СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА РАДИОАКТИВНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ Российский патент 2019 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к методам дисперсного анализа радиоактивных аэрозолей, поступающих в организм человека с вдыхаемым воздухом (газовой средой), и может быть использовано для проведения оперативного определения параметров радиоактивных аэрозолей на промышленных предприятиях для санитарно-гигиенической оценки газовых сред, в радиоэкологии и медицине, а также для оценки эффективности работы пылеулавливающего оборудования и средств индивидуальной защиты органов дыхания.

Дисперсный состав радиоактивных аэрозолей характеризуется распределением активности по размерам частиц и является одной из важнейших характеристик аэрозолей. Определение дисперсного состава аэрозолей включает следующие этапы:

- разделение спектра аэрозольных частиц на фракции по размерам частиц;

- определение активности каждой размерной фракции;

- оценку параметров распределения активности по размерным фракциям для исследуемого радионуклида.

Для разделения аэрозольных частиц могут использоваться пакеты фильтров и специальные устройства (импакторы), в которых разделение частиц на размерные фракции происходит за счет инерционного осаждения на препятствиях, в частности на волокнах фильтрах. Для измерения активности фракций используются радиометры и спектрометры. По результатам измерений определяют распределение активности по размерным фракциям. Спектры распределения активности по размерам аппроксимируют логарифмически-нормальным распределением со следующими основными параметрами дисперсности: аэродинамическим медианным по активности диаметром частиц (АМАД) и стандартным геометрическим отклонением диаметра частиц (СГО). Значения АМАД и СГО рассчитываются по действующим типовым методикам (МУК 2.6.1.08-2004. Методические указания по методам контроля «Определение характеристик распределения радиоактивного аэрозоля по размерам». Утверждены Федеральным управлением медико-биологических и экстремальных проблем при Минздраве России 09.03.2004. Издание официальное. Москва. 2004).

Осаждение частиц респирабельной фракции с размером частиц более 1 мкм производится с помощью импакторов. Процесс осаждения частиц характеризуется зависимостью эффективности разделения (осаждения) от размеров частиц, их линейной скорости и конструктивных особенностей разделительного каскада. Многокаскадный импактор описан, например, в авторском свидетельстве SU 781664 (опубликовано 23.11.1980). Импактор содержит воздухопротягивающее устройство (насос) и вертикально установленные ступени (камеры). Каждая ступень импактора включает разгонное сопло и расположенный под ним улавливающий элемент в виде пластины. Частицы с газовой смесью последовательно проходят все ступени импактора, осаждаясь в зависимости от их размера (массы) и линейной скорости на определенной коллекторной пластине (улавливающем элементе). Затем отобранные пробы извлекаются из импактора и анализируются с помощью радиометров и спектрометров, и по результатам измерений устанавливается спектры распределения активности по размерам частиц.

В патенте RU 2239815 C1 (опубликован 11.02.2003) описан способ определения характеристик (параметров) дисперсного состава радиоактивных аэрозолей с помощью многокаскадного импактора (разделителя). Коллекторные пластины устройства выполнены в форме плоских дисков, в центре которых имеется отверстие для прохождения воздушного (газового) потока в следующий каскадный элемент или для осаждения на фильтре. Пластины с разгонными соплами представляют собой плоские диски с радиально расположенными сопельными отверстиями. Последний каскадный элемент импактора представляет собой выходной фильтр, за которым находится выходной патрубок (штуцер) устройства. Применяемые многосопельные входные пластины способствуют равномерному распределению осажденных аэрозольных частиц по поверхности коллекторных пластин.

Газовый поток, содержащий дисперсную фазу, подается во входной патрубок импактора с помощью насоса при постоянном расходе. Попадая в импактор, частицы аэрозоля двигаются вместе с газовым потоком с линейной скоростью, которая зависит от размеров и количества сопельных отверстий. При резком изменении направления движения потока после прохождения сопельных отверстий более крупные частицы, вследствие инерции движения, в меньшей степени отклонятся от начального направления движения, задаваемого соплами, и осаждаются на коллекторной пластине каскадного элемента. Из-за этого частицы, аэродинамический диаметр которых больше эффективного диаметра разделения, соударяются и осаждаются на поверхности коллекторной пластиной, а остальные, более мелкие, частицы будут проходить через центральное отверстие коллекторной пластины и направляться вместе с газовым потоком в следующий по направлению движения потока каскадный элемент импактора. При этом под эффективным диаметром разделения D₅₀ (ECAD - Effective Cut-off Aerodynamic Diameter) для импактора или каскадного элемента импактора понимается аэродинамический диаметр х частиц, вероятность осаждения которых на коллекторной пластине составляет 50%.

Далее пробоотборная корзина вместе с коллекторными пластинами с осажденными частицами определенной размерной фракции (размерной группы) передается для проведения анализа активности выделенных размерных фракций аэрозоля. Коллекторные пластины устанавливаются в держатели стандартных радиометрических приборов. Измеряя альфа-активность частиц, осевших на коллекторных пластинах, получают распределение альфа-активности частиц по аэродинамическим диаметрам частиц (размерным фракциям) и затем определяют основные параметры (характеристики) дисперсного состава радиоактивных аэрозолей, которыми являются АМАД и СГО.

Известное устройство позволяет проводить оценку дисперсного состава аэрозоля, прошедшего через средство индивидуальной защиты органов дыхания. Однако его конструкция не обеспечивает оперативность проводимых измерений в связи с тем, что для определения параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей требуется выполнение ряда вспомогательных операций. После отбора пробы импактор вместе с ротаметром необходимо отделить от других частей устройства, разобрать импактор, извлечь из него проотборную корзину, извлечь коллекторные пластины с осажденными частицами и провести анализ активности с помощью стандартной радиометрической аппаратуры. По результатам измерений устанавливается распределение дисперсных частиц по размерам и определяются основные параметры дисперсного состава аэрозоля: АМАД и СГО.

