APPLICATION OF ASPIRATION METHOD IN MEASUREMENT VOLUMETRIC ACTIVITY OF RADON IN THE ENVIRONMENT
Abstract and keywords
Abstract (English):
This article discusses the application of the aspirational method in measuring the volumetric activity of radon in the environment. This method provides the ability to control the sampling process and conduct real-time measurements, making it an effective tool for radon monitoring in various environments. Research conducted using the aspirational method provides valuable data on radon concentration and its progeny, which is crucial for ensuring radiation safety and human health.

Keywords:
radon, radiometry, radiation safety standards, daughter decay products, Markov method, equivalent equilibrium volume activity
Text
Publication text (PDF): Read Download

Радон – это радиоактивный элемент таблицы Менделеева, который образуется в результате распада урана и тория в земной коре. Данный газ является одним из основных источников ионизирующего излучения, а его дочерние продукты распада (ДПР) несут большую опасность для дыхательной системы человека. Обнаружение радона и его ДПР является важным условием радиационной безопасности. Для того, чтобы контролировать уровень радона в воздухе помещений требуются точные и надёжные методы измерения. В данной статье рассматриваются различные способы измерения объёмной активности радона.

Рассмотрим пассивные методы измерения, которые основываются на естественные процессы диффузии и накопления радона в детекторах за определённый период времени. Также данные методы не требуют использования внешних источников энергии. 

Электростатический метод, основанный на электростатике, использует электрические поля для притяжения и удержания ДПР радона на поверхности детектора.

Трековый метод измерения объёмной активности радона и его ДПР использует чувствительные материалы, которые сохраняют следы, оставленные альфа-частицами радона и его дочерними продуктами во время их распада.

Термолюминесцентный метод измерения объёмной активности радона и его ДПР основывается на фундаментальном принципе некоторых материалов сохранять энергию, полученную ими от альфа-частиц. При нагревании эта энергия высвобождается в виде света.

Активные методы измерения отличаются тем, что требуют использования внешних источников энергии для проведения измерения. Эти методы дают возможность получить более прямую, точную и контролируемую оценку концентрации радона в окружающей среде.

Сцинтилляционный метод – это метод, использующий сцинтилляционные детекторы для регистрации радиационных взаимодействий, вызванных радоном и его ДПР. В основе метода лежит, возбуждение атомов в материале при взаимодействии альфа-частиц или гамма-квантов, что вызывает испускание световой вспышки. Далее эти вспышки регистрируются фотоэлектронным умножителем или фотодиодом для последующего анализа.

Полупроводниковый метод измерения объёмной активности радона основан на использовании полупроводниковых детекторов для регистрации радиационных взаимодействий, которые генерируют электрические сигналы под воздействием заряженных частиц.

Ионизационный метод измерения объёмной активности радона основан на ионизации атомов воздуха под действием альфа-частиц, которые испускает радон и его ДПР. Для этого метода обычно применяют ионизационные камеры или пропорциональные счётчики, которые фиксируют электрические сигналы, возникшие в результате ионизации атомов воздуха.

Аспирационные методы измерения объёмной активности радона относятся к активным методам. Методы основаны на прокачке воздуха через фильтры, способные захватывать радон и его ДПР, с помощью вентиляторов или насосов. После чего используют различные методы измерения концентрации радона, такие как спектрометрия, сцинтилляционный анализ и т.д. Рассмотрим аспирационный метод и модель кинетики накопления ДПР радона на воздушном фильтре подробнее.

Методы измерения объёмной активности дочерних продуктов радона включают аспирационный подход к осаждению этих продуктов на воздушном фильтре. Это позволяет оценить объёмную активность дочерних продуктов радона с большой точностью и объективностью. Эффективность улавливания дочерних продуктов фильтром равна η  при прокачке воздуха через фильтр со скоростью ϑ,м3c.

Изменение количества атомов i-го изотопа на фильтре вызвано тремя основными процессами: первым – осаждением атомов на фильтр, вторым – добавлением атомов за счёт распада ядер предшествующего изотопа с интенсивностью λi-1Ni-1 , и третьим – радиоактивным распадом ядер собственного изотопа с интенсивностью λiNi . Это изменение можно представить уравнением (1):

dNidt=Ciϑ η-λiNi+λi-1Ni-1
          (1)

где η- коэффициент осаждения ДПР на фильтр.

