Методы и аппаратура для измерения средних значений объёмной активности радона в воздухе помещений

Методы и аппаратура, предназначенные для измерения средних значений ОА радона, характерных для длительных интервалов времени, основаны на использовании трековых, адсорбционных и электретных детекторов. Эти способы регистрации радона носят название интегральных методов. Они лишь недавно стали применяться в отечественной практике и поэтому недостаточно хорошо известны специалистам-радиоэкологам. Поэтому описание приборов предваряется изложением физической сущности этих методов.

Метод трековой радиометрии радона основан на способности альфа-частиц при прохождении через тонкие органические плёнки образовывать в них линейные дефекты, или треки, причём между ОА радона в воздухе, окружающем детектор, и количеством треков при определённых условиях сохраняется пропорциональность.

Трековый детектор (ТРД) для измерения ОА радона представляет собой тонкую плёнку из органического материала, помещённую в контейнер, снабжённый крышкой с диффузионным фильтром. Этот фильтр пропускает газообразный радон, но предотвращает попадание внутрь контейнера пыли, аэрозолей, содержащих дочерние продукты распада радона, и паров воды. Среднее время диффузии воздуха, содержащего радон, внутрь контейнера составляет около 2 ч. За этот период другие радиоактивные эманации — торон и актинон, период полураспада которых составляет около 56 и 4 с, распадаются, и их влияние на результаты измерений исключается.

На рис. 3.5 показано устройство одной из измерительных камер. Она состоит из корпуса 2 объёмом 100 см³ и крышки 3 с многочисленными отверстиями. В крышку вкладывается диффузионный фильтр 5. Воздух, содержащий радон, проходит в камеру через отверстия в крышке и диффузионный фильтр. Внутри камеры на специальных направляющих устанавливается рамка / размерами 50×50 мм, в окне которой закреплён ТРД 9- нитроцеллюлозная (НЦ) плёнка толщиной 10−15 мкм с рабочей поверхностью 16×23 мм. Рамка имеет отверстия 7, располагаемые в индивидуальном порядке, необходимом для её автоматической идентификации.

Рис. 3.5. Сборка пассивного трекового радиометра:

1 — рабочее окно рамки; 2 — пластмассовый стакан; 3 — крышка с отверстиями; 4 — диффузионный фильтр; 5 — прижимное кольцо; 6 — направляющие грани; 7 — маркировочные отверстия; 8 — прижимная рамка; 9- НЦ пленка В процессе экспонирования в атмосфере, содержащей радиоактивные эманации, в НЦ-плёнке образуются микроотверстия по следу (треку) альфа-частиц. Эти треки можно наблюдать в электронный микроскоп. Бесспорно, это дорогой способ, непригодный для практического счёта треков.

В 1972 г. в США был запатентован метод химического травления треков, который делает их видимыми в обычные оптические микроскопы с увеличением в 100−500 раз. Однако визуальный счёт плотности треков в детекторах с применением микроскопа является субъективной операцией, отнимающей достаточно много времени.

В настоящее время для подсчёта количества треков используется метод искрового счёта, идея и принципы которого были предложены еще в 1968 г. Его основным достоинством является объективность и возможность быстрого подсчёта треков на большей площади.

Обработка пленочного детектора после экспонирования и травления составляет три этапа. Целью первого, предварительного, этапа является создание сквозных отверстий в НЦплёнке по следам всех треков, включая не до конца протравленные, приповерхностные и наклонные.

Для этого протравленная НЦ-плёнка покрывается тонкой алюминизированной лавсановой (тефлоновой) пленкой и помещается между двумя электродами. На один из электродов подаётся напряжение, и при разности потенциалов, равной 700−900 В, происходит разряд через один из треков, канал которого представляет для электрического тока путь с наименьшим сопротивлением. Искра, образующаяся при разряде, прожигает отверстие в тонком слое алюминия. В результате проводящий путь для тока через трек прерывается и цепь короткого замыкания разрывается. Повторный пробой через тот же трек невозможен из-за наличия отверстия в алюминизированной плёнке. Напряжение на электродах вновь поднимается до тех пор, пока не произойдёт разряд через другой трек. Процесс продолжается до тех пор, пока все треки, включая не до конца протравленные, наклонные и приповерхностные, не станут сквозными.

Целью следующего, основного, этапа является подсчёт количества треков. Он выполняется при более низком напряжении, равном приблизительно 500 В и достаточном для проскока искры через сквозные отверстия треков. Возникающие при этом последовательные импульсы тока регистрируются специальными электронными схемами.

После окончания счёта на алюминиевой фольге видны пробитые током отверстия — реплики. Количество реплик равно числу сосчитанных треков и соответствует их пространственному распределению. Эти сведения могут быть использованы для контроля полученных результатов.

Наконец, цель третьего, заключительного, этапа состоит в расчёте ОА радона. Для этого используется градуировочная зависимость, построенная в координатах «количество треков ОА радона» путём экспонирования партии ТРД в атмосфере с известной концентрацией Rn-222.

Существуют определённые ограничения на продолжительность экспонирования ТРД. При уровнях ОА радона, обычных для помещений жилищного и общественного назначения, время измерения, как правило, не должно превышать трёх месяцев. Причина этого заключается в способности НЦ-плёнки со временем частично «залечивать» радиационные повреждения. Это явление называют федингом. При больших экспозициях могут возникнуть затруднения с правильным учётом влияния фединга на результаты измерений.

