Яковлева В.С. Методы измерения плотности потока радона и торона с поверхности пористых материалов

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 7. ОСОБЕННОСТИ ОДНОВРЕМЕННОГО

ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКОВ РАДОНА И ТОРОНА

До конца 90-х годов прошлого столетия детальными исследования-

ми изотопа радона

220

Rn – торона, его активностью в воздухе помеще-

ний и атмосфере, а также плотностью потока с поверхности земли прак-

тически не занимались. Это было связано с тем, что торон не рассмат-

ривали как радиационно-опасный фактор. Почвенный торон не успевает

попадать внутрь зданий из-за короткого времени жизни. Торон пред-

ставлял интерес, в основном, как фактор, влияющий на точность изме-

рений активности радона. Большого прогресса в исследовании степени

влияния торона на результат измерения радона промышленно выпус-

каемыми радиометрами добились японцы.

В последнее десятилетие интерес к плотности потока торона с по-

верхности земли был инициирован учеными, занимающимися вопроса-

ми радиационной экологии и физики атмосферы, ее электрическими

свойствами [116]. Появились также исследования, результаты которых

показывают, что продукт распада торона

212

Pb с периодом полураспада

10,6 ч может накапливаться в значительных количествах внутри поме-

щений [289] и представлять определенный риск при вдыхании. Причем,

согласно работам [290293], доза от торона и дочерних продуктов его

распада (ДПР) может быть равной или даже в несколько раз превышать

дозу от радона и его ДПР. Это стимулировало проведение международ-

ных конференций, полностью посвященные вопросам измерений торона

и оценки доз облучения (в Сербии в 2005 году,

http://www.vin.bg.ac.rs/ece/, и в Японии в мае 2010 года,

http://www.thoron2010.info/).

В связи с возросшим интересом к торону появились задачи, связан-

ные с разработкой методов измерения ППТ и оценкой их достоверно-

сти. Обычно измерения ППТ производят одновременно с измерением

плотности потока радона с помощью метода накопительной камеры.

Здесь возникают различные проблемы, связанные с разделением аппа-

ратурных сигналов от радона и торона, а также продуктов их распада,

накопленных внутри НК. Короткий период полураспада торона (Т

1/2

=56

с) для разных методов оборачивается и преимуществом и недостатком.

В методах, где измеряют только ППР, короткий период полураспада то-

рона позволяет применять различные технические способы его отделе-

ния.

7.1. СПОСОБЫ ОТДЕЛЕНИЯ ТОРОНА ПРИ ИЗМЕРЕНИИ

ПЛОТНОСТИ ПОТОКА РАДОНА

Поскольку часть методов совместного измерения плотности пото-

ков радона и торона с поверхности грунта и других пористых материа-

лов базируется на способах отделения торона от газовой смеси, рас-

смотрим их первыми.

Все способы отделения торона при измерениях плотности потока

радона разработаны с учетом быстрого распада торона для счетного ре-

жима измерения (радиометрии), и включают следующие технические и

теоретические способы и приемы:

1. выдержка до полного распада торона (задержка временем) [141, 163];

2. использование задерживающего объема (задержка расстоянием) [86,

183, 184, 282];

3. использование задерживающего фильтра (обычно применяется в

электретных и трековых методах измерения, где используют задер-

живающий торон диффузионный фильтр) [185, 299];

4. учет линейности функции накопления активности радона (угла на-

клона функции) [184].

7.1.1. ЗАДЕРЖКА ВРЕМЕНЕМ

Отделение торона от радоново-тороновой смеси с использованием

способа задержки временем используется, в основном, в методах изме-

рения ППР с использованием сцинтилляционной альфа-радиометрии.

Схема отделения торона методом задержки временем при измерениях

ППР изображена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Схема задержки торона временем

После переноса воздушной смеси из накопительной камеры через

фильтр, отсекающий аэрозольные продукты распада радона и торона, в

измерительную камеру радиометра (или ячейку Лукаса) производят вы-

НК

Время накопления ~ 2,5 ч

Ячейка Лукаса

Время задержки ~

3 ч

Аэрозольный

фильтр

держку до полного распада торона и первого дочернего продукта – изо-

топа

216

Po. Следующий дочерний продукт

212

Pb является бета-

излучателем, имеет период полураспада 10,64 ч, и не успевает нако-

питься внутри измерительной камеры в больших количествах. То же

относится и к последующим альфа-излучающим продуктам распада то-

рона –

212

Bi и

212

Po.

