Лаборатория ядерно-физических методов анализа

История создания

10.06.1961 г. в соответствии с Постановлением Президиума АН КазССР № 73 создана Лаборатория активационного анализа (ЛАА). В Казахстане основоположником активационного анализа является лауреат Ленинской и Государственной премий СССР Владимир Васильевич Сокольский – создатель и первый заведующий лабораторией.  В разные периоды лабораторией руководили к. ф-м н. И.В. Казачевский (1989-1994 гг), д. ф-м н. В.П. Солодухин (1985-1989 гг, 1994 – 2010 гг.), В.Л. Позняк (2010-2015 гг.). С 2015 г по настоящее время руководит лабораторией к.ф.-м.н. Ленник С.Г. 

Значительный вклад в формирование и развитие тематики лаборатории (развитие и применение ядерно-физических методов анализа для решения научных и практических задач Казахстана) внесли научные сотрудники д.ф.-м.н. и доктора экологии Солодухин В.П., к. ф-м н. И.В. Казачевский, к.х.н. В.Н. Левковский, к.ф-м.н. В.Ф. Михайлов, к.ф-м.н. В.И. Звягин, к.ф-м.н. Г.И.Бокова, к.ф-м.н. В.Р. Бурмистров, к.ф-м.н. Б.Г. Киселёв, к.ф-м.н. В.А.Шилин, к.ф-м.н. В.А. Дидоренко, к.х.н. О.И. Артемьев, к.х.н. А.Ф. Новгородов, к.х.н. В.М. Степанов, к.ф-м.н. Л.Н. Смирин, к.ф-м.н. С. Хажекбер. В реализации аппаратурных и методических разработок большое участие принимали сотрудники: В.Л. Позняк, А.Я. Ботвина, Н.Р. Файзрахманова, А. Харитонов, В.К.Казаков, Г.П. Виницкая, Г.А. Ковельский, Г.Г. Ковельская, Г.М.Кабирова, В.В.Сметанников, Т.Н. Мадиянов, С.В. Поздняков, И.В. Хмарова, А.К. Бердаулетов, Л.А. Рязанова, Р.М. Габдулин, А.С. Ливенцова, Э.Е. Черных, М. Сиражет, Т.В. Суздальцева. В решении технических и хозяйственных вопросов активное участие принимали: В.П. Михайлов, А.М.Рязанов, М. Шабалин, Ф.Д. Вострецов, Н.Г. Шиков, Ф.Н. Трушляков, Г.Чепурнова, В.В Фетцова, Т.Ч. Чабеев, Н.А. Токсанбаева, А.М. Головин, О.И. Бакунина и другие. 

В ЛАА специально для активационного анализа (АА) был разработан и создан ряд установок. Это - нейтронный генератор непрерывного действия, работающий на смеси дейтерия и трития; сурьмяно-бериллиевый источник нейтронов; безжелезный тороидальный бета-спектрометр типа “Апельсин”; автоматическая установка для определения кислорода в Балхашской меди и других объектах. Наиболее продуктивный период развития метода наступил осенью 1967 г. в связи с вводом в ИЯФ в эксплуатацию основной облучательной установки – атомного реактора ВВР-К. Использование этого метода позволило успешно решать ряд задач в археологии, криминалистике, медицине, биологии, сельском хозяйстве. Но основные достижения были получены в металлургии – анализ чистых и сверхчистых материалов; в геологии – разведка и подсчет запасов полезных ископаемых; в экологии и радиоэкологии – контроль объектов окружающей среды в промышленных районах и на местах проведения ядерных испытаний (Семипалатинский ядерный полигон, Азгир и др.). Для решения этих задач на атомном реакторе ВВР-К были созданы специальные пневмотранспортные устройства. Так, непосредственно в зале реактора была смонтирована автоматическая установка для определения урана методом запаздывающих нейтронов (МЗН – разновидность НАА), которая была задействована на вертикальный канал с потоком тепловых нейтронов 1.4·1013 н·см-2·с-1. В период с 1981 г. по 1988 г. на этой установке было выполнено более 80 тыс. анализов различных геологических образцов. Внедрение этих результатов позволило впервые в СССР провести широкие региональные исследования по урану с недоступной ранее точностью. На основе полученных данных были составлены геохимические карты многих регионов страны. На горизонтальном канале с потоком тепловых нейтронов 1 1013 н·см-2·с-1 была смонтирована двухканальная пневмопочта (один из каналов был обеспечен кадмиевым экраном) для проведения НАА по короткоживущим радионуклидам (КЖР). 

В начале 80-х годов 20 века при активной поддержке академика Г.Н. Флерова (ОИЯИ) в ЛЯФМА стал активно развиваться рентгенфлуоресцентный анализ (РФА). 

