CC BY
80
УДК 551.510.535:551.501.8
СПОСОБ СОВМЕСТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКОВ РАДОНА И ТОРОНА С ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТА ПО АЛЬФА-ИЗЛУЧЕНИЮ
В.С. Яковлева, А.В. Вуколов
Томский политехнический университет E-mail: vsyakovleva@tpu.ru
Разработан способ совместного измерения плотности потоков радона и торона с поверхности грунта. Способ включает регистрацию альфа-детектором скорости счета импульсов от альфа-частиц, образующихся при распаде радона, торона и дочерних продуктов распада, накопленных внутри накопительной камеры, установленной на поверхность грунта. Способ основан на анализе кривой роста скорости выхода альфа-излучения внутри накопительной камеры. Способ предложен в двух вариантах, первый -удобен при использовании автоматизированных устройств регистрации с целью длительного мониторинга, второй - для разовых измерений в присутствии оператора.
Ключевые слова:
Радон, торон, объемная активность, плотность потока, способ, метод измерения, альфа-излучение, альфа-частица, грунт, накопительная камера. Key words:
Radon, thoron, volumetricactivity, flux density, means, measuring method, alpha-radiation, alpha-particle, soil, accumulative chamber.
Введение
Еще 10 лет назад детальными исследованиями изотопа радона 220Кп - торона, его активностью в воздухе помещений и атмосфере, а также плотностью потока с поверхности земли практически не занимались. Это было связано с тем, что торон не рассматривали как радиационно-опасный фактор. К тому же почвенный торон не успевает попадать внутрь зданий из-за короткого времени жизни. Торон представлял интерес, в основном, как фактор, влияющий на точность измерений активности радона.
В последнее десятилетие интерес к плотности потока торона (ППТ) с поверхности земли был инициирован учеными, занимающимися вопросами радиационной экологии и физики атмосферы, ее электрическими свойствами [1]. Появились также исследования, результаты которых показывают, что продукт распада торона 212РЬ с периодом полураспада 10,6 ч может накапливаться в значительных количествах внутри помещений [2, 3] и представлять определенный риск при вдыхании. Причем, согласно работам [3-6], доза от торона и дочерних продуктов его распада (ДПР) может быть равной или даже в несколько раз превышать дозу от радона и его ДПР.
В связи с возросшим интересом к торону появились и задачи, связанные с разработкой методов измерения ППТ, и оценкой их достоверности. Обычно измерения ППТ производят одновременно с измерением плотности потока радона (ППР) с использованием метода накопительной камеры (НК). Назначение НК, которую устанавливают на поверхность грунта на определенное время, накапливать газы, выходящие из грунта. После накопления следует процесс измерения. Здесь возникают различные проблемы, связанные с разделением аппаратурных сигналов от радона и торона, а также продуктов их распада, накопленных внутри НК. Короткий период полураспада торона (Т1/2=56 с) в
методах совместного измерения ППР и ППТ с поверхности грунта также представляет определенную сложность.
Метод статической накопительной камеры
Суть метода статической накопительной камеры состоит в том, что поток радона из грунта увеличивает концентрацию радона в накопительной камере, экспонируемую на исследуемом участке. По геометрическим размерам НК, времени экспозиции и накопленной активности радона можно оценить ППР с поверхности грунта.
В общем случае, плотность потока радона q, Бк-м-2-с-1, в этом методе рассчитывают из выражения
q =
A(t )V St '
(1)
где A(t) - объемная активность радона в воздухе накопительной камеры, измеренная через время t, Бк-м-3; S - площадь поверхности основания НК, м2; t - время накопления радона, с; V- объем накопительной камеры, м3.
В выражении (1) не учтен радиоактивный распад радона, поскольку период его полураспада (Т1/2=3,823 сут.) намного больше, чем время накопления (не более 3 ч). В случае торона необходим учет процесса радиоактивного распада. Также, в реальной ситуации внутри НК, установленной на грунт, всегда присутствуют радиоактивные газы в небольшой (фоновой) концентрации. Поэтому, для точных расчетов необходим учет начальной активности радона и торона. В итоге, величины ППР и ППТ рассчитывают из выражения, которое получается при решении уравнения баланса активности радона и торона внутри НК с учетом интенсивности поступления почвенного радона внутрь камеры и его радиоактивного распада, при начальном условии, что фоновая активность внутри НК не равна нулю.
q =
V Я( A(t ) - Ae) 5 (1 - e->J ) '
(2)
где A0 - объемная активность радона (торона), измеренная в начальный момент времени, Бк/м3; A(t) - конечная объемная активность радона (торона), измеренная в момент времени t, Бк/м3; Я - постоянная распада радона (торона), с-1.
