Характеристики радіаційних центрів мінералів органічного та неорганічного походження стосовно ретроспективної дозиметрії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний науковий центр радіогеохімії навколишнього середовища НАН України та МНС України

Матяш Максим Іванович

УДК 613.2:539.1.074

Характеристики радіаційних центрів мінералів органічного і неорганічного походження стосовно ретроспективної дозиметрії

21.00.08 - Техногенна безпека

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата геологічних наук

Київ - 1998г.

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному науковому центрі радіогеохімії навколишнього середовища НАН України та МНС України.

Науковий керівник: доктор фіз.-мат. наук, Брик Олександр Борисович, відділ радіоспектроскопії мінеральної речовини ІГМР НАН України, зав. лабораторією.

Офіційні опоненти: доктор фіз.-мат. наук, професор, Бугай Олександр Аркадійович, інститут фізики напівпровідників НАН України, зав. відділом фізичних проблем дозиметрії;

доктор геол.-мін. наук, Таран Михайло Миколайович, Інститут геохімії, мінералогії та рудоутворення НАН України, пров.наук.співробітник відділу радіоспектроскопічних методів дослідження мінеральної речовини.

Провідна установа: Інститут геологічних наук НАН України, відділ геології антропогену, Київ.

Захист відбудеться “ 15 “ грудня 1998 р. о “ 14-00 ” годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 26.192.01, Державний науковий центр
радіогеохімії навколишнього середовища НАН України та МНС України, 252142 Київ 142, просп. Паладіна, 34.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геохімії, мінералогії та рудоутворення НАН України, 252142 Київ 142, просп. Паладіна, 32.

Автореферат розісланий “ 11 “ листопада 1998 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.192.01 Цьонь О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дана робота відповідає науковому напрямку у галузі екологічних досліджень, який розвивається у ДНЦ РНС НАНУ академіком НАНУ Е.В. Соботовичем і продовжує дослідження у галузі радіаційної мінералогії, які проводяться в ІГМР НАНУ доктором фіз.-мат. наук О.Б. Бриком.

Актуальність теми даної роботи визначається зростаючим інтересом до дослідження біогенних мінералів для вирішення як наукових, так і практичних завдань. Роботу присвячено дослідженню структури мінералів органічного і неорганічного походження радіоспектроскопічними методами та обгрунтуванню можливості застосування цих об'єктів для відновлення доз радіаційного опромінення в контексті проблем ліквідації наслідків Чорнобильскої катастрофи і комплексного радіоекологічного моніторингу, зокрема.

Традиційно основним об'єктом біогенного походження у ретроспективній дозиметрії на сьогодні є емаль зубів людини. Але не дивлячись на широке застосування емалі, відкритими залишалися такі принципові питання, як походження радіаційних центрів, їх релаксаційні характеристики, залежність радіаційної чутливості емалі від ступеня зіпсованості зубів та інші. Також важливим для розширення рамок застосування ретроспективної дозиметрії в Україні є пошук нових перспективних біомінералів, які б відповідали вимогам до радіаційної чутливості і, в той же час, були достатньо поширеними у природних і техногенних ландшафтах. Що стосується вже відомих біомінералів для інших регіонів (черепашки молюсків в Японії), то необхідно було знайти в Україні такі види, які б дозволяли надійне відновлення доз радіаційного випромінювання. Таким чином, об'єктами дослідження було обрано найбільш перспективні, стосовно використаної методики ЕПР, біогенні мінерали: емаль зубів людини, шкаралупа курячих яєць і черепашки молюсків. Підхід до відбору проб для кожного з перерахованих об'єктів визначався насамперед тими завданнями, які переслідувались при їх дослідженні. Так, для найбільш дослідженого з цих об'єктів емалі зубів критеріями відбору проб були ступінь зіпсованості, район, де відбирались проби та інше. Для шкаралупи яєць важливим було комплексне дослідження її радіаційних центрів. Тому шкаралупа відбиралась в екологічно чистій місцевості (схід Черкаської області); важливою була відсутність механічних пошкоджень і природних дефектів. Черепашки молюсків повинні були відповідати критерію широкого розповсюдження виду на території України.

Другою складовою частиною теми дисертаційної роботи було дослідження ефектів, які виникають під впливом великих доз опромінення у мінералах неорганічного походження. Зокрема, вивчались Са-амфіболи із зон уранової мінералізації УЩ.

Метою роботи є удосконалення і обгрунтування методик відновлення доз радіаційного випромінювання для нових перспективних об'єктів ретроспективної дозиметрії.

Для досягнення вказаної мети вирішувались наступні головні завдання:

1. Дослідити вплив морфологічних змін у структурі емалі зубів, викликаних каріозним захворюванням, на її радіаційну чутливість.

