Определение концентрации радона в воздухе помещения жидко-сцинтилляционным методом

• Введение

  .

• 1. Обзор информации по радону
• 1.1 Изотопы и дочерние продукты радона
• 1.2 Оценка радиационного воздействия радона
• 1.3 Канцерогенная опасность радона
• 1.4 Физические свойства радона
• 2. Обзор методов оценки радоноопасности
• 2.1 Вариабельность ОА радона
• 2.2 Классификация методов измерения
• 2.3 Обзор интегрирующего трекового метода
• 2.4 Обзор интегрирующих методов с сорбцией на угле
• 2.5 Обзор аспирационного метода измерений (оценка ЭРОА)
• 2.6 Жидко-сцинтилляционный метод
• 3. Экспериментальная часть
• 3.1 Постановка задачи
• 3.2 Описание эксперимента
• 3.3 Модель кинетики активности радионуклидов в сцинтилляторе
• 3.4 Экспериментальные данные и их анализ
• Заключение
• Список используемой литературы
• Приложения
• радон сцинтилляционная методика

Согласно оценке НКДАР ООН (Научный Комитет по Действию Атомной радиации ООН), радон со своими ДПР ответственен за 2/3 годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением от источников радиации земного происхождения и примерно за половину этой дозы от всех естественных источников радиации. В принятом в 1996 г. Федеральном Законе «О радиационной безопасности населения» перечислены основные факторы, влияющие на степень опасности природных источников излучения. Многочисленные измерения показали, что содержание радона в помещениях может изменяться от единиц до 10⁵ Бк/м³. В силу указанных причин, необходимы измерения как ОА ДПР радона в воздухе так и непосредственно ОА радона.

Контроль содержания радона в воздухе помещений производится по объемной активности (ОА) радона, либо по объемной активности дочерних продуктов распада (ДПР) радона.

Для измерения объемной активности ДПР радона (или эквивалентной равновесной объемной активности радона) используется несколько разновидностей приборов с прокачкой воздуха в течение заданного интервала времени через фильтр, на котором осаждаются аэрозоли с ДПР, б — излучение или в — излучение которых регистрируется и/или спектрометрируется с помощью полупроводниковых или сцинтилляционных детекторов.

Для определения ОА радона применяются следующие схемы:

— отбор проб воздуха и анализ его на месте отбора или в лаборатории с помощью аппаратуры, регистрирующей ионизацию или сцинтилляцию, обусловленную б — частицами и в — частицами при распаде радона и ДПР;

— метод пассивной сорбции радона на активированном угле с прокачкой воздуха через патрон с углем с последующим измерением на г — спектрометре;

— прямое измерение ОА радона (без прокачки воздуха) радоновыми радиометрами, в качестве чувствительного элемента которых применяются полупроводниковые или сцинтилляционные детекторы;

— методы, основанные на использовании пассивных твердотельных детекторов (трековые диэлектрические детекторы, электретные или термолюминесцентные), помещенных в пробоотборную камеру, устроенную таким образом, что во внутренний объем проникает радон, но не попадают его ДПР.

Данная работа предлагает новый метод оценки ОА радона путем его абсорбции в жидком сцинтилляторе и последующего измерения в жидко-сцинтилляционном счетчике. Причины введения методики, ее достоинства и недостатки обсуждаются в гл. 3 во время постановки задачи.

1. Обзор информации по радону

1.1 Изотопы и дочерние продукты радона

Радон — самый тяжелый элемент восьмой группы периодической системы, единственный из благородных газов, не имеющий стабильных и долгоживущих изотопов. Электронная структура атома радона 4f¹⁴5d¹⁰6s²6p⁶. Ближайшим аналогом радона является ксенон.

Рис. 1.1 Радон в Периодической таблице

В 1899 г. М. Кюри обнаружила, что воздух, в контакте с которым находятся соединения радия, становится радиоактивным. В 1900 г. Резерфордом было показано, что это явление вызывается газообразным веществом, выделяющимся из радия (эманацией). Изучение эманации Ra-226 показало, что она по своим свойствам аналогична ксенону и другим благородным газам. Средняя атомная масса эманации оказалась равной 222. Все это определило положение в периодической системе нового элемента, названного радоном.

В настоящее время известно 23 изотопа радона с массовыми числами от 202 до 224 и периодами полураспада от 10^~6 с до 3,8 сут. Из них Rn-219, Rn-220, Rn-222 являются членами естественных радиоактивных рядов и встречаются в природе. Радоном назван наиболее долгоживущий и важнейший в практике изотоп эманации. Вместе с тем под названием «радон» объединяют всю группу эманации, поскольку все они непосредственно происходят от трех изотопов радия и имеют общие свойства, прежде всего свойства инертного газа.

От соседей по восьмой группе все виды радона отличает та особенность, что они — как природные, так и полученные искусственно — радиоактивны и образуются из радиоактивных элементов, находящихся в твердом или растворенном состоянии. Все естественные элементы с атомным весом больше 222 дают эманацию в процессе своего распада. Радиоактивность эманации закономерна: ядра их атомов перегружены нуклонами, они содержат 86 протонов и 118—136 нейтронов. Сочетание в атоме эманации неустойчивого ядра с замкнутой электронной оболочкой во всех слоях представляет явление абсолютно исключительное в природе. Вместе с тем это самый редкий, самый рассеянней самый тяжелый, самый токсичный из газов созданных природой. Известны четыре вида естественных эманации являющихся членами всех трех природных радиоактивных семейств. Каждая эманация являет собой одно из промежуточных звеньев в цепи распада соответствующего материнского элемента. В семействе урана-238 рождается главный член плеяды Rn-222 — непосредственное производное самого распространенного изотопа радия-226.

