РАДИОМЕТР ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ АКТИВНОСТИ РАДОНА, ТОРОНА И ДОЧЕРНИХ ПРОДУКТОВ ИХ РАСПАДА В ВОЗДУХЕ Российский патент 1998 года по МПК G01T1/167 G01T1/20 G01T7/04 

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для контроля окружающей среды, в частности, санитарно-эпидемиологическими и экологическими службами для контроля за содержанием радона, торона и их дочерних продуктов в воздухе жилых и производственных помещений, в радоновых водолечебницах и специальных медицинских лабораториях, при оснащении зондом в строительной индустрии при выборе строительных площадок, анализа радоноопасности строительных материалов и конструкций; при производстве строительных материалов, открытой разработки и переработки полезных ископаемых; при оснащении барботером для регистрации радона в жидких средах (воде, нефти); в научно-исследовательских лабораториях.

Известно, что существуют радиометры для оперативного измерения объемной активности радона и торона, использующие принцип электростатического собирания [1].

Отбор пробы воздуха для определения содержания радона в нем проводится или методом 5-кратной замены воздуха в камере на воздух окружающей среды методом продувки, или замещением воздуха в камере диффузией анализируемого воздуха через радонпроницаемые фильтры, являющиеся частью стенок камеры, но в этом случае процесс проходит за время не меньшее чем 30 мин [2].

Самостоятельным классом приборов являются радиометры для измерения объемной активности дочерних продуктов распада радона и торона в воздухе, использующие принцип отбора проб воздуха на фильтр с последующим измерением активности фильтра по альфа-излучению [3], по бета-излучению [4], по гамма-излучению [5].

В качестве чувствительного элемента могут быть использованы поверхностно барьерные полупроводниковые детекторы (ППД) [1], детекторы на основе сцинтиллятора ZnS(Ag), покрытого тонкой пленкой золота [6]; детекторы на основе ZnS(Ag) сцинтиллятора, покрытого тонким алюминизированным майларом [7].

Причем надо заметить, что отбор пробы ведется на один фильтр при ограниченной площади его и регламентированном расходе воздуха, пропускаемого через фильтр, что определяет в конечном итоге чувствительность методики, зависящей от количества продуктов распада радона, собранных на фильтр.

Полагая эффективность фильтра η = 1, напишем формулу для количества атомов RaA(N_A), осевших на фильтр единичной площади за время прокачки t

где
n_A - количество атомов RaA в 1 л воздуха;
ω - расход воздуха, пропускаемого через фильтр, л/мин;
λ_A - период полураспада RaA.

Для определения дозовой нагрузки от радона и его ДПР с использованием одного из видов приборов, которые измеряют или радон или дочерние продукты его распада, в современной практике используют коэффициент F, называемый коэффициентом равновесия между радоном и ДПР. Значение этого коэффициента равновесия, по мнению различных авторов, принимается в интервале 0,4-0,8. Некоторые авторы считают, что при определении дозовой нагрузки по чистому радону незнание коэффициента равновесия F ведет к ошибке порядка 100%.

Для уменьшения погрешности измерения специалисты вынуждены использовать два самостоятельных прибора или более, если ставится задача измерения радона в воде и т.д.

Вопросы дозиметрии торона и дочерних продуктов их распада имеют те же проблемы, но с учетом короткого времени жизни торона вклад его в суммарную дозу облучения примерно в 20 раз меньше [8].

Использование в качестве чувствительного элемента ППД для измерения радона и торона связано с необходимостью выполнения корпуса двойным для обеспечения электробезопасности, что приводит к утяжелению устройства. Ограниченный температурный диапазон (не выше 35^oC) полупроводниковых детекторов является вторым их недостатком.

Недостатками устройств, использующих в качестве чувствительного элемента сцинтиллятор ZnS(Ag), покрытый тонкой пленкой золота или алюминизированным майларом, являются неудовлетворительные эффективность и энергетическое разрешение, отсутствие возможности спектрометрической идентификации радионуклидов, осаждаемых на поверхности сцинтиллятора.

Кроме того, все перечисленные чувствительные элементы характеризуются большим временем подготовки устройства к проведению следующего измерения из-за невозможности очистки поверхности чувствительного элемента от осажденных радионуклидов, что необходимо при проведении измерений в зоне с большой активностью радона.

Первым недостатком перечисленных устройств является ограниченные функциональные возможности: измерение только объемной активности радона, торона. Для измерения объемной активности ДПР радона требуется дополнительный прибор.