2. Перевірити існування інших, ніж R (центр СО2-), радіаційних центрів у шкаралупі яєць; розробити методику застосування шкаралупи яєць як нового об'єкту у ретроспективній дозиметрії.

3. Провести підбір виду молюсків, придатних для коректного відновлення доз та широко розповсюджених на території України; розробити методику застосування черепашок молюсків у ретроспективній дозиметрії.

Особисто здобувачем виконано селекцію та підготовку 36 проб шкаралупи яєць, дослідження методом ЕПР та інтерпретація і узагальнення всіх отриманих даних. Автором самостійно виконано відбір і приготування 35 зразків емалі зубів, здебільшого отриманих у стоматологічних клініках Києва, які досліджувались в даній роботі, експерименти по їх опроміненню, нагріванню, запису спектрів ЕПР і узагальнення отриманих даних. Зразки черепашок молюсків були надані Бриком О.Б. Приготування 40 зразків черепашок, експерименти по опроміненню, нагріванню і запису сигналів ЕПР, а також узагальнення експериментальних даних виконано автором самостійно. Здобувач самостійно провів статистичний аналіз і отримав оцінки достовірності експериментальних результатів. Також самостійно автором виконано інтерпретацію результатів лабораторного радіаційного опромінення і прогріву Са-амфіболів, дослідження кінетики реакцій радіаційно-хімічного окислення і відновлення заліза в Са-амфіболах.

Основні положення, що виносяться до захисту:

1. Удосконалено методику відновлення доз радіаційного випромінювання за допомогою емалі зубів: експериментально доведено, що зміни структури зубів внаслідок розвитку каріозних захворювань вносять похибку до 20 % у результати ретроспективної дозиметрії, а при сильному ураженні зубів роблять їх непридатними для реконструкції доз.

2. Вперше показано, що для шкаралупи яєць можливе відновлення доз радіаційного опромінення від 0,3 Гр (прилад PS-100.Х). Відкрито існування АВ6-центру, який генерується термообробкою опроміненої шкаралупи яєць і може використовуватись у ретроспективній дозиметрії в якості додаткового.

3. Вибрано вид молюсків дрейсена річкова (Dreissena polymorpha), з застосуванням черепашок якої можлива коректна реконструкція доз. Даний вид відповідає вимогам широкого розповсюдження на території України.

4. Наукова новизна роботи.

5. Доведено, що певні морфологічні зміни в емалі зубів (наприклад, внаслідок карієсу) впливають на радіаційну чутливість останньої. Каріозні процеси можуть суттєво впливати на результати відновлення доз і повинні враховуватись при їх інтерпретації.

6. Доведено можливість застосування для відновлення доз радіаційного випромінювання такого нового об'єкту як шкаралупа яєць; радіаційна чутливість останньої утричі нижча, ніж для емалі зубів, але це є достатньо ефективним показником. Відкрито існування радіаційного АВ6-центру у шкаралупі. Запропоновано модель релаксації радіаційних R-центрів у шкаралупі яєць та емалі зубів.

7. Обгрунтовано вибір серед багатьох різновидів молюсків України виду Dreissena polymorpha як такого, що на відміну від інших, дозволяє коректне визначення доз радіаційного випромінювання. Завдяки парамагнітності матеріалу черепашок та широкому розповсюдженню і практичній відсутності міграції, Dreissena polymorpha перспективна в якості індикатора радіоекологічного стану середовища.

8. Доведено принципову можливість відновлення експозиційних доз радіаційного випромінювання по кількості радіаційно окисленого заліза в Са-амфіболах.

Практичне значення роботи полягає у виявленні нових перспективних об'єктів, які можуть застосовуватись при відновленні доз радіаційного випромінювання. Нами обгрунтовано і запропоновано такі нові для України об'єкти, як шкаралупа яєць птахів і черепашки молюсків виду Dreissena polymorpha. Показано, що з усіх досліджених видів саме останній складається з матеріалу, який знаходиться у непарамагнітному стані. Практичне значення вибору цього виду полягає у його широкому розповсюдженні у всіх регіонах України, в зонах забруднення радіонуклідами і, зокрема, в районах розташування техногенних об'єктів. Перевагою при застосуванні шкаралупи є простота роботи в рамках розробленої нами методики відновлення доз радіаційного випромінювання. Наведені характеристики шкаралупи яєць і черепашок молюсків роблять перспективними їх застосування для широкомасштабної радіоекологічної оцінки забруднення територій.

Для основного на сьогодні об'єкту ретроспективної дозиметрії емалі зубів отримано нові дані про залежність її радіаційної чутливості від рівня морфологічних змін, викликаних захворюванням на карієс. Для зіпсованих зубів радіаційна чутливість може збільшуватись до 20% у порівнянні із здоровими, що вносить поправку у методику відновлення доз при практичному застосуванні емалі зубів у ретроспективній дозиметрії.

