Измерение концентрации и методы осаждения радиоактивных аэрозолей

Поскольку радиоактивные аэрозоли представляют значительную радиационную опасность, предел годового поступления их чрезвычайно мал. Так, допустимая объемная активность аэрозолей ²³⁹Pu соответствует содержанию менее 1 частицы (с радиусом ~ 0,1 мкм) в 1 л воздуха. Поэтому непосредственное измерение таких ничтожных концентраций аэрозолей на уровне допустимой концентрации просто каким-нибудь детектором практически невозможно – требуется концентрация аэрозолей из больших объемов воздуха и дальнейшее измерение на чувствительной радиометрической аппаратуре. Чтобы выполнить подобные измерения, определенный объем воздуха прокачивается через фильтр и затем определяется активность фильтра. При количественном определении концентрации радиоактивных аэрозолей должна быть известна эффективность фильтра; при измерениях необходимо учитывать толщину фильтра.

Для осаждения аэрозолей применяются мембранные, жидкостные, угольные фильтры, электрофильтры и инерционные осадители. В качестве мембранных фильтров может использоваться фильтровальная бумага, вата, специальная асбесто-целлюлозная бумага, а также материалы из искусственных волокон (например, из стекловолокна) и фильтры Петрянова (ФП). Наиболее широко для контроля радиоактивных аэрозолей и очистки воздуха от них используются тонковолокнистые фильтры Петрянова марок ФПП и ФПА.

Фильтры ФПП (фильтры Петрянова из перхлорвинила) обладают стойкостью к кислотам и щелочам, не смачиваются водой и могут применяться при температуре до 60 ⁰С.

Фильтры ФПА (ФП из ацетилцеллюлозы) стойки к органическим растворителям, могут использоваться до 150 ⁰С и влажности не более 80 %. Механизм задержки аэрозольных частиц на фильтрах Петрянова состоит в том, что частицы больших размеров задерживаются благодаря инерционному осаждению, а мелкодисперсные частицы осаждаются в основном вследствие диффузии.

Таким образом, благодаря структуре и качеству ткани, на фильтрах Петрянова эффективно улавливаются частицы всех размеров, т.е. вероятность радиоактивным аэрозолям присоединиться к волокнам ФП близка к единице. Эффективность h волокнистого фильтра определяется следующим образом

, (4.1)

где С ₀ – концентрация аэрозолей до фильтра, С_h - концентрация аэрозолей после фильтра толщиной h. Эффективность волокнистого фильтра можно найти экспериментально, если есть два фильтра одинаковой толщины, расположенные друг после друга:

, (4.2)

где А ₁ и А ₂ – активности частиц, осажденных на первом и втором фильтрах.

Проскок аэрозольных частиц через фильтр равен

. (4.3)

Проведенные исследования показали, что максимальный проскок через материал ФП имеют частицы диаметром 0,1 – 0,2 мкм.

Несомненными достоинствами волокнистых фильтров являются их простота и высокая эффективность осаждения частиц. К их недостаткам можно отнести зависимость эффективности фильтра от дисперсности аэрозолей, малую скорость прокачивания воздуха через фильтр (3 ¸ 20 л/мин), обусловленную непрочностью ткани фильтра[28], необходимость внесения поправок на самопоглощение a- и b-частиц в фильтре при определении его активности, а также зависимость эффективности осаждения от ионизации воздуха (эффективность уменьшается при повышении ионизации, т.к. уменьшается собственный электростатический заряд фильтра).

Инерционные осадители (импакторы) применяются в основном для разделения аэрозольных частиц по их дисперсности. Принципиальная схема импактора изображена на рис. 4.2. Воздух, в котором содержатся аэрозоли, направляется в узкую щель импактора со скоростью (10 – 100) м/с. Пройдя через щель первого жиклера (1) (жиклер – калиброванное отверстие для подачи воздуха), струя воздуха резко меняет свое направление (на 90⁰) и скорость.