Вторым недостатком аналогов, измеряющих ДПР, является неудовлетворительная чувствительность, определяемая ограниченной площадью фильтра.

Третьим недостатком устройств для измерения объемной активности радона у аналогов является применение микронагнетателя, что утяжеляет конструкцию. Недостатки чувствительных элементов, перечисленных выше, становятся характерными и для устройств, использующих эти чувствительные элементы.

Техническими преимуществами предлагаемого радиометра является расширение функциональных возможностей благодаря обеспечения измерения как объемной активности радона и торона, так и измерения объемной активности продуктов распада радона и торона, снижение погрешности при стыковке измерений радона и ДПР, повышение чувствительности при измерении ДПР, уменьшение времени измерения при работе в зоне с большой активностью, улучшение эксплуатационных характеристик радиометра, снижение энергопотребления при измерении радона.

Технические преимущества в радиометре для оперативного измерения активности радона, торона и их дочерних продуктов распада достигается тем, что оно содержит сцинтилляционный чувствительный элемент, связанный через ФЭУ с электронным регистрирующим блоком, фильтр, корпус, крышку корпуса, выполненную с вентилями, на каждом из которых расположен дополнительный фильтр, держатель, свинцовую защиту, причем чувствительный элемент выполнен в виде сборки, состоящей из тонкого кристалла CsI(Tl), сетки кристалла NaI(Tl), крышка корпуса выполнена подвижной с возможностью ее подъема, при проведении измерения активности ДПР фильтр составлен из нескольких стандартных фильтров, расположенных друг над другом и помещенных в держатель, расположенный на верхней поверхности подвижной крышки, под которой внутри корпуса расположен чувствительный элемент, закрытый свинцовой защитой. Определение "тонкий" означает, что кристалл CsI(Tl), составляя единицы (2-4) миллиметров, на порядок тоньше кристалла NaI(Tl).

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом радиометре благодаря выполнению крышки корпуса подвижной, использованию чувствительного элемента в виде сборки: тонкий кристалл CsI(Tl) - сетка - кристалл NaI(Tl), описанной взаимосвязи между элементами устройства, обеспечена возможность использования фильтра с развитой поверхностью. Все эти факторы вместе обеспечили оптимальные условия при измерениях объемной активности радона и торона и при измерениях объемной активности дочерних продуктов их распада.

Предлагаемый радиометр схематично изображен на чертеже, где а - устройство в случае, когда подвижная крышка корпуса поднята, б - устройство, когда подвижная крышка корпуса опущена, в - чувствительный элемент.

Принятые обозначения.

Сцинтилляционный чувствительный элемент 1, фотоэлектронный умножитель 2, электронный регистрирующий блок 3, корпус 4, подвижная крышка 5 корпуса, вентили 6, фильтр 7, рабочая камера 8, съемная крышка 9 для очистки поверхности чувствительного элемента, дополнительный фильтр 10 с силикагелем, расположенный на вентиле 6, держатель 11 для фильтров 7.

На чертеже представлены схематично клавиатура 12 для управления работой устройства, жидкокристаллический дисплей 13, входящие в электронный регистрирующий блок, направляющие стержни 14 и свинцовая защита 15, не отраженные в формуле изобретения, т.к. не составляют объем притязаний.

В устройстве рабочая камера 8 образована подвижной крышкой 5 и корпусом 4. На верхней части подвижной крышки смонтированы два вентиля 6, через которые осуществляется воздухообмен при измерении объемной активности радона и торона, при этом используется дополнительный фильтр 10 с силикагелем, осуществляющий задержку ДПР радона и торона из воздуха и поглощение влаги. Рабочая камера 8 просматривается чувствительным элементом 1, представляющим собой сцинтилляционную сборку, например CsI(Tl) - сетка - NaI(Tl). Электрические сигналы с ФЭУ обрабатываются в электронном регистрирующем блоке 3, включающие в себя, например, усилитель, схему альфа-бета разделения по заднему фронту, схему разделения NaI(Tl)-CsI(Tl) по переднему фронту, амплитудный анализатор, процессор, память. Клавиатура 12 служит для выбора режимов измерения и связана с электронным регистрирующим блоком.