Апробація результатів дослідження. Основні результати роботи доповідались на наукових конференціях “The Radiological Consequences of the Chernobyl Accident “Мінськ, Бєларусь, 18-22 березня 1996; “Минералогия и жизнь: биоминеральные взаимодействия”, Сиктивкар, Росія, 1996; “Third European Meeting: Spectroscopic Methods in Mineralogy”, Київ, Україна, 1996; “Проблеми радіаційної медицини після Чорнобильскої катастрофи”, Київ, Україна, 1996.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 12 робіт (див. Дисертація: Список використаних джерел), основні з яких наведено в авторефераті.

Дисертаційна робота загальним об'ємом 90 с. друкованого тексту і складається з Вступу, п'яти РОЗДIЛІВ, загальних висновків і додатків, 25 рисунків, 11 таблиць. Список літератури охоплює 108 найменувань.

Автор щиро вдячний академіку НАН України Е.В. Соботовичу за постійну підтримку досліджень, науковому керівнику доктору фіз.-мат. наук
О.Б. Брику, усім співробітникам відділу ядерної геохімії і космохімії ДНЦ РНС НАНУ та МНС України і відділу радіаційної мінералогії ІГМР НАНУ за допомогу при виконанні експериментів та обговоренні результатів, зав. лабораторією збагачення ІГМР НАНУ Г.Я. Терець. Особливо автор завдячує молодшому науковому співробітнику Щербині О.І. за допомогу при виконанні досліджень методом ЕПР та експериментів по нагріванню зразків шкаралупи яєць в атмосфері повітря.

ЗМІСТ РОБОТИ

У ПЕРШОМУ РОЗДIЛІ “МІНЕРАЛИ ОРГАНІЧНОГО ПОХОДЖЕННЯ ЯК ОБ'ЄКТ РЕТРОСПЕКТИВНОЇ ДОЗИМЕТРІЇ” (ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД ПРОБЛЕМИ) розглянуто методологічні аспекти застосування радіоспектроскопічних методів ЕПР і ЯГР для дослідження структури твердих тіл взагалі і, зокрема, мінералів органічного походження. Значну увагу приділено аналізу терміну “мінерал органічного походження”, сучасного стану біомінералогії, класифікації біогенних мінералів. Прийнято, що в даній дисертаційній роботі терміни “мінерал біогенного походження”, “біомінерал” і “біогенний мінерал” є рівнозначними і ототожнюються з емаллю зубів, шкаралупою яєць і черепашками молюсків. Далі розглядаються основи методики відновлення доз радіаційного випромінювання. Методика базується на функціональній залежності дози радіаційного випромінювання, отриманої об'єктом, від інтенсивності радіоспектроскопічних сигналів, які продукуються радіаційними центрами.

Наведено властивості та радіоспектроскопічні характеристики радіаційних центрів СО3- , СО32- , СО2- , SO3- для характерних мінералів органічного та неорганічного походження.

ДРУГИЙ РОЗДIЛ “ДОСЛІДЖЕННЯ МОЖЛИВОСТЕЙ УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДИКИ РЕТРОСПЕКТИВНОЇ ДОЗИМЕТРІЇ ПО ЕМАЛІ ЗУБІВ” присвячений дослідженню властивостей радіаційних дефектів в емалі зубів, залежності радіаційної чутливості емалі від морфологічних перетворень, розробці моделі релаксації радіаційних R-центрів.

Аналізуються дані про склад і структуру зубів, підкреслюються відмінності зубів від мінералів неорганічного походження; на відміну від апатитів неорганічного походження, більшість процесів у кристалітах емалі керується органічною складовою.

Описано методику зберігання і підготовки зразків порошку емалі до експериментів. Вперше запропоновано застосовувати флотаційний метод для розділення фракцій дентину та емалі, використовуючи різницю в їх питомій вазі. Зразки опромінювались на рентгенівській трубці РУП-120-5-1 при силі току 1 мА і напрузі антикатоду 65 кВ. Час опромінення варіювався від 1 до 30 хв. Доза, відповідна одній хвилині опромінення, оцінювалась приблизно в 1,7 Гр. Нагрівання зразків проводилось в атмосфері повітря у муфельній печі. При цьому температура печі мала фіксовані значення з точністю +5 oС в інтервалі 80-430 0С.

Емаль зубів займає особливе місце серед об'єктів ретроспективної дозиметрії, адже дані, отримані за її допомогою, використовуються, наприклад, для вибору методів лікування людей, які постраждали від радіаційного опромінення. Тому особлива увага приділяється удосконаленню методик відновлення доз радіаційного випромінювання по емалі зубів.

Досліджено залежність інтенсивності сигналів ЕПР R -центрів від часу прогріву зразка при різних значеннях температур. Встановлено залежність радіаційної чутливості зубної емалі від ступеня зіпсованості зубів. Так, для каріозних зубів чутливість приблизно на 20% більша, ніж для здорових.

