1.6.5 Методы измерения объемной активности дочерних продуктов

радона и торона.

Короткоживущие дочерние продукты распада радона и торна создают основную радиационную опасность при подземной разведке и разработке месторождений, а измерение их активности является главной задачей службы радиационного контроля.

Решение этой задачи связано с определенными методическими трудностями, так как из-за малого периода распада ДПР, ДПТ и широкого диапазона практически встречающихся сдвигов равновесия между ними активность аэрозолей на фильтре изменяется по довольно сложным законам.

Известно много способов измерения объемной активности ДПР и ДПТ, но ниже рассмотрены только те, которые нашли наиболее широкое применение.

Методы, основанные на измерение альфа–активности фильтра.

Метод полного альфа-счета заключается в отборе пробы на фильтр в течение короткого промежутка времени (не больше 10 минут) и последующем измерении полного числа альфа-частиц, испускаемых фильтром за 3,5 час. т.е. до практического полного распада ДПР, осажденных на фильтре.

Скрытую энергию ДПР в единицах ЭРОА радона, Бк/м³, в атмосфере рассчитывают по формуле:

0,22∙( N_п- 235I_ф)

ЭРОА_ДПР= ------------------------------------------------------,

t_отб∙V∙Е∙( 1 – К_пр)∙( 1 – К_сп)∙ехр(-9∙10 ^-3∙t_отб)

где N_п– число зарегистрированных импульсов за 3,5 часа;I_ф– скорость счета импульсов, измеренная в период от 3,5 до 4 часов после отбора пробы воздуха и характеризующая фон прибора и наличие дочерних продуктов распада торона в пробе воздуха, имп/мин;

V– скорость отбора пробы воздуха, л/мин; Е – эффективность регистрации альфа-частиц, испускаемых осажденными на фильтре RaA и RaC, отн. ед; К_пр– коэффициент проскока ДПР через фильтр, отн. ед; К_сп– коэффициент, характеризующий самопоглощение альфа-излучения ДПР в материале фильтра, отн.ед.

Коэффициент проскока определяется экспериментально, отбирая пробу воздуха через два последовательно расположенных фильтра и регистрируя альфа-активность через 50-60 минут после окончания отбора пробы. Если в начале (в момент времени t₁) измеряют активность второго по хлду струи фильтраI₂, а затем в момент времениt₂– активность первого фильтра, то

I₂∙ехр[-0,018(t₂ - t₁)]

К_пр = -----------------------------,

I₂

где t₂-t₁ – разни ца между серединой второго и первого измерений, мин.

Значение коэффициента К_сптакже определяется экспериментально, по формуле:

I₂– I₃

К_сп= --------------------------

2∙ I₁+I₂-I₃

где I– скорость счета: с лицевой стороны фильтраI₁, с обратной стороны фильтраI₂и с лицевой стороны фильтра через дополнительный чистый фильтр из того же материалаI_3.

Метод полного альфа-счета практически не содержит методической погрешности и поэтому применяется в качестве контрольного при поверке более экспрессных методов определения ВСЭ. Ва­риантом этого метода (применяемым при высокой активности фильтра) является снятие кривой альфа-распада ДПР на фильтре путем выполнения от 5 до 10 кратковременных измерений активности фильтра через определенные промежутки времени и последующий подсчет интеграла этой кривой.

Метод полного альфа-счета в принципе может быть реализован в любом переносном альфа-счетчике аэрозолей с полупроводни­ковым или сцинтилляционным детектором. Однако для исключе­ния главного недостатка, который в этом случае заключается в большом аппаратурном времени измерений, лучше использовать трековые детекторы.

Инспекционный метод измерения ВСЭ в подземных условиях, предложенный А.В. Алексеенко, состоит в отборе пробы воздуха объемом 1-2 дм.³на фильтр с помощью ручного пробоот­борника (аспиратора АМ-5). Альфа-излучение ДПР регистрируется тре­ковым детектором, расположенным на расстоянии 3-5 мм от фильтра. Несмотря на то, что информацию о значениях ВСЭ можно при этом получить только после химической обработки детектора в лаборатории и подсчета плотности треков (т.е. с за­держкой до 1 сут), метод весьма перспективен, так как отбор проб воздуха, могут производить непосредственно лица из гор­ного надзора.

Методы, основанные на одной или нескольких измерениях альфа-активности фильтра, более экспрессны, достаточно просты и нашли широкое применение в СНГ, США и ряде других стран.

Метод Кузнеца заключается в отборе пробы воздуха в течение 5-10 мин со скоростью 2-20 дм³/мин и .определении скорости счета суммарной альфа-активности фильтра в любой из промежутков времени через 40-90 мин после окончания отбора пробы.

Для определения скрытой энергии дочерних продуктов торона проводят второе измерение альфа-активности фильтра не ранее чем через 5 ч после отбора пробы воздуха.

