1.6.2.1Сцинтилляционные камеры.

Для измерения объем­ной активности (концентрации) радона в атмосфере во многих странах широко используют сцинтилляционные камеры, пред­ставляющие собой герметичный сосуд цилиндрической формы, внутренние стенки которого покрыты специальным, светосоставом (чаще всего - сернистым цинком, активированным Т1). Под действием а-частиц, испускаемых Rn,RaA,RaC^/в светосоставе возникают вспышки света, регистрируемые через прозрачное окно фотоумно­жителем и счетчиком импульсов: Конструкционным материалом для камер служит металл, пластмасса или стекло с низким со­держанием радиоактивных веществ для снижения собственного фона камеры. Пробы отбирают либо в предварительно отвакуумированные камеры, либо прокачкой определенного объема анали­зируемого воздуха, не менее чем в 5-10 раз превышающего вмес­тимость камеры.

Если введенный в сцинтилляционную камеру воздух был пред­варительно очищен от дочерних продуктов радона, то альфа-активность в камере изменяется во времени (рис. 1.8). В первые 10 -15 мин происходит удвоение активности в связи с накоплением радия А, в последующие 2,5-3 ч активность становится пример­но в 3 раза выше первоначальной (накапливается RaC^/) и в даль­нейшем снижается по экспоненциальному закону, характеризую­щему распад радона (когда утечками радона из камеры можно пренебречь).

а-Активность камеры обычно измеряют через 3 ч и более после введения пробы воздуха. Число регистрируемых в единицу вре­мени а-частиц зависит от объемной активности,

радона в камере

30 60 90 120 150 180

Время после введения радона

в камеру, мин

Рис. 1.8. Рост а-активности в сцинтилляционной камере после мгновенного введения в нее радона, очищенного от дочерних про­дуктов.

размеров какмеры и эффективности регистрации а-частиц. Увеличивая размер камеры, можно повысить чувствительность метода, одна­ко при этом необходимо учитывать, чте длина пробега а-частиц в воздухе не превышает для Кп - 4 см, КаА - 4,6 см и КаС^;-6,9 см, поэтому эффективность регистрации а-частиц в камерах объемом более 1 дм³резко снижается.

В серийно выпускавшемся до 1975 г. приборе РАЛ-1("Альфа-1") использовались металлические камеры вместимостью 625 см³. Они имели высокую чувствительность [около 30 Бк-мин/(имп*м³)], но из-за большой длины пробега а-частиц в камере их энергетический спектр был сильно "размыт", что приводило к дополнительным погрешностям при нестабильности порога дискриминации в регистрирующем устройстве. Этого недостатка лишены камеры вместимостью 50 см³, чувствительность которых составляет 200 Бк-мин/(имп-м³) и вполне достаточна для измерения объем­ной активности радона выше 100 Бк/м³. Собственный фон та­ких камер, изготовленных из пластмассы, не превышает 0,5 имп./мин, тогда как у металлических камер вместимостью 625 см³он равен 7-10 имп./мин. Камеры вместимостью 50 см³имеют габаритные размеры 70x30 мм и массу около 30 г, что позволяет отбирать в их пробы воздуха непосредственно в рудничных условиях. Из выпускаемых серийно приборов такими камерами укомплек­тован прибор РГА-01П "Глициния".

Нижний предел измерения объемной активности радона сцинтилляционной камеры оценивается следующим образом. Подсчитывается соотношение скорости счета импульсов от пробы воздуха (после установления радиоактивного равновесия между радоном и ДПР), I_пр (имп/с), и от фона:­

I_пр3С_RnW_kE

_------= ---------------------,

Iф Iф

где -С_Rnобъемная активность радона в сцинтилляционной ка­мере, Бк/м³;W_k- вместимость сцинтилляционной камеры, м³; Е - средняя эффективность регистрации а-излучения радона и ДПР, отн. ед.; Iф - фон камеры, имп./с.

Если I_пр/ Iф > 0,1, то измерение С_Rnна данном уровне в прин­ципе возможно, но для обеспечения необходимой точности мо­жет потребоваться большое аппаратурное время. Необходимую продолжительность измерения активности одной пробы воздуха с от­носительной статистической погрешностьюbоценивают по формуле:

I_пр + Iф

Т_пр= ---------------------,

I_пр²b²

Для выбора оптимальной стратегии измерений используют графики кривых, характеризующих зависимость Т_пр=f(I_пр/ Iф,b).