Другая причина проявляется при экспонировании ТРД в атмосфере с высокими значениями ОА радона. Она заключается в том, что две или несколько альфа-частиц могут попасть в одно и то же место на поверхности плёнки с образованием одного или нескольких практически совпадающих треков. При ОА радона, равной сотням или тысячам Бк/м³, количество совпавших треков может стать очень большим. Это приводит к вырождению градуировочной зависимости с образованием на ней практически горизонтального участка — плато. В результате ТРД становится неспособным к правильной регистрации объёмной активности радона и показывает резко заниженные результаты.

С учётом сказанного для ТРД с НЦ-плёнкой типа ДНЦ в зависимости от ожидаемой ОА радона в воздухе обследуемых помещений рекомендуются продолжительности экспонирования, представленные в табл. 3.2.

С учётом этого перед установкой ТРД целесообразно выполнять экспрессную оценку ОА радона в воздухе помещений с использованием инспекционных (мгновенных) методов. Это позволяет выбрать оптимальную продолжительность их экспонирования.

Другой интегральный метод измерения ОА радона основан на его способности адсорбироваться из воздуха на активированном угле. Определение ОА радона в этом случае производят путём измерения удельной активности радионуклидов РЬ-214 и Bi-214, образующихся при распаде радона, адсорбированного на угле. Сделать это оказывается достаточно просто, так как указанные радионуклиды обладают удобным для измерения спектром гамма-излучения (рис. 3.6).

Таблица 3.2

Рекомендуемая продолжительность экспонирования трековых детекторов при различных значениях ожидаемой ОА радона

Примечание. Рекомендуемые значения являются минимальными для минимальной ОА и максимальными для максимальной ОА.

Периоды полураспада РЬ-214 и Bi-214 составляют около 20 мин. Поэтому они быстро приходят в состояние радиоактивного равновесия с радоном, при котором активности материнского Rn-222 и дочерних РЬ-214 и Bi-214 равны.

Для удобства в работе активированный уголь обычно помещают в специальные ёмкости. Их устройство и внешний вид могут быть различными и определяются особенностями конкретных методик измерения. В частности, адсорбция радона может осуществляться в режимах пассивной диффузии воздуха в объёме адсорбера (это так называемые пассивные угольные адсорберы ПУА) или активной прокачки воздуха через адсорбер

(это — активные угольные адсорберы). Одна из возможных конструкций ПУА представляет собой сосуд Маринелли, изготовленный из перфорированной стали, с наружным диаметром 107 и высотой 78 мм при диаметре колодца 76 и глубине 50 мм. Сосуд заполнен активированным углем марки СКТ-2БПУА, засыпанным в мешок из стеклоткани. При экспонировании ПУА помещается в специальный мешок, ткань которого препятствует попаданию ДПР радона из воздуха помещения на уголь.

Рис. 3.6. Аппаратурный спектр гамма-излучения РЬ-214 и Bi-214, измеренный на сцинтилляционном спектрометре: проба № 1 — активированный уголь с ДПР радона; проба № 2 — регенерированный активированный уголь (фон).

Измерение ОА радона в воздухе с использованием угольных адсорберов предусматривает выполнение следующих четырёх основных операций.

• 1. Предварительная регенерация активированного угля, при которой с его поверхности удаляются (десорбируются) ранее адсорбированные вещества. В обычных условиях регенерация выполняется путём нагревания угольных адсорберов до
• 80 °C с выдержкой при этой температуре в течение 10−20 ч. Для ускорения работы и предотвращения частичного выгорания угля в атмосфере, содержащей кислород, эту операцию рекомендуется проводить в вакуумном сушильном шкафу при повышенных температурах и частичном разряжении.

После регенерации уголь охлаждается до 50−60 °С и адсорберы помещаются в герметичные контейнеры. Охлаждение можно выполнять на открытом воздухе, так как активированный уголь эффективно адсорбирует радон при температурах ниже 40 °C.

• 2. Экспозиция активированного угля в атмосфере, содержащей радон. Обычная продолжительность экспозиции при пассивной диффузии составляет от 24 до 72 ч и 30 мин при прокачке воздуха через адсорбер со скоростью 40 л/мин.
• 3. Изоляция и выдержка экспонированного угля в герметичном контейнере в течение полутора-двух часов для достижения радиоактивного равновесия между радоном и короткоживущими ДПР. Максимальная допустимая продолжительность выдержки ПУА в контейнере не должна превышать одного-двух периодов полураспада Rn-222, то есть 4−7 суток. За это время активность радона уменьшается в два-четыре раза, что должно учитываться при расчёте ОА радона.
• 4. Измерение удельной активности ДПР радона по их гамма-излучению и расчёт ОА радона по заранее построенной градуировочной зависимости.

Рентгенофлуоресцентная спектроскопия.

Методы рентгенофлуоресцентного анализа в настоящее время активно развиваются. Они отличаются многоэлементностью, высокой производительностью, сравнительно малыми трудозатратами. Наибольшее практическое значение имеет как вариант рентгеноспектральный метод, в основе его лежит анализ с дисперсией по длинам волн.