Альфа радиометрия жидкости на основе аэроионного детектора
Методы, основанные на предварительной подготовке пробы жидкости перед измерением для концентрировании радионуклидов, являются более чувствительными, чем прямое измерение интенсивности альфа-излучения жидкости. Но для экологического мониторинга эти методы не подходят, и поэтому разработан метод, основанный на принципе аэроионной топометрии. Преимущество этого метода заключается в том, что… Читать ещё >
Альфа радиометрия жидкости на основе аэроионного детектора (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Содержание
- Актуальность темы исследований
- Цель диссертационной работы
- Основные результаты работы
- Научная новизна результатов работы
- Научная и практическая ценность работы
- Автором выносятся на защиту
- Апробация работы
- Публикации
- Структура диссертации
- 1. Приборы и методы альфа радиометрии жидкости
- 1. 1. Основные источники альфа радиоактивного загрязнения в воде
- 1. 2. Альфа-радиометрия жидкости
- 1. 2. 1. Альфа-радиометрия с помощью жидко-сцинтилляционных счетчиков
- 1. 2. 2. Измерение альфа-радиоактивного загрязнения проточной воды
- 1. 2. 3. Измерение концентрации альфа радионуклидов в воде
- 1. 2. 3. 1. Измерение концентрации радиоактивного изотопа Ян222 в воде
- 1. 2. 3. 2. Измерение концентрации радиоактивного изотопа Яа226 в воде
- 1. 2. 3. 3. Измерение концентрации радиоактивного изотопа и — в воде
- 1. 3. Используемые детекторы сегодня в России и их характеристики
- 1. 4. Выводы
- 2. 1. Образование аэроионов
- 2. 2. Подвижность аэроионов
- 2. 3. Типы аэроионов
- 2. 3. 1. Концентрация малых ионов в атмосфере
- 2. 4. Дистанционная регистрация альфа-излучения
- 2. 4. 1. Принципы работы аэроионного детектора в счетном режиме
- 2. 5. Выводы
- 3. 1. Способы аэроионной а-радиометрии воды
- 3. 1. 1. Аэрационный метод
- 3. 1. 2. Диспергирование
- 3. 1. 3. Вспенивание
- 3. 1. 4. Метод смачиваемых сеток
- 3. 3. Расчет эффективности аэрационного метода
- 3. 4. Сравнительный анализ методик альфа мониторинга жидкостей
- 3. 5. Выводы
- 4. 1. Моделирование траекторий альфа частиц в пленке
- 4. 2. Ионизация воздуха в зазоре между пленками
- 4. 3. Транспортировка аэроионов электрическим полем
- 4. 4. Выводы
- 5. 1. Основные функции блока управления
- 5. 2. Выбор микроконтроллера
- 5. 3. Программирование микроконтроллера
- 5. 4. Структура блока управления и порядок работы
- 5. 5. Выводы
- 6. 1. Экспериментальная установка
- 6. 2. Исследование электростатической транспортировки ионов
- 6. 3. Исследование воздушного способа транспортировки аэроионов
- 6. 4. Измерение объемной активности модельного раствора
- 6. 5. Выводы
К концу двадцатого века на нашей планете образовался новый, очень мощный экологический фактор — ионизирующее излучение. В настоящее время радиоактивное загрязнение приняло глобальный характер и опасность его для жизни людей непрерывно повышается. Ионизирующие излучения непрерывно воздействует на всю биосферу. Значение этого фактора ещё до конца не изучено, хотя опыты с ядерными веществами, испытания ядерного вооружения, катастрофы на АЭС дали человечеству огромный фактический материал, свидетельствующий о губительном действии радиации
Среди источников ионизирующих излучений альфа-активные изотопы представляют собой особую группу радиоактивных веществ, имеющий высокий биологический эффект воздействия на организм человека.
Естественная альфа радиоактивность вызвана распадом тяжелых элементов. Продукт этих распадов радон может просачиваться через каменные образования и скапливаться в нижних этажах наших домов. Продукты радиоактивного распада радона попадают на частицы пыли или дыма, и с их помощью проникать внутрь живых организмов. Кроме того, радиоактивный радон очень хорошо растворяется в воде и попадает в живые организмы через питьевые источники. Воздействие в течении длительного времени даже относительно небольших доз альфа радиации на человека вызывает тяжелейшие заболевания его внутренних органов.
