ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ « ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
« ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
УТВЕРЖДАЮ:
Декан Физико-технического факультета
________________________ В.И. Бойко
«_______»__________________ 2004 г.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМНОЙ АКТИВНОСТИ РАДОНА
ПО ОСАЖДЕННОЙ НА ФИЛЬТРЕ
АЛЬФА-АКТИВНОСТИ АЭРОЗОЛЕЙ
Методическое указание по дисциплинам
«ДОЗИМЕТРИЯ И ЗАЩИТА ОТ ИЗЛУЧЕНИЙ», «ЗАЩИТА ОТ
ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ» для студентов специальностей: 072700
(Физика атомного ядра и частиц) и 200600 (Электроника и автоматика
физических установок) направления 651000 - Ядерные физика и технологии;
101000 (Атомные электрические станции и установки)
направления 651100 - Техническая физика.
ТОМСК 2004
2
УДК 539.128.4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМНОЙ АКТИВНОСТИ РАДОНА ПО
ОСАЖДЕННОЙ НА ФИЛЬТРЕ АЛЬФА-АКТИВНОСТИ АЭРОЗОЛЕЙ
Методическое указание по дисциплинам «Дозиметрия и защита от
излучений», «Защита от ионизирующих излучений» для студентов
специальностей: 072700 (Физика атомного ядра и частиц) и 200600
(Электроника и автоматика физических установок) направления 651000 Ядерные физика и технологии; 101000 (Атомные электрические станции и
установки) направления 651100 - Техническая физика. – Томск, 2004 г., 18
стр.
Разработчики: доцент, канд. физ.-мат. наук В.С. Яковлева,
зав. лабораторией, ассистент С.И. Арышев
Рецензент:
профессор, докт. физ.-мат. наук Ю.Н. Адищев
Методическое указание рассмотрено и рекомендовано
методическим семинаром кафедры Прикладной физики ФТФ.
Протокол № 69 от «_21__»__октября___2004 г.
Заведующий обеспечивающей
кафедрой Прикладной физики,
профессор, д.ф.-м.н.
и
рекомендовано
2004 г.
Председатель методической комиссии ФТФ
от «
изданию
А.П. Потылицын
Методическое указание рассмотрено
методической комиссией ФТФ « __»
Регистрация №
к
__»
к
изданию
В.Д. Каратаев
2004 г.
Документ:
Дата разработки
____________________________________________________________________________________________
Ключевые слова: дозиметрия, ионизирующее излучение, радон, альфаактивность, объемная активность, аэрозоль, фильтр, аспирационный метод
3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМНОЙ АКТИВНОСТИ РАДОНА ПО
ОСАЖДЕННОЙ НА ФИЛЬТРЕ АЛЬФА-АКТИВНОСТИ
АЭРОЗОЛЕЙ
ВВЕДЕНИЕ
Облучение населения при вдыхании радона и короткоживущих
продуктов его распада может наносить ощутимый вред здоровью. В
настоящее время принято считать, что на радон и продукты его
распада приходится 80% дозы облучения, получаемой населением
планеты за год от всех природных источников радиации. По
оценкам экспертов международной комиссии по радиологической
защите (МКРЗ) и других организаций здравоохранения риск
смертности от рака легкого за счет радона и продуктов его распада,
содержащихся в атмосфере зданий, составляет 10-14 % от общего
числа случаев. Детальные исследования содержания радона внутри
зданий
начались
с
1988
г
в
США,
Германии,
Швеции,
Великобритании, Финляндии и других странах. В результате был
выявлен
чрезвычайно
широкий
диапазон
эквивалентных
равновесных концентраций радона в различных зданиях - от 4 Бк/м3
до 5000 Бк/м3. Средневзвешенная по численности населения
земного шара объемная активность радона внутри помещений
составляет 37 Бк/м3.
В России в 1994 году Правительство Российской Федерации
приняло Федеральную целевую программу снижения уровней
облучения населения России и производственного персонала от
4
природных источников ионизирующего излучения (программа
«Радон»).
