Индивидуальный импактор и основанный на его применении способ оценки ожидаемой эффективной дозы внутреннего облучения Российский патент 2024 года по МПК G01N15/00 G01T1/167 

Группа изобретений относится к устройствам для анализа дисперсного состава аэрозолей, поступающих в организм человека с вдыхаемым воздухом, и способам оперативной оценки ожидаемой эффективной дозы (ОЭД) внутреннего облучения при ингаляционном поступлении радиоактивных аэрозолей. Группа изобретений может быть использована в промышленности и экологии.

Для анализа дисперсного состава аэрозолей наибольшее распространение получили импакторы – устройства, в которых разделение частиц на размерные фракции происходит за счет инерционного осаждения на препятствиях (коллекторных пластинах). Стационарные импакторы предназначены для контроля воздуха производственной среды в стационарной точке, включая точки вблизи источника образования аэрозолей. Индивидуальные импакторы предназначены для контроля воздуха в зоне дыхания, как правило, используются в комплекте с индивидуальными побудителями расхода и крепятся на одежде (на лацкане воротника), откуда вытекают определенные требования к их весогабаритным характеристикам.

Возможность применения данных, полученных с использованием стационарных импакторов и кратковременного отбора проб, для оценки воздействия на работников ограничена из-за изменений характеристик аэрозолей в зависимости от расстояния от источника, приводящих к пространственным и временным изменениям массы аэрозоля и счетной концентрации (в случае радиоактивных аэрозолей - объемной активности). Кроме того, работники часто перемещаются из одной рабочей зоны в другую, что приводит к сложным картинам пребывания в выбранных местах отбора проб. Вследствие этого характеристики воздействия аэрозолей, определенные в фиксированных точках, не могут быть однозначно применены для оценки воздействия на конкретного работника без тщательного рассмотрения. Проблема может быть решена применением индивидуальных импакторов, закрепляемых на одежде персонала для отбора радиоактивных аэрозолей непосредственно из зоны дыхания.

Известно, что радиоактивные аэрозольные частицы, попадая в организм вместе с вдыхаемым воздухом, осаждаются в различных отделах дыхательного тракта в зависимости от их размеров. Соответственно, и дозовые нагрузки на организм при одной и той же объемной активности аэрозоля будут различаться в зависимости от распределения активности по аэродинамическим диаметрам аэрозольных частиц, которое обычно аппроксимируется логнормальным распределением, основными параметрами которого являются активностный медианный аэродинамический диаметр (АМАД) и геометрическое стандартное отклонение. АМАД – это значение аэродинамического диаметра частиц дисперсной фазы радиоактивного аэрозоля, показывающее, что 50% активности данного аэрозоля приходится на частицы, имеющие аэродинамический диаметр меньше, чем АМАД, а 50% активности – на частицы, имеющие аэродинамический диаметр больше, чем АМАД [1]. Геометрическое стандартное отклонение – мера разброса значений аэродинамических диаметров частиц относительно значения АМАД. В зависимости от радионуклидного состава, типа химического соединения при ингаляции и АМАД аэрозоля для оценки ОЭД внутреннего облучения используют дозовые коэффициенты, которые позволяют перейти от активности частиц радиоактивного аэрозоля, осажденных в различных отделах дыхательного тракта, к ОЭД внутреннего облучения. В действующих Нормах радиационной безопасности НРБ-99/2009 СанПиН 2.6.1.2523-09 (далее – НРБ-99/2009) [2] приведены дозовые коэффициенты, рассчитанные для аэрозолей с АМАД, равным 1 мкм, и геометрическим стандартным отклонением, равным 2,5. Однако по опубликованным данным различных авторов на практике распределение активности по аэродинамическим диаметрам аэрозольных частиц может быть иным [3-8]. Отличие фактического значения АМАД от значения 1 мкм может приводить к появлению ошибки при оценке ОЭД внутреннего облучения, причем как к завышению, так и к занижению значения, вплоть до 50% [8, 9]. Поэтому для целей дозиметрии внутреннего облучения необходимо, наряду с объемной активностью, радионуклидным составом и типом химического соединения при ингаляции, контролировать размеры аэрозольных частиц.

Как было упомянуто ранее, распределение активности по аэродинамическим диаметрам аэрозольных частиц обычно задается логнормальным распределением, основными параметрами которого являются АМАД и геометрическое стандартное отклонение. Для определения АМАД требуется дорогостоящий многокаскадный импактор и применяется сложная методика расчета АМАД по результатам измерения активности аэрозольных частиц, осажденных на коллекторных пластинах каскадных элементов импактора; данная методика включает статистическую обработку серии измерений, правильный выбор дозового коэффициента, интерпретацию результатов и может быть осуществлена только опытными, высококвалифицированными специалистами. Импактор – пробоотборное устройство, в котором разделение частиц на размерные фракции реализуется за счет инерционного осаждения на каскадных элементах при линейных скоростях воздушного потока до нескольких десятков метров в секунду. Усложнение конструкции импактора (увеличение числа каскадных элементов) позволяет более точно определить АМАД и соответственно – повысить точность оценки ОЭД внутреннего облучения, но применение сложных и дорогостоящих устройств, требующих больших трудозатрат для обработки полученных данных, не всегда оправдано, например, в аварийных ситуациях, когда необходима оперативная оценка ОЭД внутреннего облучения.

Поэтому сначала в международных документах [10, 11] и в документах США [12], а затем и в отечественном ГОСТ Р ИСО 7708-2006 [13] появился новый подход к контролю дисперсности аэрозолей.