Более тяжелые (крупные) частицы, по инерции сохраняя свое прежнее направление, наталкиваются на специальную мишень (5) и осаждаются на ней. Через второй жиклер (2), меньшего размера, воздух проходит с большей скоростью и на мишени (8) осаждаются более мелкие частицы, чем на предыдущей мишени. На последующих мишенях (6, 7) осаждаются еще более мелкие частицы. На выходе импактора устанавливается волокнистый фильтр (9) для улавливания самых мелких фракций. Для повышения эффективности осаждения частиц мишени (5 ¸ 8) покрываются тонким слоем вазелина или липкой лентой.

С помощью импактора можно разделить частицы на несколько фракций – от 0,2 до 20 мкм. Наиболее высока эффективность осаждения крупнодисперсных аэрозолей. Преимущества импакторов состоят в относительной простоте конструкции и высокой производительности (большой скорости прокачки). Недостатками импакторов являются низкая эффективность по улавливанию мелкодисперсных аэрозолей (несколько %) и зависимость эффективности от температуры и влажности окружающей среды.

Эффективность любого метода фильтрации определяется произведением объема воздуха, прокачиваемого через осадитель аэрозоля, на коэффициент проскока. Чем выше это произведение и чем меньше коэффициент проскока зависит от температуры и влажности воздуха (и от физико-химических свойств аэрозоля), тем качественнее методика осаждения. В настоящее время наилучшими характеристиками по осаждению радиоактивных аэрозолей обладают тонковолокнистые фильтры типа ФП.

Измерение концентрации аэрозолей искусственного происхождения на фоне естественных аэрозолей. Предел годового поступления большинства радионуклидов искусственного происхождения чрезвычайно мал – это обусловлено большой радиационной опасностью радионуклидов искусственного происхождения. Однако измерению аэрозолей плутония, цезия, стронция и других долгоживущих нуклидов мешают короткоживущие аэрозоли, образующиеся из продуктов распада радона, которые всегда содержатся в воздухе и осаждаются на фильтр наравне с долгоживущими продуктами. Содержание аэрозольных продуктов распада радона и торона при обычных условиях на несколько порядков больше, чем допустимая концентрация долгоживущих аэрозолей.

Определение содержания b-активных аэрозолей, возникающих, например, при работе реактора, представляет относительно простую задачу – требуется измерить количество радионуклида, сравнимое с фоном или существенно его превышающее: обычная концентрация естественных радиоактивных аэрозолей в воздухе составляет (3 ¸ 40) Бк/м³, а допустимая объемная активность искусственных b-активных аэрозолей, таких, как ⁸⁹Sr, ⁹⁰ Sr, ⁹⁰Y составляет (10 ¸ 60) Бк/м³. В то же время при измерении искусственных a-аэрозолей измеряемый эффект будет в сотни раз меньше фоновой активности продуктов распада эманации радия. Так, допустимая объемная активность для нуклидов плутония составляет всего лишь ~ 0,0026 Бк/м³.

Поскольку время жизни аэрозольных продуктов распада радона и торона значительно меньше, чем время жизни долгоживущих искусственных аэрозолей, самый простой способ выделения долгоживущей компоненты заключается в обычном выжидании – после прекращения прокачки воздуха активность на фильтре через некоторое время будет определяться только долгоживущими продуктами. Если прокачку не прекращать, то за время, примерно равное шести периодам полураспада (для аэрозолей радона это примерно три часа) естественная радиоактивность на фильтре достигает насыщения, а долгоживущая будет продолжать возрастать. Таким образом, выждав три часа после конца прокачки (или измеряя активность через три часа непрерывной прокачки) можно выделить долгоживущую компоненту.

Можно использовать и другие методы для определения концентрации долгоживущих аэрозолей. Короткоживущие аэрозоли отличаются от долгоживущих энергией испускаемых a-частиц – долгоживущие аэрозоли имеют энергию a-частиц меньшую, чем продукты распада радона и торона[29]. Анализируя энергетический спектр a-частиц, осевших на фильтре, и зная зависимость эффективности регистрации спектрометра от энергии, можно определить и концентрацию a-частиц в воздухе.

