Романцов В.П., Романцова И.В., Ткаченко В.В. Сборник лабораторных работ по Дозиметрии и защите от ионизирующего излучени

ностью, в частности, из-за своей большой площади поверхности (площадь дыхательной поверхности легких 50 55 м2).

Ингаляционное поступление аэрозолей внутрь организма осуществляется через органы дыхания, которые состоят из носовой полости, глотки, трахеи, бронхов и легких. Воздух вдыхается через нос и рот и спускается в легкие по трахее и по разветвляющимся, как дерево трубкам бронхам и бронхиолам. На конечных бронхиальных веточках «бронхиального дерева» находятся альвеолы крохотные мешочки, заполненные воздухом. Легкие похожи на губку, поскольку они состоят из миллионов таких мельчайших мешочков. Альвеолы оплетены густой сетью капилляров, и именно здесь происходит жизненно важный обмен кислорода и углекислого газа. В альвеолах кровь непосредственно контактирует с вдыхаемым воздухом; при этом кислород (вместе с радиоактивными веществами) поступает в кровоток, а углекислый газ из него выходит и выдыхается.

Слизистая оболочка дыхательных путей (трахеи, бронхов и бронхиол) выстлана мерцательным эпителием, внешняя поверхность которого имеет реснички, способные сокращаться только

внаправлении ротовой и носовой полостей, т.е. можно сказать, что наличие мерцательного эпителия является защитной реакцией организма, благодаря которой часть аэрозольных частиц, попавших в дыхательную систему, возвращается обратно. Наиболее эффективно удаляются из легких частицы размером более 2 мкм. Для очень мелких частиц (< 1 мкм) роль мерцательного эпителия незначительна. Таким образом, в процессе дыхания аэрозольные частицы вместе с воздухом через трахею и бронхи попадают в альвеолярные ткани, а оттуда (после преобразования

врастворимую форму) в лимфатическую систему или кровь.

Относительная радиационная опасность радионуклидов.

Зная основные закономерности распределения и накопления различных радионуклидов в органах человека (учитывая константы переноса, физические и химические характеристики элемента), можно распределить радионуклиды по степени относительной радиационной опасности. Значения предела годового поступления (ПГП) некоторых радионуклидов в воздухе пред-

101

ставлены в табл. 4.427. Из этих данных видно, что диапазон значений пределов годового поступления очень широк (занимает семь порядков величины).

Таблица 4.4 Значения предела годового поступления с воздухом некоторых

радионуклидов для населения

Для определения радиационной опасности радионуклида большое значение имеет его период полураспада. Так, в химическом отношении одинаковые изотопы стронция (89Sr и 90Sr) имеют пределы годового поступления, отличающиеся в 20 и 30 раз для воздуха и воды соответственно. Такая же зависимость

просматривается и для изотопов рутения (103Ru: Т1/2 = 40 сут, ПГП = 14 Бк; 106Ru: Т1/2 = 1 год, ПГП = 1,4 Бк), йода (133J:

27 Предел годового поступления для персонала группы А дочерних продуктов изотопов радона (RaA+RaB+RaC) составляет ПГП вщздА =

3 106 Бк/год.

102

Т1/2 = 20 ч, ПГП = 8 Бк; 135J: Т1/2 = 6,7 ч, ПГП = 26 Бк) и некоторых других радионуклидов.

Важным фактором при определении предела годового поступления является способность нуклида локализовываться в отдельных органах – для неконцентрирующегося нуклида облучаемая масса (все тело стандартного человека) на порядок больше массы того органа, в котором откладывается радионуклид. Можно сопоставить два долгоживущих изотопа, имеющих практически одинаковый период полураспада 137Cs и 90Sr. Их пределы годового поступления отличаются на порядок, и это обусловлено в том числе и тем, что 137Cs имеет равномерное распределение по всему организму, а 90Sr концентрируется в основном в костях.

Очень большие значения пределов годового поступления (в тысячи раз больше, чем для других - -излучателей) для изото-

пов водорода (3Н, Е max = 18 кэВ) и углерода (14С, Е max = 158 кэВ) объясняются, в частности, тем, что эти изотопы участвуют

в водном и углеродном обмене, активно протекающем в живом организме – поэтому они практически не концентрируются ни в каких органах, к тому же имеют низкую энергию -излучения. В то же время такие радионуклиды как цезий, рутений, ниобий, имеющие также равномерное распределение по организму, имеют предел годового поступления значительно ниже, чем для водорода и трития. Это обусловлено как более высоким значением максимальной энергии -спектра этих нуклидов Е max , так и наличием сопутствующего -излучения.

