения радиоактивного вещества. Затем анализируемое радиоактивное вещество тем или иным способом выделяется и подвергается ядерно-физическому анализу (измерение активности). Очевидно, что в таких условиях возможное присутствие в анализируемом образце незначительного числа частиц плутония микронного диапазона способно кардинально (на несколько порядков величины) изменить результат анализа и его последующую трактовку. Для иллюстрации сказанного достаточно оценить активность Pu, содержащегося в частице размером 1 мкм. И активность нуклида в частице размером 10 нм.

Цель данного исследования состояла в разработке метода измерения диаметра наночастиц 239PuO2 и оценке метрологических характеристик разработанного метода.

Основные задачи:

·Разработка метода интерпретации визуализированных изображений треков;

·Исследование динамики травления латентных треков деления;

221

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

·Разработка количественного критерия для отнесения группы треков к звезде;

·Разработка метода измерений диаметра наночастиц 239PuO2;

·Разработка метода измерения диаметра частицы 239PuO2 в том случае, когда все треки в звезде сосчитать невозможно (далее сложной звезде);

·Оценка метрологических характеристик метода измерения диаметра наночастиц

239PuO2.

5.1. Наночастицы и биологические объекты

5.1.1. Проблемы безопасности нанотехнологий

Известно, что наночастицы и наносистемы влияют на здоровье человека [1]. Обычно к наночастицам относят объекты, размер которых не превышает 700 нм. За максимальный размер нанообъекта принимают 100 нм. Виды опасности нанообъектов связывают с их физико-химическими свойствами: высокой дисперсностью, характером процессов взаимодействия с жидкостями организмов, элементами живой клетки. Наночастицы демонстрируют поведение в биологических системах, которое существенно отличается от поведения частиц другого размера [1–9].

Анализ литературных данных показывает, что для исследований свойств наночастиц приемлемыми могут оказаться следующие методы измерения:

·авторадиографический метод;

·метод нейтронно-индуцированной трековой дозиметрии;

·метод электронной микроскопии.

Метод авторадиографии успешно применяется для изучения дисперсного состава промышленных альфа-излучающих аэрозолей, а также в исследованиях микрораспределения актинидов в органах и тканях подопытных животных и человека [10]. Однако применимость данного метода в исследованиях свойств наночастиц весьма ограничено. Нетрудно оценить число альфа-распадов 239Pu, составляющих наночастицу размером в 104 атомов (максимальный размер фрагментов, образующихся при альфа-распаде этого радионуклида в микронных частицах) за один год наблюдения. Оно составляет ≈0,3. Иначе говоря, за период в 3 года каждый фрагмент диоксида Pu указанного размера в среднем даст приблизительно один альфа-распад. Учитывая то, что эффективность регистрации альфа-распадов авторадиографического метода составляет приблизительно 0,3 [11], можно с уверенностью оценить, что приблизительно за 10 лет наблюдений в среднем будет образовываться один альфа-трек. Исключение составляют актиниды, имеющие сравнительно короткий период полураспада. К таким альфа-излучающим радионуклидам

222

относится 238Pu. Неслучайно при исследовании фрагментации диоксида 238Pu был применен рассматриваемый метод выполнения измерений. Однако производственных участков, в воздухе рабочих помещений которых присутствует диоксид 238Pu без примеси 239Pu, крайне мало. В подавляющем большинстве производственных помещений в состав промышленных альфа-излучающих аэрозолей входит 239Pu. Причем массовая доля этого нуклида значительно превалирует. Таким образом, можно сделать вывод о том, что авторадиографический метод неприменим в исследованиях свойств нанометровых промышленных аэрозолей 239Pu.