Наведені вище факти можуть бути пояснені будовою зубної емалі. Остання складається з окремих мікрокристалів - кристалітів з розмірами від десяти до сотень нанометрів. Ці кристаліти розділені тонкими водно-органічними прошарками, на яких кристаліти і ростуть епітаксіально. Завдяки малим розмірам кристалітів, внесок поверхневої енергії у їх загальну енергію надзвичайно великий. Таким чином, органічна матриця керує за допомогою поверхневої енергії властивостями як окремих кристалітів, так і усього біомінералу у цілому. Для хворих зубів мають місце зміни властивостей органічної матриці і, відповідно, властивостей кристалітів. Температурна стабільність радіаційних дефектів і їх стабільність до метаморфічних модифікацій значно впливають на надійність результатів ретроспективної дозиметрії. Результати, показані на рис.1 пояснюються нами стандартною моделлю для радіаційно генерованих дефектів. Така характеристика як час життя центрів у кристалітах різного розміру і з різною поверхневою енергією відповідає електронним пасткам різної глибини, а значить, різним енергіям активації.

Для радіаційних дефектів з різними енергіями активації Е можна вважати:

N =Ni exp -

де N - загальна кількість радіаційних дефектів, Ni і i - кількість і час життя радіаційних дефектів для пасток з енергіями активації Е. Якщо g-фактор для центрів з різними Е не відрізняється значно, тоді величина N (і доза опромінення) може бути отримана з інтенсивності загального ЕПР сигналу. Але центри з різними Еi можуть мати різну радіаційну чутливість, температурну стабільність і т.п.

Для візуального пояснення кривих ізотермічного нагрівання емалі ми взяли рівняння у наближеній формі

N = N1exp(-t/1) + N2(1-t/2) + Nj

Тут N1, N2 i N3 - кількість центрів у трьох відповідних групах з різними Еі. Вважаємо, що

1 <<t, 2 >t, i 3>>t

де t - час нашого експерименту. Ni у рівнянні - функція температури, тому ми повинні ввести у рівняння величину F(Ni, i), яка є функцією розподілення центрів з різними Еі. Таким чином, існують центри з коротким і довгим часом життя, який визначається властивостями кристалітів. Властивості кристалітів в різних типах зубів різні, що й веде до флуктуації залежностей ізотермічного нагрівання емалі.

Зубні захворювання викликають зміни у хімічному складі, розмірах, орієнтаціях та інших властивостях кристалітів у зубній емалі. У каріозних зубах кількість карбонатних груп може зростати від 5 до 15%. Радіаційні дефекти у зубній емалі, які використовуються для ретроспективної дозиметрії, пов'язані з карбонатними групами; це може пояснити зростання радіаційної чутливості в каріозних зубах. Підкреслимо, що морфологічні модифікації можуть мати місце не тільки впродовж хвороби зуба, але й також під час метаболізму в них. Площа поверхні кристалітів колосальна (біля 250 м2/g). Це може призводити до швидкого метаболізму в мінеральній частині емалі зубів. Хімічний склад, розміри та інші властивості кристалітів змінюються впродовж усього життя людини. Крім того, звичайний метаболізм і захворювання зубів можуть підсилювати зміни зарядового стану карбонатних груп і, відповідно, зміни у їх магнітному стані. Таким чином, виникає велика кількість ситуацій, коли зубна емаль не зберігає інформацію про свою радіаційну історію.

ТРЕТІЙ РОЗДIЛ “МОЖЛИВОСТІ ВІДНОВЛЕННЯ ДОЗ РАДІАЦІЙНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ ЗА ДОПОМОГОЮ ШкаралупИ ЯЄЦЬ” присвячений дослідженню радіаційних дефектів у шкаралупі яєць і розробці методики стосовно ретроспективної дозиметрії.

У розділі описуються будова, структура, відмінності та загальні риси, які притаманні шкаралупі яєць різних видів; у хімічному складі шкаралупи на долю органічної речовини припадає всього 2-8 мас %, а вміст мінеральної речовини не буває нижчим 92 мас %. Мінеральна складова представлена кальцитом, який утворює в коло поверхневому шарі шкаралупи дрібні кристали, орієнтовані так, що їх оптичні вісі є перпендикулярними до поверхні яйця. Аналіз даних попередніх дослідників показує, що радіаційні центри у шкаралупі яєць вивчались лише для потреб геохронології.

Експериментальна база була такою ж як і для досліджень емалі зубів. Зважаючи на відносну новизну об'єкта досліджень, в якості зразків відбиралась непошкоджена шкаралупа курячих яєць з районів, які не були забруднені радіонуклідами (схід Черкаської області, Драбівській район).