Техногенные источники альфа радиоактивного воздействия на человека имеют следующую структуру: облучения при медицинских обследованиях и лечении (0,4 мЗв- 16,522%)(например- радоновая терапия, рентгеновская томография и.т.д.), облучения от радиоактивных осадков {0,02 мЗв- 0,826%) и от атомной энергетики (0,001 мЗв- 0,041%). Испытания ядерного оружия, которые особенно интенсивно проводились в период 1954—1958 и 1961−1962 гг. стали одной из основных причин повышения радиационного фона Земли и, как следствие этого, глобального повышения доз внешнего и внутреннего облучения населения. Источником альфа радиоактивности являются атомные электростанции. Опасность состоит в возможности возникновения катастрофических аварий реактора, а также в реально не решенной проблеме утилизации радиоактивных отходов и утечке в окружающую среду небольшого количества радиоактивности.
Установлены чрезвычайно жесткие (по сравнению с другими излучателями) нормы содержания в окружающей среде таких альфа-активных нуклидов, как плутоний и уран, содержащихся в ядерном топливе и его остатках. Проведение эффективного контроля за соблюдением этих норм является сложной технической задачей, в особенности, когда речь идет об обследовании больших площадей, подвергающихся систематическому загрязнению в ходе производственных процессов или в результате аварий, сопровождающихся выбросом продуктов переработки и производства материалов, содержащих радиоактивные компоненты.
Актуальность темы исследований.
Имеющиеся в настоящее время приборы для контроля содержания альфа-активных нуклидов в жидкости являются стационарными лабораторными приборами, часто требующими применения большого количества расходных материалов и работающими в режиме ручного отбора проб, что осложняет организацию работ в режиме непрерывного контроля или в полевых условиях. Кроме того, существующие сцинтилляционные методы имеют ограничение по чувствительности, связанное с поглощением света в исследуемой среде (в случае применения жидкой сцинтиллирующей добавки), либо с поглощением света в плёночном конвертере (при попытке увеличить рабочий объём детектора).
Предлагаемый в данной работе метод альфа-радиометрии, когда альфа-излучение детектируется не прямым способом, а через регистрацию ионов, возникающих в воздухе на следах частиц, позволяет существенно увеличить эффективный объем исследуемой жидкости, и за счет этого повысить чувствительность детектора и сократить время измерения, что чрезвычайно важно при проведении мониторинга альфа-радиоактивного загрязнения. В совокупности с аэроионным детектором для обнаружения загрязнения территории альфа-радиоактивными изотопами данный метод может стать мощным средством радиационного экологического мониторинга. Наличие нескольких возможных способов увеличения площади контакта жидкой и воздушной фазы позволяет использовать данный метод и для контроля альфа-радиоактивности в различных технологических процессах, например для измерения объемной активности теплоносителя и обнаружения утечек топлива на атомных электростанциях или хранилищах ядерных отходов. В медицинской практике данным способом можно контролировать активность препаратов, содержащих альфа радиоактивные изотопы, например, при радонотерапии.
Цель диссертационной работы
Целю является разработка методики измерения альфа активности воды на фоне сопутствующих ионизирующих излучений в реальных атмосферных условиях и в реальном масштабе времени на основе аэроинного метода регистрации альфа излучения.
Основные результаты работы
1. Предложен набор методов пробоподготовки жидкости для альфа радиометрии на основе аэроионного детектора и проведен их сравнительный анализ.
2. С использованием метода Монте-Карло построена математическая модель процесса регистрации альфа-частиц в аэроионном детекторе для воды и произведена оценка оптимальных параметров детекторного блока с помощью этой модели.
3. Определена структура системы сбора данных с аэроионного детектора и предложен вариант реализации блока управления на базе АУЛ микроконтроллера фирмы А1те1.
4. Создан лабораторный стенд для изучения процесса регистрации альфа частиц в жидкости аэроионным методом.
5. Исследованы возможности аэроионного способа измерения объемной активности воды и обоснована возможность его применения для технологического и экологического мониторинга альфа радиоактивного загрязнения.
Научная новизна результатов работы
1. Впервые предложен аэроионный метод регистрации альфа-частиц для обнаружения альфа-радиоактивного загрязнения воды.
2. Разработаны варианты конструкции альфа радиометра на основе аэроионного метода регистрации альфа частиц и проведен анализ эффективности предложенных конструкций для различных условий измерений.
3. С использованием разработанной математической модели и в натурных экспериментов впервые показана возможность измерения объемной активности воды с использованием аэроионного метода.
Научная и практическая ценность работы.
1. Сравнительный анализ различных методов радиометрии альфа частиц в жидкости позволяет выбрать более подходящий к экологическому мониторингу альфа радиоактивного загрязнения метод смачиваемых сеток.