ГОСТ Р ИСО 7708-2006 [13] устанавливает нормативы по отбору проб при определении состава взвешенных частиц, содержащихся в воздухе рабочей зоны и окружающей атмосфере, с целью оценки влияния на здоровье человека. В стандарте приведены нормативы по отбору проб вдыхаемой, торакальной и респирабельной фракций. На фиг. 1 представлены нормативы по фракциям, выраженные в процентах числа всех взвешенных частиц (1 – вдыхаемая фракция, 2 – торакальная фракция, 3 – респирабельная фракция). Согласно стандарту [13] вдыхаемая фракция – массовая доля всех взвешенных в воздухе частиц, которые вдыхаются через нос и рот, торакальная фракция – массовая доля вдыхаемых частиц, попадающих за пределы гортани, респирабельная фракция – массовая доля вдыхаемых частиц, попадающих в нижние дыхательные пути. Норматив по торакальной фракции задается интегральным нормальным логарифмическим распределением с медианным диаметром 11,64 мкм и геометрическим стандартным отклонением 1,5. Норматив по респирабельной фракции для здоровых взрослых людей задается интегральным нормальным логарифмическим распределением с медианным диаметром 4,25 мкм и геометрическим стандартным отклонением 1,5. Норматив по респирабельной фракции для группы повышенного риска (больные и инвалиды или дети) задается интегральным нормальным логарифмическим распределением с медианным диаметром 2,5 мкм и геометрическим стандартным отклонением 1,5.

Управление по охране окружающей среды США [12] применяет разделение частиц пыли на две фракции, сходные с торакальной фракцией и респирабельной фракцией для группы повышенного риска по ГОСТ Р ИСО 7708-2006: PM10 и PM2,5, где PM10 – фракция частиц с аэродинамическими диаметрами меньше 10 мкм, которые проникают в дыхательную систему человека за гортань, а PM2,5 – фракция частиц с аэродинамическими диаметрами меньше 2,5 мкм, которые проникают в альвеолярные отделы дыхательной системы. На фиг. 1 представлены нормативы для фракций PM10 и PM2,5 по стандарту U.S. EPA 40 CFR, chapter 1, part 53 [12] и принятому в России ГОСТ Р ИСО 7708-2006 [13]. За рубежом этот подход получил широкое распространение, что подтверждается созданием широкого спектра новых моделей импакторов и пробоотборных устройств, в том числе – индивидуальных, применяемых для отбора проб воздуха непосредственно из зоны дыхания человека [14]. Во всех этих устройствах отделение заданных фракций аэрозольных частиц из потока аспирируемого воздуха достигается за счет импакции [14-16].

Известен разработанный Баклеем и др. [15] индивидуальный импактор для пробоотбора фракции PM10, работающий при величине объемного расхода 4 л/мин. К достоинствам устройства стоит отнести небольшие габариты и массу (диаметр – 5 см, высота – 2,1 см, масса – 70 г), к недостаткам данного устройства можно отнести большое время отбора пробы, обусловленное низким объемным расходом (в 5 раз меньше средней скорости дыхания условного работника), а также односопельность и однокаскадность, следствием которой является невозможность пробоотбора фракции PM2,5.

Известен индивидуальный пробоотборник по патенту США № 7073402 [16], состоящий из четырех односопельных каскадных элементов, расположенных параллельно. К достоинствам данного устройства можно отнести небольшие размеры и возможность одновременного пробоотбора фракций PM10 и PM2,5, к недостаткам устройства относятся невысокий объемный расход (8 л/мин) и односопельность каскадных элементов.

Известен индивидуальный импактор по патенту РФ на изобретение № 2290624 [17], включающий корпус с соплом, коллекторные пластины и фильтр. К достоинствам этой конструкции можно отнести то, что внутренние камеры, образованные корпусом и коллекторными пластинами, выполненные с закругленными поверхностями, обеспечивают уменьшение турбулентности воздушного потока, и то, что коллекторные пластины играют роль разгонных сопел. К недостаткам рассматриваемого устройства следует отнести односопельность каскадных элементов, приводящую к увеличению времени отбора пробы и к неравномерности распределения осажденных частиц (осадка) по поверхностям коллекторных пластин, что, в свою очередь, ведет к увеличению ошибки при измерении активности осажденных на коллекторных пластинах аэрозольных частиц. Данный индивидуальный импактор применяется для расчета АМАД аэрозоля. Используя полученную величину АМАД, можно определить дозовый коэффициент с помощью базы данных дозовых коэффициентов МКРЗ [18]. Зная дозовый коэффициент, можно провести оценку ОЭД внутреннего облучения, умножая ингаляционное поступление за интересующий период (Бк) на дозовый коэффициент (Зв/Бк). К недостаткам данного способа оценки ОЭД внутреннего облучения следует отнести сложную методику расчета АМАД по результатам измерения активности аэрозольных частиц, осажденных на коллекторных пластинах каскадных элементов импактора; эта методика включает статистическую обработку серии измерений, правильный выбор дозового коэффициента, интерпретацию результатов, и может быть осуществлена только опытными, высококвалифицированными специалистами.

Известен пробоотборник аэрозольных частиц по патенту США № 7597015 [19]. К достоинствам данного устройства относятся компактность и дешевизна. К недостаткам данного устройства относится отсутствие крестовины, предотвращающей разрыв фильтра, а также несовершенство формы нижней части внутрикорпусного пространства, способствующей неравномерности распределения осаждаемых аэрозольных частиц по поверхности фильтра.