Источники поступления радона внутрь зданий
Известно,
что
источниками
радона
являются
почва,
строительные материалы, природный газ, вода, атмосферный
воздух и прочие природные компоненты окружающей среды.
Внутрь здания радон может поступать различными способами.
Например:
посредством
диффузии
из
вышеперечисленных
источников; вместе с конвективными потоками из подпольного
пространства через полости и трещины в перекрытиях; из внешнего
атмосферного воздуха при проветривании помещений; и т.д.
Однако, вклад от различных источников в суммарную объемную
активность радона в воздухе помещений различен и зависит от
многих факторов. Так, например, в некоторых регионах отмечено
сильное влияние геологии на уровни радона в домах, т.е. основным
источником поступления радона является почва под зданием
вследствие повышенного содержания природного 238U. Причем, для
домов, которые либо вообще не имеют фундамента, либо имеют
фундамент
немонолитной
конструкции,
прослеживается
максимальное влияние геологического строения и элементного
состава грунтов. Почва может быть причиной повышенных
концентраций радона внутри зданий и в случае наличия трещин,
глубинных разломов в земной коре. Некоторые авторы отмечают
связь повышенных уровней радона в помещении с использованием
строительных
материалов,
имеющих
относительно
высокое
5
содержание
Ra (238U), или обладающих высокой эманирующей
226
способностью. Для отдельных регионов важными источниками
поступления радона в воздух жилых помещений являются
водопроводная вода или природный газ.
Радон в атмосфере помещений
Атмосфера
неравновесную
помещений
систему
с
представляет
постоянным
собой
сложную
перераспределением
концентрации радона, вызванным как диффузией радона, так и
воздействием внешних сил. Движение воздуха (смесь газов и
аэрозольных частиц) внутри помещений турбулентно, вследствие
чего его гидродинамические и термодинамические характеристики
(скорость,
давление,
температура,
плотность)
испытывают
хаотические флуктуации и поэтому изменяются от точки к точке
нерегулярно.
Пространственно-временное
распределение
этих
характеристик представляет собой довольно сложную картину. В
связи с этим распределение объемной активности (ОА) радона
внутри помещения довольно неравномерное.
Мгновенные значения ОА радона в одном и том же помещении
могут меняться в течение суток в десятки раз. Среднесуточные
значения ОА радона изменяются в течение месяца и года в
меньшем диапазоне - в несколько раз. Во многих работах
отмечают, что объемная активность радона следует суточным и
сезонным циклическим вариациям с максимумом в предрассветные
часы и в зимнее время, минимумом в послеполуденное время и
летом. Таким образом, величина ОА радона в воздухе помещений
6
испытывает значительные временные вариации, как втечение
суток, так и втечение года. Однако, от года к году уровни радона
изменяются незначительно. Поэтому, для более точной оценки
радоноопасности помещений и зданий, оценок эффективных доз
при внутреннем облучении радоном и продуктами его распада
рекомендуют использовать среднегодовые значения объемной
активности радона внутри помещений.
Оценку
среднегодовой
эффективной
дозы
облучения,
формирующейся при вдыхании радона и дочерних продуктов его
распада (ДПР), согласно рекомендациям международной комиссии
по радиологической защите (МКРЗ-65), производят по формуле 1.1,
принимая коэффициент равновесия между радоном и его ДПР
равным 0,4, и время проводимое человеком в помещении – 7000
часов в год.
Deff  1,7  10 2 C ,
где
Deff
–
среднегодовая
эффективная
(1.1)
доза
облучения,
формирующаяся при вдыхании радона и его ДПР, мЗв; С – средняя
объемная активность радона в воздухе помещения, Бк/м3.
Эквивалентная равновесная объемная активность (ЭРОА)
радона
В 1996 году приняты Федеральный закон «О радиационной
безопасности населения» и Нормы радиационной безопасности
НРБ-96, в которых установлено предельно допустимое значение
эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОА) радона
для жилых зданий – 200 Бк/м3, для вновь построенных – 100 Бк/м3.