Способ задержки временем был реализован в работе [141], где ис-

пользовали НК в виде металлического цилиндра диаметром 35 см и вы-

сотой 20 см, внутри которой в течение ~ 2,5 ч накапливали радон и то-

рон, после чего воздух из НК переводили через осушитель и фильтр

внутрь ячейки Лукаса, выдерживали (~ 3 ч) до полного распада торона,

накопления дочерних продуктов распада радона и установления радио-

активного равновесия между радоном и дочерними продуктами его рас-

пада, затем измеряли суммарное количество импульсов от альфа-

частиц, которое пропорционально ППР. Нижний предел детектирования

этого метода при времени накопления 3 ч и времени измерения 10 ми-

нут составлял около 1–2 мБк/(м

с). Похожая схема реализована в работе

[163].

7.1.2. ЗАДЕРЖИВАЮЩИЕ ОБЪЕМЫ

Способ отделения торона при измерении ППР заключается в ис-

пользовании НК, соединенной последовательно с задерживающим то-

рон объемом и радиометром радона, на входе которого установлен аэ-

розольный фильтр. Иногда используют дополнительную воздуходувку.

Схема этого способа представлена на (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Схема с задерживающим объемом

В работе [86] для регистрации радона использовали радиометр Al-

phaGUARD. Воздушно-газовую смесь, выходящую с поверхности грун-

НК

Радиометр

радона

Аэрозольный

фильтр

Задержи-

вающий Tn

объем

Насос

та внутрь НК, прокачивали через задерживающий объем (1,5 л) со ско-

ростью 0,5 л/мин для распада торона, после этого смесь поступала

внутрь радиометра через фильтр, отсекающий продукты распада торона

и радона. Радиометром измеряли активность радона, накопленную

внутри НК, которая пропорциональна ППР. Аналогичная схема была

реализована в работе [282], схема измерения представлена на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Схема отделения торона задерживающим объемом при измерении

плотности потока радона с поверхности пористого материала

7.1.3. ЗАДЕРЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

Задерживающие торон фильтры обычно используют в электретных

накопительных камерах для измерения ППР. Фильтром закрывают ос-

нование камеры. Торон, выходящий с поверхности грунта за время его

диффузии через фильтр распадается. В качестве задерживающих торон

фильтров можно использовать Whatman 41 filter paper [185], толщина

которого 0,22 мм, а коэффициент диффузии радона и торона оценен

равным 4,8·10

-3

см

/с [300]. Согласно детальным исследованиям, прове-

денным в работе [299] c электретными камерам и E-PERM, этот фильтр

пропускает 99% радона и лишь 2,5 % торона.

Диффузионные фильтры также можно использовать и в трековых

детекторах при измерении накопленной внутри НК объемной активно-

сти радона согласно схеме, представленной на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Схема отделения торона с использованием трекового

детектора и задерживающего фильтра

Используемые на входе пробоотборных камер, внутри которых ус-

танавливают трековый детектор, стекловолокнистые фильтры задержи-

вают только аэрозольную компоненту, и не задерживают торон, что бы-

ло протестировано в радоновой камере со смесью двух изотопов радона

разной концентрации [301].

7.1.4. УЧЕТ ЛИНЕЙНОСТИ ФУНКЦИИ НАКОПЛЕНИЯ

АКТИВНОСТИ РАДОНА

Многочисленные теоретические и экспериментальные исследова-

ния показали, что активность радона внутри НК растет линейно. Поэто-

му, для определения ППР используют линейный участок измеренной

радиометром функции накопления, а именно угол наклона, который

пропорционален плотности потока. Использование угла наклона линей-

ного участка позволяет отсечь вклад торона в результат измерения при

совместном присутствии двух изотопов.

Данный способ реализован в работе [184], который заключался в

использовании проточной системы, состоящей из НК, соединенной

циклически через фильтр и воздуходувку с радиометром радона Alpha-

GUARD. По наклону измеренной линейной функции

)(tA

определяли

ППР, Бк м

-2

-1

, из соотношения

НК

Диффузионный

фильтр

Венти-

лятор

пассив-

ный ра-

диометр

q 



, (7.1)

где коэффициент



, Бк м

-3

-1

, определяют из уравнения

ttA



)(

–

площадь поверхности основания НК, м

;

–объем НК, м

7.2. СПОСОБЫ СОВМЕСТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ

ПОТОКОВ РАДОНА И ТОРОНА

Самым простым и эффективным, однако, вместе с тем и самым до-

рогим способом разделения изотопов радона при их совместном при-

сутствии является спектрометрический метод. Разделять радон и торон

можно по энергии испускаемого альфа-излучения. Здесь, однако, при-

ходится сталкиваться с проблемой наложения пиков от изотопов радона

и короткоживущих продуктов их распада, даже при использовании по-

лупроводниковых детекторов с высоким энергетическим разрешением.