В середине 80-х годов, благодаря значительным усилиям заведующего лабораторией радиоактивных излучений (ЛАРИ) В.Л. Кочеткова и его сотрудников, на базе самого современного на тот период спектроанализатора “GY-70P” (Франция) получил развитие метод атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (АЭС-ИСП). По чувствительности (10-10 - 10-11 ) этот метод сопоставим с АА. Кроме того, он обеспечивает многоэлементный анализ и восполняет пробелы НАА, позволяя определять недоступные для него элементы, такие как свинец, висмут, кремний и др. Строго говоря АЭС-ИСП не относится к ядерно-физическим методам, но традиционно им сопутствует. Его развитие положило начало комплексным аналитическим исследованиям на базе методов, разрабатываемых в этих двух лабораториях.

Области применения освоенных аналитических методов очень широки. В археологии они были применены для изучения состава древних глазурей и керамических изделий мавзолея Ходжи Ахмеда Ясави; для исследования состава “загара” петроглифов (наскальных изображений) с целью датирования их возраста. В криминалистике выполнялась работа по определению состава контрабанды. В медицине они использовались для изучения элементного состава экспериментальных онкологических опухолей в сравнении с составом нормальной ткани. В биологии методом АА изучался микроэлементный состав ферментов. По заявке института питания АМН СССР проводились работы по определению элементного состава продуктов национального питания - кобыльего молока, верблюжьего молока, шубата, кумыса и др.

Основные исследования проводились в металлургии - анализ чистых и сверхчистых материалов; в геологии - поиск и разведка месторождений и подсчёт запасов полезных ископаемых.

После аварии в Чернобыле (1986 г.) появилась общая тенденция к консервации и сокращению действующих исследовательских реакторов, которая достигла своего апогея с развалом СССР: в ИЯФ реактор ВВР-К был заглушен, а установка МЗН и двухканальная пневмопочта для НАА по КЖИ демонтированы.

Развитие радиоэкологических исследований было стимулировано, совпавшими по времени, общей настороженностью общественности после Чернобыльской катастрофы и закрытием Семипалатинского испытательного ядерного полигона (СИП). Для решения экологических задач в ИЯФ были развиты методы (совместные работы ЛЯФМА и ЛАРИ) радиохимии и альфа-, бета- и гамма-спектрометрии объектов окружающей среды. 

В апреле 1994 г. на основании решения ученого совета ИЯФ ЛАА переименована в Лабораторию ядерно-физических методов анализа (ЛЯФМА).

Разработанный в ЛЯФМА проект МНТЦ К-53 "Характеризация радиологических и нерадиологических загрязнителей в месте расположения СИП" сыграл в судьбе ИЯФ историческую роль, поскольку позволил сохранить в 90-е годы высококвалифицированных специалистов многих лабораторий института, задействованных в его выполнении.

В 1998 г разработана методология и начались исследования территорий, прилегающих к объектам "ЛИРА" на территории Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения, Западный Казахстан. Установлено, что радиационная обстановка на обследованной территории не вызывает опасения для здоровья персонала, занятого на объектах и добыче газоконденсата, и для жителей близлежащих населенных пунктов.

Подавляющее большинство работ в сферах экологии и радиоэкологии проводилось по международным проектам (МНТЦ, МАГАТЭ), что позволило существенно обновить и расширить экспериментальную базу аналитических исследований.

Начиная с 2007 г. совместно с РГП «КазГидромет» и в соответствии с разработанной методологией организована и действует по настоящее время система радиационного и гидрохимического мониторинга качества вод, поступающих в Казахстан по трансграничным рекам.

В ЛЯФМА имеется многолетний опыт выполнения работ по технической экспертизе различных объектов и материалов. За период с 2000 г по 2011 г. проведено 56 экспертиз. Из них 24 экспертизы (43%) выполнены по исследованию нерадиоактивных объектов и материалов: объектов золоторудной промышленности, медицинских препаратов, образцов сталей и цветных металлов, образцов стабильного цезия (133Cs), псевдо-«красной ртути», псевдо-«осмия-187» и псевдо-«селена-74». Более половины экспертных работ (57%) связано с определением состава и уровня активности всевозможных ядерных и радиоактивных объектов и материалов. 

Начиная с 2013г., в связи с принятым курсом страны на ее индустриализацию, в лаборатории выполнен значительный объем работ по обновлению и развитию комплекса ядерно-физических методов анализа для аналитического сопровождения работ, выполняемых предприятиями редкометальной и редкоземельной отраслей страны. Созданный аналитический комплекс успешно апробирован на различных геологических объектах (полиметаллы, хромиты, бокситы, уголь, золотоносные и урановые руды) и продуктах их технологической переработки. 

