СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИОАКТИВНОСТИ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01T1/02 G01T1/14 G01T1/18 

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретнее к дозиметрическому контролю воздуха, содержащего смеси аэрозолей альфа- и бета-активных нуклидов, и может быть использовано для контроля содержания радиоактивных газов в воздухе, при экологическом мониторинге окружающей среды, контроле вдыхаемого воздуха в шахтах, в жилых помещениях, исследовании протекания химических и биологических реакций, сопровождающихся выделением радиоактивных газов, индивидуальном дозиметрическом контроле.

По современным оценкам примерно половину годовой дозы в нормальных условиях (среда не заражена радиоактивными отходами) человек получает за счет вдыхания дочерних продуктов распада ²³⁸U, присутствующего в земной коре. Основным источником этого облучения являются газы радон (Rn-222) и торон (Rn-220), имеющие времена полураспада 3,82 суток и 55,4 секунды соответственно. Образовавшись вблизи поверхности урансодержащих материалов, эти газы диффундируют в воздух. Однако сам радон, будучи инертным газом, опасности для здоровья человека не представляет. Основной вредоносный эффект проявляется за счет испускания ионизирующего излучения в процессе распада Rn и его дочерних продуктов, которые к тому же являются химически очень активными. Альфа-распад Rn-222 в течение последующих нескольких часов сопровождается еще четырьмя последовательными превращениями дочерних продуктов. Образующийся из радона ²¹⁸Po через 3,05 мин превращается в ²¹⁴Pb с испусканием альфа-частицы с энергией 6,0 MeV²¹¹Pb, распадается со временем жизни 26,8 мин (с испусканием электрона и гамма-кванта) в изотоп висмута ²¹⁴Bi, который через 19,8 мин превращается в ²¹⁴P также с испусканием электрона и гамма-кванта, ²¹⁴Po распадается через 164 микросекунды с испусканием 7,687 MeV альфа-частицы. Таким образом, распад радона и его короткоживущих дочерних продуктов сопровождается испусканием трех альфа-частиц, двух электронов и двух гамма-квантов. Во многих странах установлены предельные нормы содержания Rn в воздухе. Например, в США для жилых помещений уровень среднегодовой активности по Rn выше 4 пикокюри на литр (0,148 Бк/л) считается опасным с точки зрения заболевания раком легких.

Известны способы контроля радиоактивности газа, предусматривающие предварительное заряжение электрета (высокоомной диэлектрической пленки), измерение его начального заряда, напускание в измерительную камеру исследуемого газа, накопление на поверхности электрета ионов и заряженных частиц, образующихся в процессе распада радиоактивного газа, последующее измерение величины поверхностного заряда и определение радиоактивности исследуемого газа, причем измерение начального заряда, а также измерение заряда после экспозиции электрета в исследуемом газе производят непосредственно в измерительной камере (см. заявку Японии N 62-2186, кл. G01T 1/02, 1987, патент Франции N 2446490, кл. G01T 1/14, 1980).

Для осуществления этого способа используют измерительную камеру с расположенным в ней электретом на проводящей основе, соединенную с механизмом привода колебаний в направлении, перпендикулярном поверхности электрета (заявка Японии N 62-2186, кл. G01T 1/02, 1987, патент Франции N 2446490, кл. G01T 1/14, 1980). Технический результат достигается тем, что в способе определения радиоактивности газа, состоящем в предварительном заряжении электрета, измерении его начального поверхностного заряда, напускании в измерительную камеру исследуемого газа, экспозиции электрета в исследуемом газе, накоплении на поверхности электрета ионов и заряженных частиц, последующем измерении величины его поверхностного заряда и определении радиоактивности исследуемого газа по изменению величины поверхностного заряда электрета за время экспозиции в исследуемом газе, причем измерение начального заряда электрета, а также измерение заряда электрета после экспозиции в исследуемом газе производят непосредственно в камере, предварительное заряжение электрета производят в измерительной камере.

Для уточненной оценки радиоактивности исследуемого газа из полученной за время экспозиции в исследуемом газе величины изменения поверхностного заряда электрета вычитают величину саморазряда электрета за время, равное времени экспозиции электрета в исследуемом газе.

Величину саморазряда электрета определяют путем измерения величины изменения поверхностного заряда электрета до напускания в измерительную камеру радиоактивного газа за интервал времени, равный продолжительности экспозиции электрета в исследуемом газе.

Еще более уточненную оценку радиоактивности исследуемого газа производят путем определения величины саморазряда электрета непосредственно в радиоактивном газе, для чего на время измерения саморазряда электрета компенсируют его внешнее поле.