Наряду с этой эманацией в семействе урана возникает еще одна короткоживущая эманация Rn-218 — продукт, превращения Ро-218. Однако эта вторая разновидность радона образуется в ничтожно малых относительно первой разновидности количествах. В условиях установившегося радиоактивного равновесия массы Rn-218 и Rn-222 относятся как 1:10, к тому же его период полураспада составляет только 0,019 сек. Радон-218 можно также получить искусственно.

Третий естественный изотоп Rn-220 (торон) возникает в семействе тория как шестой от родоначальника и непосредственный продукт а-распада Ra-224. Наконец, Rn-219 (актинон) образуется из Ra-223 в семействе U-235.

Срок жизни всех изотопов эманации мал, и это обстоятельство, усугубляемое газообразным состоянием эманации определяет необычайную рассеянность и малое содержание ее на Земле. Наибольшим периодом полураспада обладает радон 3 дня 19 час 12 мин. У торона он равен 54,5 сек, у актинона — 3,92 сек. Представляет интерес и такое статистическое понятие, как средняя продолжительность жизни. Эта константа равна сумме времен существования всех атомов, деленной на исходное число атомов. Она приблизительно в 1,45 раза больше периода полураспада. Для радона равна 5,515 дня для торона — 78,62 сек, а для актинона — 5,65 сек. Наибольшая продолжительность жизни радона в сочетании с наибольшей продолжительностью жизни его предшественника Ra-226 среди изотопов радия определяет преимущественную распространенность радона в семействе эманации. Для самых долгоживущих искусственных изотопов период полураспада измеряется часами, для большинства же — минутами и секундами.

В результате а-распада, эманации превращаются в твердые радиоактивные изотопы, уже не имеющие отношения к группе инертных газов. В первой четверти XX века исследователи с помощью тонких экспериментов изучили сложную, часто разветвляющуюся цепь продуктов распада эманации и установили генетическую связь между ними. Не зная их истинной природы, нарекли производными радия — А, В, С, С', С", D, E, E', F и т. д. Позднее выяснилось, что это неустойчивые изотопы астата, полония, висмута, таллия, свинца. Последнее звено в цепи превращений радона — стабильный изотоп свинца Рb-206. Распад торона завершается образованием стабильного Рb-208, а актинона — Рb-207.

Характерна способность эманации придавать всем соприкасающимся с ними телам наведенную радиоактивность. Последняя есть прямое следствие того, что радон и его изотопы — газы, в результате распада которых образуются твердые радиоактивные вещества. Выделяясь из относительно разреженных газовых молекул, эти вещества оседают в виде тончайшего налета на поверхности тел. Так можно активировать предметы одежды, кожный покров животных и человека, стены, листы бумаги, металлические пластины и т. д. Состав излучения активных осадков сложен; в него входят б-частицы, в-частицы и г-кванты обширного энергетического спектра. Более однородна б-р адиация, возникающая при непосредственном распаде эманации, и при образовании их из предшественников. Электроны образующихся при б-распаде элементов сначала могут находиться в возбужденном состоянии. Порой возможен их переход на основной уровень. Такой процесс сопровождается испусканием г-лучей.

Подавляющая часть излучения всех изотопов радона приходится на б-частицы. Длина пробега в воздухе испускаемых радоном частиц равна 4,04 см. Намного меньше она в твердых и жидких телах. В силу сказанного не удается обнаружить какое-либо излучение через запаянную ампулу только что заполненную радоном: стенки ампулы всецело задерживают б-частицы; в-лучи и г-лучи регистрируются спустя некоторое время, в течение которого на внутренних стенках накапливается и подвергается распаду активный осадок.

1.2 Оценка радиационного воздействия радона

Радиационное воздействие радона можно определить двумя путями:

· измерение ОА газообразного радона;

· измерение ОА ДПР радона или ЭРОА.

Для оценки воздействия вводят понятие «скрытой» энергии и коэффициента равновесия F.

Скрытая энергия — это суммарная энергия б-излучения, которая выделяется при распаде всех короткоживущих ДПР (для ²²²Rn — до RaC', находящихся в единице объема воздуха в состоянии радиационного равновесия. Величина скрытой энергии пропорциональна мощности эквивалентной дозы, создаваемой ДПР радона в легочной ткани. Для определения радиационного воздействия произвольной смеси ДПР вводят величину, имеющую размерность ОА — эквивалентную равновесную объемную активность (ЭРОА) радона. ЭРОА радона определяется как такая ОА радона, находящегося в равновесии со своими ДПР, которая дает такую же величину скрытой энергии, что и данная неравновесная смесь ДПР.

Коэффициент равновесия определяется как отношение ЭРОА к реальной измеренной величине ОА радона:

. (1)

ЭРОА связана с ОА ДПР следующими соотношениями:

(2)

где C₁, C₂, C₃ — объемная активность ДПР ²¹⁸Po,²¹⁴Po и ²¹⁴Bi. Коэффициенты перед ОА характеризуют вклад данного ДПР в общую величину скрытой энергии.

Многочисленные измерения показывают, что типичный диапазон изменения коэффициента равновесия ²²²Rn в помещениях от 0,1 до 0,9, среднее значение — 0,5. F зависит от кратности воздухообмена в помещении и вероятности присоединения ДПР к аэрозолям. Измерение ОА радона дает оценку значения ЭРОА с учетом коэффициента равновесия, характерного для данных условий.

В соответствии с НРБ-99, при проектировании новых зданий жилищного и общественного назначения должно быть предусмотрено, чтобы среднегодовая ЭРОА дочерних продуктов радона в воздухе помещений не превышала 100 Бк/м³. В эксплуатируемых зданиях не превышала 200 Бк/м³.

1.3 Канцерогенная опасность радона

Природный радон, образующийся в процессе распада урана, содержащегося даже в небольших количествах в горных породах, постоянно поступает из земной коры в водную и воздушную среду. Он выделяется в смеси с тороном — продуктом распада тория. Зная активность и объем взятой пробы, можно определить содержание (удельную активность) радона в воздухе или в воде. Количество выделяющегося радиоактивного газа зависит от геологических особенностей местности. Содержание радона в природных водах колеблется в широких пределах. В обычных питьевых и речных водах содержится от 1 до 5 Бк/л, в морской воде — 1 Бк/л. В воде из артезианских скважин определяют удельную активность как правило в диапазоне 10−200 Бк/л.