Известно устройство для пробоотбора фракции PM2,5 по патенту США № 7785408 [20]. К достоинствам данного устройства стоит отнести форму входного сопла, обеспечивающую эффективный воздухозабор. К недостаткам данного устройства относятся односопельность и однокаскадность, не позволяющая проводить пробоотбор фракции PM10.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является пробоотборник аэрозольных частиц по патенту США № 7334453 [21]. К достоинствам данного устройства относятся: использование крышки в качестве сопельной пластины и конструкция каскадных элементов, которая обеспечивает их надежное соединение между собой внутри корпуса, что позволяет оперативно заменять каскадные элементы. К недостаткам данного устройства относится невозможность одновременного пробоотбора фракций PM10 и PM2,5. Усовершенствованный вариант пробоотборника по патенту США № 7334453 [21], представленный в рекламном проспекте [22], позволяет осуществлять одновременный пробоотбор фракций PM10 и PM2,5, но этот вариант значительно крупнее и тяжелее, что затрудняет его использование в качестве индивидуального. Оба варианта имеют резьбовое соединение крышки (крышек) и корпуса, которое из-за недостаточной герметичности может приводить к подсосу воздуха во время пробоотбора, кроме того, недостатком является невысокий объемный расход при отборе пробы (10 л/мин), не соответствующий средней скорости дыхания человека и увеличивающий время отбора пробы. Следует заметить, что форма нижней части корпуса может приводить к увеличению аэродинамического сопротивления устройства (нижняя часть корпуса имеет в центре цилиндрический выступ для крепления к импактору прищепки или закрепления импактора на штативе) и, соответственно, к необходимости увеличения мощности побудителя расхода. Наконец, отношение расстояния от нижнего края сопельного отверстия до коллекторной пластины к диаметру сопельного отверстия лежит в интервале от 0,5 до 3, однако, из теории [23, 24] известно, что данное отношение для круглого сопельного отверстия должно быть больше единицы, т. к. невыполнение данного условия приводит к ошибкам, связанным с изменением параметров осаждения.

Авторами была предпринята попытка разработать способ оценки ОЭД внутреннего облучения, отражающий особенности ГОСТ Р ИСО 7708-2006 [13] и не требующий расчета параметров логнормального распределения. Предполагалось разработать способ оценки ОЭД внутреннего облучения, основанный на измерении активности двух фракций аэрозольных частиц: торакальной без учета респирабельной (10 - 2,5 мкм) и собственно респирабельной фракции (менее 2,5 мкм), но исследования показали, что получаемые результаты существенно отличаются от результатов, получаемых с использованием импактора по патенту РФ на изобретение № 2290624 [17]. Основные расхождения наблюдались в субмикронной области размеров частиц, например, при АМАД, равном 0,3 мкм, для альфа-излучающих радионуклидов (Am-241, Pu-239 – тип П) относительная погрешность составляла 21%, а для гамма-излучающих нуклидов (Cs-137, I-131) доходила до 46%. Поэтому было принято решение разработать новый способ оценки ОЭД внутреннего облучения, учитывающий активность субмикронной фракции аэрозольных частиц, несущих потенциальную радиологическую опасность при ингаляционном поступлении в организм человека.

Задачами изобретения являются разработка оперативного способа оценки ОЭД внутреннего облучения, учитывающего нормативы ГОСТ Р ИСО 7708-2006 [13] и не требующего расчета параметров логнормального распределения, и создание индивидуального импактора с оптимальными весогабаритными характеристиками для отбора проб радиоактивных аэрозолей из зоны дыхания персонала, с помощью которого возможна реализация оперативного способа оценки ОЭД внутреннего облучения. При этом конструкция индивидуального импактора должна быть простой в изготовлении, удобной в использовании, обладать внутренними камерами с улучшенными аэродинамическими свойствами и позволять проводить анализ активности проб аэрозоля с использованием стандартных радиометрических и спектрометрических приборов. Кроме того, для максимального приближения к условиям поглощения радиоактивных аэрозолей человеком объемная скорость воздушного потока в устройстве должна соответствовать п. 4.2 НРБ-99/2009 [2] и равняться 20 л/мин (1,2 м³/ч).

Технический результат:

- разработан оперативный способ индивидуальной оценки ОЭД внутреннего облучения, учитывающий нормативы ГОСТ Р ИСО 7708-2006 и не требующий расчета параметров логнормального распределения;

- создан индивидуальный импактор, с помощью которого возможна реализация оперативного способа оценки ОЭД внутреннего облучения;

- конструкция индивидуального импактора проста в изготовлении и хорошо поддается дезактивации;

- импактор обладает внутренними камерами с оптимизированными аэродинамическими свойствами;

- объемная скорость воздушного потока в устройстве соответствует п. 4.2 НРБ-99/2009 [2] и равняется 20 л/мин (1,2 м³/ч);

- импактор удобен в эксплуатации, обладает небольшими весогабаритными характеристиками, оснащен оригинальной прищепкой для надежной фиксации индивидуального импактора на одежде, что позволяет осуществлять отбор радиоактивных аэрозолей из зоны дыхания персонала;

- размер коллекторных пластин позволяет проводить анализ активности проб аэрозоля с использованием стандартных радиометрических и спектрометрических приборов.

Разработан оперативной способ индивидуальной оценки ОЭД внутреннего облучения, заключающийся в том, что с помощью описанного ниже импактора в течение времени T производится отбор пробы воздуха и разделение аэрозольных частиц на фракции за счет инерционного осаждения на каскадных элементах импактора, затем производится измерение величин активности трех фракций частиц с аэродинамическими диаметрами 10-2,5 мкм, 2,5-0,6 мкм и 0,6-0,1 мкм. Измерения производятся на радиометре, либо после предварительной радиохимической пробоподготовки на альфа-спектрометре, либо в случае гамма-излучающих аэрозолей на полупроводниковом гамма-спектрометре. Затем рассчитываются значения объемной активности указанных фракций по формуле 1:

Av = A/V = A/W·T, (1)

где

Аv – объемная активность аэрозольных частиц, осевших на коллекторной пластине или фильтре, измеренная на радиометре или спектрометре, Бк/м³;

A - активность аэрозольных частиц, осевших на коллекторной пластине или фильтре, измеренная на радиометре или спектрометре, Бк.

