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

Подождите немного. Документ загружается.

исходит накопление продуктов распада и ионизация воздуха. Радон

также может выходить из камеры через вентили, следовательно, внутри

камеры устанавливается полуравновесная концентрация. После экспо-

нирования измеряют падение напряжения за счет радона стандартным

измерителем (рис. 6.14).

Рис. 6.12. Внешний вид системы E-PERM

Рис. 6.13. Схема измерения плотности потока радона системой E-PERM:

1 – электрет; 2 – грунт; 3 – диффузионный фильтр; 4 – открытое основание НК;

5 – НК; 6 – четыре симметричных отверстия, закрытые фильтрами

Для определения фоновой скорости разрядки (В/ч) за счет гамма-

излучения от пористого материала (грунта) помещают между материа-

лом и камерой алюминиевую фольгу [283]. Скорость разрядки электрета

характеризует плотность потока радона. Камеры предварительно калиб-

руют в аккредитованных лабораториях для установления коэффициента

переводящего показания измерителя в единицы плотности потока радо-

на.

Рис. 6.14. Система измерения заряда электрета: а) без электрета; б) с ус-

тановленным электретом

6.2.2. МГНОВЕННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ НЕВОЗМУЩЕННОГО

ПОТОКА РАДОНА

Описанный в предыдущем параграфе электретный метод относится

к квазиинтегральным и не позволяет изучать динамику величины ППР в

течение суток, что является необходимым при решении многих при-

кладных задач.

Оригинальный метод динамической накопительной камеры был

разработан в работе [151] с использованием сцинтилляционного детек-

тора для измерения активности радона. Метод позволяет производить

непрерывные измерения ППР с поверхности грунта при длительности

одного измерения 1 час. Здесь используется накопительная камера с от-

верстием, через которое может свободно проникать окружающий воз-

дух, и система принудительной прокачки воздуха (вместе с почвенным

радоном) из накопительной камеры в измерительную камеру радиомет-

ра на основе сцинтилляционного детектора ZnS. Детектор регистрирует

количество импульсов от альфа-частиц. Достоинством метода является

отсутствие необходимости использовать автоматически открывающую-

ся и закрывающуюся накопительную камеру, как это требуется во всех

модификациях метода статической камеры, для того, чтобы получать

непрерывные ряды данных о ППР без присутствия оператора. Недос-

татком метода является неучет влияния альфа-излучения торона и про-

дуктов его распада на результат измерения, что может существенно по-

высить его неопределенность.

6.3. ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА С ПОВЕРХНОСТИ

ОБРАЗЦОВ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Данная категория методов измерения плотности потока радона из

образцов пористых материалов, в т.ч. и грунта, относится к лаборатор-

ным методам. Ее описание выведено в отдельный параграф в связи с

принципиальным отличием в физическом смысле измеряемой величи-

ны, а также отличием в методике измерения. Длительность одного из-

мерения величины ППР для одного образца пористого материала со-

ставляет от 1 до 3-х месяцев. Не смотря на то, что измеряемая величина

называется плотностью потока радона с поверхности пористого мате-

риала (грунта), она скорее характеризует эманирующую способность

материала и не соответствует измеренной в полевых условиях. Отличие

наблюдается также и в конструкции накопительной камеры, внутрь ко-

торой помещают исследуемый образец, и которую герметично закупо-

ривают на весь период измерения.

Изучение величины ППР с поверхности строительных материалов

необходимо для прогнозирования ожидаемых уровней радона внутри

помещений планируемого к строительству здания. В действующих на

территории РФ нормативных документах, касающихся радиационной

безопасности населения, нормируемой величиной является эффективная

удельная активность радионуклидов естественного происхождения, со-

держащихся в строительных материалах. Таким образом, на начальной

стадии строительства зданий контролируют только содержание

226

Ra и

232

Th в строительных материалах. Однако, эта информация не

достаточна для прогнозных оценок потенциальных уровней радона.

Требуется знать плотность, пористость материала и другие его характе-

ристики. Поэтому, в последнее время, активно обсуждается вопрос о

введении еще одной нормируемой величины – плотности потока радона

с поверхности строительного материала.