Для заряжения электрета над его поверхностью ионизируют газ одним из известных способов, например, путем подачи высокого напряжения (порядка 4 кВ) на металлические проволоки и зажигания коренного разряда. Измерение заряда электрета также производят одним из известных способов, например, используют метод динамического конденсатора. Для этого над поверхностью заряженного электрета размещают проводящую пластину и соединяют ее с подложкой электрета. Периодически изменяя расстояние между пластиной и электретом (амплитуда измерения 0,5 мм), измеряют ток, протекающий по соединительному проводу между пластиной и подложкой. По амплитуде тока судят о заряде электрета. Благодаря реализации заявленного способа удается учесть влияние поля электрета на измеряемое значение активности газа и каждый раз производить дозарядку электрета при выходе из области линейной зависимости заряда электрета от экспозиции.

При измерении очень низких активностей паразитную роль начинает играть саморазряд электрета спонтанное изменение его заряда, обусловленное свойствами материала, из которого он изготовлен. Причем величина саморазряда зависит как от режимов эксплуатации электрета, так и от условий окружающей среды: температуры и влажности воздуха, уровня гамма-фона и т.п. Саморазряд электрета измеряют путем заряжения электрета и последующего измерения его поверхностного заряда без напускания исследуемого газа в измерительную камеру. Полученное значение саморазряда вычитают из изменения заряда электрета, происшедшего в радиоактивном газе.

Если измерение активности производят в агрессивном газе, содержащем пары растворителей, поверхностно-активные вещества и т.д. то возможные компоненты саморазряда за счет увеличения поверхностной электропроводности материала электрета, появления обходных токов утечки, учитывают путем измерения изменения заряда электрета после компенсации поля над его поверхностью. При этом образующиеся в воздухе над электретом заряды на его поверхность не осаждаются, а саморазряд происходит исключительно за счет паразитных механизмов электропроводности.

Поставленная задача достигается также тем, что в устройство для мониторинга радиоактивного газа, содержащее измерительную камеру для напускания исследуемого газа и расположенный в ней электрет на проводящей основе, соединенной механизмом привода колебаний подложки электрета в направлении, перпендикулярном поверхности электрета, согласно изобретению введен электризатор с управляющей сеткой, расположенный параллельно над свободной поверхностью электрета.

Именно наличие электризатора и заряжение электрета в измерительной камере, а также измерение потенциала электрета посредством перемещения основы с помощью механизма привода и измерения тока между основой и управляющей сеткой, позволяют реализовать заявляемый способ.

Данный способ по сравнению с прототипом отличается тем, что электризацию электрета производят непосредственно в измерительной камере. Данное устройство по сравнению с прототипом отличается наличием коронирующего электризатора с управляющей сеткой.

Именно электризация (заряжение) электрета в измерительной камере и измерение там же его заряда до и после экспозиции в радиоактивном газе позволяют с большой точностью проконтролировать его разряжение в различных условиях. Например, при наличии низких уровней активности газа (как это имеет место в большинстве жилых помещений) на электрет нужно наносить большой заряд. Именно реализация предлагаемого способа позволяет согласовать величину наносимого на электрет заряда и измеряемый уровень активности, повысив тем самым чувствительность способа. С другой стороны, при слишком больших экспозициях заряд электрета может измениться в два и более раз. При этом из-за нелинейности разрядки электрета чувствительность способа начинает зависеть от времени, уменьшаясь за период измерения в несколько раз. Реализация предлагаемого в данном изобретении способа позволяет проконтролировать спад заряда электрета и сопровождающее его изменение чувствительности и произвести дозарядку (или разрядку) электрета до нужного значения, соответствующего измеряемой активности.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит коронирующий электризатор с управляющей сеткой, расположенной параллельно свободной поверхности электрета, над ней, и механизм привода колебаний подложки электрета в направлении, перпендикулярном поверхности электрета. Устройство совмещает в себе электризатор и измеритель заряда электрета и не требует больших перемещений (амплитуда колебаний подложки с электретом десятые доли миллиметра). Именно такая конструкция позволяет реализовать предлагаемый способ и существенно повысить чувствительность и расширить диапазон измеряемых активностей в сторону меньших значений.

Способ осуществляется с помощью устройства для мониторинга радиоактивного газа, изображенного на чертеже.

Устройство состоит из герметичного корпуса 1 с отверстиями для напускания газа, электрета 2 на проводящей основе 3, связанной с механизмом привода 4. Над свободной поверхностью электрета расположено зарядное устройство, состоящее из коронирующих элементов 5, соединенных с источником высокого напряжения 6, заземленного экрана 7 и управляющей сетки 3. Подложка с помощью ключа 9 может подключаться либо к измерительному усилителю 10, либо к источнику напряжения 11, задающему начальный заряд электрета.

Способ реализуют следующим образом. Для заряжения электрета с помощью ключа 9 к подложке подключают источник напряжения 11, задающий исходный заряд электрета, и зажигают коронный разряд путем подачи на коронирующие элементы напряжения от источника 6. Электризацию (заряжение) электрета продолжают несколько секунд, после чего напряжение на электрете становится равным по величине напряжению источника 11 и противоположным ему по знаку. После окончания электризации выключают источники высокого и зарядного напряжения 6 и 11 соответственно, с помощью ключа 9 подключают подложку 3 к измерительному усилителю 10, включают механизм привода 4 колебаний подложки и определяют начальный заряд электрета.