Способы совместного измерения плотности потоков
радона и торона по альфа-излучению
Существующие способы совместного измерения плотности потока радона и торона с поверхности грунта по альфа-излучению основаны на регистрации измерительным устройством альфа-излучения радона и торона, накопленных внутри НК, установленной по поверхность грунта или другого пористого материала. При условии радиоактивного равновесия между материнским и дочерними радионуклидами определить активности радона и то-рона можно по продуктам их распада, измеряя спектр альфа-излучения. Альфа-спектрометрию обычно применяют в сочетании с электростатическим осаждением положительно-заряженных продуктов распада для повышения эффективности регистрации и снижения погрешности, возникающей при наложении пиков от разных радионуклидов. Поэтому, вполне заслуженно, методы спектрометрии считают самыми эффективными, однако и самыми дорогими.
Уходящие в прошлое методы с использованием дискриминаторов импульсов также позволяли разделять регистрируемые от альфа-излучения импульсы по амплитуде (энергии) на несколько энергетических диапазонов, соответствующих определенным энергетическим линиям радионуклидов.
Например, в работе [7] способ измерения плотности потока радона и торона по альфа-излучению реализован с использованием НК и полупроводникового альфа-детектора, расположенного внутри измерительного объема и работающего в спектрометрическом режиме. НК объемом 4,3 л, изготовленная из поливинилхлорида в форме куба, соединяется через виниловые шланги с осушающим газ модулем, заполненным осушителем (CaSO4 c 3%-м CoCl2), и, затем, с радиометром радона RAD7 (Niton Corporation of Bedford, США). Радиометр с помощью встроенной воздуходувки тянет воздух из НК через осушитель и фильтр, предназначенный для отсекания продуктов распада радона и торона, внутрь измерительной камеры радиометра. Затем воздух возвращается по замкнутому виниловому шлангу назад в НК.
Поиск других способов совместного измерения ППР и ППТ с использованием НК и альфа-детекторов, работающих с счетном режиме, привел к разработке оригинального технического приема, основанного на отделении торона задерживающим объемом.
Например, в работе [8] были использованы НК и два сцинтилляционных альфа-детектора, распо-
ложенные внутри измерительных объемов, соединенных между собой задерживающим торон объемом. Радон и торон, выходящие из грунта, поступают в накопительную камеру, затем внутрь первого измерительного объема, где регистрируется альфа-излучение радона и торона, после этого газовая смесь проходит через задерживающий объем, в котором торон полностью распадается, соответственно во второй измерительный объем попадает только радон. По разности показаний первого (радон + торон) и второго (только радон) сцинтилляционных детекторов определяют количество импульсов, обусловленных тороном. Подсчитанные импульсы переводят в объемные активности и, затем, по выражениям (1) и (2) пересчитывают в плотности потока радона и торона. Этот метод является менее дорогим, поскольку не используется спектрометрическое оборудование, однако, суммарная неопределенность результата измерения таким методом увеличивается из-за использования двух детекторов и 4-х разных объемов.
В описанных выше способах совместного измерения плотности потоков радона и торона с поверхности грунта по альфа-излучению измерительное устройство (радиометр или детектор) располагается снаружи НК. При переводе накопленных газов из НК в измерительное устройство используют задерживающие аэрозольные продукты распада радона и торона фильтры, для устранения их влияния на результат измерения. Из существующих к настоящему времени методов измерения ППР известен только один с расположением измерительного устройства внутри НК - метод с использованием ионизационной камеры, в качестве которой используют широко известный в мире радиометр радона AlphaGUARD (Genitron Instruments, Германия) [9]. Однако этот метод позволяет измерение только плотности потока радона.
Способ совместного измерения ППР и ППТ
с расположением детектора
внутри накопительной камеры
Задачей настоящей работы являлся поиск простого, без использования дорогостоящего спектрометрического оборудования, способа совместного измерения плотности потоков радона и торона с поверхности грунта. Способ в дальнейшем планировалось реализовать в измерительном комплексе, способном длительно и надежно работать на станциях мониторинга в условиях резко континентального климата без присутствия оператора. Известные методы с расположением измерительного устройства снаружи НК не удовлетворяют установленным требованиям, поэтому был детально рассмотрен метод измерения с расположением измерительного устройства (детектора), работающего в счетном режиме, внутри накопительной камеры. Было предварительно произведено моделирование динамики накопления радона, торона и продуктов их распада внутри НК, а также динамики вторичных признаков: выхода (скорости образования)
альфа-, бета-частиц и гамма-излучения; скорости образования ионов в воздухе внутри НК [10].
