Метод и средство экспресс-анализа содержания радона в атмосферном воздухе Лобач, Дмитрий Иосифович

Введение к работе

A^

Тематика радонового мониторинга в разное время разрабатывалась в НПО"Перспектива" (С-Пб), службами РЦГЭ ( Республиканского центра гигиены и эпидемиологии ) и БІД ( Белорусской железной дороги ). Результатами этих исследований является констатация факта высокого содержания радона в воздухе ряда сельских домов Моги-левской и Гомельской областей, а так же в воде ( ж.д.станция в Микашевичах ) и т.д.. При этом после определения как ОА. так и ЭРК никаких выводов и рекомендаций сделано не было. Об этом говорится в отчете НИИ ЯП БГУ "РАДОН" ( республиканская НТ программа 18.02р. гос.регистрационный N 01910038505. научн.рук. Барьшевский В.Г..Минск.1992 ). Анализ основных характеристик используемых вышеуказанными организациями приборов не позволяет обобщить полученные результаты, т.к. определялись разные физические величины, а вариации содержания радона и его ДПР в воздухе могут носить как сезонный, так и суточный характер, и зависят от воздухообмена в помещении.

Равномерное распределение годовых дозовых нагрузок населения по территории Беларуси указывает на присутствие различных источников ионизирующих.излучения, воздействующих на людей в южной и северной частях страны. В местах загрязненных радиоактивными "выпадениями вследствии аварии на ЧАЭС ( юг Могилевекой. Гомельская, восток Брестской областей ) - это в первую очередь техногенные радионуклиды ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr. выделение радона из почвогрунтов здесь почти полностью экранируется водоносными слоями и заболоченностью местностей". На географическом севере' и северо-западе Беларуси основными источниками облучения являются содержащиеся в почвогрун-тах естественные радионуклиды урана .радия .тория и радона.

Медикобиологическое применение оборудования для радонового мониторинга должно быть тесно связано с изучением геофизики Земли ( разломы .выявление месторождений природных ископаемых ). а так же экологическими аспектами загрязнения окружающей среды крупными промышленными центрами, предприятиями ( когда ^гггкп можно использовать как индикатор явлений атмосферного переноса ).

Доступный ассортимент технических средств ведения радоновых исследований представлен разнообразными не производимыми в стране специализированными и дорогостоящими приборами. С точки зрения определения содержания изотопов радона в воздухе, они обладают

двумя существенными недостатками. Во первых, крайне низкой экс-прессностью измерений с погрешностью <50% (0,95) в области низких объемных активностей радона ( <10 Бк/м³ ). Во вторых, отсутствием селективного анализа газа по изотопному составу.

Разработанный нами прибор позволяет частично устранить вышеуказанные недостатки за счет применения'более совершенных методик измерения и новых технических решений. Кроме того, с его помощью можно определить как объемную активность, так и эквивалентную равновесную концентрацию изотопов радона. В конструкцию радиометра заложена потенциальная возможность его применения для измерения скорости эксхалящш радона из почвогруитов, - строительного сырья, материалов и изделий, а так же определения концентрации радиоактивного газа в почве.

Связь работы с крщтыш жщчиши пуогуаммат, темат: Результаты работы внедрены в НИОКР "Разработать и организовать выпуск радиометра радона в воздухе с использованием электрических полей для концентрирования дочерних продуктов распада, разработать методику выполнения измерений" (N08/97 от 2.05.97) и используются в НИР N09/97 (2.05.97) в соответствии с ГНТП "Разработать и внедрить методы и аппаратурные средства для обеспечения радиационной и экологической безопасности "Радиоэкология"" , утвержденную постановлением Кабинета Министров N 7 от 17 января

Цель и задачи исследования:

Цель уабоші :

Разработать принципы функционирования и создать радиометр объемной активности и эквивалентной равновесной концентрации изотопов радона, основанный на применении метода электростатического сбора ДПР радона для экспресс-определения содержания изотопов радона в атмосферном воздухе.

Для достижения.поставленной цели решались следующие задачи:

1. Провести анализ существующих технических решений по теме для обоснования направления собственных разработок;

2. Осуществить математический анализ и расчет процессов сбора ионов дочерних продуктов распада изотопов радона в электростатических полях различных конфигураций на рабочую поверхность детектора для последующей их а-спектрометрии;

3. Разработать метод измерения объемной активности и эквивалентной равновесной концентрации изотопов радона в воздухе, включающий активное, непрерывное прокачивание воздуха через электрос-

татическую камеру, предназначенную для сбора положительно заряженных ионов ДПР на рабочую поверхность а-детектора;

4. Разработать измерительный преобразователь (ИП) радиометра радона . исследовать и оптимизировать его характеристики;

5. Изготовить стационарный радиометр радона и исследовать его основные характеристики;

6. Провести исследование возможности применения вышеуказанного радиометра для определения содержания изотопов радона в воздухе.