Выходная информация в единицах Бк/м³ визуализируется на жидкокристаллическом дисплее 13. Подвижная крышка 5 может опускаться по направляющим стержням 14, что реализуется при проведении измерения объемной активности ДПР (б). При поднятой крышке 5 (а) осуществляется забор пробы воздуха из окружающей cреды для измерения объемной активности радона и торона. Дочерние продукты распада радона и торона в воздухе осаждаются на фильтры 7, которые представляют собой несколько стандартных фильтров при измерении расположенных друг над другом и размещенных в держателе 11, при этом чувствительный элемент 1 должен быть закрыт свинцовой защитой 15.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Для измерения объемной активности радона в исходном состоянии подвижная крышка 5 рабочей камеры 8 опущена. Если предыдущее измерение проводилось в условиях повышенной активности радона, то снимается крышка съемная 9, и чувствительная поверхность сцинтилляционной сборки 1 очищается, затем крышка 9 устанавливается в прежнее положение. Проба воздуха забирается подъемом подвижной крышки 5, которая перемещается по направляющим стержням 14, при этом один из вентилей 6 закрыт, а воздух поступает через второй вентиль 6 через дополнительный фильтр с силикагелем, очищая его от ДПР, содержащихся в воздухе и поглощая излишнюю влагу с помощью силикагеля. На сетку чувствительного элемента 1, подвижную крышку 5 подается высокое напряжение, причем корпус остается под нулевым потенциалом (заземляется), сигнал снимается с анода ФЭУ, на который также подается высокое напряжение. Соответствующий режим измерения задается с помощью клавиатуры 12, связанной с электронным регистрирующим блоком. Радон в рабочей камере 8 распадается с образованием альфа-активного RaA, который электростатическим полем осаждается на поверхности чувствительного элемента 1. Альфа-частицы дают вспышку в кристалле CsI(Tl) чувствительного элемента 1, которая с помощью ФЭУ регистрируется электронным регистрирующим блоком 12, где анализируется спектр альфа-излучения, полученный в результате разделения электрических сигналов от альфа-частиц и фоновых импульсов от β,γ- излучения по заднему фронту [9, 10]. Результат высвечивается на жидкокристаллическом дисплее 13 в единицах Бк/м³.

Для измерения объемной активности торона исходное положение: подвижная крышка 5 поднята, к вентилю 6, не закрытому фильтром 10, подсоединяется воздуходувка, на схеме не показанная, осуществляющая непрерывное поступление воздуха в камеру через фильтр 10. Торон в камере распадается на ThA, во всем остальном принцип регистрации аналогичен измерению объемной активности радона.

Объемная активность дочерних продуктов распада радона и торона в воздухе измеряется с использованием их осаждения одновременно на несколько фильтров. Количество атомов продуктов распада радона, торона, осажденных на фильтры при этом будет в k раз больше, где k - количество используемых фильтров. Для RaA, например, формула (1) будет выглядеть следующим образом

при этом kw - расход воздуха, пропускаемого через k фильтров.

Фильтры затем собираются в стопку 7 и размещаются на верхней поверхности опущенной подвижной крышки 5 в специальном держателе 11, подается напряжение на ФЭУ 2, включается питание электронного регистрирующего блока 3. Гамма-излучение продуктов распада радона-торона регистрируется кристаллом NaI(Tl) чувствительного элемента 1, с помощью ФЭУ 2 преобразуется в электрический сигнал, в электронном регистрирующем блоке 3 анализируется спектр гамма-излучения, полученный как результат разделения сигналов от вспышек в CsI(Tl) и в NaI(Tl) чувствительного элемента 1 по переднему фронту: передний фронт в NaI(Tl) ≅ 0,25 мкс, передний фронт в CsI(Tl)>0,5 мкс [11]. Информация высвечивается на жидкокристаллическом дисплее 4.

Время измерения объемной активности ДПР радона 10-30 мин.

Время измерения объемной активности ДПР торона 30-90 мин.

Преимущества предлагаемого устройства по сравнению с аналогами и прототипом.

В отличие от ППД использование в качестве чувствительного элемента сцинтилляционной сборки позволяет заземлять корпус электростатической камеры (в варианте ППД заземляется чувствительный элемент, а для электробезопасности корпус делается двойным, что увеличивает вес).

В отличиe от сцинтиллятора ZnS(Ag), покрытого пленкой из золота или алюминизированным майларом, предлагаемая сцинтилляционная сборка дает возможность провести спектрометрическую идентификацию радионуклидов, осажденных на поверхности сцинтиллятора. Отсутствие на поверхности сцинтиллятора покрытия увеличивает эффективность и улучшает энергетическое разрешение.

В отличиe от всех ранее используемых чувствительных элементов использование открытого кристалла CsI(Tl) позволяет получить устройство, поверхность которого может быть очищена от осажденных радионуклидов, что сокращает время готовности прибора к проведению следующего измерения до нескольких минут, во всех других случаях это несколько часов после проведения измерений в зоне с большой активностью.