Согласно действующим Методическим указаниям по методам контроля МУК 2.6.1.08-2004 величина АМАД определяется как диаметр частиц радиоактивного аэрозоля, при котором 50% активности приходится на частицы с аэродинамическим диаметром, меньшим чем данный диаметр, а 50% - на частицы с аэродинамическим диаметром, большим чем данный диаметр. Таким образом, значение АМАД соответствует медиане распределения активности аэрозольных частиц по размерам (аэродинамическим диаметрам х) и равно аэродинамическому диаметру D₅₀, соответствующему 50% активности в интегральной функции распределении активности аэрозольных частиц по размерам.

Параметр СГО определяется как отношение (D₈₄/D₅₀) аэродинамического диаметра D₈₄, соответствующего 84% активности интегральной функции распределения активности частиц по размерам, к медианному значению - диаметру D₅₀, который равен АМАД.

Для многокаскадных импакторов существует зависимость, согласно которой чем больше каскадов разделения, тем более подробным получается спектр распределения активности по размерам частиц, однако при увеличении числа каскадов увеличивается сопротивление тракта подачи аэрозоля, усложняется конструкция устройства и обработка результатов измерений активности. Для проведения измерений необходимо извлекать пробы из импактора (разделителя), а сами измерения с помощью стандартных радиометрических приборов могут занимать достаточно продолжительное время. Вследствие этого метод многокаскадного разделения аэрозолей с помощью многоступенчатых импакторов (разделителей) не может применяться для оперативного контроля, в частности, альфа-активных радионуклидов, содержащихся в исследуемых аэрозолях. Следует отметить, что оперативный контроль необходим для оценки дозы внутреннего облучения (при ингаляционном поступлении радиоактивных аэрозолей в организм человека) непосредственно в месте отбора пробы.

Для повышения оперативности измерений и сокращения времени определения параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей необходимо уменьшить количество каскадов в используемых инерционных разделителях, при условии сохранения приемлемой точности, и обеспечить возможность измерения активности выделенных размерных фракций исследуемых аэрозолей в месте отбора проб.

Способ оперативного определения параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей, содержащих альфа-активные радионуклиды, описан в патенте US 4607165 A (опубликован 19.08.1986). Для определения дисперсного состава загрязняющих атмосферу аэрозолей используется компактный переносной прибор, включающий в свой состав корпус, в полости которого размещены насос, фильтр, детектор интенсивности альфа-излучения и источник электропитания. Фильтр установлен на выходе из сферической щели и выполнен в виде мембраны из поликарбоната. Пробоотборное устройство прибора представляет собой однокаскадный импактор.

При работе прибора поток воздуха, прокачиваемый насосом, направляется через входное отверстие пробоотборного устройства в щель, образованную двумя концентрическими сферическими элементами. Дисперсные частицы размером более 1 мкм, прошедшие через щель, осаждаются на фильтре, напротив которого установлен детектор для регистрации альфа-излучения. С помощью фильтра осуществляется сепарация размерной фракции исследуемых частиц. Частицы субмикронного размера отделяются от частиц большего (микронного) размера, проходя через капиллярные каналы фильтра. Более мелкие ультрадисперсные частицы осаждаются на стенках пробоотборного устройства, образующих сферическую щель.

При определении параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей с помощью известного прибора можно проводить измерения только для одной выделенной в импакторе размерной фракции (размерной группы), что существенно огранивает функциональные возможности прибора при исследовании дисперсного состава аэрозолей в широком диапазоне аэродинамических диаметров частиц, содержащих альфа-активные радионуклиды.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ определения параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей с помощью однокаскадного инерционного разделителя дисперсной фазы аэрозолей (Метод определения дисперсного состава радиоактивных аэрозолей на основе инерционных разделителей / Д.А. Припачкин [и др] // Аппаратура и новости радиационных измерений. №3, 2016, С. 3-8). При проведении экспериментальных исследований радиоактивных аэрозолей используется однокаскадный инерционный разделитель, выполненный в виде одного каскада многокаскадного импактора типа АИП-2. Для оценки параметров дисперсного состава анализируемый аэрозоль разделяется на две размерные фракции при двух различных значениях линейных скоростей (расходов) потока. По результатам экспериментальных исследований с использованием модельных частиц устанавливалась зависимость эффективности E_i(x) разделения (осаждения) частиц от их аэродинамического диаметра x (от размера частиц) для каждой размерной фракции.

Оценка возможности разделения аэрозольных частиц, содержащихся в анализируемом газовом потоке, проводилась путем прокачки газового потока с модельными аэрозольными частицами через однокаскадный инерционный разделитель на двух расходных режимах: при 20 и 50 л/мин. Концентрация и размеры аэрозольных частиц измерялись с помощью двух оптических счетчиков HandHeld 3016, установленных на входной и выходной магистралях инерционного разделителя. По результатам проведенных экспериментов для каждого значения линейной скорости (расхода) газового потока определялась зависимость эффективности E_i(x) разделения (осаждения) аэрозольных частиц с аэродинамическими диаметрами х (где i=1 … N -порядковый номер фиксированного значения расхода газового потока).

Оценочный анализ проводился по результатам измерений активности частиц. Для этого производился предварительный пробоотбор на фильтр и измерение активности частиц без прокачки газового потока через разделитель, а также измерения активности частиц, осевших на фильтре, в расходном режиме при двух различных значениях линейной скорости (расхода) прокачиваемого газового потока. На основании проведенных измерений анализируемый спектр радиоактивных аэрозолей разбивался на три части по величине относительной активности η_i. Затем рассчитывались теоретические значения относительной активности частиц η_i^T(μ,σ) на основании известной зависимости данной характеристики от эффективности Ei(x) разделения (осаждения) аэрозольных частиц с аэродинамическими диаметрами х и от плотности распределения аэрозольных частиц по размерам ƒ(x,μ,σ), где μ и σ - параметры логнормального распределения аэрозольных частиц по размерам АМАД и СГО, соответственно. Значения μ и σ являются основными параметрами дисперсного состава радиоактивных аэрозолей. В качестве зависимостей E_i(x) для каждого значения линейной скорости газового потока использовались соответствующие экспериментальные зависимости, полученные при измерении размеров (аэродинамических диаметров х) частиц с помощью оптических счетчиков.