7
Для
того,
чтобы
дать
определение
ЭРОА
необходимо
рассмотреть характеристики дочерних продуктов распада радона.
Цепочка распада радона выглядит следующим образом:
(214Po)
222
Rn ---α---- RaA ----α---- RaB ----β---- RaC -------β---- RaC' (1,5  104 c )
(218Po)
(214Pb)
(214Вi)
α
RaC" (0,04%)
3,825 сут.
3,05 мин.
26,8 мин.
19,7 мин
(210Tl)
1,32 мин
α
RaD -----β----- RaE ----β----- RaF ---α---- 206Pb
β
(210Pb)
(210Bi)
(210Po)
стабильный
22 года
5 сут.
138,4 сут.
Как видно, при рассмотрении ДПР радона достаточно
ограничиться частью цепочки до RaD, поскольку период распада
последнего - 22 года и он не может достигнуть в атмосфере
равновесной концентрации. Последующими элементами цепочки
можно пренебречь. Период полураспада RaC'
очень мал -
1,5  104 c , поэтому RaC' всегда находится в равновесии с RaC.
RaC" имеет очень малый выход и его обычно не рассматривают.
Продукты распада радона являются металлами. Линейные
размеры свободных атомов единицы нм. Атомы металлов могут
находиться в атмосфере в свободном состоянии недолго. При
соприкосновении
с
другими
нерадиоактивными
аэрозолями
(твёрдыми частицами пыли, дыма, капельками тумана и др.), всегда
присутствующими в атмосферном воздухе, свободные ДПР радона
присоединяются к ним, образуя радиоактивные аэрозоли бόльших
размеров. Таким образом линейный размер присоединенных ДПР
радона увеличивается на несколько порядков.
8
Эквивалентной равновесной объемной активностью радона для
неравновесной
смеси
короткоживущих
дочерних
продуктов
распада в воздухе называется объемная активность радона,
находящегося в равновесии с дочерними продуктами распада,
которая имеет такую же величину скрытой энергии, как и данная
неравновесная смесь.
ЭРОАRn  ОАRn  F  0,1046 APo  0,5161APb  0,3793 ABi ,
(1.2)
где APo , APb , ABi - объемные активности короткоживущих продуктов
распада радона 218Po, 214Pb и 214Bi, соответственно, Бк/м3;
F - коэффициент равновесия между радоном и продуктами его
распада, который может принимать значения от 0 до 1.
Обозначим N i - концентрация в воздухе атомов
Pb(i=2) и
214
218
Po (i=1),
Bi (i=3), соответственно, атомов/м3. Тогда объемная
214
активность (концентрация активности) короткоживущих ДПР
радона равна:
Ai   i N i ,
(1.3)
где  i - постоянная радиоактивного распада i -го нуклида, с-1.
При условии радиоактивного равновесия между радоном и
продуктами его распада ( F  1 ) их объемные активности равны
между собой. Следовательно ARn : ARaA : ARaB : ARaC  1 : 1 : 1 : 1 . Однако,
в реальных условиях наблюдается сдвиг равновесия между радоном
и его ДПР. Коэффициент равновесия в различных помещениях
изменяется от 0,2 до 0,8 и, в среднем, составляет 0,4 – 0,5.
9
Методы и приборы для измерения ОА радона
Для мониторинга радона и продуктов его распада разработан
и внедрен в практику широкий спектр средств измерений. К
сложным и дорогим приборам, основанным на мгновенных
методах измерения, относятся инспекционные приборы или
радиометры для экспрессного измерения “мгновенных” значений
ОА радона, торона и продуктов распада. Длительность измерения
такими приборами от единиц минут до нескольких часов. Второй
класс приборов представлен средствами для квазиинтегральных
измерений ОА радона, где время измерения, а фактически - время
усреднения, не превышает 7 суток. Эти средства измерения, наряду
с первым упомянутым классом приборов, позволяют судить о
качестве проведенных защитных мероприятий. Третий класс
средств измерений - интегральные средства измерения ОА радона,
которые интегрируют и усредняют величину ОА радона за период
от нескольких недель до года.