В отличиe от ППД, который также позволяет проводить спектрометрические измерения при температуре не выше плюс 35^oC, сцинтилляционная сборка может эксплуатироваться при температуре до 50^oC, при использовании в приборе известных электронных устройств эта температура может быть выше.

Радиометры радона, использующие в качестве чувствительного элемента сцинтилляционную сборку, могут также быть использованы для измерения α,β,γ активности проб, помещенных в специальную кювету в объем рабочей камеры, с идентификацией изотопов, при этом напряжение на камеру и собирающую сетку не подается.

Для измерения объемной активности радона в воздухе проба воздуха отбирается без использования нагнетателя поднятием крышки (экономия веса и потребления электроэнергии).

Использование рабочей камеры с изменяющейся геометрией кроме задач по измерению объемной активности радона-торона позволяет измерять объемную активность ДПР радона, торона (решаются дополнительные задачи, решение которых требовало использования дополнительных приборов).

Отбор пробы ДПР радона-торона из воздуха проводится с использованием фильтра с развитой поверхностью (увеличение чувствительности).

Определение объемной активности RaA по результатам измерения радона и проведение прямых измерений содержания RaB, RaC в воздухе по гамма-излучению позволяет при определении дозовой нагрузки избежать использования коэффициента равновесия F (уменьшение погрешности измерения).

Могут быть проведены прямые измерения ThB и косвенные ThC, что сокращает время проведения измерений ДПР торона с 5 до 1 ч, что удешевляет проведение измерений и увеличивает производительность труда оператора.

Список литературы
1. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A280 (1989 509-505. "Atmoshperic Radon Measurement by Electrostatic Precipitation". Pereira E.B. and H.E.Da Silva.

2. Genitron Instuments GmbH, Alpha Guard range Proffescional Radon Monitoring.

3. Каталог фирмы SILENA, Radon Meters, mod 4S, p.46.

4. Прибор РЭКС, СНИИИП, г. Москва.

5. Air Guard I Radon Spectroscopy System, EG and G ORTEC.

6. Aerosal Science, 1971, v.2, p.247-255. "An Automatic counter for direct measurements of Radon concentration". G.Dalu and G.A.Dalu.

7. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. NS-22, Febr. 1975. "Design of a continuous digital-output environmental Radon monitor". McDonald E.W., M.Spitz, N.Cohen.

8. "Радиация. Дозы, эффекты, риск". М.: Мир, 1988, стр. 22.

9. Nucl. Instr. and Methods 115 (1974) pp. 253-261. "Characteristics of Cesium Iodide for use as a particle discriminator for high-energy cosmic rays". Carol Yo Crannell, R.J. Kurz, W.Viehmann.

10. Nucl. Instr. and Methods 68 (1969) p.9-12. "Scintillation response function and decay time of CsI(Na) to charged particles". S. Keszthelyi-Landori, G.Hrehuss.

11. О. Ф. Немец, Ю.В.Гофман "Справочник по ядерной физике", Киев, 1975, стр. 382.

В радиометре благодаря выполнению чувствительного элемента в виде сборки: тонкий кристалл CsI(Tl) - сетка - кристалл NaI (Tl), выполнению крышки корпуса подвижной и описанной взаимосвязи между элементами устройства обеспечены оптимальные условия при измерениях объемной активности радона, торона и при измерениях объемной активности их дочерних продуктов распада. Технический результат: измерение объемной активности радона и торона и объeмной активности их дочерних продуктов распада с помощью одного радиометра, уменьшение времени измерения дочерних продуктов распада радона и торона, улучшение эксплуатационных характеристик, уменьшение энергопотребления при измерении радона. 1 ил.

Радиометр для оперативного измерения объемной активности радона и торона и дочерних продуктов их распада (ДПР) в воздухе, содержащий сцинтилляционный чувствительный элемент, связанный через фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с электронным регистрирующим блоком, фильтр, корпус, крышку корпуса, выполненную с вентилями, на каждом из которых расположен дополнительный фильтр, держатель, свинцовую защиту, причем чувствительный элемент выполнен в виде сборки, состоящей из тонкого кристалла CsI(Tl), сетки, кристалла NaI(Tl), крышка корпуса выполнена подвижной с возможностью ее подъема, при проведении измерения активности ДПР фильтр составлен из нескольких стандартных фильтров, расположенных друг над другом и помещенных в держатель, расположенный на верхней поверхности подвижной крышки, под которой внутри корпуса расположен чувствительный элемент, закрытый свинцовой защитой.