CC BY
20Обнаружение аномальных концентраций альфа-активных аэрозолей в воздухе
Тихонов А.А. (таП!о:8пп|тГ@8пп|)-1и) НИЦ «СНИИП»
Как известно, задача обнаружения аномальных концентраций альфа-активных аэрозолей в воздухе, сформулированная в работе [1], осложнена следующими обстоятельствами:
- для получения достаточной статистики при измерениях необходимо прокачивать значительные объемы воздуха;
- на результат измерений сильно влияет слой пыли, осаждаемый вместе с аэрозолями на фильтрующий материал;
- при измерениях содержания долгоживущих искусственных аэрозолей необходимо учитывать фон, создаваемый естественными радиоактивными аэрозолями, причем этот фон зачастую на два-три порядка превышает предельно допустимые концентрации долгоживущих аэрозолей.
Последнее обстоятельство является особенно серьезным, так как естественный фон подвержен значительным изменениям. Таким образом, для правильной интерпретации результатов анализа проб воздуха необходимо знать текущее значение фона, который составляют естественные радиоактивные аэрозоли.
Источниками естественных радиоактивных аэрозолей являются радиоактивные благородные газы - радон, торон и актинон. В результате радиоактивного распада этих газов образуются дочерние продукты распада. Дочерние продукты распада в свою очередь образуют в воздухе высокодисперсные радиоактивные аэрозоли, которые в основном и составляют радиоактивный аэрозольный фон [2,3].
Рассмотрим процесс накопления и распада дочерних продуктов распада радона на фильтре, предполагая, что для контроля используется аспирационный метод с анализом альфа-активности отобранной на фильтр пробы. Цикл измерений схематично изображен на рис.1. На момент ^ по таймеру воздуходувка автоматически отключается. В интервале фильтр
устанавливается в кассету, а кассета в блок детектора. Измерение альфа-активности фильтра начинается в момент ^ и заканчивается в момент
Рис 1. Цикл измерения
На рис.2 представлена схема радиоактивного распада радона. Основными альфа-излучателями в цепочке являются ЯлА и ЯлС'. Остальные альфа-излучатели не дают существенного вклада в общую активность, поэтому могут быть исключены из рассмотрения.
Рис. 2 Схема радиоактивного распада Яп Процесс накопления аэрозолей на фильтре описывается уравнением [4]:
N(*)=цу £ а^х*), (1)
1=1
здесь Ык (*)- число атомов ЯлА, ЯлЬ и ЯяС (к=1,2,3), находящихся на фильтре в момент времени ^ п - эффективность фильтрации; V - скорость прокачки воздуха, м3/с; -
концентрация ЯлА, ЯлЬ и ЯлС (к=1,2,3) в воздухе; Гы (*) - функции, определяемые из законов радиоактивного распада.
Процесс распада аэрозолей на фильтре описывается следующими уравнениями: Ых(г) = N10 ехр(-^т);
у
N2 (*) = N20 еХР(-^2Т ) + ^0 „ \ , [еХР(-^1Т ) - ехР(-^2Т )]
N3 (*) = п ^Л^ , ) ехр(-V) + [N20 + —N10 ] ехр( -^т) + (2)
+ [N30 + тАт (N20 + Т^^)]ехр(-^зТ),
где Nk0- число атомов к-ого нуклида на фильтре; Хк - постоянная распада к-ого нуклида; т = (* - *1)- время после завершения работы воздуходувки.
При эффективности регистрации альфа-частиц равной в средняя скорость счета импульсов, поступающих от детектора, в зависимости от времени описывается следующим образом:
V (*) = Я N1 (*) + ^3 N 3 (* )}в , (3)
Проинтегрировав выражение (3), можно получить суммарное число зарегистрированных импульсов:
N (*1, *2 , *3) = ^В {/^ *2 , *3) + ^ 3 (*1, *2 , *3)} , (4)
здесь /к - интеграл счета от ЯяА и RaB соответственно. Вид /1 следующий:
г2, tз) = N10 (ехр(-^ - О - ехр(-^ - О)) , (5)
Вид второго интеграла более сложный, получить его можно из соотношений (1-3).
По определению эквивалентной равновесной объемной активности радона (ЭРОАКп)
[5]:
ЭРОАКп = 0.Ц + 0.52^ + 0.38д3 , (6)
где qi - удельная активность, Бк/м3, индекс i соответствует КяА, RaB и RaC.
Далее для построения методики измерения, предполагающей минимум обработки результатов, полагаем, что N должно численно равняться ЭРОАКп. Таким образом, необходимо обеспечить минимум следующему функционалу:
| Nz- ЭрШКп Мт , (7)
в результате решения задачи оптимизации подбираются параметры 12,t3 в поле значений q1,q2,q3, при возможном смещении равновесия между продуктами распада радона в пределах 0.1^2^<1 и 0,3^3^<1 [6].