Детальное описание разных методов измерения ППР с поверхности

образцов строительных материалов или грунта в лабораторных услови-

ях дано в работе [284]. Показано, что в связи с большой длительностью

одного измерения на результат измерения начинают сказываться такие

процессы как утечка радона из НК и обратная диффузия радона из воз-

духа НК в поровое пространство материала. В работе [284] детально

рассмотрены процессы обратной диффузии и утечки, способы их оцен-

ки и устранения, а также вопросы, связанные с учетом фона.

Основными методами, используемыми для оценки скорости выде-

ления радона из образца пористого материала, являются: 1) метод за-

крытой камеры; и 2) метод открытой камеры. Метод закрытой камеры, в

свою очередь, подразделяется на: а) метод закрытого образца; и б) ме-

тод аккумулирования.

Метод закрытого образца (ESM) [285] является самым распростра-

ненным способом оценки скорость выделения радона из строительного

материала. Образец в этом методе помещается в воздухонепроницаемый

контейнер (накопительную камеру), что приводит к росту активности

радона в воздушном объеме. Изменение активности радона в свободном

объеме камеры V, м

, с течением времени описывается следующим

уравнением

-1

))]( λλexp(-[1)λexp()( VtEtAtA 

(6.13)

где E – скорость выхода радона (поток радона) из пористого материала,

Бк/с.

Уравнение (6.13) составлено в предположении, что начальная (фо-

новая) активность радона в воздухе НК намного ниже, чем активность

радона в воздухе пор исследуемого образца. Процессы утечки радона из

НК и обратной диффузии можно учесть введением эффективной по-

стоянной распада λ

. Таким образом, уравнение (6.13) преобразуется к

следующему виду

-1***

))]( λλexp(-[1)λexp( VtEtAA 

(6.14)

где λ

=λ+λ

b,l

, λ

b,l

– постоянная удаления радона из объема НК за счет

процессов обратной диффузии «b» и утечки «l».

Метод аккумулирования (AM) применяют в случае необходимости

измерения ППР с поверхности готовых строительных конструкций, на-

пример, с поверхности бетонной плиты. Метод аккумулирования отли-

чается от метода накопительной камеры, применяемого для грунта,

только способом установки НК на поверхность строительной конструк-

ции (плиты). Поскольку, в данном случае вдавить края НК в плиту не-

возможно, ее закрепляют на поверхности различными способами. Соот-

ветственно, в этом методе эффекты обратной диффузии и утечки прояв-

ляются сильнее.

В методе открытой камеры (OCM) измерения потока радона вы-

полняют в контейнере с отверстиями для проветривания. Внутрь кон-

тейнера помещают исследуемый образец. Радон, выходящий из мате-

риала образца, непрерывно откачивают с помощью насоса с фиксиро-

ванной скорость. При этом, через отверстия поступает воздух из окру-

жающей среды. Здесь важно производить измерения в атмосфере с низ-

кой и известной активностью радона. Установившаяся активность радо-

на в воздухе контейнера определяется следующим соотношением

)λ( AVEA 



(6.15)

где λ

– скорость воздухообмена в контейнере, с

-1

Для снижения эффекта обратной диффузии очень важно поддержи-

вать активность радона в воздухе НК ниже активности в воздухе пор

исследуемого материала. В камерах с малым объемом этот эффект про-

является быстрее.

Анализ результатов работ [286288] показал, что при выборе НК со

свободным объемом в 10 раз большим, чем объем пор исследуемого об-

разца, можно существенно снизить эффект обратной диффузии. В слу-

чае, если все же необходимо работать с небольшими камерами, тогда

необходимо снижать длительность одного измерения.

Интерес к исследованиям потоков торона с поверхности строи-

тельных материалов возник в связи с обнаружением больших уровней

торона внутри жилых помещений [289293]. Результаты исследования

ППТ с поверхности строительных материалов показали довольно боль-

шой диапазон изменения этой величины: 8–3020 мБк м

-2

-1

[73,

294296]. Появились работы, в которых предложено строительные ма-

териалы классифицировать на основе величин ППР и ППТ [73, 74], из-

меряемых одновременно в одинаковых условиях, с последующим со-

ставлением каталогов строительных материалов. Такой подход кажется

более предпочтительным, чем классификация строительных материалов

на основе индекса удельной активности радионуклидов

238

232

Th и

K., поскольку в величинах ППР и ППТ автоматически учитываются

такие физико-геологические характеристики грунтов, как их плотность

и пористость, размер гранул.