К интегральным методам относятся методы регистрации
заряженных частиц с помощью трековых, термолюминесцентных и
электретных детекторов. Трековый метод основан на характерном
для большинства диэлектриков эффекте, заключающемся в том, что
заряженная частица, двигаясь в диэлектрике, оставляет вдоль своей
траектории
зону
стабильных
структурных
нарушений,
т.е.
радиационных дефектов. Поперечный размер ее очень мал (~ 10 -910-8 см). Образованную зону структурных нарушений можно
увеличить до размеров 10-4-10-2 см. обработкой в подходящем
химическом реагенте. Химический реагент быстрее стравливает
10
зону дефектов по сравнению с неповрежденной средой. В
результате образуется трек частицы в виде конуса, который можно
наблюдать в оптический микроскоп. Возможность выявления
(увеличения до видимых размеров) трека обусловлена плотностью
образованных частицей радиационных дефектов. Подсчет числа
протравленных
детектора
треков
после
осуществляется
автоматами,
аналогичному
например,
химического
визуально,
либо
электроискровым
принципу
действуют,
экспонирования
специальными
счетчиком.
например,
По
комплект
аппаратуры «ТРЕК-РЭИ-1» (Москва) и комплекс «АИСТ-ТРАЛ»
(Санкт-Петербург).
Для измерения «мгновенных» значений ОА радона применяют
ионизационные (радиометр AlphaGUARD), электростатические
(радиометры РРА-01М, ЭКРОН-ЭС) и аспирационные методы
дозиметрии.
Остановимся
подробнее
на
рассмотрении
аспирационных методов измерения ОА дочерних продуктов
распада (ДПР) радона, поскольку один их них будем использовать в
настоящей лабораторной работе.
Кинетика продуктов распада радона на фильтре
Суть
аспирационного
метода
заключается
в
том,
что
прокачивают большие объёмы воздуха через аэрозольный фильтр,
на
поверхности
которого
концентрируются
радиоактивные
аэрозоли, затем активность фильтра измеряют альфа- или бетарадиометром. По измеренной поверхностной активности фильтра
11
рассчитывают объемную активность исследуемых радиоактивных
аэрозолей, содержащихся в воздухе.
Рассмотрим накопление активности короткоживущих ДПР
радона на фильтре, если объемная скорость прокачки воздуха равна
 , м3/с. Обозначим n1 , n2 , n3 - число атомов
218
Po,
Pb и
214
214
Bi,
осевших на фильтре за время прокачки t , с. Для простоты расчетов
примем эффективность фильтра   1 и площадь фильтра равную
единице. Запишем изменение числа атомов в единицу времени,
учитывая, что накопление каждого радионуклида происходит как за
счет улавливания его фильтром из воздуха, так и в результате
распада уже осевшего на фильтре предыдущего по цепочке
радионуклида.
dn1 dt  N1  1n1 ;
dn2 dt  N 2   1n1   2 n2 ;
dn3 dt  N 3    2 n2   3 n3 .
(1.4)
Следует отметить, что фильтр не задерживает радионуклиды,
находящиеся в атомарном (свободном) состоянии. В уравнениях
(1.4) отражено также уменьшение числа атомов в единицу времени
за счет распада данного радионуклида. Если до начала прокачки
воздуха на фильтре не было
радиоактивных атомов, тогда для
t  0 начальные концентрации атомов
218
Po,
214
Pb и
равны нулю. Тогда решения уравнений:
n1 
n2 
n3 
N1
K1 ;
1

N1 K 21  N 2 K 22  ;
2

N1 K 31  N 2 K 32  N 3 K 33  ,
3
(1.5)
214
Bi тоже
12
где коэффициенты K ii - являются функциями времени:
K1  1  exp 1t ; K 21  1 
2
1
exp 1t 
exp  2t ;
 2  1
 2  1
K 22  1  exp  2t ;
 23
 1 3
1 3
K 31  1 
exp 1t 
exp  2t 
exp 3t ; (1.6)
( 2  1 )( 3  1 )
( 2   3 )( 3   2 )
( 3  1 )( 3   2 )
3
2
K 32  1 
exp  2t 
exp 3t ; K 33  1  exp   3t
3   2
3  2
Активности 218Po, 214Pb и 214Bi, осажденные на фильтре через
время t после начала прокачки равны ai  ni  i .