Основная часть радона и его ДПР поступает в помещения из почвы под зданием, а также из строительных материалов, от обогащенных радоном воды и природного газа. Радиоактивность воздуха в подвалах в 8 — 25 раз выше атмосферного воздуха. Средняя ЭРОА изотопов радона для изолированных помещений составляет 25 Бк/м³. Чем выше расположено помещение, тем ниже ОА радона. Основным органом-мишенью, поражаемой радоном и его ДПР, являются легкие. В 2004 году был опубликован доклад Сары Дарби (Sara Darby) о риске вызванным радоном в жилых помещениях. Объектом исследования были 13 Европейских стран, 7148 людей с раком легких и 14 208 без рака. Результаты: средняя взвешенная ОА радона в домах людей в группе контроля была 97 Бк/м³, с измерением > 200 Бк/м³ — 11%, с измерением > 400 Бк/м³ — 4%. Для случаев рака легкого средняя ОА была 104 Бк/м³. Риск рака легкого увеличился на 8,4% (95%-ый доверительный интервал) при ОА радона 100 Бк/м³. Для пожизненно некурящих, в отсутствии других причин смерти, абсолютные риски рака легкого к возрасту 75 лет при ОА радона 0, 100, и 400 Бк/м³ были бы приблизительно 0,4%, 0,5%, 0,7%, соответственно. Для курильщиков риск возрастает в 25 раз (10%, 12%, и 16%).

Эти исследования доказали опасность радона в жилых помещениях, особенно для курильщиков и недавних экскурильщиков, и указывают, что радон ответственен приблизительно за 2% всех смертельных случаев от рака в Европе.

Необходима первичная профилактика. Прежде всего, это информирование населения об опасности радона и сочетанного воздействия его на организм. Наиболее эффективной формой является коллективная профилактика рака легких, требующая проведения комплекса мероприятий администрацией региона. В каждом регионе администрация данной территории — федерального округа, области (края) или муниципального образования — должна обеспечить формирование и выполнение программы работ по первичной профилактике рака на определенный период. Меры индивидуальной профилактики также необходимы. Это безусловный отказ от курения, использование респираторов при работе в условиях запыленности, обеспечение регулярной вентиляции жилых и производственных помещений, прежде всего расположенных в подвалах и на первых двух этажах зданий.

1.4 Физические свойства радона

При нормальных условиях радон — бесцветный одноатомный газ, сравнительно легко сжижающийся в бесцветную фосфоресцирующую жидкость. Радон мало растворим в воде, хотя несколько лучше, чем другие благородные газы. Значительно выше растворимость радона в органических жидкостях, причем в спиртах и жирных кислотах растворимость возрастает с ростом числа гомологических групп в молекуле растворителя.

Жидкий радон представляет собой бесцветную фосфоресцирующую жидкость плотностью около 5 г/см³. Плотность радона в газообразном состоянии 9,73−10^-3 г/см³. Физические свойства радона приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Физические свойства радона

2. Обзор методов оценки радоноопасности

2.1 Вариабельность ОА радона

Процессы поступления и накопления радона в помещениях в значительной степени вариабельны во времени. Так вариабельность конвективного поступления радона связана с изменениями давления и температуры атмосферного воздуха, а также скорости и направления ветра. Непостоянным во времени является скорость воздухообмена в помещении. Влияние этой характеристики на уровни ОА радона в помещении неоднозначно. С одной стороны дополнительное проветривание может позволить снизить ОА радона за счет поступления атмосферного воздуха, в котором содержание радона незначительно. С другой стороны следует учитывать, что скорость конвективного поступления в общем случае пропорциональна скорости воздухообмена.

Выделяют краткосрочные, сезонные и долгосрочные вариации ОА радона в жилище. Краткосрочные вариации связаны с изменением температуры и давления внутри помещения и во внешней атмосфере в течение суток (суточные вариации) или нескольких дней. Кроме того, оказывает влияние различный режим проветривания помещения в различное время суток, в будние и выходные дни. Сезонные вариации ОА радона обусловлены существенными различиями метеорологических параметров и условий содержания помещений в теплый (летний) и холодный (зимний) сезоны. Численные характеристики сезонных вариаций уровней накопления радона носят региональный характер. Краткосрочные и сезонные вариации ОА радона необходимо учитывать при радиационно-гигиенической экспертизе помещений.

Существует два подхода к приведению результатов измерения сезонной ОА радона к среднегодовому значению: температурная нормализация и сезонная нормализация. Нормализация по температуре предполагает связь ОА радона в жилище с температурой атмосферного воздуха. Применение температурной нормализации удобно, если имеется возможность пользоваться результатами регулярных наблюдений разветвленной метеорологической службы. Большая часть территории России характеризуется значительной межсезонной вариацией климатических параметров. При этом условии более удобным является применение сезонной нормализации с использованием некоторого соотношения ОА радона зимой и летом.

Долгосрочные изменения уровня накопления радона в помещениях являются следствием изменения со временем строительно-конструкционных характеристик здания, режима содержания помещения и состояния грунтов под зданием. Такие изменения происходят годами и должны учитываться при расчете экспозиции за продолжительный промежуток времени. В частности, такая задача может быть поставлена в радиационно-эпидемиологических исследованиях.

2.2 Классификация методов измерения

К настоящему времени разработан целый ряд методов измерений и соответствующих средств измерения, которые используются для проведения радоновых обследований. По измеряемому параметру средства измерения можно разделить на следующие группы:

· измерение ОА газообразного радона,

· измерение ОА ДПР или ЭРОА.