При измерении низких значений объемной активности радона собственный фон камеры имеет большое значение. Поэтому сразу после окончания измерений камеры следует продувать чистым воздухом, так как накапливающиеся в ней долгоживущие дочер­ние продукты радона не удается удалить без разрушения сцинциллирующего покрытия и фон камеры в процессе эксплуатации растет на 0,01 имп./с после экспозиции примерно 2∙10⁷Бк/м³.

Поскольку объемная активность радона в воздухе лаборатор­ных помещений нередко превышает 50 Бк/м³, продувку камер перед измерением фона следует осуществлять азотом или сжатым воздухом, хранившимся в баллоне не менее 2 нед.

Важной характеристикой сцинтилляционной камеры является так называемая активность, Бк/м³, эквивалентная фону:

^Сэкв_ф ^{= J∙}Iф

Где ^J– чувствительность (градуировочный коэффициент) прибора, Бк∙с/(имп∙м³).

У камеры объемом 50 см^3J= 1,2∙10⁴Бк∙с/(имп∙м³), Iф 0,005 имп./с и^Сэкв_ф60 Бк/м³.

Для увеличения чувствительности в некоторых радиометрах используется прозрачный пластмассовый сцинтиллятор "с развитой поверхностью", образующий перегородки в камере и позволяющий увеличить ее объем до 1 дм³. Такая камера в соче­тании с фотоумножителем большого размера (например, ФЭУ-52) дает возможность измерять объемную активность радона в диапа­зоне 10-1000 Бк/м³.

При поисках источников радоновыделения и в экстремальных ситуациях бывают необходимы экспрессные определения объем­ной активности радона непосредственно в рудничных условиях. В таких случаях измерения альфа-активности камер выполняют в мо­мент отбора пробы воздуха (радиометр РГА-ОЗН "Вагонетка") или сразу после его

окончания (радиометр РГА-01П "Глициния"). Несмотря на то, что при такой схеме измерений воздух предварительно очищается от ДПР, последние, накапливаясь в объеме ка­меры, частично осаждаются на ее стенках и создают дополнитель­ную погрешность при измерении малых значений непосредствен­но вслед за измерением больших значений объемной активности радона. Замена камеры в подземных условиях не всегда удобна, поэтому для снижения погрешности применяются различные ме­тоды.

В приборе РГА-01П для этой цели на прозрачном окне камеры расположена сцинтилляционная пластмасса, которая регистри­рует в основном альфа-частицы от осажденных на ее поверхности ДПР. Выходные импульсы ФЭУ разделяются по длительности и ампли­туде на 2 канала (зарегистрированные сернистым цинком и за­регистрированные пластмассой). Это позволяет определить загрязнение поверхности камеры ДПР, оставшимися от предыдущих измерений, и осуществить компенсацию остаточного фона. Сте­пень компенсации не превышает 1:10, поэтому после измерений высоких значений объемной активности прибегают к замене ка­меры.

Другим способом ограничения остаточного фона является продувка камеры сразу после измерения воздухом, очищенным от радона с помощью активного угля. Измерения выполняют до набора определенного числа импульсов, фиксируя время этого набора. Тем самым экспозиция радона в камере при любых значе­ниях его объемной активности остается одинаковой и соответ­ственно постоянным является и количество ДПР, осевших за время измерения на стенки камеры. Поэтому через некоторое время (обычно 30-40 мин) после начала серии измерений, прово­димых через некоторые (5-15 мин) промежутки времени, фон ка­меры достигает определенного и сравнительно небольшого зна­чения, которое легко учесть в расчетах объемной активности радона.

Наиболее перспективным методом ограничения остаточного фона камеры является осаждение ДПР с помощью электростатиче­ского поля в "мертвой зоне", т.е. на тех участках камеры, отку­да альфа-частицы, испускаемые ДПР, не достигают чувствительного слоя. Такие камеры могут быть использованы для непрерывной автоматической регистрации объемной активности радона, но главное их достоинство состоит в возможности длительного измерения пробы, что позволяет существенно повысить точность и представительность измерений и, таким образом, устранить тот недостаток экспрессных наблюдений, который связан с уменьшением чувствительности в 3 раза по сравнению с измерениями равновесной активности в камере.