V – отобранный объем пробы, м³;

W – средний объемный расход воздуха, при котором проводился отбор пробы, м³/ч;

T – время пробоотбора, ч.

Затем оценка ОЭД внутреннего облучения для времени экспозиции работника t проводится по формуле 2:

E = [Av(10-2,5)·D5_U,G + Av(2,5-0,6)·D1_U,G + Av(0,6-0,1)·D0,3_U,G]·Q·t (2), где

Е – ОЭД внутреннего облучения, Зв;

D5_U,G, D1_U,G, D0,3_U,G – дозовые коэффициенты для соединения радионуклида U с типом химического соединения при ингаляции G, для значений АМАД 5 мкм, 1 мкм и 0,3 мкм соответственно, взятые из базы данных дозовых коэффициентов МКРЗ [18]; если тип химического соединения при ингаляции G неизвестен, в расчете следует использовать тип химического соединения при ингаляции, соответствующий максимальному значению дозового коэффициента для данного радионуклида.

Av(10-2,5) – объемная активность фракции аэрозольных частиц с аэродинамическим диаметром 10-2,5 мкм, Бк/м³.

Av(2,5-0,6) – объемная активность фракции аэрозольных частиц с аэродинамическим диаметром 2,5-0,6 мкм, Бк/м³

Av(0,6-0,1) – объемная активность фракции аэрозольных частиц с аэродинамическим диаметром 0,6-0,1 мкм, Бк/м³;

Q – средняя скорость дыхания условного работника (данное значение может варьироваться в зависимости от типа выполняемой работы (нагрузки), пола и возраста субъекта [25]). Согласно п. 4.2 НРБ-99/2009, средняя скорость дыхания условного работника составляет 1,2 м³/ч. [2];

t – время экспозиции, ч.

Для реализации нового способа оценки ОЭД внутреннего облучения был разработан индивидуальный импактор (фиг. 2 – 4), который состоит из корпуса с многосопельной крышкой и штуцером для присоединения побудителя расхода и размещенных в корпусе каскадных элементов, причем каждый из первых трех каскадных элементов состоит из сопельной пластины, разделительного кольца и коллекторной пластины с нанесенным на ее поверхность вязким веществом, а в качестве четвертого каскадного элемента используется фильтр, при этом крышка корпуса играет роль сопельной пластины первого каскадного элемента, коллекторная пластина первого каскадного элемента является сопельной пластиной второго каскадного элемента, а коллекторная пластина второго каскадного элемента является сопельной пластиной третьего каскадного элемента, сопельные пластины представляют собой плоские диски с сопельными отверстиями, равномерно распределенными по трем концентрическим окружностям в центре (второй каскадный элемент) или на периферии на одной окружности (третий каскадный элемент), сопельные отверстия, имеют на входе фаску под углом 45° для уменьшения аэродинамического сопротивления устройства. Диаметр сопельных отверстий, толщина крышки и коллекторных пластин подобраны, исходя из общеизвестных методов расчета импакторов [23, 24], для объемной скорости воздушного потока 20 л/мин таким образом, чтобы на втором каскадном элементе происходило осаждение фракции частиц с аэродинамическим диаметром 10-2,5 мкм, на третьем каскадном элементе – с аэродинамическим диаметром 2,5-0,6 мкм, на фильтре – с аэродинамическим диаметром 0,6-0,1 мкм. К достоинствам конструкции предлагаемого индивидуального импактора относится то, что внутренняя нижняя часть корпуса имеет коническую форму, обеспечивающую выравнивание воздушного потока и равномерное распределение улавливаемых аэрозольных частиц на поверхности фильтра, а также уменьшение весовых характеристик устройства; крышка имеет скругленные грани для уменьшения турбулентных завихрений в околосопельном пространстве, при этом корпус соединяется с крышкой с помощью четырех болтов, что обеспечивает герметичность и предотвращает подсос воздуха во время пробоотбора; для предотвращения разрыва фильтра после него устанавливается крестовина; устройство может использоваться в комплекте с автономным побудителем расхода, обеспечивающим объемную скорость воздушного потока, равную средней скорости дыхания условного работника – 20 л/мин (1,2 м³/ч). Устройство оснащено прищепкой специальной конструкции, которая представляет собой металлическую пластинку, имеющую три изгиба, прямоугольный вырез по центру одного из изгибов и язычок для надежной фиксации индивидуального импактора на одежде персонала (фиг. 5).

На фиг. 1 представлены нормативы по фракциям, выраженные в процентах от числа всех взвешенных частиц (1 – вдыхаемая фракция, 2 – торакальная фракция, 3 – респирабельная фракция) по ГОСТ Р ИСО 7708:2006 и нормативы для фракций PM10 и PM2,5 по стандарту U.S. EPA 40 CFR, chapter 1, part 53; на фиг. 2 представлен индивидуальный импактор в разрезе, на фиг. 3 – вид индивидуального импактора сверху, фиг. 4 – схема сборки индивидуального импактора; на фиг. 5 – прищепка специальной конструкции для надежного крепления индивидуального импактора на одежде персонала; на фиг. 6 – функция распределения активности по аэродинамическим диаметрам.