Сущность метода нейтронно-индуцированной трековой дозиметрии заключается в следующем. Анализируемый образец помещают между двумя трековыми детекторами. Полученную сборку подвергают облучению в поле нейтронов. В результате деления ядер 239Pu возникают осколки. В среднем суммарная кинетическая энергия осколков, образующихся при делении ядер 235U и 239Pu, составляет величину, приблизительно равную 203 МэВ. Осколки, взаимодействуя с материалом трекового детектора, оставляют в нем латентный трек. После облучения трековый детектор подвергают специальной обработке для визуализации образовавшихся латентных треков. В качестве материала трековых детекторов в зависимости от характера исследований используют поликарбонат (CR-39), лавсан, слюду, стекло, кварц. Флюенс нейтронов, который необходимо создать для получения, например, десяти треков деления ядер 239Pu в наночастице, имеющей размер 104 атомов. Он составляет приблизительно 1018см-2. Учитывая то, что плотность потока тепловых нейтронов исследовательских реакторов составляет величину приблизительно (2÷3)1014 с-1см-2, оценка времени необходимого для получения 10 треков деления будет лежать в пределах (2÷3)103 с или несколько часов. Оценка проведена с учетом того, что эффективность регистрации нейтронно-индуциро- ванного трекового метода составляет величину приблизительно равную 0,9 [12,13]. Таким образом, можно считать, что метод трековой дозиметрии является пригодным для проведения исследований свойств наночастиц 239Pu. Недостатком данного метода является то, что с его помощью не представляется возможным определить морфологические характеристики ни самих наночастиц, ни микронных частиц, которые генерируют свободные фрагменты.

5.2. Разработка метода интерпретации визуализированных изображений треков

5.2.1. Терминология

Звезда – это группа треков от отдельной наночастицы 239Pu на поверхности трекового детектора, полученных в результате нейтронно-индуцированного метода.

Простая звезда – это звезда, в которой возможно визуально сосчитать все треки с помощью оптического микроскопа.

223

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

Сложная звезда – это звезда, в которой по каким-либо причинам невозможно визуально сосчитать все треки, например, некоторые треки перекрываются, или область звезды выходит за площадь детектора и т. п.

Толстый слой – этот термин применяется для случая, когда между трековых детекторов расположена ткань органов человека. Этот термин введен для упрощения повествования. Для случая, когда между трековыми детекторами – воздух специальный термин не вводился.

5.2.2. Метод интерпретации визуализированных изображений треков

Нейтронно-индуцированный метод определения активности 239Pu, присутствующего в наночастицах диоксида плутония, включает в себя следующие этапы:

·облучение наночастиц, нанесенных на поверхность трекового детектора, в поле тепловых нейтронов;

·визуализация латентных треков путем травления поверхности детектора;

·классификация полученных изображений треков путем их группировки в отдельные звезды, образованные в результате деления ядер 239Pu, содержащихся в одной наночастице;

·подсчет числа треков в классифицированных звездах;

·расчет активности 239Pu и размеров наночастиц с учетом числа треков, образующих звезду, спектра нейтронов, их флюенса, сечения реакции деления239Pu и эффективности регистрации осколков деления трековым детектором.

В связи со сказанным возникает две взаимосвязанные проблемы. Первая состоит в необходимости отделения фоновых треков, обусловленных делением 235U от треков, создаваемых делением ядер 239Pu, содержащихся в наночастицах малого размера. Вторая проблема заключается в разработке количественного критерия отнесения группы визуализированных треков к данной звезде, образованной в результате деления наночастицы под воздействием тепловых нейтронов. В ходе исследований, направленных на разработку нейтронно-индуцированного метода измерения размеров наночастиц, проводился анализ изображений визуализированных треков деления, который показал следующее. Треки образуют следующие конфигурации:

·одиночные треки, которые могут являться, либо следствием деления 235U, присутствующего в приповерхностном слое материала детектора, либо результатом деления 239Pu, содержащегося в наночастице столь малого размера, что при данном значении флюенса и эффективности регистрации будет зарегистрирован единичный трек;

224

·двойные треки, расположенные, как вплотную, так и на различных расстояниях (рис. 5.1);

·звезды, образованные треками, исходящими из одного центра, а также звезды, которые центров не имели (рис. 5.1);

·группы близко расположенных треков, которые можно интерпретировать как треки, образованные делением ядер 239Pu, содержащегося в одной или более наночастиц;

·образования близко расположенных треков, которые по геометрическим соображениям нельзя рассматривать в качестве результата деления ядер плутония,

расположенных в наночастице (рис. 5.1).

Таким образом, при решении задачи классификации изображений треков возникло две качественно различавшиеся ситуации. В первой визуализированные треки, в числе которых были парные или тройные треки, начала которых располагались вплотную, а также звезды, имевшие явный центр, с очевидностью можно было приписывать одной наночастице. Во втором случае этого сделать было нельзя, что приводило к необходимости прибегать к дополнительным рассуждениям и использовать некоторые критерии, выполнение которых позволяло приписывать видимые треки к звезде, образованной делением ядер 239Pu, содержащегося в одной наночастице.