Измерение концентрации долгоживущих a-активных аэрозолей можно проводить еще с помощью дискриминации по длинам пробегов a-частиц. Известно, что в первом приближении пробег a-частицы R в воздухе связан с ее энергией E _a степенной функцией вида

, МэВ, (4.4)

т.е. долгоживущие a-излучатели имеют меньший пробег по сравнению с короткоживущими. Для определения количества короткопробежных a-частиц достаточно поставить поглощающий слой определенной толщины, через который будут проходить длиннопробежные частицы продуктов распада радона и торона, а короткопробежные a-частицы долгоживущих изотопов будут полностью поглощаться. Фильтр, содержащий аэрозоли, помещается между двумя детекторами. Верхний детектор покрывается алюминиевой фольгой, имеющей определенную толщину для того, чтобы счетчик регистрировал только a-частицы с большим пробегом короткоживущих изотопов (²¹⁴Ро и ²¹²Ро). Тогда нижний счетчик будет регистрировать суммарную скорость счета всех a-частиц от долго- и короткоживущих изотопов n _н, а скорость счета долгоживущих изотопов n _д будет равна разности показаний верхнего и нижнего счетчика.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

 

Целью лабораторной работы является определение концентрации естественных радиоактивных аэрозолей в воздухе, образованных продуктами распада эманации радия.

Установка для определения концентрации радиоактивных аэрозолей должна содержать следующие элементы: фильтры аэрозолей и устройство для прокачивания воздуха через фильтр; прибор для измерения скорости или объема прокачиваемого воздуха, детекторы для измерения a-, b- или g-излучения. Схема применяемого в данной работе переносного аэрозольного радиометра РВ-4 изображена на рис. 4.3.

Аэрозольно-газовый радиометр РВ-4 предназначен для измерения концентраций a- и b-радио-активных аэрозолей и газов без разделения долго- и короткоживущих компонентов акивности. В простейшем варианте РВ-4, изображенном на рис. 4.3, отбор проб a- и b-активных аэрозолей осуществляется на волокнистый фильтр из материала ФПП, размещаемый на воздухозаборной головке (4).

Прокачивание воздуха осуществляется воздуходувкой (6), встроенной в пульт радиометра. Объем прокачанного воздуха за наблюдаемый промежуток времени определяется скоростью прокачки воздуха. С помощью секундомера, установленного на панели радиометра, измеряется время, а регулировка скорости прокачивания воздуха производится поплавковым ротаметром (5).

После 10-минутной прокачки воздуха со скоростью 20 л/мин (поплавок ротаметра расположен в середине сосуда с газом), фильтр переносят в гнездо (1) между b- и a-датчиками, которые для удобства эксплуатации размещены в одном блоке с пробоотборником. Активность фильтра измеряется раздельно по a- и b-излучению. Для регистрации a-излучения, имеющего энергию Е _a ³ 4 МэВ, используется тонкий сцинтиллятор ZnS(Ag) (2), нанесенный на диск из оргстекла, который находится в оптическом контакте с фотоумножителем (3). Измерение b-частиц с энергией Е _b ³ 0,2 МэВ осуществляется с помощью газоразрядного счетчика (11). Ткань фильтра и дополнительная тонкая синтетическая пленка на счетчике являются поглотителями a-частиц, что исключает попадание их в рабочий объем счетчика. В пульте радиометра размещены блок питания (9) и измерительная схема (10).

Чтобы определить концентрацию a- и b-радиоактивных аэрозолей в воздухе, необходимо измерить активность радиоактивных частиц, осевших на фильтр после прокачки через него достаточного объема воздуха.

Градуировка прибора проводится с помощью эталонов - образцовых a- и b-источников c известной активностью, имитирующих активность аэрозольных частиц на фильтре. В данной работе задается не активность источника, а число испускаемых им частиц q в единицу времени. Рабочий диапазон радиометра РВ-4 составляет для a-активных аэрозолей (10^-13 ¸ 10^-10) Ки/л, для b-активных аэрозолей (10^-12 ¸ 10^-9) Ки/л при g-фоне не более 0,1 мкР/с.