Далі наводяться результати експериментів. Досліджено залежність інтенсивності сигналів ЕПР від часу (дози) опромінення для шкаралупи яєць. Залежність є лінійною. Інтенсивність сигналів ЕПР при однакових дозах опромінення для шкаралупи яєць приблизно утричі менша, ніж для емалі зубів (рис. 2).

Сигнал ЕПР у шкаралупі яєць у першому наближенні може бути описаний аксіальним g-тензором з головними значеннями 1,997 + 0,0005 і
2,002 + 0,0005. Експериментально встановлено, що залежність інтенсивності сигналів ЕПР від часу (дози) опромінення для шкаралупи яєць носить досить універсальний характер і в межах 20% для різних зразків співпадає. Мінімальна доза радіаційного опромінення, при якій можлива реєстрація сигналів ЕПР у шкаралупі яєць на приладі PS-100.X приблизно дорівнює 0,3 Гр. При цьому співвідношення сигнал/шум може бути доведено до трьох.

Отримано залежності інтенсивності сигналів ЕПР R-центрів у шкаралупі яєць від часу нагрівання при різних фіксованих температурах (120, 140, 160 0С).

Окрім радіаційного R-центру у шкаралупі яєць вперше для цього об'єкту проведено дослідження АВ6-центру. Раніше різними дослідниками отримано дані про існування подібного центра в емалі зубів. Походження центру пов'язується з ізопропіловими радикалами. У шкаралупі яєць АВ6-центр генерується після нагрівання опроміненого зразку і являє собою послідовність з семи ліній. Потужність сигналу залежить від отриманої зразком дози опромінення, а також від температури нагрівання. Нами показано, що залежність інтенсивності сигналів ЕПР від часу (дози) опромінення для АВ6-центра у шкаралупі яєць є прямо пропорційною. Дослідження залежності інтенсивності спектру ЕПР від температури ізотермічного нагрівання для зразків з однаковою дозою опромінення в інтервалі температур 100-200 0С показало, що пік інтенсивності спектрів не досягається для Т = 100 0С на всьому часовому інтервалі експерименту протягом 135 хв. Для зразка, який відігрівався при Т = 200 0С, пік досягався на протязі 5-7 хв., а у подальшому інтенсивність спектра зменшувалась. Для зразка, відповідного Т=120 0С, після приблизно 75 хв. нагрівання досягався пік інтенсивності спектру ЕПР, який утримувався до кінця експерименту. При Т=140 0Сзалежність інтенсивності від часу нагрівання була аналогічною, як для Т=160 0С, але пік досягався повільніше (на протязі приблизно 25-30 хв.) і інтенсивність спадала не так стрімко. При поступовому нагріванні опроміненої шкаралупи яєць інтенсивність сигналу ЕПР зростала до Т=60 0С, після чого була постійною до Т = 80 0С.

Досліди по доопроміненню попередньо опроміненого і потім нагрітого зразка шкаралупи (АВ6-центр генерований) показали, що таке доопромінення зменшує кількість АВ6-центрів: після 60-ти хвилинного доопромінення інтенсивність спектру ЕПР АВ6-центрів зменшилась приблизно у 3 рази. Встановлено, що шкаралупа яєць придатна для відновлення по ній дозових навантажень радіаційного випромінювання. Цьому сприяє чітка прямо пропорційна залежність інтенсивності сигналів ЕПР R-центрів від величини дози опромінення. Можна констатувати, що методика приготування проб шкаралупи яєць є простою і невибагливою у порівнянні з методиками інших об'єктів ретроспективної дозиметрії (кварц, емаль зубів, черепашки молюсків).

Відзначено подібність радіоспектроскопічних характеристик у структурі шкаралупи яєць і емалі зубів. Це дозволяє припустити, що радіаційні сигнали в цих об'єктах пов'язані з однаковими карбонатними комплексами. Експериментальні дані доводять, що радіаційні центри у структурі шкаралупи (і емалі) не пов'язані з ізоморфними заміщеннями, оскільки матриця не впливає суттєво на ці центри. Найбільш ймовірно, що радіаційні центри в структурі шкаралупі (і емалі) пов'язані з молекулами СО2, які знаходяться у структурі цих біогенних мінералів поблизу різних порушень її періодичності, а саме поблизу або на поверхні кристаліту. Таким чином, формування парамагнітних центрів у структурі шкаралупи (і емалі) при їх опроміненні пов'язано не з утворенням нових радіаційних дефектів, а з перезарядкою під впливом опромінення вже існуючих структурних дефектів. Процеси на копичення подібних центрів при опроміненні кристалітів детально описані у літературі. У такому випадку всі електрони (або дірки), які з'явились внаслідок опромінення, захоплюються одним типом пасток, а рекомбінація новоутворених центрів не відбувається. При виконанні цих умов кількість парамагнітних радіаційних дефектів, які виникають (і, відповідно, інтенсивність сигналів ЕПР), і пов'язаних з домішками на початку опромінення, не залежить від кількості домішок. Саме така ситуація реалізується у шкаралупі яєць (і емалі зубів).