Простое решение задачи было найдено после анализа кривой роста скорости счета импульсов от альфа-излучения, образующегося при распаде накопленных внутри НК изотопов радона и продуктов их распада (рисунок). Видно, что кривая роста выхода альфа-частиц от торона и продуктов его распада имеет специфическую форму и определяется физическими свойствами радионуклидов, а именно, соотношением периодов их полураспада. В момент времени, равный 6...7 мин после начала накопления кривая (а Тп) выходит на насыщение (равновесное состояние) и далее практически не изменяется. Рост выхода альфа-частиц от радона и продуктов его распада (а Яп) имеет практически линейную форму.
14
.о 12
т-
^ 10
1- О 8
га
У
■ га 6
.0 4
га
Ч 2
0
X 0
0й
2.
которая соответствует равновесному значению скорости счета импульсов от торона и продуктов его распада и пропорциональна плотности потока торона дТп с поверхности грунта. Производят всего два измерения скорости счета импульсов, первое - в момент времени /1=6 мин, после начала накопления, а второе - в момент времени ¡г от 40 до 60 мин, а затем дЯп и дТп, Бкм-2-с-1, определяют из выражений
4кп =
60рБ(.2 - ^)
(N. - М),
6,3-10-3 N.
4т„ ="
(3)
(4)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Время накопления, мин.
Рисунок. Динамика выхода альфа-частиц внутри накопительной камеры, образующихся при радиоактивном распаде радона и дочерних продуктов его распада (Rn), торона и дочерних продуктов его распада (^)
Анализ данных расчетов (рисунок) показал, что разделение радона и торона при их совместном измерении возможно по форме кривой роста скорости счета импульсов от альфа-излучения внутри НК. В итоге был разработан простой способ совместного измерения плотности потоков радона и то-рона с поверхности грунта, основанный на регистрации альфа-излучения радона, торона и продуктов их распада, накопленных внутри накопительной камеры.
Измерение скорости счета импульсов в данном способе производят установленным внутри накопительной камеры альфа-детектором, работающим в счетном режиме. Разделение аппаратурных сигналов от радона и торона производят по форме кривой роста скорости счета импульсов одним из следующих двух вариантов: 1. Производят измерение скорости счета импульсов в течение времени 40...60 мин от начала накопления. Далее обработку кривой накопления производят с использованием соответствующих алгоритмов, позволяющих выделить линейный участок, угол наклона которого пропорционален плотности потока радона дЯп и высоту пьедестала, на которую поднят линейный участок,
где N - измеренная в момент времени /1, мин, после начала накопления скорость счета импульсов, имп./с; Ын - измеренная в момент времени /2, мин, после нач2ала накопления скорость счета импульсов, имп./с; ЖКп(/2) - вклад радона (222Яп) в суммарный выход альфа-частиц от радона и продуктов его распада внутри накопительной камеры в момент времени /2, зависящий от /2, отн. ед.; р - коэффициент счета, который учитывает эффективность регистрации счетчика и геометрический фактор, имп.-е-1-Бк-1; £ - площадь основания накопительной камеры, м2; 6,3-10-3 - коэффициент, учитывающий вклад торона (220Яп) в суммарный выход альфа-частиц от торона и продуктов его распада внутри накопительной камеры, а также накопление торона и его радиоактивный распад за 6 мин, с-1.
Выбор первого времени измерения ¡1 обусловлен тем, что на 6-й мин (рисунок) суммарная скорость счета соответствует равновесному (область насыщения) значению скорости счета от торона и его альфа-излучающих продуктов распада.
Рекомендуемое минимальное время второго измерения ¡2 равное 40 мин, определяется требованием к объему статистики, поскольку при меньшем времени измерения сложно достоверно выделить сигнал от радона из суммарного сигнала. Ограничение на максимальное время второго измерения /2, равное 60 мин, связано с возможностью нарушения условия стационарности, т. е. изменением потока радона с поверхности земли, что приведет к увеличению неопределенности результата измерения.
Ограничение на расстояние чувствительной поверхности детектора от поверхности грунта, равное 10 см, позволяет избавиться от «фона», который может быть обусловлен регистрацией альфа-частиц, образующиеся при распаде радионуклидов, содержащихся в грунте.
Коэффициент ККп(/2) в выражении (3) и коэффициент 6,3-10-3 в выражении (4) рассчитываются на основе решения системы уравнений баланса объемной активности радона, торона и продуктов их распада внутри накопительной камеры [10]. Изменение значений коэффициента ККп(/2) в зависимости от времени второго измерения ¡2 представлены в таблице.