Решение уравнения (1) можно записать в виде системы (2)

NA=CAηϑλAFA1t, ядерNB=CAηϑλBFB1t+CBηϑλBFB2t, ядерNС=CAηϑλСFС1t+CBηϑλСFС2t+CСηϑλСFС3t, ядер
         (2)

где FA1t=1-exp(-λA t),

FB1t=1-λBλB-λAexp-λAt+λAλB-λAexp-λBt,

FB2=1-exp-λBt,

FC1t=1-λBλCλB-λAλC-λAexp-λAt+λAλCλB-λAλC-λBexp-λBt-λAλBλC-λAλC-λBexp-λCt,

FC2t=1-λCλC-λBexp-λBt+λBλC-λBexp-λCt,

FC3t=1-exp-λCt.

Если время прокачки фиксированное, где t = T, то по завершении прокачки на фильтре будет находиться следующее количество ядер ДПР:

NAT=CAηϑλAFA1T=const,

NAT=CAηϑλBFB1T+CBηϑλBFB2T=const2,

NAT=CAηϑλCFC1T+CBηϑλCFC2T+CCηϑλCFC3T=const3.

Обозначим количество ядер ДПР на фильтре после окончания прокачки как nA, nB, nC,  а текущее время после окончания прокачкиτ .

Тогда:

dnAτ=-λAnAτdnBτ=-λBnBτ+λAnAτdnCτ=-λCnCτ+λBnBτ
         (3)

Начальные условия имеют вид: nA0=NAT,  nB0=NBT,  nC0=NCT.

Решение уравнений (3) имеют вид:

nAτ=NATe-λAτ
         (4)

nBτ=NBTe-λBτ+λAλB-λANATe-λAτ-e-λBτ
         (5)

nCτ=NCTe-λCτ-λBλC-λBNBTe-λCτ+λAλBλC-λBλC-λANATe-λCτ+λBλC-λBNBTe-λBτ+λAλBλB-λAλC-λANATe-λAτ-λAλBλB-λAλC-λBNATe-λBτ  (6)

Введём обозначения:

LA1τ=e-λAτ  ,

LB τ=e-λBτ, LB2τ=λAλB-λAe-λAτ-e-λBτ,

LC3τ=λAλBe-λAτλB-λAλC-λA+e-λBτλA-λBλC-λB+e-λCτλC-λBλC-λA.

  Тогда уравнения (4), (5), (6) примут вид:

nAτ=NATLA1τ=CAηϑλAFA1TLA1τ,

nBτ=NBTLB1τ+NATLB2τ=CAηϑλBFB1TLB1τ+CBηϑλBFB2TLB1τ+CAηϑλAFA1TLB2

Или

nBτ=CAηϑFB1TLB1τλB+FA1TLB2τλA+CBηϑFB2TLB?λB

nCτ=NCTLC1τ+NBTLC2τ+NATLC3τ=CAηϑλCFC1TLC1τ+CBηϑλCFC2TLC1τ+CCηϑλCFC3TLC?+CAηϑλBFB1TLC2τ+CBηϑλBFB2TLC2τ+CAηϑλAFA1(T)LC(?)

Или

nCτ=CAηϑFA1(T)LC3(τ)λA+FB1(T)LC2(τ)λB+FC1(T)LC1(τ)λC+CBηϑFB2(T)LC2(τ)λB+FC2(T)LC1(τ)λC+CCηϑFC3(T)LC1(τ)λC

Скорость счёта альфа-частиц от фильтра в любой момент времени τ  определяется активностью альфа-излучающих радионуклидов 218Po и 214Po :

mτ=ελAnAτ+ελCnCτ
         (7)

где ε  –эффективность регистрации (светосила) измерительной установки.

Тогда: mτ=CAηεϑFA1TLA1τ+λCFA1TLC3τλA+FB1(T)LC2(τ)λB+FC1(T)LC1(τ)λC+CBηεϑλCFB2(T)LC2(τ)λB+FС2(T)LС1(τ)λC+Ccηεϑ*FC3(T)LC1(τ)

Введём обозначения:

G1τ=ηεϑFA1TLA1τ+λСFA1TLC3τλA+FB1TLC2τλB+FC1TLC1τλC,

G2τ= ηεϑFB2TLC2τλB+FC2TLC1τλC,

G3τ=ηεϑFC3TLC1τ.