По используемому методу регистрации радиометрического сигнала выделяют следующие основные методы измерений:

· с использованием сцинтилляционных методов,

· с использованием спектрометрических методов,

· с использованием ионизационных камер,

· регистрация треков б-частиц.

По способу отбора проб выделяют пассивные и активные методы. К пассивным относятся:

· экспонирование твердотельных трековых детекторов,

· экспонирование угольных детекторов.

К методам активного отбора проб:

· отбор проб атмосферного аэрозоля на фильтр (аспирационный метод),

· прокачка воздуха через измерительную камеру.

По продолжительности отбора проб методы измерения подразделяются на следующие группы:

· мгновенные,

· интегрирующие краткосрочные,

· интегрирующие долгосрочные.

Наибольшее распространение в практике радоновых исследований получили следующие методы измерения.

2.3 Обзор интегрирующего трекового метода

Важными достоинствами такого метода измерения являются:

— высокая чувствительность к б-излучению,

— удобство в применении, относительно невысокая стоимость,

— возможность использования для долгосрочных интегрирующих измерений,

— нечувствительность к сопутствующему гизлучению и в-излучению,

— способность к длительному хранению информации.

Благодаря этим достоинствам трековые детекторы позволяют проводить массовые обследования уровней накопления радона в помещениях. Этот метод измерения применялся при проведении большинства национальных и региональных радоновых обследований и составляет основу радиационно-эпидемиологических исследований.

Определение ОА радона при помощи трековых детекторов основано на следующем принципе. Заряженные б-частицы, проходя через детектирующий материал (диэлектрик) производят радиационные нарушения в веществе. В результате вдоль траектории частицы образуется область с измененной структурой вещества, которая называется треком. Количество треков может быть подсчитаны вручную с использованием микроскопа, с применением цифровых систем распознавания изображений, а также других автоматизированных систем (например, электроискрового счетчика).

Продолжительное экспонирование интегральных трековых радиометров радона (от 1 до 6 месяцев) позволяет избежать ошибки, связанной с краткосрочными вариациями ОА радона, при оценке средней ОА радона в помещении. Одновременно недостатком интегрирующих методов можно считать невозможность выделить составляющую радиометрического сигнала соответствующую времени пребывания людей в помещении. Для оценки среднегодовой ОА радона по результатам единичного сезонного измерения требуется применение процедуры сезонной нормализации.

2.4 Обзор интегрирующих методов с сорбцией на угле

Массовое распространение угольных адсорберов в России и других странах для измерения ОА радона связано с удобством применения, возможностью регенерации и повторного использования активированного угля и меньшим временем экспонирования. Этим средством измерения оснащена значительная часть лабораторий радиационного контроля в системе Роспотребнадзора.

Принцип действия угольных адсорберов основан на способности активированного угля поглощать радон из окружающей атмосферы. Адсорбция его происходит пассивно, без использования принудительной прокачки. Определение абсолютной активности поглощенного активированным углем радона чаще всего производят с использованием ги в-радиометрических и спектрометрических методов.

Применение методов измерения ОА радона с использованием сорбции на активированном угле в радиационной эпидемиологии ограничено в связи с недостаточным максимальным периодом экспонирования. Угольные адсорберы позволяют получить информацию об ОА радона, усредненной за период 1−7 суток. Полученные этим методом данные, в большей степени зависят от краткосрочных вариаций ОА радона, чем результаты измерения трековыми детекторами.

Успехи в развитии методической базы радоновых измерений позволяют полностью отказаться от различных суррогатных подходов оценки воздействия от радона и ДПР в пользу индивидуальной оценки экспозиции на основе прямых измерений. Обычно в эпидемиологические исследования включаются когорты численностью несколько сотен, а иногда тысяч человек.

2.5 Обзор аспирационного метода измерений (оценка ЭРОА)

Этот метод (совокупность методов) измерения является наиболее экспрессным и позволяет определить ЭРОА радона непосредственно на месте по результатам короткого измерительного цикла. Однако, в этом случае результат измерения характеризует «мгновенное» значение ЭРОА и не учитывает даже суточные вариации ОА и ЭРОА радона. Не стоит говорить, что в данном случае не представляется возможным определить ОА газообразного радона, т.к. он не задерживается фильтром. Использовать формулу (1) невозможно, т.к. определить коэффициент равновесия еще сложнее. Использование же среднего коэффициента F будет вносить дополнительную неконтролируемую погрешность.

Метод состоит в осаждении ДПР на фильтр с последующим измерением активности. В зависимости от количества измерений и времени начала и окончания каждого измерения различают методы, называемые по фамилиям авторов, предложивших их. Минимально измеримая объемная активность ДПР радона зависит от производительности воздухозаборного устройства, эффективности фильтра и радиометрической установки, а также от используемого метода радиометрии фильтра. Методы различаются по информативности, трудоемкости, значению погрешности, обусловленному неизвестным сдвигом равновесия между ДПР радона.

На практике в основном используют методы одного, двух и трех измерений.

2.5.1 Аспирационный метод, основанный на одном измерении

Наиболее простой метод определения ЭРОА радона — метод Кузнеца.

Метод состоит в том, что воздух, содержащий радиоактивные аэрозоли, прокачивают через фильтр в течение 5 или 10 минут, а затем измеряют его активность при помощи полевого б-радиометра.

Величина ЭРОА радона (Бк/м³) определяется по формуле

где N-число импульсов, зарегистрированных б-детектором за интервал времени с Т₁ по Т₂ после окончания прокачки при времени прокачки t₀. Коэффициента К для различных условий измерений приведены в табл.

Значения коэффициента пересчета К для метода Кузнеца

Недостатки метода:

— фиксированные времена отбора проб, начала и окончания измерения,

— максимальная ошибка измерений, определяется сдвигом равновесия между ДПР, составляет 11?, во всем диапазоне времени прокачки и измерений величина постоянная,

— нельзя определить объемную активность отдельных дочерних продуктов распада.