Для снижения погрешности, возникающей при расшифровке спектров, а

также для повышения эффективности регистрации метод альфа-

спектрометрии обычно применяют в сочетании с электростатическим

осаждением положительно-заряженных продуктов распада радона и то-

рона.

Метод гамма-спектрометрического анализа в сочетании с методом

накопления газов на активированном угле, расположенном внутри НК,

также позволяет раздельно измерять активности радона и торона по

гамма-излучающим продуктам распада. Уходящие в прошлое методы с

использованием дискриминаторов импульсов и сцинтилляционных

альфа-детекторов также позволяли разделять регистрируемые импульсы

по амплитуде (энергии) на несколько энергетических диапазонов, соот-

ветствующих определенным энергетическим линиям радионуклидов.

Однако, погрешность таких методов была довольно высокой.

Поиск более дешевых методов привел к созданию оригинальных

технических и теоретических приемов и способов разделения радона и

торона при совместном измерении ППР и ППТ, основанных на анализе

особенностей их накопления, а также, физических характеристиках ра-

дионуклидов.

В итоге все, разработанные к настоящему времени, способы разде-

ления радона и торона при совместном измерении плотности их потоков

с поверхности пористых материалов можно подразделить следующим

образом:

1. использование альфа- или гамма-спектрометрии и соответствую-

щих алгоритмов обработки спектров;

2. измерение суммарного аппаратурного сигнала до отделения торо-

на и после, в сочетании с различными способами отделения торо-

на (изложены в §7.1) [115, 155, 158, 181];

3. анализ особенностей накопления изотопов радона и дочерних

продуктов распада внутри накопительной камеры [114, 156, 201,

268].

Первая группа – методы спектрометрии широко освещены в ли-

тературе.

Вторая и третья группы способов разработаны, в основном, для

приборов, работающих в счетном режиме (радиометрия).

7.2.1. ИЗМЕРЕНИЕ СУММАРНОГО АППАРАТУРНОГО СИГНАЛА

ДО И ПОСЛЕ ОТДЕЛЕНИЯ ТОРОНА

Вторая группа способов совместного измерения ППР и ППТ ос-

нована на использовании одной накопительной и двух измерительных

камер (радиометров), а также, в некоторых вариантах – дополнительно

задерживающего торон объема (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Схема отделения торона с использованием трековых

детекторов и задерживающего фильтра

Один из вариантов 2-го способа заключается в использовании со-

единенных циклически накопительной камеры, установленной откры-

тым основанием на исследуемый участок (образец), двух измеритель-

ных камер на основе сцинтилляционных альфа-детекторов (ячейки Лу-

каса) и задерживающего торон объема между ними [155, 158]. Радон и

торон выходящие из грунта поступают в накопительную камеру, затем

внутрь первой измерительной камеры, где регистрируется альфа-

излучение радона и торона, после этого газовая смесь проходит через

задерживающий объем, в котором торон полностью распадается, соот-

ветственно во вторую измерительную камеру попадает только радон.

НК

(только Rn)

радиометр

Задержи-

вающий

Tn объем

насос

(Rn+Tn)

радиометр

По разности показаний первой (радон + торон) и второй (только радон)

измерительных камер определяют количество импульсов от альфа-

излучения, обусловленных тороном, которое переводят в объемную ак-

тивность. В такой схеме требуется принудительная прокачка воздуха

через всю измерительную систему с определенной скоростью.

Нижний предел детектирования (при 30% относительной стандарт-

ной погрешности) для 24 мин. счета составляет около 4·10

–3

Бк м

-2

-1

для радона и 4·10

–2

Бк м

-2

-1

для торона [155]. Увеличение чувствитель-

ности метода достигается увеличением длительности одного измерения

Метод с использованием двух сцинтилляционных альфа-

детекторов, работающих в счетном режиме, является менее дорогим,

поскольку не используется спектрометрическое оборудование, однако,

суммарная неопределенность результата измерения таким методом уве-

личивается из-за использования двух детекторов и нескольких камер

разного объема.