У даному випадку нахил універсальних дозових залежностей визначається ефективністю продукування електронно-діркових пар. Останнє може бути причиною відмінності такого нахилу для шкаралупи і емалі. Результати ізотермічного нагрівання показують, що процес розпаду парамагнітних центрів у шкаралупі яєць є складним і не відповідає тривіальній моделі з одним часом життя (рис. 3), тобто у шкаралупі існує набір радіаційних центрів з різними властивостями. Згідно з моделлю, яка пропонується нами, реальний розподіл радіаційних центрів з різними характеристиками можна замінити на групи центрів з фіксованою глибиною потенційних ям Еj , якщо припустити, що кількість центрів в таких групах дорівнює Nj. У кінцевому вигляді вираз для загальної кількості парамагнітних центрів після нагрівання на протязі часу t і з урахуванням прийнятої моделі має вигляд:

N(t) = N1exp (- t/1) + N2(1- t/2) + N3,

Даний вираз при значеннях параметрів:

Т, С 120 140 160

1 10 8 6

2 300 250 200

N1 /N 0,13 0,24 0,38

N2 /N 0,17 0,34 0,48

задовільно описує експериментальні дані.

Аналіз спектральних ліній центру АВ6 показує, що розподіл відстаней між цими лініями чітко відповідає біному Ньютона. Чітка прямо пропорційна залежність АВ6-центрів в структурі шкаралупи яєць робить можливим використання цього центру для відновлення дозових навантажень радіаційного випромінювання.

У ЧЕТВЕРТОМУ РОЗДIЛІ “МОЖЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ В РЕТРОСПЕКТИВНІЙ ДОЗИМЕТРІЇ ЧЕРЕПАШОК МОЛЮСКІВ ВИДІВ Unio pictorum ТА DREISSENA POLYMORPHA” наведено дані про дослідження можливості використання черепашок у ретроспективній дозиметрії.

Актуальність дослідження черепашок молюсків пов'язана з відсутністю інформації про можливість застосування у ретроспективній дозиметрії тих видів, які розповсюджені на території України. В роботі аналізується стан та перспективні шляхи подолання проблем, пов'язаних з дослідженням цих об'єктів. Наведено дані про походження, структуру і властивості черепашок молюсків. Головною особливістю черепашок молюсків, як об'єкту ретроспективної дозиметрії, є мінливість складу черепашок одного і того ж виду на різних територіях (наприклад, арагонітовий склад може змінюватися кальцитовим), а також притаманність окремих видів молюсків конкретним територіям, за межами яких вони відсутні. Таким чином, велика кількість досліджень, присвячених проблемі застосування у ретроспективній дозиметрії деяких видів молюсків, які характерні, наприклад, для території Японії, не може використовуватись для вирішення аналогічних завдань на території України.

Особливості проведення експериментів, основні методи і методики, які застосовувались, експериментальні прилади та режими їх роботи у рамках дослідження черепашок були такими ж, як описано для двох попередніх розділів.

Основним результатом дослідження черепашок молюсків стало обгрунтування нами вибору серед розмаїття видів виду Dreissena polymorpha, черепашка якого побудована із непарамагнітного матеріалу. Отримано експериментальні дані про перехід у парамагнітний стан карбонатного матеріалу у черепашках молюсків виду Dreissena polymorpha при температурі приблизно 320-340 0С. Основною проблемою використання молюсків для відновлення доз радіаційного випромінювання внаслідок Чорнобильскої катастрофи було те, що у більшості видів молюсків їх черепашки мають власний парамагнітний сигнал від Mn2+.

Існування такого сигналу робить проблематичним відокремлення тої cкладової, яка з'являється внаслідок опромінення. Саме тому вкрай важливим був пошук таких видів молюсків, у яких речовина черепашок не є парамагнітною. Дослідження багатьох видів дозволило нам вибрати молюски виду Dreissena polymorpha, черепашки яких відповідають наведеній вимозі. Опромінення зразків черепашок молюсків цього виду дозволило отримати ненакладений сигнал ЕПР від радіаційних центрів. Нами встановлено, що залежність інтенсивності сигналу ЕПР від дози опромінення є прямо пропорційною (рис. 5). Таким чином, запропонований вид може бути застосований у ретроспективній дозиметрії завдяки знаходженню речовини черепашок у непарамагнітному стані, а також широкому розповсюдженню виду у природних ландшафтах України. Достовірність відновлення доз та ефективність застосування Dreissena polymorpha підтверджується встановленим нами експериментальним фактом про перехід речовини черепашок у парамагнітний стан під час нагрівання при Т = 320-340 0С, тобто при температурах, неможливих у середовищі існування молюсків.