Эквивалентные равновесные концентрации (скрытую энергию), Бк/м³, ДПР и ДПТ рассчитывают по формулам

2,8(N₁–N_ф– 5,7 ЭРОА_Tn)

ЭРОА_Rn= ------------------------------------ .

t_отб∙V∙Е∙( 1 – К_пр)∙( 1 – К_сп)

22(I₂-I_ф)

ЭРОА_Тп= ----------------,

V∙Е∙(1 - К_пр) (1 – К_сп)∙t_отб∙ ехр [-1,09∙10^-3(Т₂- 320)]

где N₁- число импульсов, зарегистрированных с 40 по 50 мин после окончания отбора пробы воздуха;N_ф- фоновое число им­пульсов за 10 мин;I₂- скорость счета по истечении 5 ч после окончания отбора пробы воздуха на ДПТ, имп./мин;I_ф- фоновая скорость счета, имп/мин;t_отб- время отбора пробы воздуха, мин; Т₂- время измерения скорости счетаI₂ (от середины времени отбора пробы до середины времени измерения). Остальные обоз­начения те же, что и в вышеприведенных формулах.

Для более широкого диапазона времени первого и второго измерений альфа-активности М.В. Терентьевым предложены формулы (для t_отб= 10мин):

2,9 α

ЭРОА_Rn= ------------------------------------ ∙ (N_{1 -} ------∙N₂),

V∙Е∙( 1 – К_пр)∙( 1 – К_сп)∙К_р К_Т

0,22

ЭРОА_Тn= ------------------------------------ ∙N₂,

V∙Е∙( 1 – К_пр)∙( 1 – К_сп)∙К_Т

где N₁иN₂ - число зарегистрированных импульсов (за вычетом фона) соответственно за время первого измерения активности фильтра в течение 10 мин через Т₁ (мин) после окончания пробоотбора и за время второго измерения в течение 30 мин через Т₂.(мин), но не ранее, чем через 5 ч после окончания пробоотбора; К_р, К_Т и α – коэффициенты, значения которых приведены ниже остальные обозначения те же, что и в вышеприведенных формулах. Второе измерение активности фильтра рекомендуется выполнять после выхода из шахты.

Значения коэффициента К_т , имп∙мин/Бк, в зависимости от Т₂, час:

Т₂ 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

К_т. 2,89 2,76 2,61 246 2,31 2,16 2,03 1,90 1,78 1,67

Значения коэффициентов К_р иа, имп∙мин/Бк, в зависимости от Т₁, мин:

Т₁ 40 50 60 70 80 90

а 0,881 0,916 0,946 0,972 0,993 1,011

К_р. 10,32 8,92 7,55 6,30 5,20 4,17

Для условий измерений, наиболее часто встречающихся в рудниках, методическая погрешность метода Кузнеца не превышает нескольких процентов. Это позволяет рекомендовать его в качестве контрольного при проверке более экспрессных методов измерения.

Метод Маркова-Рябоеа-Стася(с модификацией 7ерентьева). Исследуемый воздух в течение 5 мин протяги­вают через фильтр со скоростью 10-40 дм³/мин, после чего дваж­ды - с 1-й по 4-ю и с 7-й по 10-ю минуту после окончания пробоотбо­ра, измеряют альфа- активность фильтра. Для определения объемной активности дочерних продуктов торона и внесения соответствую­щих поправок в значения объемной активности дочерних про­дуктов радона проводят третье измерение активности фильтра в течение 30 мин не ранее, чем. через 5 ч после отбора пробы воз­духа. Объемные активности ДПР и уровни скрытой

энергии ДПР вычисляют по формулам:

4,37 1,21∙10^-2

С_А= ------------------- ∙ (N_{1 -}N₂+ ------------- ∙N₃),

V∙Е∙( 1 – К_пр) К_Т

1,11 0,299

С_В= ------------------- ∙ (N₂- ------------- ∙N₃),

V∙Е∙( 1 – К_пр) К_Т

1 7,58∙10^-3

С_С= ------------------- ∙ (2,21∙N_{1 -}0,9N₂+ ------------- ∙N₃),

V∙Е∙( 1 – К_пр) К_Т

1,16 0,209

ЭРОА_Rn= ------------------- ∙ (N₂- ------------- ∙N₃),

V∙Е∙( 1 – К_пр) К_Т

0,44

ЭРОА_Тn= --------------------------- ∙N₃,

V∙Е∙( 1 – К_пр)∙К_Т

Здесь С_А, С_в иС_с - объемные активностиRаА(²¹⁸Ро),RаB(²¹⁴Вi) иRаС(²¹⁴Рb) в отобранной пробе воздуха, Бк/м³;N₁ иN₂-число зарегистрированных импульсов (за вычетом фона) при из­мерении альфа-активности фильтра соответственно с 1-й по 4-ю и с 7-й по 10-ю минуту после окончания пробоотбора;N₃- число импульсов (за вычетом фона), зарегистрированных при измере­нии альфа-активности в течение 30 мин по истечении 5 ч после окончания пробоотбора. Остальные обозначения прежние.

Метод Маркова и других реализован в приборе РАНАГ-1 "Забой". Основная погрешность определения ВСЭ этим прибором составляет 30%.

В методике Ролля для упрощения расчетов выбраны вычисленные на ЭВМ оптимальные интервалы измерений, позволяющие получить простые временные коэффициенты для измеренных в эти интервалы значений числа импульсов при любых практически встречающихся сдвигах равновесий между ДПР.