Расчеты производились на основании метода оценки дисперсного состава с помощью разбиения исходного спектра аэрозольных частиц на доли (Fuchs N.A. Aerosol impactors (a review). In Fundamental of Aerosol Science. Ed. D.T. Shaw. N.Y., Wiley, 1978, P. 1-83). При сопоставлении расчетных значений η_i полученных при проведении измерений, и теоретических значений η^T(μ,σ) относительной активности радиоактивных аэрозолей определялась функция невязки Q(μ,σ), по минимальным значениям которой рассчитывались значения АМАД и СГО (μ и σ) исходного спектра. Функции η^T(μ,σ) и Q(μ,σ) определялись согласно следующим зависимостям:

где: i=1 … N - порядковый номер фиксированного значения расхода газового потока V_i, E_i(x)- эффективность разделения (осаждения) частиц с аэродинамическим диаметром х при фиксированном значении расхода (линейной скорости) газового потока; ƒ(x,μ,σ) - плотность логарифмически нормального распределения аэрозольных частиц исходного спектра по размерам (1/м); μ и σ - параметры логнормального распределения аэрозольных частиц по размерам АМАД и СГО, соответственно; η₁ и η₂ - значения относительной активности, определенные при двух значениях расхода (линейной скорости) газового потока; - теоретические значения относительной активности для размерных фракций аэрозольных частиц, выделенных при двух значениях расхода (линейной скорости) газового потока.

При осуществлении известного способа проводилась экспериментальная оценка эффективности E_i(x) разделения (осаждения) аэрозольных частиц в зависимости от аэродинамического диаметра частиц х. Величины АМАД и СГО оценивались на основании предположения, что активность частиц аэрозоля пропорциональна их массе. Полученные оценочные значения параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей имеют существенную ошибку, связанную с ограниченным количеством измерений активности аэрозольных частиц в широком диапазоне размеров исследуемых аэрозольных частиц. Малая дискретность разделения анализируемого спектра радиоактивных аэрозолей обусловлена, в свою очередь, экспериментальным характером известного способа.

Следует отметить, что сложная аппаратурная реализация способа препятствует его использованию в автономных (полевых) условиях для оперативного контроля дисперсного состава радиоактивных аэрозолей, содержащих альфа-активные радионуклиды. Для проведения измерений необходимо использовать внешнюю радиометрическую и спектрометрическую аппаратуру и оптические счетчики аэрозольных частиц, установленные на входе и на выходе из разделителя. Обработка результатов измерений активности частиц осложняется необходимостью постоянного пересчета частиц аэрозоля, прошедших через инерционный разделитель, на частицы, осевшие на коллекторной пластине разделителя. Вследствие указанных технических проблем известный способ не может применяться для оперативного контроля параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей при автономной работе прибора в полевых условиях.

Изобретение направлено на решение технических проблем, связанных с необходимостью упрощения аппаратурной реализации способа, обеспечением необходимой точности определения параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей, содержащих альфа-активные радионуклиды, упрощением и сокращением по времени процесса измерений и обработки результатов измерений, обеспечением достоверной оценки параметров дисперсного состава исследуемых радиоактивных аэрозолей при работе анализатора в автономном режиме.

За счет решения указанных проблем достигаются следующие технические результаты: обеспечивается возможность оперативного контроля параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей, содержащих альфа-активные радионуклиды, в том числе АМАД и СГО, непосредственно в месте отбора проб; повышается достоверность и точность определения параметров дисперсного состава до уровня, необходимого для проведения оперативного контроля в автономном режиме (в полевых условиях); сокращается время измерения величин активности параметров и обработки результатов измерений.

Указанные выше технические результаты достигаются при осуществлении способа, предназначенного для определения параметров радиоактивных аэрозолей, содержащих альфа-активные радионуклиды. Способ включает разделение аэрозольных частиц, содержащихся в анализируемой газовой среде, на размерные фракции (группы) путем прокачки газового потока (аэрозоля) через однокаскадный инерционный разделитель при различных величинах расхода. Аэрозольные частицы осаждают на фильтр при фиксированном расходе газового потока и измеряют альфа-активность осевших на фильтре аэрозольных частиц для каждой выделенной размерной фракции в течение равных промежутков времени. Результаты измерений обрабатывают и определяют параметры дисперсного состава радиоактивных аэрозолей.

Согласно изобретению аэрозольные частицы разделяют по меньшей мере на четыре размерные фракции в диапазоне размеров исследуемых аэрозольных частиц путем последовательного пошагового, по меньшей мере четырехкратного, изменения расхода прокачиваемого через однокаскадный инерционный разделитель газового потока. При каждом фиксированном значении расхода газового потока аэрозольные частицы осаждают на фильтр, расположенный в камере детектирования, в которую подают газовый поток с выхода однокаскадного инерционного разделителя. Альфа-активность осевших на фильтре аэрозольных частиц измеряют с помощью спектрометра. Чувствительный элемент спектрометра, в качестве которого используется полупроводниковый детектор, расположен в полости камеры детектирования.

Измерения проводят для каждой размерной фракции, выделенной при фиксированном значении расхода газового потока. Зависимость измеренных значений альфа-активности от размера аэрозольных частиц устанавливают путем последовательного сравнения значений альфа-активности на каждом шаге измерений со значением активности на предыдущем шаге измерений при предыдущем значении расхода газового потока. На основании полученной зависимости определяют параметры дисперсного состава радиоактивного аэрозоля, в том числе аэродинамический медианный по активности диаметр частиц и стандартное геометрическое отклонение диаметра частиц (АМАД и СГО).