2. Разработанная математическая модель позволяет делать оценки параметров детектора альфа-излучения при измерении объемной активности в жидкости.
3. При исследовании методом смачиваемых сеток впервые было показано, что с помощью одного элемента можно измерить до 12 Бк на миллилитр, и нужно заметить, что в реальном приборе должно содержаться 100 элементов, что позволит повысить чувствительность прибора на 2 порядка.
Автором выносятся на защиту:
1. Метод аэроионной радиометрии альфа излучения жидкости.
2. Конструкция измерительного блока радиометра для воды на основе аэроионного детектора.
3. Методика определения оптимальных параметров детектирующего модуля аэроионного радиометра с помощью математического моделирования.
4. Результаты экспериментальной оценки чувствительности аэроионного радиометра, работающего на основе метода смачиваемых сеток.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: Научная сессия МИФИ-2005 (Москва, 2005 г.), МИФИ-2006 (Москва, 2006 г.), МИФИ-2007 (Москва, 2007 г.).
Публикации.
Материал диссертации основан на работах, опубликованных в период с 2005 по 2007 гг. в научных журналах- материалах конференций, семинаров. Количество работ опубликованных по теме диссертации, и использованных в диссертации 6, из которых 5 приведены в автореферате. Полный
список работ содержит более 8 наименований.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. В конце каждой главы содержатся
выводы, основные
выводы диссертационной работы приведены в заключении. Материал изложен на Д7 страницах, включая 5 таблиц и 54 рисунков.
Список цитируемой литературы содержит 49 наименований. Полный объем диссертации 131 страниц.
Основные Выводы.
В диссертации решена задача разработки метода измерения альфа активности воды в реальных атмосферных условиях и в реальном масштабе времени на основе аэроинного метода регистрации альфа излучения.
В результате выполнения работы:
1. Разработан общая схема реализации методики радиометрии альфа частиц в жидкости на основе аэроионного детектора.
• Проведена сравнительный анализ различных подходов к регистрации альфа излучения в жидких средах.
• Определены возможные способы регистрации альфа частиц в воде с помощью аэроионного детектора.
• Произведена оценка эксплуатационных параметров (чувствительность, время измерения, габаритные и весовые характеристики) аэроионного детектора для альфа мониторинга воды.
2. Разработана математическая модель процесса регистрации альфа частиц и методика выбора оптимальных параметров аэроионного детектора для воды.
• Проведена оптимизация геометрических и электрических параметров измерительного блока для варианта детектора, основанного на методе смачиваемых сеток с электростатической транспортировкой аэроионов.
• Расчеты, выполненные в рамках данной модели, позволили определить, что оптимальной является толщина пленки порядка 100 мкм, ширина промежутка между сетками должна быть около 0,5 см, эффективность детекторного блока при выбранных параметрах составит примерно 20%.
3. Предложен вариант реализация блока управления для измерений объемной активности аэроионным методом.
• Составлен набор требований к системе управления аэроионным детектором.
• Разработана блок схема программы управления.
• Собраны на базе АУЛ микроконтроллера Айпе§ а128Ь и протестированы функциональные элементы блока управления.
4. Разработана конструкция и изготовлен экспериментальный стенд для проверки метода определения объемной активности воды, основанного на смачивании сеток.
5. Исследованы возможности аэроионного способа измерения объемной активности воды и обоснована перспективность его применения для технологического и экологического мониторинга альфа радиоактивного загрязнения.
В заключении выражаю свою благодарность и признательность д.ф.-м.н., профессору В. Н. Беляеву, с.н.с В. П. Мирошниченко и ст.пре. Л. Ю. Дубову за постоянное внимание и ценное научное руководство работой.
Я очень признателен всем сотрудникам МИФИ, за тот вклад, который они внесли в выполнение этой работы.
Искренне благодарю за огромную помощь и поддержку на всех этапах выполнения данной работы профессора, д.ф.-м.н., Б. И. Лучкова, доцента, к.ф.-м.н. В. К. Сахарова, доцента, к.ф.-м.н. Ю. В. Штоцкого, доцента, Е. В. Соловьеву и О. Г. Скотникову.
Заключение
.