Разработанный способ может быть использован для измерения плотности потоков радона и торона с поверхности грунта, строительных материалов в лабораторных и полевых условиях в 2-х вариантах. 1-й вариант способа осуществляется с использованием автоматизированных измерительных устройств, а 2-й - удобен, когда выполнение измерений и запись результатов невозможна без участия оператора.
Таблица. Значения коэффициента KR„(t2) в зависимости от времени t2
t2, мин 40 45 50 55 60
KRnt), отн.ед. 0,5013 0,4925 0,4844 0,4770 0,4700
Предлагаемый способ измерения плотности потока радона и торона с поверхности грунта по альфа-излучению является простым и недорогим, поскольку не требует использования сложной спектрометрической аппаратуры, технических приемов и средств для разделения сигналов от торона и радона. Способ является достоверным, поскольку: 1) не требуется разделять сигналы от радона, торона и продуктов их распада различными техническими средствами, использование которых приводит к увеличению суммарной погрешности; 2) статистика увеличивается за счет того, что регистрируется суммарная скорость счета импульсов от
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Yakovleva V.S., Karataev V.D., Zukau V.V., Vukolov A.V., Nagor-sky P.M., Smirnov S.V. Vertical profile of ion generation rate in atmosphere due to radon, radium and other radionuclides // Abstracts of the International Conference on radium and radon isotopes as environmental tracers. - Jerusalem, Israel, 14-19 March 2010. - Jerusalem: Hebrew University, 2010. - P. 75.
2. Kochowska E., Kozak K., Kozlowska B., Mazur J., Dorda J. Test measurements of thoron concentration using two ionization chambers AlphaGUARD vs. radon monitor RAD7 // Nukleonika. -2009. - V. 54. - № 3. - P. 189-192.
3. Giargoni E., Honing A., Rottger A. Development of a calibration facility for measurements of the thoron activity concentration // Nuclear instruments and methods in physics research Section A. -2003. - № 506. - P. 166-172.
4. Mjones L., Falk R., Mellander H., Nyblom L. Measurements of tho-ron and thoron progeny indoors in Sweden // Radiation Protection Dosimetry. - 1992. - № 45. - P. 249-352.
5. Nuccitelli C., Bochicchio F. The thoron issue: monitoring activities, measuring techniques and dose conversion factors // Radiation Protection Dosimetry. - 1998. - № 78. - P. 59-64.
радона, торона и альфа-излучающих продуктов их распада, которая приблизительно в 4...5 раз выше, чем в отдельности от радона или торона.
Заключение
Разработан способ совместного измерения плотности потоков радона и торона с поверхности грунта, основанный на регистрации альфа-излучения радона, торона и продуктов их распада, накопленных внутри накопительной камеры. Определение накопленной активности раздельно для радона и торона при их совместном измерении в данном способе предложено осуществлять по форме кривой роста скорости счета импульсов от альфа-излучения. Предлагаемый способ является простым в осуществлении, поскольку не требуется использование спектрометрической аппаратуры, и удобен как для целей длительного мониторинга, так и для однократных измерений.
Предлагаемый способ может быть использован в области радиоэкологии для оценок радоноопасности территорий, планируемых под застройку, а также в научных целях, например, на станциях мониторинга для изучения предвестников сильных землетрясений, или в области геофизики при изучении радиоактивности атмосферы и ее электрических свойств.
Работа выполнена при поддержке Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» № 2.1.1/544.
6. Zhuo W., Iida T., Yang X. Environmental radon and thoron progeny concentrations in Fujian province of China // Radiation Protection Dosimetry. - 2000. - № 87. - P. 137-140.
7. Tuccimei P., Moroni M., Norcia D. Simultaneous determination of 222Rn and 220Rn exhalation rates from building materials used in Central Italy with accumulation chambers and a continuous solid state alpha detector: Influence of particle size, humidity and precursors concentration // Applied Radiation and Isotopes. - 2006. -№ 64. - P. 254-263.
8. Zahorowski W, Whittlestone S. A fast portable emanometer for field measurements of radon and thoron flux // Radiation Protection Dosimetry. - 1996. - № 67. - P. 109-120.
9. Ferry C., Beneito A., Richon P., Robe M.-C. An automatic device for measuring the effect on meteorological factors on radon-222 flux from soils in the long term // Radiation Protection Dosimetry. -2001. - V. 93. - № 3. - P. 271-274.
10. Яковлева В.С. Динамика радона, торона и продуктов их распада внутри накопительной камеры // Аппаратура и новости радиационных измерений. - 2010. - № 2. - С. 56-63.
Поступила 17.06.2010 г.