П'ятий розділ “ДослІдженнЯ РАДІАЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МІНЕРАЛІВ НЕОРГАНІЧНОГО ПОХОДЖЕННЯ” присвячений переважно дослідженню радіаційних дефектів в Са-амфіболах, котрі супроводжують зони радіоактивних елементів.

Дослідження Саамфіболів із натрієвих метастоматитів УЩ (с. Єлісєєвка) методом ЯГР після температурної обробки (Т = 560 0С) показало наявність у досліджених зразках 1 і 2, відповідно, 14 і 10% відновлюваної форми заліза. Eфект відновлення заліза при нагріванні на повітрі, що спостерігається, неможливо пояснити відомими закономірностями поведінки за ліза під час процесів термічного перетворення амфіболів із безрудних зон. Прогрів останніх в аналогічних умовах супроводжується тільки окисленням заліза. Як випливає з результатів, отриманих раніше іншими дослідниками, ефект відновлення Fe3+ до Fe2+ під час прогріву на повітрі характерний тільки для радіаційно-хімічно окислених іонів Fe3+. Він не розповсюджується на Fe3+ іншої генетичної природи, зокрема, на такий, що входить у структуру амфіболів у процесі кристалізації і метаморфічних перетвореннях у них. Цей катіон може бути відновлений тільки при нагріванні амфіболів у відновлювальному середовищі. Для відновлення експозиційних доз, які отримали досліджувані зразки 1 і 2 нами проведено їх лабораторне доопромінення дозами 104, 106 і108 Гр.

Побудовано калібрувальну криву, за допомогою якої можна відновити дози радіаційного випромінювання, отримані зразками 1 і 2 (рис. 6). Дози становили 5 і 3 х 107 Гр, відповідно. Отримані результати добре узгоджуються також з літературними даними.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Радіаційна чутливість емалі зубів залежить від морфологічних змін внаслідок розвитку захворювання зубів і може збільшуватись до 20% для каріозних зубів у порівнянні із здоровими. Така залежність вносить відповідні корективи у процедуру відновлення доз радіаційного випромінювання, а при сильному каріозному ураженні зуба робить його непридатним для застосування у ретроспективній дозиметрії.

2. Радіоспектроскопічні характеристики радіаційних R-центрів в емалі зубів і шкаралупі яєць подібні і, вірогідно, пов'язані з однаковими карбонатними комплексами. Процеси розпаду радіаційних R-центрів в емалі зубів і шкаралупі яєць описуються розробленою нами моделлю з набором центрів, які характеризуються різним часом життя.

3. Шкаралупа яєць - новий перспективний об'єкт ретроспективної дозиметрії, який характеризується високою радіаційною чутливістю та простотою застосування в рамках пропонованої методики відновлення доз. Мінімальна доза опромінення, яка може бути відновлена по шкаралупі яєць за нашою методикою, складає 0,3 Гр (прилад PS-100.X). При нагріванні попередньо опроміненої шкаралупи яєць нами зафіксовано появу сигналу ЕПР від АВ6-центру органічного походження. Центр зникає при температурах фізичного руйнування органічної складової. АВ6-центр може використовуватись в якості контрольного для підтвердження достовірності результатів відновлення доз по R-центру.

4. Підібрано вид молюсків Dreissena polymorpha, черепашки яких складаються з непарамагнітного матеріалу, що дозволяє коректну реконструкцію інтегральних доз з їх застосуванням за розробленою нами методикою. Широке розповсюдження даного виду та відсутність міграції роблять цей своєрідний індикатор стану навколишнього середовища особливо перспективним для оцінки радіоекологічного стану територій. Визначено, що перехід до парамагнітного стану для черепашок молюсків виду Dreissena polymorpha має місце при Т = 320-340 0С, яка не зустрічається в умовах існування молюсків, тобто температури, які існують в реальних умовах не порушують стану непарамагнітності матеріалу черепашок даного виду.

5. Нашими експериментами з Са-амфіболами показано, що результати визначення внеску заліза радіаційно-хімічного походження (Fe3+) в його загальний склад в принципі можуть бути використані для оцінки експозиційних доз опромінення коло рудних амфіболів в зонах радіоактивної мінералізації. Експериментально обгрунтовано, що підвищений вміст Fe2O3 в амфіболах із зон уранової мінералізації є не тільки результатом впливу гідротермальних розчинів, як вважалось раніше, але й наслідком радіаційно-хімічного окислення заліза.

По темі дисертації опубліковано 12 робіт (див. Дисертація: Список використаних джерел), основні з яких

1) Brik A., Radchuk V., Scherbina O., Matyash M. and Gaver O. Metamorphic Modifications and EPR Dosimetry in Tooth Enamel // Appl. Radiat. Isot. - 1996. - Vol. 47. - No 11/12. - pp. 1317-1319.