Как видно из табл. 4.4, наиболее радиационно опасными являются α-излучатели 226Ra, 239Pu. Эти радионуклиды, вопервых, концентрируются преимущественно в костной ткани (а не распределяются равномерно по всему организму), во-вторых, имеют большой период полураспада, и в-третьих, испускают α- частицы, имеющие наиболее высокое значение относительной биологической эффективности.

ИЗМЕРЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ И МЕТОДЫ ОСАЖДЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ

Поскольку радиоактивные аэрозоли представляют значитель-

103

ную 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 асбестоцеллюлозная 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 волокнистого фильтра определяется следующим образом

104

где С0 – концентрация аэрозолей до фильтра, Сh концентрация аэрозолей после фильтра толщиной h. Эффективность волокнистого фильтра можно найти экспериментально, если есть два фильтра одинаковой толщины, расположенные друг после друга:

где А1 и А2 – активности частиц, осажденных на первом и втором фильтрах.

Проскок аэрозольных частиц через фильтр равен

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 фильтра28, необходимость внесения поправок на самопоглощение - и -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 ос-

новном 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

28 Для сравнения концентрации радиоактивных аэрозолей, содержащихся в воздухе с допустимым значением, требуется несколько часов, чтобы прокачать пробу воздуха через фильтр.

105

хождения. 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 -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 -активных аэрозолей, таких, как 89Sr, 90 Sr, 90Y составляет (10 60) Бк/м3. В то же время при измерении искусственных -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 -частиц – долгоживущие аэрозоли имеют энергию -частиц меньшую, чем

107

продукты распада радона и торона29. Анализируя энергетический спектр -частиц, осевших на фильтре, и зная зависимость эффективности регистрации спектрометра от энергии, можно определить и концентрацию -частиц в воздухе.

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

т.е. долгоживущие -излучатели имеют меньший пробег по сравнению с короткоживущими. Для определения количества короткопробежных -частиц достаточно поставить поглощающий слой определенной толщины, через который будут проходить длиннопробежные частицы продуктов распада радона и торона, а короткопробежные -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 -частицы с большим пробегом короткоживущих изотопов (214Ро и 212Ро). Тогда нижний счетчик будет регистрировать суммарную скорость счета всех -частиц от долго- и короткоживущих изотопов nн, а скорость счета долгоживущих изотопов nд 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.

29 Энергии -частиц, испускаемых плутонием: Е (239Pu) = 5,1 МэВ; Е (238Pu) = 5,5 МэВ; Е (240Pu) = 5,17 МэВ. Продукты распада радона

имеют энергию: Е (218Pо) = 6,0 МэВ; Е (216Pо) = 6,78 МэВ; Е (212Pо) = 8,78 МэВ; Е (212Vi) = 6,05 МэВ.

108

Установка для

объема прокачиваемого воздуха, детекторы для измерения -, - или -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 - и -радио-активных аэрозолей и газов без разделения долго- и короткоживущих компонентов акивности. В простейшем варианте РВ-4, изображенном на рис. 4.3, отбор проб - и -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 - и -датчиками, которые для удобства эксплуатации размещены в одном блоке с пробоотборником. Активность фильтра измеряется раздельно по - и-излучению. Для регистрации -излучения, имеющего энергию Е 4 МэВ, используется тонкий сцинтиллятор ZnS(Ag) (2), нанесенный на диск из оргстекла, который находится в оптиче-

109

ском контакте с фотоумножителем (3). Измерение -частиц с энергией Е 0,2 МэВ осуществляется с помощью газоразрядного счетчика (11). Ткань фильтра и дополнительная тонкая синтетическая пленка на счетчике являются поглотителями -частиц, что исключает попадание их в рабочий объем счетчика. В пульте радиометра размещены блок питания (9) и измерительная схема

(10).

Чтобы определить концентрацию - и -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 - и -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 -активных аэрозолей (10-13 10-10) Ки/л, для -активных аэрозолей (10-12 10-9) Ки/л при -фоне не более

0,1 мкР/с.

ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с описанием радиометра РВ-4 (рис. 4.4).

Начальное положение тумблеров прибора РВ-4:

СЕТЬ-ВЫКЛ ВЫКЛ. ПУСК-СБРОС-СТОП СБРОС ВОЗДУХ-ВЫКЛ ВЫКЛ.

РЕГУЛИРОВКА РАСХОДА вывести в крайнее левое положение.

2. Включить прибор и проверить его работоспособность.

Для этого поставить тумблеры прибора в следующие положения:

СЕТЬ-ВЫКЛ СЕТЬ

2- 10100 2

ГЕНЕРАТОР- -золи- -газ- -золи- -газ ГЕНЕРАТОР

ПУСК-СБРОС-СТОП ПУСК

После этого должны запуститься секундомер и измерительная схема. Если прибор работоспособен, то каждая вторая

110