Предлагаемый индивидуальный импактор (фиг. 2 – 5) состоит из корпуса 1 и крышки 2. Корпус 1 (фиг. 4) снабжен квадратным фланцем 3, имеющим четыре отверстия для болтов. Крышка 2 (фиг. 4), снабжена квадратным фланцем 4, имеющим четыре отверстия для болтов, корпус 1 соединяется с крышкой 2 с помощью болтов 5, в верхней части корпуса 1 расположены коллекторные пластины 6, 7, 8, отделенные друг от друга разделительными кольцами 9. Каскадные элементы индивидуального импактора, кроме последнего, формируются сопельными пластинами, коллекторными пластинами 6, 7, 8 и разделительными кольцами 9. Первый каскадный элемент образован крышкой 2 и коллекторной пластиной 6, то есть, в качестве сопельной пластины первого каскадного элемента используется крышка 2, имеющая утолщенную верхнюю часть, на которой по окружности расположены отверстия – сопла первого каскадного элемента, при этом отношение толщины соплел к их диаметрам больше 1; для уменьшения турбулентных завихрений в околосопельном пространстве крышка 2 имеет скругленные грани. Второй каскадный элемент образован коллекторной пластиной 6 первого каскадного элемента и коллекторной пластиной 7 и разделительным кольцом 9, таким образом, коллекторная пластина 6 первого каскадного элемента играет роль сопельной пластины второго каскадного элемента. Третий каскадный элемент образован коллекторной пластиной 7 второго каскадного элемента и коллекторной пластиной 8 и разделительным кольцом 9, таким образом, коллекторная пластина 7 второго каскадного элемента играет роль сопельной пластины третьего каскадного элемента. Коллекторная пластина 8 третьего каскадного элемента имеет круглое отверстие посередине, что обеспечивает выравнивание воздушного потока и равномерное распределение улавливаемых аэрозольных частиц на поверхности фильтра 10 (например: АФА-РСП-10), который используется в качестве последнего каскадного элемента. Коллекторные пластины имеют форму плоских дисков, причем на коллекторной пластине 6 разгонные сопла расположены в центре по трем концентрическим окружностям, а на коллекторной пластине 7 и крышке 2 – на периферии и на одной окружности (фиг. 4 и фиг. 3). Для предотвращения разрыва фильтра 10 используется крестовина 11. Для выравнивания воздушного потока и равномерного распределения улавливаемых аэрозольных частиц на поверхности фильтра 10 днище корпуса 1 имеет коническую форму. В нижней части корпуса 1, посредством клеевого соединения установлен штуцер 12 (фиг. 2), предназначенный для присоединения к индивидуальному импактору автономного побудителя расхода. Для закрепления импактора на одежде предусмотрена фиксирующая прищепка 13 (фиг. 2 и фиг. 5), представляющая собой металлическую пластинку, имеющую три изгиба, прямоугольное отверстие в средней части (фиг. 5) и язычок 14 для надежной фиксации индивидуального импактора на одежде. Прищепка соединена с нижней частью корпуса 1 при помощи винтов 15 (фиг. 2). Отбор радиоактивного аэрозоля осуществляется при помощи побудителя расхода (на фигурах не показан), который обеспечивает объемный расход 20 л/мин, что соответствует требованиям п. 4.2 НРБ-99/2009 [2].

Устройство работает следующим образом: воздушный поток поступает через сопла в крышке 2 внутрь импактора, где он поворачивает под углом 90° к первоначальному направлению потока и, разделяясь, направляется в сторону разгонных сопел на коллекторной пластине 6. За счет этого, в силу инерции более массивные частицы не успевают изменить направление своего первоначального движения и осаждаются на периферии коллекторной пластины 6. Таким образом на коллекторной пластине 6 первого каскадного элемента происходит инерционное осаждение размерной фракции частиц с аэродинамическим диаметром более 10 мкм. Далее воздушные потоки через разгонные сопла коллекторной пластины 6 поступают на второй каскадный элемент, где они вновь изменяют направление и направляются к разгонным соплам, расположенным на периферии коллекторной пластины 7, при этом некоторая доля частиц оседает на поверхности коллекторной пластины 7. Таким образом, на коллекторной пластине 7 второго каскадного элемента происходит инерционное осаждение размерной фракции частиц с аэродинамическими диаметрами 10-2,5 мкм. Далее воздушные потоки поступают на третий каскадный элемент, где соединяются в центре коллекторной пластины 8 в один поток, при этом некоторая доля частиц аэрозоля оседает на поверхности коллекторной пластины 8. Таким образом на коллекторной пластине 8 третьего каскадного элемента происходит инерционное осаждение размерной фракции частиц с аэродинамическими диаметрами 2,5-0,6 мкм. После коллекторной пластины 8 воздушный поток направляется к фильтру 10, оставшиеся в воздушном потоке аэрозольные частицы оседают на фильтре 10, после чего воздушный поток выходит через штуцер 12. Таким образом на фильтре 10, который используется в качестве последнего каскадного элемента происходит осаждение размерной фракции частиц с аэродинамическим диаметром менее 0,6 мкм. Отбор пробы производится в течение времени T, после чего автономный побудитель расхода отключается.

По окончании пробоотбора разбирают импактор и вынимают коллекторные пластины и фильтр. Измерение активности аэрозольных частиц, осевших на коллекторных пластинах 7 и 8 и фильтре 10, производят на стандартных радиометрических или спектрометрических приборах.

Пример 1

Для оценки ОЭД внутреннего облучения работника, выполняющего 5 рабочих операций в условиях ингаляционного поступления радиоактивного аэрозоля ²³⁸UO₂ (тип химического соединения при ингаляции: М) действуют следующим образом: собирают индивидуальный импактор в соответствии со схемой на фиг. 4, устанавливают коллекторные пластины 6, 7, 8 с нанесенным на их поверхность вязким веществом и фильтр 10 в нижнюю часть корпуса 1, к корпусу 1 присоединяют крышку 2 с помощью болтов 5. Затем импактор, соединенный с автономным побудителем стабилизированного расхода, закрепляют на человеке; отбор пробы аэрозоля из зоны дыхания проводят в течение рабочей операции (время пробоотбора T равно 3 часа) при среднем значении объемного расхода 20 л/мин; по окончании отбора, разбирают импактор и вынимают коллекторные пластины и фильтр; измерение активности аэрозольных частиц, осевших на коллекторных пластинах 7 и 8 и фильтре 10, производят на радиометре УМФ-2000.