Преимущества метода:

— позволяет достичь достаточно высокой чувствительности и приемлемой точности при определении ЭРОА радона воздухе,

— простой в применении.

2.5.2 Аспирационный метод, основанный на двух измерениях

В этом методе при времени прокачивания воздуха 5 минут суммарную активность измеряют дважды: сначала с первой до четвертой минуты (n₀), затем с седьмой по десятую минуты (n₁) после окончания отбора пробы.

Формулы для определения ОА каждого дочернего продукта распада радона имеют следующий вид:

где v — объемная скорость прокачивания, q_a q_b q_c— объемные активности Po-218, Pb-214, Po-214 соответственно.

Недостатки метода:

— фиксированные времена отбора проб, начала и окончания измерения,

— максимальная ошибка измерений ЭРОА составляет 40?, во всем диапазоне времени прокачки и измерений величина постоянная,

— объемные активности при сдвиге равновесия измеряются с ошибкой >100?

Преимущества метода:

— удобен для измерений на рудниках, где быстрота часто более важный фактор чем, чем высокая точность.

2.5.3 Аспирационный метод, основанный на трех измерениях

Формулы для проведения вычислений ОА ДПР радона трехточечным методом с различными временами фильтрации и измерения.

(7)

(8)

где f₁, f₂, f₃ - коэффициенты зависящие от времени прокачки (фильтрации), постоянных распада, начала и окончания отбора пробы; - время прокачки воздуха через фильтр, мин; T₁ и T₂— время начала и окончания измерения, мин. За начало отсчета берется время окончания прокачки; -объемная активность i-го дочернего продукта распада в воздухе, Бк/м³; е-эффективность регистрации б-излучения; з-эффективность аэрозольного фильтра; х-скорость прокачки воздуха через фильтр, л/мин.

Используя результаты расчета объемных активностей ДПР радона можно найти ЭРОА радона, воспользовавшись соотношением:

ЭРОА радона = 0,1046 q_a + 0,5161 q_b + 0,3793 q_c (9)

где q_a q_b q_c— объемные активности Po-218, Pb-214, Po-214 соответственно.

Недостатки метода:

— в методе используются один общий коэффициент проскока по каждому из ДПР радона, что приводит к погрешности нахождения их объемных активностей.

Преимущества метода:

— высокая точность измерений ЭРОА радона.

2.6 Жидко-сцинтилляционный метод

Основные аспекты ЖСМ

Прежде всего, нужно сказать, что применение жидко-сцинтилляционного метода не ограничивается анализом ОА радона и его ДПР. Его применяют в достаточно широкой области исследований. Например, при анализе низкоэнергетического в — излучения, когда велико поглощение электронов промежуточной средой между источником и детектором. Также его применение оправданно в случае анализа б — излучения, которое также очень хорошо поглощается средой (промежуточной).

Суть метода: радионуклид помещается в раствор или коллоидную суспензию в плотном контакте со сцинтилляционным материалом.

Рис. 1 Состав типового сцинтилляционного счетчика: H.V. — высокое напряжение, polished elevator cap — отполированная крышка подъемника.

Сцинтилляционный коктейль — смесь растворителя и растворенного сцинтиллятора (раствор).

Преимущества ЖСМ:

1) Нет самопоглощения, отсюда высокая эффективность регистрации.

2) ЖСМ обычно применяется для анализа слабых бета — излучателей (например, ¹⁴С, ³Н), но также может применяться для более энергетичных бета — излучателей, нуклидов ЭК и альфа — излучателей.

3) Легко автоматизирующийся анализ; часто предварительно устанавливается либо время либо вариант подсчета.

4) Высокоразвита технология подготовки пробы и отсчета.

Факторы, влияющие на разрешение в ЖСМ.

1. Энергия излучения: для детектирования сигналов от низкоэнергетических бета — частиц требуется высокий порог обнаружения, который в свою очередь требует минимизации фона.

2. Тип излучения: б-излучающие нуклиды конвертируют энергию в фотоны в 10 раз слабее, чем в-излучающие.

3. Инструментальный фактор: геометрическое расположение детекторов, фотоэлектронных умножителей и связанных электронных схем. Также очень важна температура сцинтиллятора.

4. Сцинтилляционный коктейль: состав сцинтилляционного раствора и распределение образца в коктейле оказывают влияние на эффективность и разрешение.

5. Тушение: оно выражается в уменьшении эффективности регистрации и сдвиге пиков спектра.

Жидкостно-сцинтилляционные коктейли.

Процессы в жидких сцинтилляторах: в (или б) излучение возбуждает молекулы растворителя; возбуждение передаётся столкновениями к другим молекулам растворителя и в конечном счете к молекуле сцинтиллятора. Сцинтиллятор излучает фотоны, энергетическое распределение которых связано со спектром флюоресценции сцинтиллятора.

Первичный сцинтиллятор (активатор) растворяется в соответствующем растворителе.

Требования к первичному сцинтиллятору: высокая степень растворимости активатора в растворителе и значительное перекрытие спектров излучения растворителя и спектров поглощения активатора.

Иногда к раствору добавляют еще один компонент. Вторичный сцинтиллятор добавляется в коктейль как сместитель длины волны. Требование: спектр поглощения вторичного сцинтиллятора должен перекрывать спектр излучения первичного сцинтиллятора.

Раствор — основной компонент коктейля, служит для растворения других компонентов и для сбора энергии падающей частицы, т. е. раствор выполняет функцию коллектора излучения.

Требования, предъявляемые к раствору:

1. Он должен эффективно переносить энергию сцинтиллятору.

2. Он должен растворять сцинтиллятор и анализируемое вещество в достаточных концентрациях.

3. Он не должен замерзать при рабочих температурах.

4. Стоимость и его качество (чистота) также важны.