Научная новизна полт/чекныд -результатов:

1. Впервые проведены математические расчеты процесса электростатического сбора частиц ДПР. включающие учет окисления ДПР в воздухе, рекомбинации ДПР или его оксида, нейтрализации оксида ДПР, радиоактивного распада аэрозоля ДПР.- Они позволяют оценить влияние на процесс электростатического сбора параметров окружающей среды - давления, температуры, относительной влажности, теоретически определить дополнительные погрешности влияющих величин на осаждение аэрозолей ДПР.

2. Разработан способ определения содержания изотопов радона в воздухе на основе регистрации первых а-активных ДПР. Он заключается в. активном пропускании воздуха с радоном и его ДПР через электростатическую камеру измерительного преобразователя радиометра для осаждения положительно заряженных ДПР на ППД с целью регистрации а-излучений собранных на детектор ДПР в процессе про-боотбора. Методика проведения измерения ОА и ЭРК по вышеуказанной схеме позволяет осуществить экспрессные измерения in-situ низкого содержания изотопов радона в воздухе (< 10 Бк/м³).

"3.Разработан и создан экспериментальный образец многофункционального радиометра для радонового мониторинга, использующий метод электростатического сбора частиц с ДПР на рабочую поверхность детектора для последующей их а-спектромегрии во время непрерывного пробоотбора воздуха через измерительный преобразователь. Практическая реализация разработанной схемы прибора позволяет определять и объемную активность, и эквивалентную равновесную концентрацию изотопов радона в воздухе ( для ОА < 10 Бк/м³ одновременно). При этом нижний предел детектирования, по результатам регистрации ^г18Ро . составил 2 Бк/м³ ОА ^гггкп для часовой экспозиции с погрешностью 50% ( доверительная вероятность 0,95 ) . Многофункциональный радиометр позволяет, кроме того, проводить измерения ln-situ скорости эксхаляции изотопов радона из плоских об-

- 4 -разцов почвогрунтов и строительных материалов.

Практическая значимость полученных результатов:

Разработан теоретический подход описания процессов электростатического осаждения аэрозолей ДПР,.позволяющий рассчитать и оптимизировать основные характеристики измерительного преобразователя при различных конфигурациях поля в камере сбора ионов ДПР радона, и, в целом, сократить время проведения необходимого объема экспериментальных исследований для его оптимизации. Выражения для вычисления ОА и ЭРК изотопов радона позволяют проанализировать основную погрешность определения результата как функцию времени экспозиции (т.е.экспрессное) и скорости прокачки воздуха, которая задается техническими параметрами используемого насоса. В программном обеспечении прибора производится расчет ОА изотопов радона и их ДПР по полученным теоретическим формулам. Применение активного метода пробоотбора воздуха позволяет осуществлять экспрессные измерения низких ОА и ЭРК изотопов радона ( < 10 Бк/м³ ) с погрешностью <. 50% .(0,95).

Из анализа российской ФЦП"Радон" вытекает высокая значимость и практическая ценность разработки многофункционального радиометра радона для Беларуси, особенно в связи с тем , что существующие на-мировом рынке приборы являются дорогостоящими и узкоцелевыми.

Для дальнейшего широкомасштабного использования основных результатов работы требуются затраты на внедрение и адаптирования разработанного радиометра к практическим задачам служб радиационного мониторинга и научным целям ( по критериям дизайна, эргономики и т. п. ).

Эконо/шческая значимость полученных результатов:

Согласно основным положениям ФЦП России "Радон" .планируемые затраты на. техническую поддержку программы составляют менее 10% от ожидаемого экономического эффекта, поскольку результаты от проведення радонового мониторинга имеют медицинский и социальный аспекты. С другой точки зрения аналогов настоящей разработке в странах СНГ нет, поэтому прибор функционирующий по разработанной схеме может быть использован в качестве коммерческого продукта.

Основные положения диссертации, еыкосц/ше на защиту:

1. Расчет электростатического-осаждения аэрозолей ДПР в воздухе камеры сбора с учетом окисления ДПР, рекомбинации ДПР или его оксида, нейтрализации оксида ДПР, радиоактивного распада аэрозоля ДПР. На основе этого расчета решены задачи оптимизации параметров прибора и сокращения временных затрат на выполнение не-

- 5 - обходимых экспериментальных исследований.