Расчет объемных активностей проводят по формуле 1:

Av = A/V = A/W·T

Результаты измерения активности, рассчитанные значения объемной активности и дозовые коэффициенты для ²³⁸U, тип химического соединения при ингаляции М, взятые из базы данных дозовых коэффициентов МКРЗ [18], заносят в таблицу 1.

Таблица 1 Экспериментальные данные, полученные с помощью индивидуального импактора

Каскадный элемент импактора Фракция
осаждаемых
частиц, мкм Активность, Бк Объемная активность,
Av, Бк/м³ Дозовые коэффициенты D, Зв/Бк (для значений АМАД 5, 1 и 0,3 мкм соответственно) 2 10 – 2,5 116,3 32,3 1,6⋅10^-6 3 2,5 – 0,6 89,6 24,9 2,6⋅10^-6 фильтр 0,6 – 0,1 47,2 13,1 3,8⋅10^-6

Оценку ОЭД внутреннего облучения работника, выполняющего 5 рабочих операций в условиях ингаляционного поступления радиоактивного аэрозоля ²³⁸UO₂ (суммарное время экспозиции t равно 15 ч) проводится по формуле 2:

E = [Av(10-2,5)·D5_U,G + Av(2,5-0,6)·D1_U,G + Av(0,6-0,1)·D0,3_U,G]·Q·t =

(32,3 Бк/м³·1,6⋅10^-6 Зв/Бк + 24,9 Бк/м³·2,6⋅10^-6 Зв/Бк + 13,1 Бк/м³·3,8⋅10^-6 Зв/Бк)·1,2 м³/ч·15 ч = 3 мЗв

Таким образом, значение ОЭД внутреннего облучения работника, выполняющего 5 рабочих операций за 15 часов, составляет 3 мЗв.

Пример 2

Сравнительный анализ оценки ОЭД внутреннего облучения работника за 30 ч (одна рабочая неделя) в условиях ингаляционного поступления радиоактивного аэрозоля ²⁴¹AmO₂ с помощью предлагаемого устройства и индивидуального импактора по патенту РФ № 2290624 [17].

Оценку ОЭД внутреннего облучения работника за 30 ч (одна рабочая неделя) в условиях ингаляционного поступления радиоактивного аэрозоля ²⁴¹AmO₂ (тип химического соединения при ингаляции: П) проводят с помощью индивидуального импактора по патенту РФ № 2290624 [17] и предлагаемой группы изобретений – индивидуального импактора и основанного на его применении способа оценки ОЭД внутреннего облучения.

Для оценки ОЭД внутреннего облучения при ингаляционном поступлении радиоактивного аэрозоля ²⁴¹AmO₂ (тип химического соединения при ингаляции: П) с помощью индивидуального импактора по патенту РФ № 2290624 [17] действуют следующим образом: собирают импактор в соответствии с описанием, приведенным в примере 1 в патенте РФ № 2290624 [17]; присоединяют к импактору автономный побудитель стабилизированного расхода; пробоотбор производят в течение времени T, равном 6 ч, при среднем значении объемного расхода W, равном 30 л/мин; затем, по окончании пробоотбора, разбирают импактор и вынимают коллекторные пластины, не нарушая смазанных поверхностей; измерение активности аэрозольных частиц, осевших на пластинах и фильтрах, производят на гамма-спектрометре Canberra. Результаты измерения активности и значения функции распределения активности по аэродинамическим диаметрам частиц заносят в таблицу 2 для каждой коллекторной пластины и фильтров.

Таблица 2 Экспериментальные данные, полученные с помощью индивидуального импактора по патенту РФ № 2290624 [17]

Каскадный элемент импактора 1 2 3 Пакет фильтров 4 5 6 Аэродинамический диаметр D, мкм 8 4 2 1,2 0,8 - Активность A, Бк 0,5 2,6 3,2 1,9 0,9 0,8 Функция распределения F(D), % 94,7 68,7 36,2 17,4 8,1 -

По данным таблицы 2 строят график в вероятностно-логарифмическом масштабе (фиг. 6).Через полученные точки можно провести прямую линию, следовательно, рассматриваемое распределение является логарифмически нормальным, при этом значение АМАД соответствует диаметру D₅₀, при котором f(D₅₀) = 50%, a геометрическое стандартное отклонение – отношению диаметров D₈₄/D₅₀. Таким образом, по графику (фиг. 6) значение АМАД составляет 2,5 мкм, стандартное геометрическое отклонение – 2,48. Оценку ОЭД внутреннего облучения для времени экспозиции t, равном 30 ч, проводят по формуле 5:

E = D(ICRP)⋅(∑Av)·Q·t (5), где

D(ICRP) – дозовый коэффициент для ²⁴¹Am (тип химического соединения при ингаляции: П), определенного по графику значения АМАД = 2,5 мкм, определенный по базе данных дозовых коэффициентов МКРЗ [18] составляет 3,60⋅10^-5 Зв/Бк.

Q – средняя скорость дыхания условного работника – 1,2 м³/ч в соответствии с п. 4.2 НРБ-99/2009 [2].

t – время экспозиции, ч

∑ Av – суммарная объемная активность, Бк/м³; ∑ Av = ∑A / V, где

∑A – сумма активностей на всех каскадах импактора, Бк;

V – отобранный объем, м³. V = W·T; где W – объемный расход (30 л/мин), T – время пробоотбора (6 ч).

Таким образом: V = 30 л/мин · 360 мин = 10800 л = 10,8 м³.

Суммарная объемная активность:

∑ Av = (0,5 + 2,6 + 3,2 + 1,9 + 0,9 + 0,8) Бк /10,8 м³ = 9,9 Бк /10,8 м³ = 0,9 Бк/м³

Тогда ОЭД внутреннего облучения при времени экспозиции t, равном 30 ч:

E = D(ICRP) ⋅ (∑Av)·Q·t = 3,6⋅10^-5 Зв/Бк · 0,9 Бк/м³· 1,2 м³/ч · 30 ч = 1,2 мЗв.