Основные направления деятельности

• Проведение стандартных испытаний (радионуклидный, элементный анализ) на основе аттестованных методик выполнения измерений.
• Разработка и валидация новых методик выполнения измерений с применением ядерно-физических методов анализа для расширения области аналитических услуг.
• Развитие существующих методов анализа для расширения области их применения.
• Выполнение научных и аналитических исследований в области экологии, геологии, археологии и в других прикладных областях.
• Публикация результатов научных исследований в рейтинговых отечественных и международных изданиях, участие в научных конференциях.
• Подготовка персонала для проведения нейтронно-активационного, рентгенофлуоресцентного, гамма- и альфа-спектрометрического анализа.
• Повышение квалификации научных сотрудников и инженерного персонала.
• Участие с международных сравнительных испытаниях (МАГАТЭ и прочие).

Основные достижения и открытия лаборатории 

Совокупность всех разработанных методик обеспечивает проведение как массовых анализов, так и выполнение тонких научных и практических исследований. Результаты были использованы в решении многих практических задач для промышленных и производственных предприятий, а также научных организаций Казахстана и бывшего СССР:

• Совокупность всех разработанных методик обеспечивает проведение как массовых анализов, так и выполнение тонких научных и практических исследований. Результаты были использованы в решении многих практических задач для промышленных и производственных предприятий, а также научных организаций Казахстана и бывшего СССР:
• НПО «Казнефтебитум» (г. Алматы), ПО «Мангышлакнефть» (г. Актау), ПО «Татнефть» (г. Альметьевск), НПО «Казнедра» (г. Алматы), ИХНиПС АН Каз.ССР (г. Атырау), Каз.НИПИнефть (г. Атырау), Джунгарская ГРЭ (г. Текели), ПГО «ЗапКазгеология» (г. Актюбинск), ПГО «ЮжКазгеология» (г. Алматы) и др. - для определения и подсчета запасов редких и рассеянных металлов (V, Ni, Pt, Pd, Au, Ag и др.) и токсичных элементов (As, Sb, Hg, Cd, S и др.) в нефтях, нефтебитуминозных породах, горючих и углистых сланцах из различных месторождений, а также в продуктах их переработки.
• ВПГО «Волковгеология» (г. Алматы), ПГО «Геологоразведка» МГ СССР - для разведки и подсчета запасов урана методом запаздывающих нейтронов; для определения запасов рения на угольном месторождении.
• Каз ИМС МГ Каз.ССР - для разведки запасов золота в Северном Казахстане.
• ПГО «ЮжКазгеология» - для определения содержания золота и серебра в рудах месторождений Южного Казахстана и в продуктах их обогащения.
• Чимкентский свинцовый завод (ЧСЗ), ИМО АН Каз.ССР - для анализа сверхчистых металлов и внедрения технологии их промышленного получения на ЧСЗ.
• Предприятие М-5044 (г. Рязань) - для исследования взаимодействия металлов, керамик, диэлектриков со ртутью.
• Предприятие КазУГКС (г. Алматы), Байкальский целлюлозно-бумажный комбинат - для определения токсичных металлов в природных водах.
• Радиоэкологическое исследование СИП, где выполнены определения радионуклидного состава почв и других объектов окружающей среды (растения, грибы, лишайники). Были получены данные о распределении и соотношениях радионуклидов на различных участках СИП и прилегающих территориях. Использование в этих исследованиях большого опыта и возможностей базовых методик ИЯФ позволило выявить ряд тонких аспектов распределения радионуклидов по различным участкам СИП, что создало предпосылки для научного обоснования прогноза распространения радионуклидов и методов ремедиации наиболее загрязнённых участков СИП.
• По республиканской программе "Развитие атомной энергетики в Казахстане" и по проектам МНТЦ К-53 "Характеризация радиологических и нерадиологических загрязнителей в месте расположения СИП" и К-337 "Разработка основ и выбор технологий ликвидации поверхностного загрязнения и способов ограничения вторичного загрязнения территории СИП", при поддержке Лос-Аламосской Национальной Лаборатории США, выполнен значительный объем работ, направленных на обследование основных испытательных площадок СИП (Опытное поле, Дегелен, Телькем 1-2, Атомное озеро) и изучение форм нахождения радионуклидов в объектах окружающей среды. В результате выполненных исследований выявлены, оконтурены, охарактеризованы и классифицированы участки основных радионуклидных загрязнений, выработаны и представлены научно-обоснованные рекомендации по нормализации радиационной обстановки на СИП.
• Разработана комплексная радиохимическая методика для определения Pu-239, 240, Sr-90, Am-241 в образцах почвы территорий, на которых проводились ядерные испытания.
• Изучено содержание радионуклидов в образцах почвы из отдельных участков СИП. Впервые установлены концентрации плутония. В отдельных образцах почвы изучено распространение радионуклидов по различным фракциям.
• Изучен элементный состав ископаемых углеводородов (нефть, нефтебитуминозные породы, горючие и углистые сланцы) более 50-ти месторождений Казахстана. Установлены концентрации как ценных (Ti, V, Ni, Mo, Pb, Ag, Au, Pt), так и вредных (S, As, Se, Br, Sb) примесей. Детально изучено и представлено в виде карты содержание ванадия в нефтяных месторождениях Западного Казахстана. На основании аналитических работ лаборатория признана участником открытия 5-ти месторождений ванадия в нефтях Татарстана.
• Выполнен аналитический контроль технологий получения сверхчистых металлов (Hg, Pb, Cd) на Шымкентском свинцовом заводе.
• Изучен уровень концентраций и формы радионуклидов на различных участках СИП. На основании полученных результатов выполнена характеризация радионуклидного загрязнения СИП в целом (Международный Проект МНТЦ К-53).
• Разработана методология и проведены исследования территорий, прилегающих к объектам "ЛИРА" на территории Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения, Западный Казахстан. Установлено, что радиационная обстановка на обследованной территории не вызывает опасения для здоровья персонала, занятого на объектах и добыче газоконденсата, и для жителей близлежащих населенных пунктов.
• На базе ЛЯФМА создана производственная лаборатория для выполнения задач мониторинга объектов ЛИРА (ЛНФИ), обучен персонал для проведения радионуклидного анализа.
• По Международному проекту "Навруз", при поддержке Сандийских Национальных Лабораторий США, создана система радиационного мониторинга и выполнены широкомасштабные исследования уровня и характера загрязненности бассейна реки Сырдарья на территории Казахстана. Полученные данные свидетельствуют о том, что произведенный в 1973 г. подземный ядерный взрыв «Меридиан-3» не был «камуфлетным» и сопровождался истечением благородных газов, обусловивших повышенное содержание искусственного радионуклида 137Cs на самом объекте ( =9 Бк/кг, при Сф ≤ 5 Бк/кг) и в его окрестностях, вплоть до русла р. Сырдарья.
• Начиная с 2007 г. совместно с РГП «КазГидромет» и в соответствии с разработанной методологией организован и проводится радиационный и гидрохимический мониторинг качества вод, поступающих в Казахстан по трансграничным рекам.
• Разработана, аттестована и внесена в Реестр государственных средств измерения Республики Казахстан специализированная методика выполнения измерений (МВИ) «Определение содержания редкоземельных металлов (РЗМ) в геологических пробах комплексом ядерно-физических методов». Методика обеспечивает определение содержания 13 РЗМ: Ce, Eu, Gd, Ho, La, Lu, Nd, Sc, Sm, Tb, Tm, Y, Yb. Предел определения этих элементов  n(10-5-10-7)%. Погрешность их определения не превышает значений, предусмотренных для методов III категории точности анализа минерального сырья. Методика предназначена для количественного определения РЗМ в следующих геологических пробах: горные породы, руды, минералы, почвы, донные отложения и может быть использована для поиска, разведки и подсчета запасов этих металлов, в геохимии, экологии, технологии и других смежных отраслях.
• Разработан и внедрен в РГП на ПХВ "Институт ядерной физики" компараторный метод инструментального нейтронно-активационного анализа с использованием способа внутреннего стандарта.
• Сотрудник лаборатории к.т.н. Силачев И.Ю. являлся региональным представителем от Республики Казахстан в Forum for Nuclear Cooperation in Asia (FNCA) в 2012-2021 гг.