Такими интервалами оказались промежутки времени с 1-й по 5-ю, с 6-й по 20-ю и с 21-й по 30-ю минуту после окончания 5-минутного отбора пробы воздуха. ВСЭ определяется по формуле:

0.227

ЭРОА_Тn= --------------------------- ∙ (N_1-5 -N_6-20+ 3∙N_21-30),

V∙Е∙( 1 – К_пр)

где N_1-5,N_6-20,N_21-30- суммарное число импульсов, зарегистри­рованных в соответствующие промежутки времени. Остальные обозначения прежние.

Средняя квадратическая погрешность метода составляет 12% при ЭРОА 1∙10³Бк/м³и определяется в основном погрешностью измерения расхода воздуха. В лабораторных условиях при скорости отбора пробы 10 дм³/мин погрешность воспроизведения не пре­вышала ±5% при ЭРОА равной 160 Бк/м³.

Вариантами методики Ролля являются измерения альфа-активности фильтра в течение любого из трех последовательных одинаковых промежутков времени- по 3,5 или 10 мин с началом отсчета вре­мени через 1 мин после окончания отбора пробы в течение 3,5 и 10 мин.

Вычисления ВСЭ производят в лабораторных условиях с ис­пользованием микрокалькулятора по . программе, соответствую­щей выбранному варианту методики. Грубую оценку значения ВСЭ выполняют в полевых условиях (insity) по числу импульсов, зарегистрированному за первый интервал времени.

Методика реализована в приборе РГА-03Н "Вагонетка", а также в альфа-радиометре РАА-О1 "Вояжер". Основная погрешность из­мерения этими приборами не превышает 25% при уровне ВСЭ 100Бк/м³.

Методы,основанные на одновременной регистрации альфа- и бета-излучения и на альфа-спектрометрии, позволяют .значительно увеличить экспрессность измерений при сохранении достаточной для рудничных условий точности. В радиометрах 2413-01 "Жимолость" и ИЗВ-2 "Вагульник" используется метод одновременного измерения суммарной а- и р-активности в момент прокачки воздуха через фильтр. Детектором служат 2 сцинтиллятора и фотоумножитель, защищённые от действия света алюминизированной териленовой пленкой. При соотношении эффективности регистрации альфа- и бета-излучения равном 1:3,5, методическая погрешность за счет вариаций сдвига равновесия между ДПР не, превышает 7 %.

Основная, погрешность составляет 30 %, аппаратурное время одного измерения от 1 до 4 мин. {в зависимости от уровня ВСЭ). Недостатком этих приборов является заметная чувствительность к гамма-излучению, вызывающая необходимость предварительного определения фона прибора, когда мощность дозы гамма-излучения в точке измерения превышает 25 нКл/(кг∙с),

Этого недостатка лишен метод, основанный на раздельной регистрации альфа-излучения RаА иRаС^/ полупроводниковым детек­тором с автоматическим пересчетом числа измеренных в обоих ка­налах импульсов в единицы, пропорциональные ВСЭ. Метод реа­лизован в приборах ИЗВ-3 и ИЗВ-ЗМ ("Багульник"). Основная погрешность этих приборов не превышает 30%, аппаратурное время одного измерения - от 1 до 3 мин.

Спектрометрические методы определения объемной активности ДПР являются наиболее точными и позволяют измерять активность фильтра непосредственно после, отбора пробы. Во ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений используется 4-х канальная установка, в которой в качестве датчика альфа-каналов используется ППД, а в качестве датчика бета-каналов - кристалл антрацена толщиной 15 мм в сочетании с ФЭУ-13. Измерения ведутся одновременно по двум каналам, соответствующим энер­гиям альфа-частиц RаА иRаС^/ ,и по двум бета-каналам, соответствующим максимальным энергиям бета-частицRаВ иRаС. Проба возду-ха отбирается на спектрометрический фильтр ЛФС-1 с эквивалентной поверхностной плотностью 0,28 г/см³. Погрешность измерения объемной активности ДПР не превышает5%. Установка является образцовой и служит для поверки и аттестации аэрозольных радиомет­ров.

Для исследовательских измерений объемной активности ДПР непосредственно в рудничных условиях и для аттестации штатных радиометров применяется образцовый прибор РАС-03 "Вереск". Отбор пробы воздуха производят в течение 200 с со скоростью 10 дм³/мин. Через 20 с после окончания пробоотбора автоматически включается измерительная система и в течение 4, 40 или 400 с (в зависимости от активности фильтра) полупроводниковые детекторы регистрируют альфа-излучениеRаА иRаС' (2 канала), также бета-частицRаВ иRаС с обратной стороны фильтра через поглотитель (третий канал). Вычисления объемных активностей ДПРР и ВСЭ производятся автоматическим устройством. Средний квадратическая погрешность во всем диапазоне измерений (от 0,3 до300 кБк/м^э) меньше 10%, аппаратурное время одного измерения не превышает 15 мин. В радиометре предусмотрена возможность измерения и по другому временному циклу, зада­ваемому вручную.