Как указывалось ранее, характерный вид визуализированных треков в подавляющем большинстве случаев позволяет определить направление влета осколка деления в материал детектора. С геометрической точки зрения в условиях идеально плоской поверхности треки деления 239Pu, содержащегося в одной наночастице, должны исходить из одной точки. Учитывая большую разницу в масштабах характерных размеров наночастицы (нанометры) и визуализированного трека (единицы микрон), можно с уверенностью линейными размерами наночастицы пренебречь. Несмотря на это, наряду со звездами, очевидным образом имевшими центр, в большом количестве наблюдались звезды, единого центра не имевшие. Вместе с тем оси симметрии этих треков пересекались в малой окрестности, что указывало на образование латентных треков осколками деления, вылетавшими из одной точки. То есть они были образованы делением ядер 239Pu, содержащихся в одной наночастице. Теоретически можно представить, что в описанной окрестности одновременно было локализовано несколько наночастиц, которые были причиной образования треков, образующих звезду без центра. Однако в ходе анализа изображений треков было выявлено сравнительно большое число звезд, не имевших центров. В связи с этим представляется маловероятным, что звезды без центров являются следствием скопления нескольких наночастиц в узких областях, характерный размер которых исчисляется единицами микрон.

225

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

В действительности поверхность детектора не представляет собой абсолютную «геометрическую» плоскость. Два последовательно помещаемых в сборку детектора не соприкасаются абсолютно не только по причине отклонения поверхностей от плоскостности. Между двумя последовательно расположенными детекторами в процессе работы с ними (нанесение на поверхность образцов наночастиц, ОРР и т.п.) из окружающей среды могут попадать неактивные частицы, размер которых может исчисляться единицами микрон. Поэтому две смежные стороны детекторов в сборке никогда не соприкасаются «абсолютно» во всех своих точках. Иными словами, между смежными сторонами детекторов всегда существует свободное пространство. С физической точки зрения образовавшиеся осколки деления наночастиц могут перемещаться в пространстве между поверхностями смежных трековых детекторов. В отдельных случаях, когда существует достаточно большое пространство, фрагменты способны перемещаться на сравнительно большие расстояния от точки их первоначального образования (рис. 5.2).

Рисунок 5.2 – Пример перемещения фрагментов наночастиц

Возможность существования таких условий проиллюстрирована на рисунках 5.3 и 5.4, где приведен результат анализа профиля поверхности облученного и протравленного детектора площадью 1 мм2. Из рисунков 5.3 и 5.4 следует, что в направлении оси Х перепад высот поверхности детектора на расстоянии 1 мм может достигать 8 мкм. Иными словами, можно утверждать, что в данном направлении теоретически расстояние между смежными детекторами способно достигать величины 16 мкм. Из этих же рисунков (5.3 и 5.4) видно, что вовсе не вся поверхность трекового детектора представлена

227

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

только некоторыми «впадинами» и «выпуклостями». Так, в направлении Y на отдельных участках высота поверхности детектора практически не меняется (неизменный красный цвет в левой части квадрата рисунка 5.3), или меняется в пределах 0,5 мкм (синий участок поверхности). То есть существенная часть поверхности детектора может обладать значительной плоскостностью. Отсюда следует, что образовавшиеся фрагменты могут быть существенно ограничены в своем движении. И, наконец, существуют участки поверхности смежных трековых детекторов, которые прилежат друг к другу «вплотную» так, что наночастицы могут находиться между ними «вплотную». Это приводит к минимальному разлету фрагментов и образованию звезд с явно выраженными центрами.

В результате деления ядер 239Pu, содержащихся в наночастице, расположенной на одной стороне детектора, возникают осколки, которые, достигая поверхности противоположного детектора, образуют в нем латентные треки (рис. 5.5).

Рисунок 5.3 – Поверхность детектора площадью 1мм2. Участки a-e особенности поверхности детектора. Участки a и b – визуализированные треки деления. Участки c и d – инородные объекты на поверхности. Участок е – царапина на поверхности детектора

Рисунок 5.4 – Анализ профиля поверхности детектора площадью 1 мм2

228