В предпочтительном варианте осуществления способа расход прокачиваемого через инерционный разделитель газового потока пошагово (ступенчато) уменьшают от максимального до минимального значения. При таком порядке изменения расхода газового потока меньшее количество аэрозольных частиц осаждается на фильтре в начальный период времени (при проведении измерений) по сравнению с изменением расхода от минимального до максимального значения, что способствует повышению точности определения параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей.

Измерение альфа-активности частиц может производиться с помощью спектрометра с ионно-имплантированным кремниевым детектором. На рабочей поверхности детектора со стороны фильтра устанавливается коллиматор.

Сигналы, формируемые при взаимодействии альфа-частиц с рабочей поверхностью детектора, обрабатывают в измерительном тракте спектрометра, включающем усилитель сигналов и амплитудный анализатор импульсов, которые последовательно подключаются к выходу детектора. Усиленный импульсный сигнал преобразуется в анализаторе в цифровой код (импульс), пропорциональный поглощенной в детекторе энергии альфа-частиц. Обработка сигналов может осуществляться с помощью амплитудного анализатора импульсов, включающего в свой состав амплитудно-цифровой преобразователь.

Альфа-активность А для каждой размерной фракции частиц может быть рассчитана как отношение числа импульсов М, зарегистрированных с помощью детектора, к произведению интервала времени Т, в течение которого проводилось измерение при фиксированном значении расхода газового потока, и коэффициента К_Э эффективности регистрации альфа-частиц спектрометром: А=М/(K_Э⋅Т).

Коэффициент K_Э эффективности регистрации альфа-частиц зависит от пространственного расположения детектора и источника активности (фильтра с осевшими на нем аэрозольными частицами радиоактивного аэрозоля), геометрических размеров детектора, среды, заполняющей пространство между детектором и источником альфа-активности (см. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М. Атомиздат. 1977. С. 306). Данный коэффициент определяется при калибровке спектрометра с использованием модельного источника альфа-активности.

При реализации способа не требуется проводить измерение концентрации и размеров аэрозольных частиц одновременно с измерением их активности. Однокаскадный инерционный разделитель может быть откалиброван при использовании модельных частиц по размерным фракциям, получаемым на выходе из разделителя при различных фиксированных значениях расхода газового потока, содержащего модельные аэрозольные частицы. Таким образом, перед проведением измерения активности аэрозольных частиц для каждого фиксированного значения расхода заранее известна зависимость эффективности E_i(x) разделения (осаждения) аэрозольных частиц с аэродинамическими диаметрами х.

Оперативность определения параметров дисперсного состава обеспечивается за счет использования для измерения адьфа-активности осажденных на фильтре аэрозольных частиц спектрометра, детектор которого (чувствительный элемент) расположен в камере детектирования. Требуемое для реализации способа приборное оборудование компактно и применимо для проведения измерений в автономных условиях. Поскольку для проведения измерений не требуется использование оптических датчиков и иного дополнительного оборудования, способ может быть осуществлен с помощью известных средств измерений непосредственно в месте отбора проб.

Уровень достоверности и точности оперативного определения параметров дисперсного состава аэрозолей зависит от инструментальных и теоретических погрешностей при реализации способа. К инструментальным погрешностям относятся погрешности измерения активностей и расхода газового потока, каждая из которых не превышает 5%. Теоретическая погрешность зависит от формы функции невязки и минимизируется при количестве выделенных размерных фракций аэрозольных частиц не менее четырех. Количество выделенных размерных фракций аэрозольных частиц, в свою очередь, зависит от количества N пошаговых изменений расхода V_i газового потока, прокачиваемого через однокаскадный инерционный разделитель. В результате проведенных исследований было установлено, что минимальный уровень ошибки определения параметров дисперсного состава достигается при проведении измерений альфа-активности не менее чем для четырех размерных фракций аэрозольных частиц, выделенных при пошаговом (ступенчатом) изменении расхода газового потока.

При выбранном минимальном количестве фиксированных значений расхода газового потока (не менее четырех) относительная теоретическая ошибка определения АМАД и СГО снизилась в два раза, с 11% до 5%, по сравнению с измерениями, проведенными при двух фиксированных значениях расхода. Было также установлено, что дальнейшее увеличение количества (до пяти и более) размерных фракций аэрозольных частиц не приводит к повышению достоверности и точности измерений. Общий уровень относительной теоретической погрешности определения АМАД и СГО, составляющий не более 5%, соответствует требованиям оперативного контроля дисперсного состава радиоактивных аэрозолей, содержащих альфа-активные радионуклиды.

При осуществлении способа проводится сравнение значений активности для определения зависимости измеренных значений альфа-активности от размера аэрозольных частиц при многошаговых измерениях. Путем последовательного сравнения величин альфа-активности на каждом шаге измерений с величиной активности, зарегистрированной на предыдущем шаге измерений при предыдущем значении расхода газового потока, выделяется полезный сигнал, характеризующий активность аэрозольных частиц для конкретной выделенной размерной фракции. Данная процедура обработки результатов измерений позволяет достоверно определить значения активности для каждой выделенной размерной фракции, количество которых не менее четырех. Для обработки результатов измерений может использоваться специализированное программное обеспечение, с помощью которого производится пошаговый расчет параметров.

По измеренным абсолютным значениям активности рассчитываются относительные значения активности rjj. На основании расчетных значений η_i, и теоретических значений η_i^T относительной активности вычисляется функция невязки Q(μ,σ). Параметры дисперсного состава (μ и σ) определяются на основании рассчитанной функции невязки Q(μ,σ) по ее минимальным значениям.

Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера осуществления способа определения параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей с помощью анализатора, предназначенного для его осуществления. На прилагаемых чертежах изображено следующее:

на фиг. 1 - общая схема анализатора, предназначенного для осуществления способа;

на фиг. 2 - схема однокаскадного инерционного разделителя аэрозольных частиц;

на фиг. 3 - схема камеры детектирования и спектрометра;

на фиг. 4 - схематичное изображение поперечного сечения коллиматора.

Анализатор, предназначенный для определения параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей, содержит последовательно соединенные между собой через магистраль подачи газового потока следующие узлы и блоки (см. фиг.1): однокаскадный инерционный разделитель аэрозольных частиц (ОИР) 1; камеру детектирования (КД) 2, спектрометр (С) 3, ротаметр (Р) 4, насос (Н) 5 и блок управления и обработки результатов измерений (БУО) 6.

В качестве ротаметра 4 может использоваться любой ротаметр с погрешностью определения объемного расхода газового потока не более 5%. Разделитель 1 выполнен в виде секции (одного каскада) каскадного импактора типа АИП-2, конструкция которого описана в патенте RU 2239815 C1. Разделитель 1 представляет собой однокаскадный импактор с регулируемым значением эффективного диаметра разделения D₅₀, соответствующим величине эффективности разделения (осаждения) E_i(x)=0,5. При этом величина D₅₀ изменяется в зависимости от расхода (линейной скорости) прокачиваемого через разделитель газового потока. Разделитель 1 содержит сопельную пластину 7 с входными периферийными отверстиями, отделенную от коллекторной пластины 8 разделительным кольцом 9 (см. фиг. 2). В коллекторной пластине 8 выполнено осевое выходное отверстие, через которое осуществляется отбор газового потока с аэрозольными частицами, прошедшими через разделительную камеру, образованную пластинами 7 и 8.

В камере детектирования 2, изображенной на фиг. 3, размещен плоский фильтр 10 (типа АФА-РСП-20), одна сторона которого обращена во входную полость камеры со стороны входного патрубка 11, а противоположная - к выходной полости камеры со стороны выходного патрубка 12. Во входной полости камеры 2 расположен чувствительный элемент спектрометра 3. В качестве чувствительного элемента спектрометра 3 используется ионно-имплантированный кремниевый детектор 13 типа ДК-500, применяемый для регистрации альфа- и бета-частиц различных энергий. Детектор 13 имеет рабочую поверхность площадью 570 мм². Толщина чувствительного элемента детектора - 2,3 мм. Энергетическое разрешение детектора по линии 5,5 МэВ составляет ~25 кэВ, рабочее напряжение 50 В.

Выход детектора 13 соединен через усилитель (ПУ) 14, выполняющий функцию предусилителя импульсных сигналов, с входом амплитудного анализатора (ААИ) 15. В рассматриваемом примере анализатор 15 включает в свой состав амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП) с 1024 каналами для записи импульсных сигналов, поступающих из детектора 13 и усиленных с помощью усилителя 14.

На рабочей поверхности детектора 13 со стороны фильтра 9 установлен коллиматор 16. Расстояние между поверхностью фильтра 9 и коллиматором 16 составляет 5 мм. Коллиматор 16 выполнен из пластика и представляет собой ячеистую осесимметричную структуру с радиальными перегородками (см. фиг 4). Ячейки коллиматора 16 образуют каналы, ориентированные вдоль нормали к плоской поверхности детектора 13.

Способ определения параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей, содержащих альфа-активные радионуклиды, осуществляется с помощью описанного выше устройства следующим образом. Используемый для реализации способа анализатор калибруется после сборки для получения необходимого количества размерных фракций аэрозольных частиц в исследуемом диапазоне значений jc при различных значениях расхода газового потока, прокачиваемого через камеру 2.

После проведения калибровки и отладки анализатора устанавливаются зависимости эффективности E_i(х) разделения (осаждения) аэрозольных частиц с аэродинамическими диаметрами х (в диапазоне исследуемых значений) для N фиксированных значений расхода прокачиваемого газового потока. В процессе калибровки анализатора с помощью модельного источника альфа-активности определяется также величина коэффициента К_Э эффективности регистрации альфа-частиц спектрометром, который используется при вычислении альфа-активности А для каждой размерной фракции частиц.

При включении насоса 5 по сигналу блока 6 газовый поток, содержащий исследуемые аэрозольные частицы из места отбора пробы, направляется на вход разделителя 1 и заполняет его внутреннюю полость между пластинами 7 и 8 и кольцом 9. Первоначально устанавливается максимальное значение расхода газового потока, прокачиваемого через разделитель 1. Величина расхода газового потока контролируется с помощью ротаметра 4. В результате осаждения аэрозольных частиц под действием сил инерции на коллекторной пластине 8 происходит разделение потока аэрозольных частиц на размерные фракции. Более тяжелые аэрозольные частицы, аэродинамический диаметр х которых больше эффективного диаметра разделения Дм, осаждается в разделителе на коллекторной пластине 8, а остальные более легкие частицы с меньшим по сравнению с D₅₀ аэродинамическим диаметром уносятся из разделителя 1 вместе с газовым потоком через осевое выходное отверстие, выполненное в коллекторной пластине 8.

Аэрозольные частицы, прошедшие через разделитель 1 поступают далее в камеру 2 и осаждаются на фильтре 10. Альфа-частицы, испускаемые аэрозольными частицами, осевшими на фильтре 10, попадают на рабочую поверхность детектора 13 через коллиматор 16. С помощью коллиматора 16 обеспечивается заданное направление движения альфа-частиц (вдоль нормали к рабочей поверхности детектора 13). При взаимодействии альфа-частиц с чувствительным слоем детектора формируются электрические импульсные сигналы, которые усиливаются с помощью усилителя 14, выполняющего функцию предусилителя, и передаются для обработки в анализатор 15. При этом величина регистрируемых сигналов пропорциональна энергии альфа-частиц. Импульсные сигналы формируют энергетический спектр излучения в виде зависимости количества зарегистрированных импульсов от энергии.