Таким образом получили выражение для ожидаемой скорости счёта альфа-частиц от фильтра, выраженной через искомые значения концентрации ДПР в воздухе:

mτ=CAG1τ+CBG2τ+CCG3τ.
         (8)

Основной задачей обработки результатов измерения активности фильтра является получение информации об объёмных активностях ДПР в воздухе в момент отбора пробы - CA, CB, CC.  С этой целью результаты измерений аппроксимировались функцией m(τi) , вида (8), по методу наименьших квадратов:

Y=mτi-mi2=min    (9)

Условие (9) выполняется при

δYδCA=0; δYδCB=0; δYδCC=0.
         (10)

Подставляя в (10) значения Y(mτi,mi)  из уравнения (8), получаем систему из трёх уравнений относительно неизвестных CA, CB, CC:  

CAG12(τi)+CBG1τi*G2τi+CCG1(τi)G3(τi)-miG1τi=0CAG1τiG2τi+CBG22(τi)+CCG2(τi)G3(τi)-miG2τi=0CAG1τiG3τi+CBG2τiG3τi+CCG32(τi)-miG3τi=0

Решая данную систему любым численным методом, можно определить исходные значения объёмной активности дочерних продуктов распада радона в воздухе в момент прокачки через фильтр.

Аспирационный метод мониторинга радона предоставляет целый ряд преимуществ. Во-первых, он обеспечивает реальное время мониторинга, позволяя оперативно реагировать на изменения концентрации радона. Во-вторых, его высокая чувствительность и точность измерений позволяют обнаруживать даже низкие концентрации радона. Кроме того, данный метод обеспечивает контроль над процессом сбора образцов и измерений, что повышает надежность и точность результатов. И, наконец, его широкое применение в различных средах и условиях, включая домашние помещения и рабочие пространства, делает его эффективным инструментом для контроля радиационного загрязнения.

Аспирационный метод мониторинга радона имеет свои недостатки. Во-первых, он может быть более затратным из-за необходимости специализированного оборудования, такого как вентиляторы или насосы. Кроме того, сложность настройки и наладки оборудования для аспирации воздуха и сбора образцов требует определенных навыков и времени. Его результаты также могут быть искажены влиянием вентиляционных систем или других факторов, изменяющих поток воздуха и концентрацию радона. Наконец, необходимость использования энергии для привода вентиляторов или насосов увеличивает энергопотребление системы и затраты на электроэнергию.

Подводя итог вышесказанному, несмотря на некоторые ограничения, аспирационный метод является важным инструментом для измерения объемной активности радона и может быть эффективно использован в различных приложениях, где требуется мониторинг радона и его дочерних продуктов.

References

1. Kusnetz, H.L. Radon daughters in mine atmosphere. A field method for determining concentrations / H.L. Kusnetz // Am. Ind. Hyg. Assoc. J. – 1956. - №17. – P.85-88.

2. Rolle R. Rapid working level monitoring / R. Rolle // Health Phys. – 1972. - №22. – P.223-225.

3. Yakovleva, V.S. Metody opredeleniya ob'emnoy aktivnosti izotopov radona i produktov raspada v vozduhe: uchebnoe posobie / V.S. Yakovleva; Nacional'nyy issledovatel'skiy Tomskiy politehnicheskiy universitet– Tomsk: Izd-vo TPU, 2019.

4. Serdyukova, A.C. Izotopy radona i korotkozhivuschie produkty ih raspada v prirode / A.C. Serdyukova, Yu.T. Kapitanov. - Moskva, 1979. - 294 s.

5. Saltykov, L.D. Radiacionnaya bezopasnost' pri razvedke i dobyche uranovyh rud / L.D. Saltykov, I.L. Shalaev, Yu.A. Lebedev, L.V. Gorbushina – M.: Atomizdat, 1977.

6. Poluektov A.V., Makarenko F.V., Yagodkin A.S. Ispol'zovanie storonnih bibliotek pri napisanii programm dlya obrabotki statisticheskih dannyh // Modelirovanie sistem i processov. – 2022. – T. 15, № 2. – S. 33-41.

Login or Create
* Forgot password?