Методы, основанные на предварительной подготовке пробы жидкости перед измерением для концентрировании радионуклидов, являются более чувствительными, чем прямое измерение интенсивности альфа-излучения жидкости. Но для экологического мониторинга эти методы не подходят, и поэтому разработан метод, основанный на принципе аэроионной топометрии. Преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет селективно регистрировать альфа частицы при наличии других типов излучения. Чтобы эффективно использовать аэроионную методику для определения объемной альфа-активности жидкости нужно, чтобы как можно большее число альфа частиц выходило в газовую фазу и теряло энергию на образование ионных кластеров в воздухе. Поэтому для аэроионной радиометрии жидкой среды необходимо создать максимальную площадь контакта измеряемой жидкости с воздухом и обеспечить эффективную транспортировку образовавшихся аэроионных кластеров к ионизационной камере. Из ряда методов, предложенных для решения этих задач, для целей экологического контроля наиболее подходящим является аэрационный метод и методика, основанная на смачивании сеток. Обе они достаточно просты и не требуют расходных материалов для пробоподготовки. Методика смачиваемых сеток обладает более высокой чувствительностью, меньшим энергопотреблением и лучше подходит для экспрессного экологического обследования водоемов. Но в случае необходимости длительного непрерывного контроля альфа радиоактивности в одном месте предпочтительнее использовать аэрационный радиометр, конструкция которого позволяет проводить измерения в автоматическом режиме.
Разработана математическая модель процессов, происходящих в рабочем объеме аэроионного детектора альфа частиц для воды, основанного на методе смачиваемых сеток с электростатической транспортировкой аэроионов. Для экспериментального изучения процесса регистрации разработан и изготовлен лабораторный макет элемента детектирующего блока аэроионного детектора для воды. На основе математической модели и экспериментального исследования лабораторного макета произведена оптимизация геометрических и электрических параметров аэроионного детектора. Определены:
• оптимальная толщина пленки (порядка 100 мкм),.
• ширина промежутка между сетками (порядка 0.5 см),.
• потенциалы транспортировочных электродов -1200 + 4000 В.
• эффективность регистрации (порядка 20%).
В ходе экспериментального исследования было показано, что наличие воды на капроновой сетке дает сильные искажения дрейфового поля, для компенсации которых требуется применение системы дрейфовых электродов, и поэтому использование электростатической транспортировки приводит к существенному усложнению конструкции детектора и невозможности его дальнейшего практического использования. Поэтому было решено осуществлять перенос ионов в рабочем объеме счетчика с помощью воздушного потока, хотя это увеличивает габариты и энергоемкость регистрирующего модуля.
Был изготовлен лабораторный макет аэроионного детектора для жидкости и произведен измерение объемной альфа-активности воды на основе метода смачиваемых сеток при переносе ионов воздушным потоком. На основе полученных результатов выбрано рабочее напряжение, определены эффективность регистрации и чувствительность детектора, и показана возможность применения аэроионного метода для определения объемной активности воды.
1. М. П. Панин., О. Г. Скотников. Действие ионизирующей радиации на человека и окружающую среду. М., МИФИ, 2001.
2. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99) России.
3. Бэгли К., Плутоний и его сплавы, пер. с англ., М., 1958.
4. Вдовенко В. М. и Курчатов Б. В., Первый советский плутоний, «Радиохимия», 1968, т. 10, в. 6, с. 696;
5. Плутоний. Справочник, под ред. О. Вика, пер. с англ., т. 1−2, М., 1971;73. См. также лит. при ст. Актиноиды.
6. И. В. Ракобольская. Ядерная физика. Издательство Московского Университета. 1971.
7. Подготовка образца для альфа-спектрометрии. Canberra. CPR-46.
8. TUFF130AWM-H, Alpha Liquid Monitor, Ris Corp., represented in Europe by FCI Frenzel Consulting & Instruments, Straubenhardt, Germany.
9. Heinz Surbeck, Jean-Louis Andrey, Radon in water measurements based onththm film adsorption. 15 Int. Conf. on Rare Gas Geochemistry, Debrecen, Hungary. 1999.
10. Surbeck, H., A radon-in-water monitor based on fast gas transfer membranes, In: Proc. Int. Conf on Technologically Enhanced Natural Radioactivity, 16−19 Sept. 1996, Szczyrk, Poland.
11. GockeI, A., Die Radioaktivi^t von Boden und Quellen, Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig, Germany, 1914.
12. Akzo Nobel Faser AG, Membrana, Deutschland.
13. Ю. А. Сапожников, Р. А. Алиев, С. Н. Калмыков. Радиоактивность окружающей среды. Теория и практика. М., БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006.
14. В. К. Сахаров. Радио-экология. М., Лань.2006.
15. П.П. Н. Тверской. Атмосферное электричество. Гидрометеоиздат, Ленинград. 1949.
16. Michael A. Wolf, James L. McAtee III, Wesley P. Unruh. New Method Permits The Detection of Alpha Emitters at a Distance. Los Alamos National Laboratory. 1990 IEEE.