Часто используются ароматические углеводороды, из-за их более высокого соответствия пункту 1.

a) Ксилол — самая большая величина импульсов для определенных активаторов.

b) Толуол — более дешевый, менее поглощающий флуоресцентный свет. Он рекомендуется для больших объемов.

c) Для водных растворов образцов — диоксан. Его добавление увеличивает растворимость.

d) Для водных растворов: тушение — это серьезная проблема. Для подавления тушения в раствор может быть добавлен нафталин.

Некоторые первичные сцинтилляторы:

1. PPO: 2−5-дифенилоксазол. Используется наиболее часто. Оптимальная концентрация 4−6 г/л.

Рис.2

2. Бутил — PBD: [2-(4-t-бутилфенил)-5-(4-бифенил)-1,3,4,оксадиазол]

Рис.3

Некоторые вторичные сцинтилляторы:

1. POPOP: 1,4-бис-2(5-фенилоксазолил)-бензол — наиболее часто используется, обычно совместно с PPO. Эффективный, но плохо растворимый. Концентрация 0,05−0,8 г/л.

Рис.4

2. Диметил-POPOP: 1,4-бис-2(4-метил-5−5-фенилоксазолил) — бензол. Концентрация 0,25−1,2 г/л.

Рис.5

3. Бис-MSB: p-бис-(0-метилстирол)-бензол более растворим чем POPOP или диметил POPOP.

Рис.6

Экспериментальные кюветы

Обычно сосуды (емкости для коктейлей) имеют объем 20 мл.

Они бывают:

· Стеклянные: они имеют высокий фон из-за содержания в стекле ⁴⁰К. Их нельзя использовать для измерения малых активностей.

· Кварцевые: лишены недостатка описанного выше, но они гораздо дороже.

· Пластмассовые (обычно полиэтиленовые). Они не дороги, но они не могут быть использованы для хранения образцов.

· Нейлоновые: во многом похожи на полиэтиленовые, но они не проницаемы для растворителей.

Подготовка образцов

a) Прямое растворение в ароматических растворителях.

b) Растворение с помощью четырехкомпонентных аммонийных баз — чтобы избежать цветного тушения.

c) Техника жидкостного горения: 60% HClO₄: 30% H₂O₂.

d) Подщелачивание эмульсионных коктейлей.

e) Использование милипоровых фильтров. При этом фильтры либо растворяются, либо суспендируются в гель.

Хемилюминесценция

В ЖСМ в результате возникающих паразитных люминесцентных событий происходит увеличение счета. Эти события относятся к хемилюминесценции — одиночного высвечивания фотона в результате химических реакций.

Процедуры, необходимые для минимизации хемилюминесценции:

· Избегать подготовки проб под флуоресцентным освещением или под прямыми солнечными лучами.

· Быть уверенным в том, что подготовленный образец охлажден, до его добавления в коктейль.

· Добавить максимальное количество воды, которая будет оставаться в растворе, когда образец смешается во сцинтилляционным раствором.

· Нейтрализовать подготовленный образец до pH 6−7 охлажденной уксусной кислотой.

· До отсчета подержите24 часа образец в темном месте при температуре 0 °C.

· Отрегулируйте сцинтилляционный счетчик на работу при наименьшей возможной температуре.

· Увеличьте нижний предел дискриминатора на жидком сцинтилляционном счетчике для отделения паразитных низкоэнергетических излучений. Это неприменимо для трития, прекрасно помогает при работе с высокоэнергетическими бетаизлучателями, такими как ³²P.

· И последнее: добавьте небольшое количество метанола, до тех пор пока не получите допустимый уровень фона.

Стоит отметить, что некоторые приводимые выше методики не только уменьшают интенсивность хемилюминесценции, но и уменьшают эффективность регистрации. Экспериментально установите условия для наибольшей эффективности регистрации и наименьшего фона.

Тушение

Тушение является наиболее вероятным источником ошибок в ЖСМ.

Тушение делится на три вида: фотонное, химическое и оптическое. Фотонное тушение возникает при незавершенном процессе передачи энергии от частицы раствору. Химическое тушение, иногда называемое примесным, возникает тогда, когда молекулы (атомы) примесного вещества перехватывают возбуждение от молекул растворителя, подавляя таким образом процесс переноса энергии активатору. Оптическое тушение возникает из-за поглощения фотонов молекулами раствора. Т. е. эти виды тушения подавляют процессы происходящие в сцинтилляторе. Оптическое тушение устраняется удалением цветных примесей.

Тушение приводит к сдвигу спектра в сторону меньших энергий.

Рис. 7. Сильные химические тушители — молекулы, содержащие электроотрицательные атомы такие как кислород (вода, воздух, кетоны, альдегиды) и галогениды.

Рис. 8 Изменение эффект. рег-ции T и ¹⁴C в завис-сти от конц. O₂.

Корректировка тушения

1. Метод внутреннего стандарта.

Обсчитывается неизвестный образец. Затем добавляется известное количество радиоактивности (стандарт), обычно 5 -10 нКи. Затем определяют фон счетчика .

Активность неизвестного образца высчитывается по формуле

где R_b-уровень фона; R₁-количество отсчетов неизвестного образца; R₂-количество отсчетов в системе «образец + стандарт», A_s — активность добавленного стандарта.

Эффективность детектора определяют как

Недостатки метода:

a) Первоначальный образец изменяется добавлением стандарта.

b) Нецелесообразно делать для большого числа образцов.

2. Метод внешнего стандарта В этом методе внешний источник используется, чтобы создать фотоэлектроны, которые будут имитировать внутренние стандарты. Для начала необходимо подготовить ряд потушенных источников известной активности, чтобы прокалибровать систему.

Рассчитываются калибровочные источники совместно и без внешнего источника. Разницу в скоростях счета называют г-инкриментом. Далее строят калибровочную кривую — соответствие между эффективностью регистрации и г-инкриментом. Эффективность регистрации определяют как

где Rнаблюдаемая скорость отсчетов, N — эталонный уровень активности.

