6.5 Контроль радиоактивных газов

Измерение концентрации РБГ основано на счете отдельных -частиц или -квантов и на измерении ионизационного тока, создаваемого этими частицами (квантами).

Для практического использования при отборе проб и радиометрии -активных газов удобны переносные цилиндрические камеры с торцовым счетчиком и складывающимися стенками из тонкого полиэтилена. Размеры камеры (радиус 15 см и высота 30см) были выбраны оптимальными, ибо при дальнейшем увеличении размера чувствительность растет очень медленно. Масса камеры не превышает 1 кг. Исследуемый воздух засасывается в камеру через отверстие в дне (отверстие закрыто аэрозольным фильтром) при ее раскладывании (действует подобно мехам гармони). Это упрощает отбор пробы воздуха, так как прокачная установка не требуется. Такая камера есть в комплекте аэрозольно-газового радиометра РВ4 "Дымка".

Концентрация К газа в такой камере с торцовым счетчиком определяется по формуле:

,

где - коэффициент, зависящий от выбранных единиц измерения;

- скорость счета -частиц;

 - коэффициент, зависящий от граничной энергии -частиц, толщины входного окна торцового счетчика и размеров объема камеры с газом;

S - рабочая площадь входного окна счетчика;

V — объем камеры.

Минимально регистрируемая этой камерой концентрация зависит от граничной энергии -частиц газообразного радионуклида и находится в пределах (3,0 – 3,7)  10⁴ Бк/м³ для ⁴¹Ar, ^85mКr, ⁸⁸Кr, ¹³⁵Хе.

Для ¹³³Хе, имеющего более низкую граничную энергию частиц (Е_ = 0,346 МэВ), минимально регистрируемая концентрация составляет 10,7  10⁴ Бк/м³.

Эта камера непригодна для измерения концентрации таких газов, как ¹⁴С, ³Н, имеющих еще более низкую граничную энергию -частиц (менее 0,3 МэВ). Для контроля таких газов применяют проточные ионизационные камеры (радиометр РГБ-02) или жидкие сцинтилляторы, в которые вводят отобранные из воздуха различными способами пробы, содержащие ¹⁴СО₂ или ³ННО.

6.6 Контроль радиоактивных аэрозолей

Значения ДЗа для радиоактивных аэрозолей, как правило, на 1-2 порядка более жестки по сравнению с ДЗа для радиоактивных газов. Это объясняется их большей радиационной опасностью. Наиболее опасным из них является долгоживущий изотоп стронция ⁹⁰Sr (T_1/2 =28,6 года), который, распадаясь, образует относительно короткоживущее дочернее вещество ⁹⁰Y (Т_1/2 = 64 ч), являющееся излучателем -частиц высоких энергий. Отлагаясь в костях, ⁹⁰Sr и ⁹⁰Y облучают высокочувствительный к излучению костный мозг (один из главных органов кроветворения), и поэтому на их содержание в теле налагаются особенно жесткие ограничения — ДКа ⁹⁰Sr установлена равной 0,045 Бк/л.

На примере ⁹⁰Sr видны сложности измерений столь малых объемных активностей аэрозолей, составляющих примерно 4 - 40 Бк/м3. Поскольку ни один детектор ионизирующих излучений не сможет зарегистрировать все без исключения акты распада, действительная скорость счета измеряемого эффекта будет ниже указанной. Следовательно, при измерениях объемной активности аэрозолей на уровне ДКа и ее долей необходимо концентрировать радионуклиды из большого объема воздуха.

Еще более сложно измерение -активных аэрозолей: для получения эффекта, как минимум равного фону -радиометрических установок (примерно 1 имп/мин при эффективности около 25%), необходимо прокачивать 10—100 м³ контролируемого воздуха и концентрировать из них активность. К сожалению, при этом на фильтрующем материале оседает очень большая фоновая активность естественных радиоактивных радионуклидов типа радона, торона и продуктов их распада. Их обычная концентрация в атмосферном воздухе и рабочих помещениях составляет 3,7(10^-3 – 10^-4) Бк/л], что значительно превышает измеряемый эффект.