Другой вариант [115, 181] способа одновременного измерения

ППР и ППТ с поверхности грунта ионизационным методом, заключает-

ся в использовании накопительной камеры, двух ионизационных камер

(радиометров AlphaGUARD) и задерживающего объема, соединенных

последовательно с прокачкой воздуха через всю систему с определен-

ной скоростью. Этот вариант отличается от предыдущего только мето-

дом измерения активностей радона и торона (ионизационный). Плотно-

сти потоков радона и торона в этом варианте определяют из следующих

соотношений

Rntot







, (7.2)

)( KKNN

RnTnRn











, (7.3)

где q

и q

– плотности потока радона и торона, соответственно, Бк м

-2

-1

;

tot

– общий объем всей системы, состоящей из НК, двух ионизаци-

онных камер, задерживающего объема и соединительных трубок, м

– объем НК, м

– площадь поверхности основания цилиндрической

НК, м

;



– измеренное второй ионизационной камерой прираще-

ние линейной функции накопления количества ионов за интервал вре-

мени

t

(наклон линейной функции накопления);

– коэффициент

перевода количества ионов в активность радона в единицах Бк м

-3

;

–

скорость прокачки воздуха через всю систему, м

-3

-1

;



– постоянная

распада торона, с

-1

;

TnRn



– показание первой ионизационной камеры в

конце измерительного цикла (2 часа),

– показание второй иониза-

ционной камеры в конце измерительного цикла,

– поправочный ко-

эффициент на распад торона во время его поступления в первую иони-

зационную камеру.

Этот способ, в отличие от предыдущего, является, безусловно, до-

рогостоящим, поскольку используются два радиометра-спектрометра

Alpha-GUARD.

В остальных вариантах 2-й группы способов совместного измере-

ния ППР и ППТ можно одновременно использовать два пассивных ра-

диометра с трековыми или электретными детекторами, помещенных

внутрь НК, при этом входное окно одного из детекторов должно быть

закрыто диффузионным фильтром, задерживающим торон (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Схема совместного измерения ППР и ППТ с использованием треко-

вых детекторов

7.2.2. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ НАКОПЛЕНИЯ РАДОНА И ТОРОНА

ВНУТРИ НАКОПИТЕЛЬНОЙ КАМЕРЫ

Третья группа способов совместного измерения ППР и ППТ ос-

нована на анализе особенностей накопления радона, торона и продуктов

их распада внутри накопительной камеры, и изменения выхода ионизи-

рующего излучения, имеющих свои закономерности.

НК

Диффузионный

фильтр

Венти-

лятор

Пассив-

ный ра-

диометр

Пассив-

ный ра-

диометр

100

Известен способ разделения радона и торона по форме кривой рос-

та скорости счета импульсов альфа-излучения, измеренной внутри экс-

понируемой накопительной камеры [302–304]. В этом способе исполь-

зуют измерительное устройство (альфа-детектор), работающее в счет-

ном режиме, и накопительную камеру, внутри которой расположено

измерительное устройство. Способ совместного измерения ППР и ППТ

по альфа-излучению основан на анализе динамики накопления радона,

торона и продуктов их распада внутри НК (см. § 5.3). Простое решение

задачи было найдено после анализа кривой роста скорости счета им-

пульсов от альфа-излучения, образующегося при распаде накопленных

внутри НК изотопов радона и продуктов их распада (рис. 7.7).

Рис. 7.7. Динамика выхода альфа-частиц внутри накопительной камеры, об-

разующихся при радиоактивном распаде радона и дочерних продуктов его

распада (Rn), торона и дочерних продуктов его распада (Tn)

Видно, что кривая роста выхода альфа-частиц от торона и продук-

тов его распада имеет специфическую форму и определяется физиче-

скими свойствами радионуклидов, а именно, соотношением периодов

их полураспада. В момент времени, равный 6–7 мин. после начала на-

копления кривая (α Tn) выходит на насыщение (равновесное состояние)

и далее практически не изменяется. Рост выхода альфа-частиц от радона

и продуктов его распада (α Rn) имеет линейную форму.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Время накопления, мин.

Выход альфа-частиц, 1/с

α Rn+Tn

α Tn

α Rn