Практическая значимость работ подтверждена 20 актами внедрения и актом об участии в открытии 5 месторождений ванадия в нефти

Сотрудничество

• Товарищество с ограниченной ответственностью «Институт геологических наук им. К.И. Сатпаева» (Казахстан);
• АО Институт металлургии и обогащения (Алматы, Казахстан);
• Республиканское государственное предприятие "КазГидромет" Министерства охраны окружающей среды Республики Казахстан;
• АО «Волковгеология» ЦОМЭ (Алматы, Казахстан);
• ТОО «Казахстанско-французское совместное предприятие «КАТКО» (Астана, Казахстан);
• Институт археологии им. А.Х. Маргулана КН МНВО РК;
• Национальный центральный музей Республики Казахстан (Астана, Казахстан);
• Сарыаркинский археологический институт при НАО «Карагандинский университет им. академика Е.А. Букетова»;
• НАО «Карагандинский университет им. академика Е.А. Букетова» МНВО РК;
• Лаборатория нейтронной физики Объединенный институт ядерных исследовании (г. Дубна, Российская Федерация);
• Институт водных проблем и гидроэнергетики (ИВПиГЭ) НАН КР (Кыргызстан);
• Институт геохимии им. А.П. Виноградова Сибирского отделения Российской академии наук, (Россия, Иркутск);
• Государственное научное учреждение «Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси» (Беларусь);
• Laboratory of Physics, Vinča Institute of Nuclear Sciences - National Institute of Republic of Serbia (Сербия).