Для измерения заряда электрета используют метод динамического конденсатора. Для этого периодически изменяют расстояние между заземленной управляющей сеткой 8 и электретом 2 (амплитуда изменения 0,5 мм), измеряют ток, протекающий по соединительному проводу между проводящей основой 3 и землей. По амплитуде тока судят о заряде электрета. После этого в измерительную камеру на заданное время напускают исследуемый газ. После окончания экспозиции электрета в исследуемом газе вновь проводят измерение заряда электрета до и после экспозиции в радиоактивном газе и определяют (используя градуировочную кривую) активность исследуемого газа.

Для учета саморазряда электрета и измерения начального заряда электрета сразу после его электризации электрет оставляют в заряженном состоянии на время, равное времени экспозиции, но в измерительную камеру не напускают исследуемый газ. После этого измеряют значение заряда электрета и вычитают его из начального заряда. Полученная разность и есть величина саморазряда электрета. Электрет вновь заряжают до того значения заряда, которое было на нем до оценки саморазряда, напускают в измерительную камеру исследуемый газ и проводят экспозицию. После окончания экспозиции измеряют поверхностный заряд и теперь уже из начального значения заряда, которое было до экспозиции, вычитают не только полученное значение заряда после экспозиции, но и величину саморазряда электрета, оцененную вначале.

При оценке саморазряда электрета непосредственно в радиоактивном газе измерение величины изменения поверхностного заряда электрета проводят непосредственно в радиоактивном газе. Для этого на время измерения саморазряда компенсируют его внешнее поле путем подачи на проводящую основу 3 напряжения, равного по величине и противоположного по знаку напряжению электрета.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления могут использоваться при контроле вдыхаемого воздуха в шахтах, в жилых помещениях, исследовании протекания химических и биологических реакций, сопровождающихся выделением радиоактивных газов, и индивидуальном дозиметрическом контроле.

Использование: в измерительной технике, а конкретнее - в дозиметрическом контроле воздуха. Сущность изобретения: способ определения радиоактивности газа состоит в предварительном заряжении элекрета и измерении его начального заряда, напускании в измерительную камеру исследуемого газа, экспозиции электрета в исследуемом газе, накоплении на поверхности электрета ионов и заряженных частиц, образующихся в процессе распада радиоактивного газа, последующем измерении величины его поверхностного заряда и определении радиоактивности исследуемого газа по изменению величины поверхностного заряда электрета во время экспозиции в исследуемом газе. Измерение начального заряда электрета, измерение его заряда после экспозиции в исследуемом газе, а также предварительное заряжение электрета производят непосредственно в измерительной камере. Устройство для определения радиоактивности газа, содержащее измерительную камеру с расположенным в нем электретом на проводящей основе, соединенной с механизмом привода колебаний, дополнительно содержит коронирующий электризатор с управляющей сеткой, расположенной параллельно над свободной поверхностью электрета. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения радиоактивности газа, состоящий в предварительном заряжении электрета и измерении его начального заряда, напускании в измерительную камеру исследуемого газа, экспозиции электрета в исследуемом газе, накоплении на поверхности электрета ионов и заряженных частиц, образующихся в процессе распада радиоактивного газа, и последующем измерении величины его поверхностного заряда и определении радиоактивности исследуемого газа по изменению величины поверхностного заряда электрета за время экспозиции в исследуемом газе, причем измерение начального заряда, а также измерение заряда после экспозиции электрета в исследуемом газе производят непосредственно в измерительной камере, отличающийся тем, что предварительное заряжение электрета производят непосредственно в измерительной камере. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определении радиоактивности исследуемого газа из полученной за время экспозиции в исследуемом газе величины изменения поверхностного заряда электрета вычитают величину саморазряда электрета за время, равное времени экспозиции электрета в исследуемом газе. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что величину саморазряда электрета определяют путем измерения величины изменения поверхностного заряда электрета до напускания в измерительную камеру радиоактивного газа за интервал времени, равный продолжительности экспозиции электрета в исследуемом газе. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что величину саморазряда электрета определяют путем измерения величины изменения поверхностного заряда электрета непосредственно в радиоактивном газе, при этом на время измерения саморазряда электрета компенсируют его внешнее поле. 5. Устройство для определения радиоактивности газа, содержащее измерительную камеру для напуска исследуемого газа и расположенный в ней электрет на проводящей основе, соединенной с механизмом привода колебаний в направлении, перпендикулярном поверхности электрета, отличающееся тем, что устройство содержит коронирующий электризатор с управляющей сеткой, расположенный параллельно над свободной поверхностью электрета.