Широкое распространение для контроля аэрозолей и очистки от них воздуха получили тонковолокнистые фильтры ФП. Ткани ФПП из перхлорвинила имеют средний диаметр волокон 1,5 и 2,5 мкм, обладают стойкостью к кислотам и щелочам, не смачиваются водой и могут использоваться при температуре до 333 К. Ткани ФПА из волокон ацетилцеллюлозы диаметром 1,5 мкм стойки к органическим растворителям (типа хлорированных углеводородов) и могут быть использованы до 423 К и влажности не более 80%. Механизм фильтрации аэрозольных частиц на тканях ФП заключается в следующем:

- для частиц больших размеров - инерционное осаждение при большой скорости фильтрации;

- осаждение частицы вследствие касания волокна при его огибании;

- осаждение вследствие диффузии и оседания мелкодисперсных аэрозолей;

- электростатическое притяжение аэрозольных частиц, которое имеет большее значение для фильтров ФП, так как они имеют высокий электростатический заряд;

- осаждение в поверхностном слое материала тех частиц, размер которых больше расстояний между волокнами фильтра.

В результате перечисленных процессов на фильтрах ФП достигается практически одинаковое улавливание аэрозольных частиц любых размеров вплоть до свободных атомов с эффективностью почти 100%, т. е. вероятность присоединения частиц к волокнам у фильтра ФП близка к единице. В то же время радиоактивные благородные газы, не осаж-даясь, проходят через материал ФП, т. е. вероятность присоединения атомов ИРГ к волокнам близка к нулю. Это позволяет использовать фильтры ФП в качестве предосадителей аэрозолей на входе в ионизационные камеры и другие детекторы, используемые для контроля ИРГ.

Исследования показали, что максимальным проскоком сквозь материал ФП обладают частицы диаметром 0,1-0,2 мкм. Поэтому проскок фильтров ФП различных марок определяют и приводят в технических характеристиках по аэрозолям, имеющим именно эти размеры при стандартной скорости прокачки воздуха 1 см/с. Значения максимального проскока при этих условиях у фильтров ФП, используемых для определения концентрации -, -активных аэрозолей и их дисперсности, находятся в пределах 0,1 — 1,0%. Динамическое сопротивление составляет от 15 до 40 Па при скорости 1 см/с и линейно возрастает с увеличением скорости воздуха. Фильтры разных марок имеют разную толщину фильтрующего слоя: 3,0 ±0,5 мг/см² (ФПП-15-1,5 и ФПА-15-2,0), 1,5 ± 0,15 мг/см² (НЭЛ) и 1,6 ± 0,2 мг/см² (ЛФС). Фильтры НЭЛ и ЛФС используются для улавливания -активных аэрозолей в тонком лобовом слое фильтра, чтобы -частицы не поглощались в объеме фильтра. В таблице приведены характеристики аналитических круглых фильтров типа АФА для отбора проб аэрозолей.

Аналитические круглые фильтры для удобства работы с ними закладываются в бумажную обойму, которая снижает вероятность переноса активности с фильтра на оборудование и руки дозиметриста и обратное загрязнение фильтров.

Для определения объемной активности А_v радиоактивных аэрозолей по активности, осажденной на фильтре, можно воспользоваться следующей формулой:

А_v = 0,27(n-n_ф)/(FV),

где А_v - объемная активность аэрозолей, Бк/м3;

n - скорость счета на радиометрической установке при измерении активности фильтра, имп/с;

n_ф - скорость счета фона;

 - поправка на самопоглощение детектируемого излучения в объеме фильтра, отн. ед.;

 - эффективность фильтра, отн. ед.;

F - эффективность радиометрической установки, отн. ед.;

V - объем прокачанного воздуха, м³.

Формула справедлива для расчета концентрации долгоживущих аэрозолей, у которых период полураспада много больше времени прокачки воздуха через фильтр.