Все зарегистрированные сигналы записываются в каналах АЦП анализатора 15. В каждом канале суммируется количество импульсов, зарегистрированных за фиксированный промежуток времени, и на основании полученных данных регистрируется спектр излучения размерной фракции аэрозольных частиц, выделенной при определенном значении расхода газового потока V_i.

Управление работой узлов и блоков анализатора осуществляется блоком 6 с помощью специального программного обеспечения. Результаты измерений записываются в файлы внутреннего формата, совместимого с программным обеспечением. Количество импульсных сигналов, регистрируемых за фиксированные равные промежутки времени, суммируется по всем 1024 каналам АЦП. Активность аэрозольных частиц, осажденных на фильтре, для каждой размерной фракции частиц рассчитывается как отношение числа импульсов М, зарегистрированных с помощью детектора, к произведению интервала времени T, в течение которого проводилось измерение при фиксированном значении расхода газового потока, и коэффициента K_Э эффективности регистрации альфа-частиц спектрометром: A=M/(K_Э⋅T).

С выхода из камеры 2 газовый поток направляется в ротаметр 4, с помощью которого осуществляется контроль величины расхода газового потока через разделитель 1. Затем описанный выше процесс повторяют при следующем значении расхода газового потока, которое устанавливают с помощью насоса 5 и контролируют с помощью ротаметра 4. Пошаговое изменение расхода газового потока проводится не менее четырех раз путем уменьшения величины расхода от максимального до минимального значения. Активность измеряется на каждом шаге измерений в течение равных промежутков времени.

Для оценки параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей (АМАД и СГО) с помощью программного обеспечения проводится обработка файлов, сформированных в измерительном тракте, включающем детектор 13, усилитель 14 и анализатор 15. Данные файлы содержат результаты измерений для каждого шага последовательно изменяемого расхода газового потока. Обработка файлов осуществляется следующим образом.

Перед обработкой полученные файлы ранжируют по значениям расхода газового потока, при которых производились измерения, от максимального до минимального значения. В каждом файле проводится суммирование импульсов по всем каналам регистрации за время измерения и рассчитывается активность А как отношение суммарного числа зарегистрированных импульсов М к произведению интервала времени Т, в течение которого проводились измерения при фиксированных значениях расхода газового потока, и коэффициента К_Э эффективности регистрации альфа-частиц спектрометром: А=М/(К_Э⋅Т).

После этого величина активности А, рассчитанная на текущем шаге измерений (при текущем значении расхода), вычитается из величины активности, рассчитанной на предыдущем шаге измерений (при предыдущем значении расхода). Последовательное сравнение величин альфа-активности на каждом шаге измерений с величиной активности на предыдущем шаге измерений необходимо для выделения величины активности, соответствующей текущему шагу измерений. Следует отметить, что пошаговая регистрация активности в течение цикла измерений осуществляется без замены фильтра.

Процедура сравнительного анализа значений активности повторяется для всех файлов, полученных при четырех значениях расхода. По результатам сравнительного анализа устанавливается распределение альфа-активности для выделенных размерных фракций аэрозольных частиц. При этом количество значений расхода газового потока при его пошаговом изменении должно быть не менее четырех для выполнения требований по достоверности и точности определения параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей. Условие выбора минимального количества выделенных размерных фракций радиоактивных аэрозолей (не менее четырех), для которых проводятся измерения активности, определяется уровнем относительной ошибки при регистрации параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей. Величина ошибки не должна превышать 5%. В этом случае достигается требуемый уровень достоверности и точности оперативного контроля дисперсного состава радиоактивного аэрозоля.

Для определения параметров дисперсного состава используется метод, основанный на минимизации функции невязки Q(μ,σ), рассчитанной по расчетным η_i и теоретическим значениям относительной активности аэрозольных частиц различных размерных фракций. При минимальном значении функции невязки Q(μ,σ) рассчитываются параметры логарифмически-нормального распределения μ и σ (АМАД и СГО). Расчет производится на основании следующих математических зависимостей:

где: i=l..N, N=4 - порядковый номер фиксированного значения расхода газового потока; E_t(x) - эффективность разделения (осаждения) частиц с аэродинамическим диаметром x при фиксированном значении расхода (линейной скорости) газового потока; k_i и bi - параметры, зависящие от конструкции разделителя и расхода (линейной скорости) газового потока; ƒ(x,μ,σ) - плотность логарифмически нормального распределения аэрозольных частиц исходного спектра по размерам (1/м); η₁, η₂, η₃, η₄ -значения относительной активности, определенные при четырех значениях расхода (линейной скорости) газового потока; - теоретические значения

относительной активности для размерных фракций аэрозольных частиц, выделенных при четырех значениях расхода (линейной скорости) газового потока.

Далее приведен пример определения параметров дисперсного состава радиоактивного аэрозоля.

Оперативное определение параметров дисперсного состава проводилось для радиоактивного аэрозоля, содержащего альфа-активный радионуклид ²³⁹Pu. Измерения с помощью анализатора осуществлялись непосредственно в месте отбора проб без дополнительного оборудования. Отбор проб радиоактивного аэрозоля проводился при последовательном пошаговом уменьшении расхода газового потока от 50 до 20 л/мин при четырех значениях расхода: 50, 40, 30 и 20 л/мин. Радиоактивный аэрозоль разделялся с помощью разделителя 1 на четыре размерные фракции. Разделитель предварительно был откалиброван для указанных значений расхода с помощью модельного аэрозоля, и для каждого значения расхода определена зависимость эффективности E_i(x) разделения (осаждения) аэрозольных частиц с аэродинамическими диаметрами х. С помощью модельного источника альфа-активности был определен коэффициент K_Э эффективности регистрации альфа-частиц спектрометром.

