Физики Новосибирского государственного университета совершили важный шаг в области радиационного мониторинга, создав высокоточный метод выявления сверхмалых доз радиоактивных элементов. Разработка использует уникальный детектор из сверхчистого германия, входящий в оснащение Межфакультетской лаборатории атомной физики НГУ, в сочетании со специальным программно-аппаратным комплексом. Первым практическим применением технологии стали исследования уровня радона в почве угольных шахт Кузбасса, проведенные по запросу Кемеровского госуниверситета.
Германий – ключ к высокоточным измерениям
Сердцем системы стал детектор на основе редкого полупроводникового элемента, обеспечивающего беспрецедентную точность регистрации гамма-квантов. Благодаря уникальным свойствам сверхчистого германия, полученного методом зонной плавки, устройство способно различать мельчайшие энергетические различия в излучении – до 0,01% в мегаэлектрон-вольтовом диапазоне. Это позволяет четко идентифицировать радионуклиды даже при фоновых уровнях радиации.
От теории к практике: успешная апробация технологии
В ходе полугодового эксперимента ученые проанализировали 230 образцов грунта из Кемеровской области, используя многоуровневую систему защиты от помех. Свинцовый экран толщиной 10 мм и криогенное охлаждение детектора позволили втрое снизить фоновое излучение. Еженедельные контрольные замеры и автоматизированная обработка данных обеспечили высочайшую достоверность результатов.
Перспективы для экологии и строительства
Разработанная методика открывает новые возможности для прогнозирования радиационной обстановки в зонах добычи полезных ископаемых и жилой застройки. «Наш подход позволяет не просто фиксировать, но и анализировать динамику изменений под влиянием природных и антропогенных факторов», – отмечает Елена Старостина, старший преподаватель НГУ. Участие студентов в проекте стало важным этапом подготовки кадров для передовых научных исследований.
Новая технология уже доказала свою эффективность и готова к применению в различных сферах – от экологического мониторинга до контроля безопасности строительных материалов. Это достижение сибирских ученых укрепляет позиции России в области радиационной спектрометрии и защиты окружающей среды.
«При измерении сверхмалых концентраций, близких к естественным, ключевой вызов — фоновое излучение. Мы успешно снижали его с помощью свинцовых экранов, но полностью нейтрализовать не удалось. Даже после всех усилий сигнал образцов оставался в 7 раз слабее фона. Для чёткого контраста между фоном и данными требовалось длительное накопление спектров. Каждый образец анализировали получасовыми сессиями суммарно от трёх часов, а затем отбирали лучшие фрагменты, чтобы итоговое время статистики превысило 2,5 часа. Еженедельно мы фиксировали многочасовые фоновые спектры — это помогло повысить точность», — с энтузиазмом рассказывает Вячеслав Каминский, старший преподаватель и куратор Межфакультетской лаборатории атомной физики НГУ.
Ещё одна уникальная особенность — геометрия детектора, регистрирующая лишь 10% гамма-квантов. Хотя колодезные германиевые детекторы охватывают образцы почти полностью, они ограничены малыми размерами. Наш детектор в НГУ работает с образцами любой величины, а инновационная методика компенсирует умеренную эффективность сбора данных, открывая новые возможности для исследований!
Спектры представляют собой пики гамма-линий на фоне непрерывной подложки. Каждый пик напоминает асимметричный гауссов колокол с «хвостом» слева — его форма зависит от Комптон-эффекта, генерации заряда в полупроводнике и других процессов. Узкие пики свидетельствуют о высоком разрешении детектора, позволяя фиксировать мельчайшие энергетические различия — это ключ к сверхточным измерениям!
После сбора данных учёные виртуозно отделяли сигнал образцов от фона. Специальные алгоритмы анализировали спектры, вычисляя активность радионуклидов. «Мы проводили совместную подгонку линий для фона и образца, выбирая интенсивные гамма-пики без перекрытий. Это позволило не только определить амплитуды, но и минимизировать погрешности. Разница между фоновыми и образцовыми данными стала надёжным индикатором реальной активности», — поясняет Каминский.
Для автоматизации процесса команда разработала набор Python-программ: от сбора спектров с отметкой оператора до калибровки и расчёта активностей. Отдельный софт вычислял эффективность детектора, а библиотека MINUIT2 с методом наименьших квадратов обеспечила точную аппроксимацию пиков. Это яркий пример симбиоза передового «железа» и цифровых технологий!
Результаты впечатляют: в образцах обнаружены лишь природные изотопы калия-40, тория-232 и урана-238 с активностью 0,1–2 Бк/г — абсолютно безопасный уровень. Самый активный образец сравним с парой бананов (благодаря калию-40), а самый слабый — с половинкой, несмотря на погрешность 50%. Это доказывает невероятную чувствительность методики! Сейчас учёные КемГУ завершают обработку данных, готовя новые открытия.
Методика НГУ совершает прорыв в радиационном мониторинге: она не только фиксирует сверхнизкие уровни излучения, но и точно идентифицирует источники. Технология уже применяется в экологическом контроле и подготовке карт заражения, обещая стать незаменимым инструментом для защиты окружающей среды и здоровья людей!
«Повторяя эксперимент, мы вновь убедились: даже при экранировании фон остаётся вызовом. Но наши усилия окупились — накопленные спектры раскрыли детали, невидимые при кратковременных измерениях», — с гордостью добавляет Вячеслав Каминский. Его команда доказала: настойчивость и инновационный подход превращают сложности в новые возможности для науки!
Учёные активно работают над регистрацией уникальной программы для обработки данных в Роспатенте. В ближайшее время планируется получить официальное признание и лицензию для инновационной методики, что откроет новые возможности для научного сообщества. Амбициозной целью на будущее станет создание современного центра коллективного пользования, где будут проводиться комплексные исследования образцов с применением передовых спектральных методов — в оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах. Это позволит вывести точность химического анализа на принципиально новый уровень!
Источник фото: ru.123rf.com
Источник: scientificrussia.ru