Пример схемы для одновременного измерения ППР и ППТ с по-

верхности пористого материала (грунта) представлен на рис. 6.15. Дан-

ная схема была реализована с радиометром RAD7 на основе полупро-

водникового детектора в работе [73]. Образец грунта, подготавливали

так же, как и для гамма-спетрометрического анализа, затем его помеща-

ли внутрь накопительной камеры объемом 4,3 литра изготовленной из

поливинилхлорида в форме куба. Как показали исследования по упа-

ковке и хранению радиоактивных отходов [297] поливинилхлорид мо-

жет считаться непроницаемым для радона материалом.

Накопительную камеру соединяли через виниловые шланги к осу-

шающему газ модулю, заполненному осушителем (CaSO

c 3%-ым

CoCl

) и к радиометру радона RAD7. Дополнительно накопительную

камеру оборудовали запорными клапанами, установленными на проти-

воположных сторонах. Камеру герметично закрывали и выдерживали в

течение 20 дней.

Рис. 6.15. Схема измерения плотности потоков радона и торона из

образца пористого материала

Принцип работы схемы (рис. 6.15) заключается в следующем. Ра-

диометр с помощью встроенной воздуходувки прокачивает воздух из

накопительной камеры, через осушитель и фильтр входного отверстия

внутрь измерительной камеры радиометра. Затем воздух возвращается

по замкнутому виниловому шлангу назад в накопительную камеру. Ра-

диометр измеряет энергетический спектр альфа излучения, который

расшифровывается с помощью программного обеспечения с последую-

щим определением объемной активности радона и торона. Измерения

кривой роста объемной активности радона/торона производили в тече-

ние всего периода накопления с цикличностью 2 ч. Затем, определяли

величины ППР и ППТ. Подобную схему исследования образцов грунта

в лабораторных условиях использовали в работах [168, 298].

6.4. ТРЕКОВЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА

РАДОНА

Трековый метод наиболее широко применяют для измерения объ-

емной активности радона в почвенном воздухе и атмосфере зданий

[203–206]. Однако, трековый метод также нашел свое применение и при

измерении плотности потока радона и торона с поверхности пористых

материалов [106, 182, 189–202].

Трековый метод основан на характерном для большинства диэлек-

триков эффекте, заключающемся в том, что заряженная частица, двига-

ясь в диэлектрике, оставляет вдоль своей траектории зону стабильных

структурных нарушений (латентные треки). Поперечный размер ее

очень мал (~ 10

-9

–10

-8

см). Образованную зону структурных нарушений

можно увеличить до размеров 10

-4

–10

-2

см обработкой в подходящем

химическом реагенте (водный раствор щелочи).

Плотность треков определяется удельными ионизационными поте-

рями энергии частицы в детекторе. Для каждого диэлектрика существу-

ет пороговое значение удельных ионизационных потерь энергии, ниже

которого выявление трека невозможно. Это позволяет использовать ди-

электрические трековые детекторы для регистрации тяжелых заряжен-

ных частиц на фоне рентгеновского излучения или электронов.

Для измерения ОА радона применяют полимерные материалы.

Широкое применение нашли такие материалы, как нитроцеллюлоза

(LR-115, CA-80-15, CN-85, Daicell), поликарбонат (Lexan, Macrofoil E),

аллилгликолькарбонат (CR-39). Например, нитратцеллюлозные треко-

вые детекторы представляют собой тонкий детектирующий слой поли-

мера (8–14 мкм), нанесенный на полиэтилентерефталатную основу

(100 мкм). Более подробную информацию о марках и разновидностях

трековых детекторов можно найти в работах [203–205].

Принцип измерения объемной активности радона трековыми де-

текторами следующий. Трековый детектор обычно устанавливают в

держатель по типу пялец, снабженный тормозящим фильтром -частиц,

затем помещают в пробоотборную камеру (индивидуальный пассивный

радиометр радона), снабженную мембранным диффузионным фильт-

ром, который выполняет следующие функции:

1. не пропускает в камеру аэрозольную компоненту;

2. отсекает торон (

220

Rn) благодаря подобранной толщине фильтра,

которая обеспечивает время диффузии ( 2 часов), во много раз

больше, чем период полураспада торона;

3. предохраняет детектор от попадания влаги;

4. обеспечивает стабильную атмосферу внутри камеры и, как след-

ствие, постоянные характеристики распределения ДПР на стен-

ках камеры.