Таким образом, значение ОЭД внутреннего облучения работника за 30 ч (одна рабочая неделя), определенное с помощью индивидуального импактора по патенту РФ № 2290624 [17], для данного примера составило 1,2 мЗв.

Для оценки ОЭД внутреннего облучения при ингаляционном поступлении радиоактивного аэрозоля ²⁴¹AmO₂ (тип химического соединения при ингаляции: П) с помощью предлагаемой группы изобретений – индивидуального импактора и основанного на его применении способа оценки ОЭД внутреннего облучения, действуют следующим образом: собирают индивидуальный импактор в соответствии со схемой на фиг.4, устанавливают коллекторные пластины 6, 7, 8 и фильтр 10 в нижнюю часть корпуса 1, к нижней части корпуса 1 присоединяют крышку 2 с помощью болтов 5. Затем импактор, соединенный с автономным побудителем стабилизированного расхода, закрепляют на человеке (на лацкане воротника); отбор пробы аэрозоля из зоны дыхания проводят в течение времени T, равном 6 ч при среднем значении объемного расхода 20 л/мин; по окончании пробоотбора, разбирают импактор и вынимают коллекторные пластины и фильтр; измерение активности аэрозольных частиц, осевших на пластинах 7 и 8 и фильтре 10, производят на гамма-спектрометре Canberra.

Расчет объемных активностей проводят по формуле 1:

Av = A/V = A/W·T

Результаты измерения активности, рассчитанные значения объемной активности и дозовые коэффициенты для ²⁴¹Am, тип химического соединения при ингаляции П, взятые из базы данных дозовых коэффициентов МКРЗ [18], заносят в таблицу 3.

Таблица 3 Экспериментальные данные, полученные с помощью предлагаемого индивидуального импактора

Каскадный элемент импактора Фракция
осаждаемых
частиц, мкм Активность, Бк Объемная активность,
Av, Бк/м³ Дозовые коэффициенты D, Зв/Бк (для значений АМАД 5, 1 и 0,3 мкм соответственно) 2 10 – 2,5 3,38 0,47 2,7⋅10^-5 3 2,5 – 0,6 3,46 0,48 3,9⋅10^-5 фильтр 0,6 – 0,1 0,04 0,006 4,9⋅10^-5

Оценку ОЭД внутреннего облучения при времени экспозиции t, равном 30 ч, проводят по формуле 2:

E = [Аv (10-2,5) ⋅D5_U,G + Аv (2,5-0,6) ⋅D1_U,G + Аv (0,6-0,1)·D0,3_U,G]·Q·t =

= [0,47 Бк/м³·2,7⋅10^-5 Зв/Бк + 0,48 Бк/м³·3,9⋅10^-5 Зв/Бк + 0,006 Бк/м³· 4,9⋅10^-5 Зв/Бк] · 1,2м³/ч · 30 ч = 1,1 мЗв

Значение ОЭД внутреннего облучения работника за 30 ч (одна рабочая неделя), определенное предложенным способом, составило 1,1 мЗв; относительное отклонение от значения ОЭД внутреннего облучения, определенного с помощью индивидуального импактора по патенту RU 2290624 [17], составило 4,1%. Таким образом, показано, что предлагаемый способ, реализуемый на базе индивидуального импактора упрощенной конструкции, обеспечивает оценку ОЭД внутреннего облучения с приемлемой погрешностью.

Источники информации

1. МУ 2.6.1.016 – 2000. Определение индивидуальных эффективных и эквивалентных доз и организация контроля профессионального облучения в контролируемых условиях обращения с источниками излучения. Общие требования. – М., 2000, 38 стр.

2. Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009: Санитарные правила и нормативы СанПиН 2.6.1.2523-09. – М.: Центр санитарно-эпидемиологического нормирования гигиенической сертификации и экспертизы Минздрава России, 2009, 68 стр.

3. Dorrian M.-D., Bailey M. R. Particle size distributions of radioactive aerosols in workplaces. – Radiation Protection Dosimetry, 1995, V. 60, N 2, p. 119-133.

4. Огородников Б.И. Дисперсность радиоактивных аэрозолей на рабочих местах. – Атомная техника за рубежом, 2000, №11, с. 12-20.

5. Andersen B.V. Plutonium air concentrations and particle size relationships in Hanford facilities. Report BNWL-495, UC-41 / B.V. Andersen, I.C. Nelson // Health and Safety. Pacific Northwest Laboratory, Richland, WA. 1967. - 41 p.

6. Лызлов А.Ф., Мелентьева Р.В., Щербакова Л.М. Применение оптико-радиографического метода для исследования промышленных альфа-активных аэрозолей. – Вопросы радиационной безопасности. 2001, № 3, с. 63.

7. Будыка А.К., Огородников Б.И. Радиоактивные аэрозоли Чернобыльского генезиса. – Журнал физической химии. 1999, т. 73, № 2, с. 375.

8. Борисов Н.Б. Будыка А.К. Волокнистые фильтры для контроля загрязнения воздушной среды. – М.: ИздАТ, 2008, 359 с. 

9. Будыка А.К., Припачкин Д.А., Цовьянов А.Г. Моделирование и экспериментальное исследование осаждения аэрозольных частиц в персональном импакторе. – АНРИ, 2009, № 3, с.27-37.

10. ISO 7708:1995 Air quality - Particle size fraction definitions for health-related sampling, International Organization for Standardization, 1995.

11. European Standard EN 12341. Air quality. Determination of the PM10 fraction of suspended particulate matter. Reference method and field test procedure to demonstrate reference equivalence of measurement methods, 1998.