Длительность отбора пробы газового потока на каждом шаге измерений активности составляла 300 с. Расход аэрозоля контролировался с помощью ротаметра 4. Импульсные сигналы, генерируемые детектором 13, регистрировались в каналах АЦП. Для определения эффективности регистрации альфа-частиц детектором 13 предварительно проводилась энергетическая калибровка детектора по источнику известного состава, содержащему три энергетические линии радионуклидов ²⁴²Pu (4900 кэВ), ²³⁹Pu (5157 кэВ), ²³⁸Pu (5499 кэВ). На основании полученных данных были определены энергетические спектры осевших на фильтре альфа-активных аэрозольных частиц при четырех значениях расхода газового потока.

При каждом значении расхода газового потока производилось суммирование количества импульсов в энергетических каналах АЦП. Активность А аэрозольных частиц для каждой пробы при фиксированном расходе определялась как отношение суммы зарегистрированных импульсов М к произведению интервала времени Т (длительности отбора пробы при фиксированном расходе), в течение которого проводились измерения, и коэффициента K_Э эффективности регистрации альфа-частиц спектрометром.

В связи с тем, что в процессе измерений при различных расходах газового потока происходит накопление альфа-активных аэрозольных частиц на фильтре, который не заменяется в процессе измерений, необходимо выделить значение активности, соответствующее размерной фракции аэрозольных частиц при текущем фиксированном значении расхода. Для этого проводилось последовательное сравнение величин альфа-активности на каждом шаге измерений с величиной активности на предыдущем шаге измерений при предыдущем значении расхода газового потока.

Процедура сравнения величин альфа-активности на каждом шаге измерений проводилась путем вычитания из суммарной активности на текущем шаге измерений значения суммарной активной активности на предыдущем шаге измерений. Процедура выполнялась для всех шагов измерений, при этом на первом шаге измерений из накопленной активности вычиталась величина фоновой активности, зафиксированная перед началом измерений. Для чистого фильтра, установленного перед началом измерений, величина фоновой активности принимается равной нулю.

В таблице №1 представлены результаты измерений суммарной активности осевших на фильтре анализатора частиц A_Σi при четырех значениях объемного расхода V_i газового потока через разделитель 1, значения активности частиц A_i для каждой выделенной размерной фракции, рассчитанные методом сравнения суммарных значений активности A_Σi на текущем и предыдущем шагах измерений, значения относительной активности частиц η_i=A_i/A_Σ, рассчитанные для каждой выделенной размерной фракции, и значения эффективного диаметра разделения D₅₀ для четырех выделенных размерных фракций, полученные при предварительной калибровке разделителя для четырех значений расхода V_i газового потока. Относительные значения активности частиц (η_i^T=A_i/A_Σ) получены как отношение значений активности частиц A_i для каждой размерной фракции, выделенной при фиксированном расходе, к сумме значений активностей всех размерных фракций A_Σ=A₁+A₂+A₃+A₄. Значения A₁, A₂, A₃ и А₄ рассчитаны методом сравнения суммарных значений активности A_Σi на текущем и предыдущем шагах измерений.

На основании обработанных результатов измерений, приведенных в таблице №1, определены параметры дисперсного состава исследуемого радиоактивного аэрозоля, в частности АМАД и СГО. Значения относительной активности частиц η_i, полученные для каждой выделенной размерной фракции аэрозольных частиц, подставляются в математическое выражение для функции невязки Q(μ,σ). Минимум функции Q(μ,σ) соответствует искомым параметрам дисперсного состава радиоактивных аэрозолей АМАД и СГО. С учетом пропорциональной зависимости активности частиц от их массы значение АМАД соответствует аэродинамическому диаметру D₅₀, при котором вероятность осаждения на коллекторной пластине частиц равна 50%. Параметр СГО определяется как отношение D₈₄/D₅₀, где D₈₄ и D₅₀ - аэродинамические параметры осажденных частиц, вероятность осаждения которых на коллекторной пластине равна 84% и 50%, соответственно.

Значение теоретической относительной активности определяется согласно следующей зависимости:

где: j - индекс суммирования (j=1 - нижняя граница суммирования, j=L - верхняя граница суммирования); x_j - переменное значение аэродинамического диаметра аэрозольных частиц в интервале значений от 0.001 до 1000 мкм; L - количество разбиений интервала значений x_j аэродинамического диаметра аэрозольных частиц при суммировании; E_i(x_j) - эффективность разделения (осаждения) частиц с аэродинамическим диаметром x_j при фиксированных значениях расхода газового потока (V_i=20, 30, 40 и 50 л/мин); ƒ(x_i,μ,σ) - плотность логнормального распределения активности аэрозольных частиц по размерам (1/м).

Подставляя выражение для относительной активностив выражение для функции невязки Q(μ,σ) и перебирая случайные пары значений μ и σ, определяем пару значений μ и σ, при которых функция невязки Q(μ,σ) принимает минимальное значение. В рассматриваемом примере функция Q(μ,σ) минимизируется при следующих значениях аргументов: μ=4.85 мкм и σ=1.2. Следовательно, указанные значения АМАД и СГО являются искомыми значениями дисперсного состава радиоактивного аэрозоля, содержащего альфа-активный радионуклид ²³⁹Pu.

Приведенные выше примеры осуществления изобретения подтверждают возможность создания условий для оперативного определения параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей в автономных (полевых) условиях с требуемым уровнем точности. Выделение размерных фракций аэрозольных частиц путем пошагового изменения расхода прокачиваемого газового потока, при количестве фиксированных значений расхода не менее четырех, и измерение активности выделенных размерных фракций частиц непосредственно в камере детектирования анализатора позволяет определять параметры дисперсного состава радиоактивных аэрозолей непосредственно в месте отбора проб в момент измерений.