2. Способ построения измерительного^-преобразователя многофункционального радиометра изотопов радона с использованием активного, непрерывного прохождения через него воздуха и электростатического сбора радионуклидов ДПР изотопов радона на рабочую поверхность детектора для их а-спектрометрии. который позволяет достигать наилучшую среди существующих приборов экспрессность определения низких концентраций изотопов радона, проводить измерения m-sltu ОА изотопов радона, ДПР. ЭРК и кратности воздухообмена, скорости эксхаляции изотопов радона из образцов- ( почвогрун-тов, строительных материалов и изделий ) и содержания радона в слое почвы.

3. Экспериментальный образец многофункционального радиометра для радонового мониторинга, позволяющий осуществлять ln-sltu экспрессные измерения (до 90 минут) низкого содержания изотопов радона в воздухе (< 10 Бк/м³) и их ДПР с погрешностью не больше 50 (доверительная вероятность 0,95).

Личный аклад соискателя:

Теоретические и экспериментальные исследования проблем радонового мониторинга окружающей среды : воздуха, строительных материалов и, изделий и т.д. осуществлялись автором в научной группе, руководимой к. т. н. Чудаковш В. А..

Плодотворному решению поставленных задач способствовали предварительно проведенные исследования эксхаляции изотопов радона из строительных материалов. В период с 1993 - 1994 г.г. в МИРС (Международном институте по радиоэкологии км.А.Д.Сахарова) была, произведена апробация применения электростатического концентрирования для определения скорости эксхаляции (СЗ) изотопов радона из строительных материалов и почвогрунтов (помощь в этой работе оказывал Махди М.Р.) и. разработана методика определения СЭ из плоских образцов материалов, а так же методика оптимизации параметров и характеристик ИП радиометра радона содержащего электростатическую камеру для осаждения ДПР на детектор.

Непосредственно соискателем осуществлялась :

разработка математического описания процессов электростатического осаждения ДПР на рабочую поверхность детектора;

теоретическая разработка предлагаемого в работе метода экспресс-анализа содержания изотопов радона в атмосферном воздухе , ' сочетающая его активный пробоотбор и электростатический, сбор

ДПР на поверхность а-ППД;

теоретическая проработка применения многофункционального измерительного преобразователя радиометра для измерения ln-sltu скорости эксхаляции изотопов радона из образцов (проб) почвогрун-тов. строительных материалов, сырья и изделий, а также содержания радона в почвенном воздухе.

создан ИП макета комбинированного радиометра радона и лабораторный стенд для исследования его характеристик , включающий ЭВМ для обработки получаемой при измерении информации;

проведено теоретическое и экспериментальное исследование параметров ИП прибора.

В ходе работы соискателем было накоплено большое количество теоретического и экспериментального материала, данных об исследованиях в мире по настоящей тематике, сведений о технических разработках и приборах, используемых в радоновом мониторинге.

В период подготовки математической базы для расчета электростатического сбора, а также для получения результатов при проведении экспрессных измерений многофункциональным радиометром радона в режиме активного пробоотбора, оказывал помощь Дежурко К'. Д..

- На разных этапах работ, проводимых по подготовке публикаций, осуществлялось техническое содействие аспирантов и сотрудников МИРС (Войлокова С.В.. Лупякова А.И., Пивоварчика В. Ф., Чернявского B.C.).

На основании- проделанного информационного поиска, совместно с Тушиным Н.Н. было издано учебно-методическое пособие "РАДОН".

Апробация результатов диссертати:

Материалы работы докладывались и обсуждались на научных семинарах НИЛ новой радиоизотопной техники МИРС и на Международных 51-ой и 52-й конференциях в Белорусской государственной политехнической академии, а также на Международном симпозиуме "Актуальные проблемы дозиметрии" в МИРС. Издано учебно-методическое пособие "Радон" для специалистов и работников Республиканской системы радиационного контроля. Результаты работы внедрены и используются в НИОКР М08/97 и НИР N09/97 (Программа "Радиоэкология" N. 5.1.1).

Опубликовакность результатов:

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по радоновой тематике опубликованы в одинадцати научных работах : двух статьях в научном журнале, одной статье в сборнике научных трудов симпозиума, пяти депонированных работах, двух тезисах в

- 7 -сборниках научных докладов НТ конференций в БГПА и учебно-методическом пособии "Радон".

Объём и cmwmiva диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав и шести приложений. Полный объем работы 169 страниц. Объем, занимаемый 25 иллюстрациями, 21 таблицей, списком использованных источников и шестью приложениями составляет 71- страница. Библиография диссертации : 234 литературных источников.