12. U.S. EPA 40 CFR, Chapter 1, part 53. Ambient Air Monitoring Reference and Equivalent Methods, 1997.

13. ГОСТ Р ИСО 7708-2006 Качество воздуха. Определение гранулометрического состава частиц при санитарно-гигиеническом контроле. – М.: Стандартинформ, 2006.

14. James H. Vincent Aerosol Sampling: Science, Standards, Instrumentation and Applications. – John Wiley & Sons Ltd., 2007, 616 р.

15. Buckley, T.J., Waldman, J.M., Freeman, N.G., Lioy, P.J., Marple, V.A. and Turner, W.A. Calibration, intersampler comparison and field application of a new PM10 personal air-sampling impactor.– Aerosol Science and Technology, 1991, V.14 (3), p. 380–387.

16. US 7073402 B2, 11.07.2006.

17. RU 2290624 С1, 27.12.2006.

18. The ICRP Database of Dose Coefficients: Worker and Members of the Public, Elsevier, 2001.

19. US 7597015 B2, 06.10.2009.

20. US 7785408 B2, 31.08.2010.

21. US 7334453 B2, 26.02.2008.

22. Impact sampler. Operating instructions [электронный ресурс] http://www.skcinc.com/instructions/38010.pdf

23. Marple, V.A., K. Willeke, Impactor Design, Atmospheric Environment 10, 891-896, 1976.

24. Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. – М.: Мир, 1987. – 278 c.

25. Human Respiratory Tract Model for Radiological Protection / ICRP Publication 66. Ann. ICRP 24 (1-3). – 1994.

Группа изобретений относится к устройствам для анализа дисперсного состава аэрозолей, поступающих в организм человека с вдыхаемым воздухом, и способам оперативной оценки ожидаемой эффективной дозы (ОЭД) внутреннего облучения при ингаляционном поступлении радиоактивных аэрозолей. Индивидуальный импактор состоит из корпуса с многосопельной крышкой и штуцером для присоединения побудителя расхода и размещенных в корпусе каскадных элементов, причем каждый из первых трех каскадных элементов состоит из сопельной пластины, разделительного кольца и коллекторной пластины, а в качестве четвертого каскадного элемента используется фильтр, при этом коллекторная пластина первого каскадного элемента является сопельной пластиной второго каскадного элемента, а коллекторная пластина второго каскадного элемента является сопельной пластиной третьего каскадного элемента, сопельные пластины представляют собой плоские диски с сопельными отверстиями, равномерно распределенными по трем концентрическим окружностям в центре (второй каскадный элемент) или на периферии на одной окружности (третий каскадный элемент), сопельные отверстия имеют на входе фаску под углом 45°, крышка корпуса имеет скругленные грани, внутренняя нижняя часть корпуса имеет коническую форму, а для соединения крышки и корпуса применяются болты. Диаметр сопельных отверстий, толщина крышки и коллекторных пластин подобраны для объемной скорости воздушного потока 20 л/мин таким образом, чтобы на втором каскадном элементе происходило осаждение фракции частиц с аэродинамическим диаметром 10-2,5 мкм, на третьем каскадном элементе – с аэродинамическим диаметром 2,5-0,6 мкм, на фильтре – с аэродинамическим диаметром 0,6-0,1 мкм. Способ оценки ОЭД внутреннего облучения включает фракционный отбор пробы аэрозоля, измерение активности трех фракций аэрозольных частиц с указанными аэродинамическими диаметрами и расчет с использованием дозовых коэффициентов из базы данных дозовых коэффициентов МКРЗ. Технический результат: разработаны устройство и способ, позволяющие оперативно оценивать ОЭД внутреннего облучения. 3 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 табл.

1. Индивидуальный импактор, состоящий из корпуса с крышкой, используемой в качестве сопельной пластины первого каскадного элемента, и штуцером для присоединения побудителя расхода и размещенных в корпусе каскадных элементов, отличающийся тем, что в корпусе размещены четыре каскадных элемента, при этом каждый из первых трех каскадных элементов состоит из сопельной пластины, разделительного кольца и коллекторной пластины с нанесенным на ее поверхность вязким веществом, а в качестве четвертого каскадного элемента используется фильтр, причем коллекторная пластина первого каскадного элемента, на которой происходит осаждение фракции частиц с аэродинамическим диаметром более 10 мкм, используется в качестве сопельной пластины второго каскадного элемента, коллекторная пластина второго каскадного элемента, на которой происходит осаждение фракции частиц с аэродинамическим диаметром 10-2,5 мкм, используется в качестве сопельной пластины третьего каскадного элемента, коллекторная пластина третьего каскадного элемента, на которой происходит осаждение фракции частиц с аэродинамическим диаметром 2,5-0,6 мкм, имеет круглое отверстие посередине, через которое воздушный поток достигает четвертого каскадного элемента, на котором происходит осаждение фракции частиц с аэродинамическим диаметром 0,6-0,1 мкм, кроме того, крышка имеет скругленные грани, внутренняя нижняя часть корпуса имеет коническую форму, а для соединения крышки и корпуса применяются болты.

2. Индивидуальный импактор по п. 1, отличающийся тем, что сопельные пластины представляют собой плоские диски с сопельными отверстиями, равномерно распределенными по периферии на одной окружности (первый и третий каскадные элементы) или в центре по трем концентрическим окружностям (второй каскадный элемент).

3. Индивидуальный импактор по п. 1, отличающийся тем, что после фильтра установлена крестовина для предотвращения разрыва фильтра.

4. Индивидуальный импактор по п. 1, отличающийся тем, что он оснащен прищепкой, которая представляет собой металлическую пластинку, имеющую три изгиба, прямоугольный вырез по центру одного из изгибов и язычок для надежной фиксации индивидуального импактора на одежде.