Такой пробоотборник с трековым детектором экспонируют в ана-

лизируемом воздухе ( в том числе и внутри накопительной камеры) в

течение заданного времени. Во время экспозиции (регистрации) воз-

душный радон диффундирует через фильтр и попадает во внутренний

объем камеры, где он распадается с испусканием -частиц. Затормо-

женные фильтром -частицы радона и его дочерних продуктов распада,

проходя через материал трекового детектора создают латентные треки.

После экспонирования из пробоотборной камеры извлекают треко-

вый детектор и производят с помощью травильного устройства химиче-

ское травление трекового детектора в строго определенных условиях

(время травления, температура и рН раствора). Обработанные трековые

детекторы сушат, а затем с помощью считывающего устройства под-

считывают плотность треков.

Скорость растворения неповрежденного материала полимера (по-

верхности детекторов) меньше, чем скорость растворения поврежденно-

го материала (трека), поэтому после травления размеры треков увели-

чиваются до нескольких мкм. Количество проявленных треков пропор-

ционально объемной активности радона и времени экспозиции радио-

метра. Коэффициент пропорциональности для данного типа пленки и

условий обработки постоянен и определяется в эталонной радоновой

атмосфере при аттестации комплекса.

Подсчет числа протравленных треков после химической обработки

детектора осуществляется визуально (с помощью оптического микро-

скопа) или электроискровым счетчиком.

Электроискровой счетчик работает по следующему принципу. Между

двумя электродами (пластина, алюминизированая лента), которые пред-

ставляют собой конденсатор, помещают трековый детектор. Через

сквозные треки в детекторе происходит искровой пробой. Мощность

разряда достаточна для пробоя только одного трека. После последую-

щего заряда конденсатора второй разряд на том же треке не происходит

из-за локального испарения металла алюминизированой ленты, поэтому

пробивается следующий и т.д. хаотически по площади детектора проби-

ваются все сквозные треки.

После подсчета числа треков на детекторе объемную активность

радона в воздухе рассчитывается по формуле

nSn





, (6.16)

где n – среднее число импульсов искрового счетчика; S

– площадь

электрода счетчика, см

-2

; n

– среднее число фоновых импульсов для

данной пленки и условий химической обработки (указывается в метро-

логическом свидетельстве); t – время экспозиции в сутках; d – коэффи-

циент чувствительности к радону (указан в метрологическом свидетель-

стве).

Трековый метод используют, в основном, в лабораторных условиях

для измерения ППР с единицы массы образца пористого материала. Об-

разец и трековый детектор (LR-115 или CR-39) помещают внутрь НК на

определенное расстояние от поверхности образца, которое в разных ме-

тодиках различается от 15 до 25 см, герметично закрывают камеру и

выдерживают длительное время от 1 до 3 месяцев. Затем определяют

накопленную активность по плотности треков. Данный метод был ис-

пользован в работах [106, 190, 191, 194196, 198200]. Значение ППР,

Бк м

-2

-1

, получают из выражения [189, 191]

 

)1(/1 

 T



, (6.17)

где

– измеренное трековым детектором интегральное значение ОА

радона внутри НК, Бк с м

-3

;

– время выдержки образца внутри закры-

той НК, с.

На трековом методе основаны комплексы для измерения инте-

гральной объемной активности радона в воздухе КСИРА 201020 (АО

"Аквилон" г. Санкт-Петербург), АИСТ-ТРАЛ (г. Санкт-Петербург),

внешний вид которого представлен на рис. 6.16, комплект "ТРЕК-РЭИ-

1М" (ГКРЭИ, Россия), представленный на рис. 6.17.

Рис. 6.16. Трековый комплекс АИСТ-ТРАЛ

Рис. 6.17. Комплект "ТРЕК-РЭИ-1М": а) пассивный радиометр с детектором,

заправленным в пяльцы; б) установка для травления трековых детекторов