Наряду с описанными выше примерами возможны и другие варианты реализации изобретения в зависимости от конкретных условий и задач, решаемых в процессе определения дисперсного состава радиоактивных аэрозолей, содержащих альфа-активные нуклиды. Наряду с АМАД и СГО могут быть определены и другие параметры дисперсного состава аэрозоля, в том числе массовый медианный аэродинамический диаметр (ММАД) и счетный медианный аэродинамический диаметр (СМАД), на основании известных расчетных методик (см., например, Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. М.: Мир, 1987. С. 22-39).

Изменение расхода прокачиваемого через инерционный разделитель газового потока может пошагово (ступенчато) увеличиваться от минимального до максимального значения (при несущественном снижении точности измерений). Для измерений активности частиц могут применяться наряду с ионно-имплантированными кремниевыми детекторами и другие типы детекторов, которые компактно размещаются в камере детектирования. Обработка сигналов, формируемых при взаимодействии альфа-частиц с рабочей поверхностью детектора, может проводиться с помощью различных типов преобразователей сигналов и программного обеспечения, реализующего алгоритм анализа регистрируемых сигналов.

Способ определения параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей может быть реализован в устройствах-анализаторах, используемых для проведения оперативного контроля радиометрических и спектрометрических параметров на объектах с радиоактивными загрязнениями и вблизи источников радиоактивного излучения. Способ целесообразно применять на промышленных предприятиях для санитарно-гигиенической оценки газовых сред, в технологических процессах производства радиоактивных изотопов, в радиоэкологии и медицине, для оценки эффективности работы пылеулавливающего оборудования и средств индивидуальной защиты органов дыхания.

Изобретение относится к методам дисперсного анализа радиоактивных аэрозолей, поступающих в организм человека с вдыхаемым воздухом. Способ включает разделение аэрозольных частиц, содержащихся в анализируемом газовом потоке, на размерные фракции путем прокачки газового потока через однокаскадный инерционный разделитель при различных величинах расхода, осаждение аэрозольных частиц на фильтр, измерение альфа-активности осажденных на фильтре аэрозольных частиц для каждой выделенной размерной фракции в течение равных промежутков времени, обработку результатов измерений и определение параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей на основании обработанных результатов измерений, разделение аэрозольных частиц по меньшей мере на четыре размерные фракции путем последовательного пошагового изменения расхода прокачиваемого через однокаскадный инерционный разделитель газового потока, при каждом фиксированном значении расхода газового потока, количество которых равно по меньшей мере четырем, аэрозольные частицы осаждают на фильтр, расположенный в камере детектирования, в которую подают газовый поток с выхода однокаскадного инерционного разделителя, измерение альфа-активности осажденных на фильтре аэрозольных частиц с помощью спектрометра, детектор которого установлен в камере детектирования, для размерных фракций, выделенных при фиксированных значениях расхода газового потока, установление зависимости измеренных значений альфа-активности от размера аэрозольных частиц путем последовательного сравнения величин альфа-активности на каждом шаге измерений с величиной активности на предыдущем шаге измерений при предыдущем значении расхода газового потока, на основании полученной зависимости определяют параметры дисперсного состава радиоактивного аэрозоля. Техническим результатом является возможность оперативного контроля параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей, содержащих альфа-активные радионуклиды, непосредственно на месте отбора проб. 6 з.п. ф-лы, 4 ил, 1 табл.

1. Способ определения дисперсного состава радиоактивных аэрозолей, содержащих альфа-активные радионуклиды, включающий разделение аэрозольных частиц, содержащихся в анализируемом газовом потоке, на размерные фракции путем прокачки газового потока через однокаскадный инерционный разделитель при различных величинах расхода, осаждение аэрозольных частиц на фильтр, измерение альфа-активности осажденных на фильтре аэрозольных частиц для каждой выделенной размерной фракции в течение равных промежутков времени, обработку результатов измерений и определение параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей на основании обработанных результатов измерений, отличающийся тем, что осуществляют разделение аэрозольных частиц по меньшей мере на четыре размерные фракции путем последовательного пошагового изменения расхода прокачиваемого через однокаскадный инерционный разделитель газового потока, при каждом фиксированном значении расхода газового потока, количество которых равно по меньшей мере четырем, аэрозольные частицы осаждают на фильтр, расположенный в камере детектирования, в которую подают газовый поток с выхода однокаскадного инерционного разделителя, измеряют альфа-активность осажденных на фильтре аэрозольных частиц с помощью спектрометра, детектор которого установлен в камере детектирования, для размерных фракций, выделенных при фиксированных значениях расхода газового потока, устанавливают зависимость измеренных значений альфа-активности от размера аэрозольных частиц путем последовательного сравнения величин альфа-активности на каждом шаге измерений с величиной активности на предыдущем шаге измерений при предыдущем значении расхода газового потока, на основании полученной зависимости определяют параметры дисперсного состава радиоактивного аэрозоля.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве параметров дисперсного состава аэрозоля определяют аэродинамический медианный по активности диаметр частиц и стандартное геометрическое отклонение диаметра частиц.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расход прокачиваемого через инерционный разделитель газового потока пошагово уменьшают от максимального до минимального значения.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что альфа-активность частиц измеряют с помощью спектрометра с ионно-имплантированным кремниевым детектором, на рабочей поверхности которого установлен коллиматор.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что сигналы, формируемые при взаимодействии альфа-частиц с рабочей поверхностью детектора, обрабатывают в измерительном тракте спектрометра, включающем усилитель сигналов и амплитудный анализатор импульсов, последовательно подключенные к выходу детектора.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что сигналы обрабатывают с помощью амплитудного анализатора импульсов, в состав которого входит амплитудно-цифровой преобразователь.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что альфа-активность для каждой размерной фракции частиц рассчитывают как отношение числа импульсов, зарегистрированных с помощью детектора, к произведению интервала времени, в течение которого проводилось измерение при фиксированном значении расхода газового потока, и коэффициента эффективности регистрации альфа-частиц спектрометром.