На практике обычно измеряют α- или β-активность фильтра. αактивность фильтра обусловлена 218Po и 214Po, а β-активность - 214Pb
и
214
Bi. Следовательно, α-активность фильтра в любой момент
времени после начала прокачки a  a1  a3 , β-активность фильтра
a  a 2  a 3 .
Измеряя активность ДПР радона, осевших на фильтре, можно
определить объемную активность раздельно для
218
Po,
214
Pb и
214
Bi,
а также уровень скрытой энергии. Для этого было разработано
множество методов, основанных на одном или нескольких
измерениях активности фильтра через определенные промежутки
времени после прокачки.
Аспирационные методы
Методы, основанные на одном измерении
Метод Кузнеца и метод Ролле предназначены для измерения
ЭРОА дочерних продуктов распада радона. Метод Кузнеца
предполагает прокачку воздуха через фильтр в течение 5 или 10
13
мин с дальнейшим измерением его активности α-радиометром и
определением величины ЭРОА радона, Бк/м3, по формуле:
ЭРОАRn 
3700  N (t 0 ; t1 , t 2 )
,
K K
(1.7)
где N (t 0 ; t1 , t 2 ) - число импульсов, зарегистрированных α-счетчиком
за интервал времени с t1 по t 2 после окончания прокачки при
времени прокачки t 0 , мин-1;
 - эффективность регистрации α-радиометра;
KK
-
коэффициент
пересчета,
определяемый
временем
прокачки через фильтр и временем начала и конца измерений.
Например, при t 0  10 мин, t1  40 мин а t 2  45 мин K K  7150 .
Метод Ролле также предназначен для
измерения величины
ЭРОА радона, которая определяется по формуле:
ЭРОАRn 
3700  N 
Vtизм K Р , (1.8)
где N  - число зарегистрированных α-частиц за время измерения
t изм ,
V
мин;
- объем прокачанного воздуха, л;
KР
- коэффициент пересчета, который определяется по
номограммам в зависимости от времени выдержки, времени
прокачки и времени измерения.
Недостаток методов, основанных на однократном измерении
состоит в том, что эти методы не позволяют определить объемную
активность отдельных продуктов распада радона.
14
Методы, основанные на двух измерениях
Наиболее отработанными являются экспресс-метод Маркова,
который использован в данной лабораторной работе, и метод
Хилла.
Экспресс-метод
радиометрических
Маркова,
приборах,
реализованный
позволяет
во
многих
определить
искомые
объемные активности короткоживущих ДПР радона достаточно
быстро, с приемлемой для дозиметрии аэрозолей погрешностью. В
этом случае воздух, содержащий продукты распада радона,
прокачивают через фильтр в течение 5 минут. Измерение скорости
счета α-частиц на фильтре n14 и n710 производят дважды: с 1-й по
4-ю минуты и с 7-й по 10-ю минуты, после окончания прокачки
воздуха. Объемную активность продуктов распада радона (Бк/м3)
определяют по формулам:
APo218 
4.4
n14  n710  ,

APb214 
ABi214 
1.1
n7 10 ,

(1.9)
1
2.2n710  0.9n14  .

Величину скрытой энергии E , МэВ/л, определяют по формуле:
E
40n7 10
. (1.10)

Метод Хилла является наиболее экспрессным, т.к. в общей
сумме занимает всего 7,5 мин. Прокачка воздуха через фильтр
производится в течение 2 мин со скоростью 2 л/мин. Измерение
скорости счета импульсов от α-частиц, испускаемых осажденными
15
на фильтре радионуклидами, производят в периоды 0,5 – 2,5 и 3,5 –
5,5 мин с момента окончания прокачки воздуха.