Преимущества:

· За короткое время можно обработать множество источников.

· Первоначальный образец не изменяется.

Недостатки:

· г-инкримент линейно зависит от объема образца.

· Часто очень сложен из-за летучести органических растворителей сцинтилляционных коктейлей.

3. Метод отношения каналов.

Тушение не только уменьшает скорость отсчета, но также сдвигает спектр. Этот метод использует сдвиг как меру тушения и, т.о., определяет эффективность регистрации.

Требуется по крайней мере два независимых окна. Например.

Окно А: отсчеты/единицы времени между установками дискриминатора 1 и 2.

Окно В: отсчеты/единицы времени между установками дискриминатора 1 и 3.

Далее система калибруется с помощью набора потушенных источников. Определяется эффективность регистрации для каждого калибрующего источника.

Калибровочные кривые получаются соотнесением эффективности регистрации и отношения скоростей отсчета в окнах, А и В.

Преимущества:

· Чисто инструментальный.

Недостатки:

· Когда скорость отсчетов образца мала возникает большая погрешность из-за плохой статистики .

3. Экспериментальная часть

3.1 Постановка задачи

Как было отмечено выше, в настоящее время весьма пристальное внимание уделяется радиационной гигиене, в частности, в вопросах, связанных с радоном. Это требует разработки методов измерения, с одной стороны, очень точно дающих оценку активности радона (или его ДПР), с другой стороны — экспрессных и имеющих возможность оценить краткосрочные вариации ОА радона. Целью данной работы являлась разработка нового метода оценки ОА непосредственно газообразного радона. При привлечении спектрометрических методов появляется возможность оценить ОА некоторых ДПР радона.

Выбор для основы нового метода жидко-сцинтилляционной методики обусловлен тем, что многие органические растворители, являющиеся основой для жидко-сцинтилляционных коктейлей, имеют высокие коэффициенты Освальда (коэффициенты растворимости) для радона, что делает возможным прямое поглощение радона сцинтиллятором с последующим измерением на спектрометре (детекторе). Т. е. в данном случае, сцинтиллятор, а именно его первичный растворитель, выступают в роли коллектора радона, поглощая его из воздуха.

За неимением эталона газообразного радона данный метод использует относительное измерение ОА радона. Эталонным методом, проверяющим данный, является аспирационный метод, основанный на двух измерениях (метод Маркова).

Более подробно метод будет описан ниже.

Второй частью эксперимента являлось практическое применение предложенного метода. Было рассмотрено влияние генераторов электрического поля, например люстры Чижевского на ЭРОА и ОА радона.

3.2 Описание эксперимента

Блок-схема эксперимента

Суть эксперимента: воздух из бокса, содержащий радон и его ДПР, вводится прямо в сосуд со сцинтиллятором OptiPhase HiSafe III методом барботирования. Время необходимое для установления концентрационного равновесия между радоном в сцинтилляторе и в воздухе составляет несколько минут (~ 5 минут). После достижения концентрационного равновесия из сосуда берется необходимое количество сцинтиллятора (обычно 20 мл — объем экспериментальной кюветы) и выдерживается определенное время для достижения радиационного равновесия (в случае простого радиометрического исследования концентрации газообразного радона порядка 2 — 2,5 ч). Затем проба обследуется на жидко-сцинтилляционном счетчике. Концентрация газообразного радона находится как треть произведения общей б — активности сцинтиллятора на коэффициент Освальда, деленная на объем сцинтиллятора.

В случае, когда необходимо и возможно спектрометрическое исследование, условия на время выдержки и время измерения — специфические для каждого отдельного случая и определяются целями исследования.

3.3 Модель кинетики активности радионуклидов в сцинтилляторе

Многие радиоактивные ядра, претерпевая радиоактивный распад, образуют цепочки радиоактивных элементов. Одним из них является радон (²²²Rn), который, распадаясь, порождает целую плеяду радиоактивных элементов. Цепочка радона является составной частью более обширной цепочки распада ²³⁸U. Цепочку радона обычно обрывают на ²¹⁰Pb, который имеет период полураспада 22 года и условно, в случае радона, считается «стабильным». Т.о. цепочку радона образуют следующие элементы в следующем порядке (здесь опущены каналы распада малой вероятности):

. (13)

Количество N_i любого радиоактивного изотопа можно найти, если известно его количество, образующееся в веществе в единицу времени:

где — скорость образования изотопа;

— скорость распада изотопа.

Общее решение (14) имеет вид

или

(16) для активности.

i=0 (изотоп ²²²Rn): , — скорость поступления радона в сцинтиллятор из воздуха. Период полураспада радона — большой (~4 суток), следовательно, можно считать, что процесс распада радона не влияет в значительной степени на процесс растворения радона. Поэтому процесс растворения радона в сцинтилляторе можно рассматривать как процесс растворения простого нерадиоактивного идеального газа в жидкости.

Для упрощения будем считать, что барботаж — процесс молекулярной диффузии. Обозначим t_про — время прокачки.

В источнике (1) показано, что при процессе диффузии концентрация газа, необразующего связи с молекулами раствора, изменяется по закону и, следовательно, его активность

(17')

где — концентрация радона в воздухе над сцинтиллятором; - объем сцинтиллятора; L — коэффициент Освальда; D — коэффициент диффузии, зависящий от характеристик процесса барботажа (в частности от скорости прокачки). Эти расчеты верны, если время прокачки не слишком велико, т. е. распадом радона во время прокачки можно пренебречь. Это верно, если. Проведенный эксперимент подтвердил эту гипотезу и позволил оценить коэффициент диффузии D. Данные будут обсуждены ниже.