2) Brik A., Matyash M., Radchuk O., Scherbina O. IGMR // Final Report of Experimental Collaboration Project No 10. - 1996. - pp 65-67.

3) А.Б. Брик, В.В. Радчук, М.И. Матяш, О.И. Щербина, В.Н. Волоский. О радиационных центрах в кальците биогенного происхождения по данным ЭПР // Мин. Журн. - 1996.- No 4. - C. 20-25.

4) В.П. Иваницкий, М.И. Матяш, А.С. Литовченко. Особенности состояния железа в Саамфиболах из зон урановой минерализации. // Мин. Журн. - 1996. - No 5. - C. 52-56.

5) А.С. Литовченко, Е.А. Калиниченко, В.В. Мазыкин, М.И. Матяш, Б.П. Злобенко. Изучение влияния гамма-облучения на структуру и термическую устойчивость каолинитов методом ЭПР. // Мин. Журн. - 1996. - No 5. - C. 46-51.

6) Е.В. Соботович, М.І. Матяш. Представники біогенного світу - індикатори стану довкілля. // Вісник НАН України. - 1997. - No 3/4. - C. 34-37.

АНОТАЦІЯ

Матяш М.І. Характеристики радіаційних центрів мінералів органічного та неорганічного походження стосовно ретроспективної дозиметрії - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук по спеціальності 21.00.08 - техногенна безпека, Державний науковий центр радіогеохімії навколишнього середовища НАН України та МНС України, Київ, 1998.

Дисертацію присвячено питанням застосування радіаційних дефектів у мінералах органічного та неорганічного походження для ретроспективної дозиметрії. На основі детального дослідження радіаційних парамагнітних центрів таких біомінералів, як емаль зубів, шкаралупа яєць і черепашки молюсків методом ЕПР oтримано нові дані про їх властивості та природу. Обгрунтовано перспективність цих біомінералів, які можуть застосовуватись для комплексного радіоекологічного моніторингу місцевості і відновлення радіаційної історії індивідуальних об'єктів. При відновленні доз радіаційного випромінювання запропоновано враховувати морфологічні зміни у зубах і використовувати для ретроспективної дозиметрії нові об'єкти: шкаралупу яєць і черепашки молюсків виду Dreissena polymorpha, перспективного для України.

Ключові слова: ретроспективна дозиметрія, радіаційні парамагнітні центри, ЕПР, емаль зубів, шкаралупа яєць, черепашки молюсків, Dreissena polymorpha.

доза радіаційний шкаралупа моллюск

АННОТАЦИЯ

Матяш М.И. Характеристики радиационных центров минералов органического и неорганического происхождения применительно к ретроспективной дозиметрии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геологических наук по специальности 21.00.08 - техногенная безопасность. - Государственный научный центр радиогеохимии окружающей среды НАН Украины и МЧС Украины, Киев, 1998.

Диссертация посвящена вопросам использования радиационных дефектов в минералах органического и неорганического происхождения для ретроспективной дозиметрии. Детальными исследованиями радиационных парамагнитных центров биоминералов: эмали зубов, скорлупы яиц и раковин молюсков методом ЕПР получены новые данные об их свойствах и природе. Обоснована перспективность этих биоминералов, которые могут применяться для комплексного радиоэкологического мониторинга территории и восстановления радиационной истории индивидуальных объектов. При восстановлении дозовых нагрузок предложено учитывать морфологические изменения в зубах и использовать для ретроспективной дозиметрии новые объекты: скорлупу яиц и раковины моллюсков вида Dreissena polymorpha, перспективного для Украины.

Ключевые слова: ретроспективная дозиметрия, радиационные парамагнитные центры, ЭПР, эмаль зубов, скорлупа яиц, раковины моллюсков, Dreissena polymorpha.

SUMMARY

Matyash M.I. The characteristics of radiation centers of the minerals of organic and non-organic origin applied to retrospective dosimetry. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by the speciality 21.00.08 - techogenical safety. The State Science Center of Environmental Radiogeochemistry of Ukrainian NAS, Kiev, 1998.

The dissertation is devoted to application of the new data about radiation defects of some biominerals for retrospective dosimetry. Basing on the proceed investigation of the radiation paramagnetic centers of the biominerals like tooth enamel, egg shell and mollusk shell by the ESR method the data about their genesis and properties are obtained. This information can be used for complex radioecological monitoring of environment as well as for restoring radiation history of individual objects. It is proposed to take into account metamorphic modifications in tooth to use that in the technique of dose restoring. The new objects for retrospective dosimetry: egg shell and mollusk shell (Dreissena polymorpha) are investigated and proposed.

Key words: retrospective dosimetry, radiation paramagnetic centers, ESR, tooth enamel, egg shell, mollusk shell, Dreissena polymorpha.

Размещено на Allbest.ur