Существуют также методы, основанные на трех измерениях
активности фильтра. В этих методах, в отличие от перечисленных
выше методов, удается существенно снизить систематическую
погрешность, возникающую за счет сдвига равновесия между
продуктами распада радона. Однако, такие методы требуют
большего времени измерения, около 30 минут.
Целью
настоящей
лабораторной
работы
является
определение объемной активности радона в воздухе помещения по
измеренной -активности аэрозолей, осевших на фильтре.
ПОРЯДОК РАБОТЫ
1.
Подготовить установку к выполнению измерений.
2.
Получить у преподавателя аэрозольный фильтр.
3.
Измерить - детектором скорость счёта фона с чистым
фильтром.
4.
Установить аэрозольный фильтр в специальное «окно»
устройства для прокачки воздуха.
5.
Произвести прокачку воздуха через фильтр в течение 10
минут со скоростью 10 л/с.
6.
Поместить аэрозольный фильтр в выносной блок -детектора
и измерить скорость счета импульсов с 1-й по 4-ю минуты
16
n14 и с 7-й по 10-ю минуты n710 , после окончания прокачки
воздуха.
7.
По результатам измерений вычислить объемные активности
короткоживущих продуктов распада радона и эквивалентную
равновесную
объемную
активность
радона
в
воздухе
помещения с использованием формул 1.2 и 1.9 , учитывая что
  0.76 ,   0.9 .
8.
Определить величину скрытой энергии.
9.
Оценить
среднегодовую
эффективную
дозу
облучения,
формирующуюся при вдыхании радона и дочерних продуктов
его распада.
10. Сравнить измеренное значение ЭРОА радона с допустимым
(согласно НРБ-96) значением эквивалентной равновесной
объемной активности радона для жилых зданий.
11. Сделать выводы.
ВНИМАНИЕ!
1. При всех манипуляциях не касаться поверхности фильтра.
2. После окончания работы вымыть руки.
3. При измерениях на установке соблюдать
электробезопасности.
правила
17
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Чем может быть опасно ингаляционное поступление внутрь
организма больших концентраций радона и продуктов его
распада?
2. Перечислить возможные источники радона.
3. Почему
для
оценок
эффективных
доз
населению,
формирующихся при внутреннем облучении радоном и его ДПР,
рекомендуют использовать среднегодовые значения ОА радона?
4. Объяснить причину того, что при рассмотрении ДПР радона
ограничиваются только тремя нуклидами RaA, RaB и RaC?
5. Определение эквивалентной равновесной объемной активности
радона. Формула.
6. Какие приборы и методы используют для измерения ОА радона?
ЛИТЕРАТУРА
1. Голубев Б. П. Дозиметрия и защита от ионизирующих
излучений: для студентов вузов; 4-е изд., перераб. и доп.; -М.:
Энергоатомиздат, 1986.
2. Иванов В.И. Курс дозиметрии: для студентов вузов; 4-е изд.,
перераб. и доп.; -М.: Энергоатомиздат, 1988. 400с.
3. Машкович В.П., Кудрявцева А.В. Защита от ионизирующих
излучений: Справочник, 4-е изд., перераб. И доп., М.:
Энергоатомиздат, 1995. 496 с.
18
4. Жуковский М.В., Ярмошенко И.В. Радон: измерение, дозы,
оценка риска. Екатеринбург. УрО РАН, 1997, 231 с.
5. Защита от радона-222 в жилых зданиях и на рабочих местах.
Публикация 65 МКРЗ. М.:Энергоатомиздат, 1995.
6. Источники, эффекты и опасность ионизирующей радиации.
Доклад НКДАР ООН за 1988 г. М.: Мир, 1992. в 2-х томах.
7. Крисюк
Э.М.
Радиационный
фон
помещений.
М.:
Энергоатомиздат, 1989.
8. Нормы радиационной безопасности (НРБ-96). Гигиенические
нормативы ГН 2.6.1.054-96. Госсанэпиднадзор России. М. 1996.
19
20