Поиск оптимальных значений был проведен методом прямого перебора узлов сетки в координатах Шаг сетки уменьшался в области «глобального» минимума. В
результате расчетов получены следующие оптимальные значения: время прокачки 93с, время выдержки - 927с, время измерения - 177с. При этом максимум методической ошибки в заданных пределах сдвига от равновесия не превосходит 13%.
Таким образом, приведенная выше методика измерения ЭРОАКп, может быть
использована для обеспечения контроля фона, создаваемого естественными радиоактивными аэрозолями. Регулярный мониторинг атмосферы помещений позволяет прогнозировать значения фона, а в качестве критерия обнаружения аномальной концентрации альфа-излучающих аэрозолей может служить статистически значимое превышение текущего результата измерений ЭРОАКп над ожидаемым фоновым значением.
Фильтр, давший такие результаты измерений, должен быть исследован дополнительно. Либо с помощью альфа-спектрометра, либо радиометром по истечении трех суток, необходимых для распада естественных короткоживущих альфа-активных аэрозолей. Определить альфа-активность фильтра можно по формуле:
Аа= (N - ^)/вк , (7)
здесь Аа - альфа-активность долгоживущих аэрозолей, Бк; N - число
зарегистрированных импульсов за время ^ N2^ - число импульсов обусловленных собственным
фоном, например, для детектора типа ДКПс-350 средняя скорость счета обычно порядка 10-3с-1; t - время измерения, с; в - чувствительность детектора, (имп/с)/Бк; к - переходной коэффициент.
Объемная активность аэрозолей долгоживущих альфа-активных нуклидов может быть рассчитана по формуле:
0 = Аа /Ж , (8)
где 0 - объемная активность в Бк/м3; Ж - объем отобранной пробы, м3. Порог измерения удельной объемной активности аэрозолей долгоживущих альфа-активных нуклидов тем ниже, чем продолжительнее отбор пробы и время обсчета пробы. Так, при отборе пробы объемом 1 м3 - длительность отбора ~ 70 мин, измерении активности пробы в течение 60 мин
можно определить удельную объемную активность аэрозолей долгоживущих альфа-активных нуклидов на предельно допустимом уровне ~ 0,03 Бк/м3 (~ 8.10-16 Ки/л).
Минимально детектируемая активность долгоживущих аэрозолей, которая может быть измерена оперативно без длительной выдержки пробы, может быть оценена следующим образом:
Атт > 3^ , (9)
в
здесь V оп - скорость счета, обусловленная RaA и RaC', для оценки сверху значение вычисляется по соотношению (3). Если принять в = 0.2, ЭРОАКп = 100 Бк, время прокачки 5 минут, из соотношения (9) получаем:
ЛтШ > 26.3Бк , (10)
т.е. на фильтре достаточно собрать всего 5х10-11г плутония, чтобы уверенно измерять на фоне естественных аэрозолей. При скорости прокачки 20 литров в минуту получаем оценку минимально детектируемой объемной активности плутония ~263 Бк/м3. Для таких активностей методика измерения строится на базе соотношения (7) с учетом собственного фона и фона обусловленного RaA и RaC'. Число импульсов N■L от RaA и RaC' определяется соотношением (4). Предполагается, что фоновое значение ЭРОАКп известно по результатам регулярного мониторинга.
В заключение автор благодарит за полезные дискуссии и помощь в работе д.т.н. Б.В. Поленова, д.т.н. Бурьяна В.И., к.т.н. Никитина В.И., к.т.н. Волкова С.В., сотрудников лаборатории 192 НИЦ «СНИИП» Бабича В.Г. и Сальникова В.Н.
Статья поступила в редакцию 09.07.02
Литература
1. Никитин В.И., Тихонов А.А. К вопросу построения радиационной ветви интегрированной системы безопасности. Журнал «Спецтехника», 2002 г., №3 http://st.ess.ru/publications/
2. Петрянов И.В., Козлов В.И., Басманов П.И., Огородников Б.И. Волокнистые фильтрующие материалы ФП. Издальтельство «Знание», г. Москва, 1968 г.
3. Крисюк З.Э., Радиационный фон помещений, М., Энергоатомиздат, 1989 г.
4. Марков К.П., Рябов Н.В., Стась К.Н. Метод экспрессного определения величины «скрытой» энергии. Москва, Труды СНИИП, №12, 1969 г.
5. НРБ-99. СП 2.6.1.758-99, Минздрав России, 1999 г.
6. Рузера Л.С. Дозиметрия радиоактивных аэрозолей. Измерение концентраций, поступлений и поглощенных доз. г. Москва, 2001 г.