17. Б. П. Голубев. Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений. М., Атомиздат, 1976.
18. П. А. Тишкин. Экспериментальные методы ядерной физики (часть 1). Издательство ленинградского университета, 1970.
19. В. П. Мирошниченко, Е. М. Онищенко, А. В. Симаков, Б. У. Родионов. Разработка прибора на основе детектора ионов для определения уровня загрязнения различных сред альфа-активными веществами. Приборы и системы управления, № 8,1999.
20. Смирнов Б. М. Отрицательные ионы, М.: Атомиздат. 1978.
21. Мак Даниэль И. Процессы столкновений в ионизованных газах. М.: Мир. 1967.
22. Таммет Х. Ф. Зависимость спектра подвижных легких аэроионов от микропримесей воздуха. Ученые записки ТГУ, Тарту. Вып. 348, С. 3−15. 1975.
23. П. Н. Тверской. Курс метеорологии. М., Гидрометеоиздат, 1962.
24. Aoyama Т, Могу Т, Watanabe T. Nucl. Instr. and Methods. № 212. P. 281. 1983.
25. Месси Г. Отрицательные ионы. M.: Мир, 1979.
26. R.D.Bolton. Radon Monitoring Using Long-Range Alpha Detector-Based Technology. // Nuclear Science Symposium, Norfolk, Va, LA-UR-94−3637, 1994.
27. А. В. Шальнов, Б. У. Родионов, Е. М. Онищенко, А. Б. Симаков, В. П. Мирошниченко. Проект прибора для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения. Материалы всероссийской конференции «Экология-97», С.-Петербург, с. 20,1997.
28. В. П. Мирошниченко, Е. М. Онищенко, А. В. Симаков, Б. У. Родионов.
29. Разработка прибора на основе детектора ионов для определения уровня загрязнения различных сред альфа-активными веществами// Приборы и системы управления, № 8,1999.
30. Miroshnichenko V., Rodionov В., Chepel V. Aeroion detection of ionizing particles. Sov. Tech. Phys. Lett., v. 15 (6), p. 177,1989.
31. Дубов Л. Ю., Мирошниченко В. П., Ньян Вин. Методика альфа-радиометрии жидкости на основе аэроионного детектора. Инженерная Физика № 4/2005.
32. V.P.Miroshnichenko, A.B.Simakov, T.A.Sugrobova. Advanced Device for Remote Detection of Alpha-Radioactive sourses (Poster). IV European Conference on PROTECTION AGAINST RADON AT HOME AND AT WORK, Czech Republic, Praha, June 28 July 2,2004.
33. Справочник, Физические величины. Энергоатомиздат, Москва, с. 1173, 1991.
34. Высокопроизводительный скрининг образцов, содержащих альфаи бета-излучающие радионуклиды: обзор методов. Представительство Canberra Industries компании в России. CPR-47.
35. Мухин.К.Н., Экспериментальная ядерная физика (том1). М., Энергоатомиздат, 1983.
36. Мейлер Дж., Белл П. В кн. Альфа-, бетаи гамма-спектроскопия. Под ред. К. Зигбана. Том. 1. М., Атомиздат, 1969.40." Stopping powers and Ranges for Protons and Alpha Particles", ICRU Report No.49−1993. (http://Physics.nist.gov/PhysRefData).
37. Л. Д. Ландау., Е.МЛифшиц. Электродинамика сплошных сред. М, Наука, 1982.
38. Голубцов М. С., Кириченкова A.B. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному. Второе издание. Москва: СОЛОН-Пресс, 2005.
39. Гребнев В. В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы ATMEL. М.: РадиоСофт, 2002.
40. Справочник. Изделия и компоненты, предлагаемые фирмой «КТЦ-МК» Микроконтроллеры семейства AVR фирмы ATMEL. КТЦ-МК, 1999.
41. Иванов B.C., Панфилов Д. И. Компоненты аналоговой электроники фирмы Motorola. М.- Додэка, 1998.
42. Тимофеев М. Высоковольтные ШИМ-контроллеры фирмы SIMicroelectronics, CHIP News #3,2001.
43. Акимов Ю. К. и др. Полупроводниковые детекторы излучений. М., Энергоатомиздат, 1989.
44. Ю. А. Шпак. Программирование на языке С для и микроконтроллеров. Киев. МК-Пресс, 2006.
45. Дубов Л. Ю., Мирошниченко В. П., Ньян Вин. Пробоподготовка жидкости для аэроионной альфа-радиометрии. Инженерная Физика № 1/2007.