Из (17') видно, что активность радона в сцинтилляторе растет до определенного значения, численно равного, затем рост останавливается и наступает равновесие. На этом явлении основана сама методика эксперимента: активность радона в сцинтилляторе ограничена значением, пропорциональным внешнему параметру — активности радона в воздухе. Из (17) можно получить параметр процесса t_прок. Он должен быть таким, чтобы, из этого или Далее рассмотрим кинетику ДПР радона после прокачки. Во время прокачки ее отследить не представляется возможным изза ограничений эксперимента (невозможно спектрально разделить некоторые изотопы)

i=1 (изотоп ²¹⁸Po).

Обозначим количество ²¹⁸Po, накопленного при процессе барботажа, через N₀₁.

Скорость образования полония Q (t) имеет вид

где

.

Подставляя Q (t) в (16) получаем для активности полония — 218:

(19)

Т.к., то при достаточно больших t слагаемым можно пренебречь, а также слагаемым. Получаем

. (19')

Т.е. ²¹⁸Po начинает «жить» по закону распада радона. Это явление называется радиоактивным равновесием. Видно, что в условиях радиоактивного равновесия. Это отражение того факта, что в условиях радиоактивного равновесия скорость распада элемента равна скорости его образования.

Время достижения равновесия можно получить следующим образом

. Отсюда. (20)

На практике это означает, что уже при условие равновесия уже достаточно хорошо соблюдается и отличается от равновесной не более чем на 1%.

Равновесие наступает через 5*3мин?15 мин.

i=2 (изотоп ²¹⁴Pb).

Обозначим количество ²¹⁴Pb, накопленного при процессе барботажа, через N₀₂.

Скорость образования свинца Q (t) имеет вид

. (21)

Тогда активность ²¹⁴Pb такова:

. (22)

Рассмотрим полученный результат. Постоянные распада соотносятся между собой как. Поэтому с течением времени сначала исчезнут слагаемые с, затем с и в итоге останутся слагаемые только с, т. е. снова наступит равновесие. В итоге активность ²¹⁴Pb будет релаксировать к равновесному состоянию по своему закону распада, а не по закону своего «предка» ²¹⁸Po. Долгоживущий потомок короткоживущего предка живет по своему закону распада. Равновесная активность ²¹⁴Pb:, т. е. снова равна активности радона. Время наступления равновесия: t_равн = 5−10 134 мин.

i=3 (изотоп ²¹⁴Bi).

Обозначим количество ²¹⁴Bi, накопленного при процессе барботажа, через N₀₃.

Скорость образования висмута Q (t) имеет вид

. (23)

Активность висмута будет находится по формуле подобной (22): в нее будут входить слагаемые, , и. Постоянные распада соотносятся как. Видно, что с течением времени сначала исчезнут слагаемые с, затем с и, напоследок,. В итоге снова останутся слагаемые только с — случай равновесия. Видно, что на последнем этапе активность ²¹⁴Bi будет изменяться по закону изменения ²¹⁴Pb: короткоживущий потомок на иждивении долгоживущего предка. Равновесие снова наступит через 134 минуты. Равновесная активность ²¹⁴Bi будет равна активности радона.

По аналогии можно рассчитать кинетику активности ²¹⁴Po. Снова, т.к., наступление равновесия определится кинетикой ²¹⁴Pb, т. е. через 134 минуты. Равновесная активность ²¹⁴Pb равна активности радона.

В итоге можно заключить следующее.

В процессе прокачки (барботирования) воздуха через сцинтиллятор в нем растворяется радон и оседают ДПР радона. Радона растворяется ограниченное количество, определяемое составом жидкости и внешними условиями: давлением и температурой.

После окончания барботажа начинается процесс установления радиоактивного равновесия.

Причем кинетика установления равновесия различна для разных изотопов. Если ²¹⁸Po входит в равновесие через 15 минут, то оставшиеся изотопы достигают равновесия через ~2 часа (134 мин). Причина заключается в том, что ²¹⁸Po является прямым потомком радона и достигает равновесия в согласии со своим законом распада. В то время как оставшиеся изотопы привязаны на состояние изотопа ²¹⁴Pb и, пока он не придет в равновесие, не придут в него и они.

Т.о. общее радиоактивное равновесие будет достигнуто через 2 часа (134 мин), и следовательно, параметр методики «время выдержки» следует положить равным 134 минутам.

Оставшиеся параметры методики, а именно, оптимальное время измерения и оптимальный объем сцинтиллятора подбираются, исходя из физических соображений, достоверности результатов, удобства. Время измерения подбирают, с одной стороны, так, чтобы была собрана хорошая статистика (нужное количество отсчетов), с другой, при анализе кратковременных процессов выбирается меньшее время.

Также и объем сцинтиллятора. Чем больше он будет, тем большую активность мы будем измерять. В случае радиометрического исследования всегда берется максимальный объем сцинтиллятора. В случае же спектрометрического исследования необходимо учитывать, что с увеличением объема сцинтиллятора ухудшается энергетическое разрешение сцинтиллятора, и необходимо брать такой объем сцинтиллятора, чтобы можно было расшифровать спектр.

3.4 Экспериментальные данные и их анализ

1. Спектр и его анализ

Анализ б — спектра (разложение на составляющие) производился автоматически методом нелинейной регрессии.

Пример спектра, получаемого со спектрометра.

б — спектр

в — спектр Анализ в — спектра не производился.

Пример анализа спектра

2. Оценка влияния времени прокачки

t_прок=

Из графиков видно, что кинетика активности радона в сцинтилляторе очень хорошо согласуется с теорией (формула (17')). Активность радона растет как и при прокачке приблизительно 800 мл воздуха, насыщенного радоном наступает равновесие. При скорости прокачки 10 л/мин это соответствует времени прокачки. Далее был рассмотрен вопрос о влиянии концентрации радона в воздухе на скорость кинетики активности радона в сцинтилляторе.

Для этого была произведена прокачка воздуха из комнаты, где концентрация радона по порядок ниже (~100−200 Бк/м³). Результаты даны ниже.