Радиометр для обнаружения альфа-излучающих аэрозолей в воздухе помещений..

Радиометр для обнаружения альфа-излучающих аэрозолей в воздухе помещений..

Радиометр для обнаружения альфа-излучающих аэрозолей в воздухе помещений.

ТИХОНОВ Андрей Анатольевич

РАДИОМЕТР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ АЛЬФА-ИЗЛУЧАЮЩИХ АЭРОЗОЛЕЙ В ВОЗДУХЕ ПОМЕЩЕНИЙ

Традиционно при возникновении задачи обеспечения защиты объекта от вероятного применения радиоактивных веществ в террористических целях предлагаются технические средства, позволяющие обнаруживать радиоактивные источники по их внешнему фотонному, альфа- и бета-излучению, нейтронному излучению [1]. Однако, гораздо большую опасность, в смысле биологического воздействия, представляет применение в террористических целях радиоактивных газо-аэрозольных препаратов.

Альфа-частицы, бета-излучение, протоны, дейтроны и пр. тяжелые частицы, вызывая высокую плотность ионизации, при попадании внутрь организма ингаляционным путем вызывают сильное поражающее действие. Не следует забывать о том, что радиоактивные порошки могут быть применены как высокотоксичное химическое оружие. Высокой химической токсичностью обладают изотопы U и Pu [2, 3]. Например, попадание Pu во внутренние органы человека приводит к химическому отравлению (1 мг плутония смертельная доза), лучевому поражению желудочно-кишечного тракта, почек, печени, мозга. Такие количества плутония не могут быть обнаружены по их внешнему излучению. Следует отметить тот факт, что предельно допустимые концентрации Pu239 и U238 определены исходя из их химической токсичности [4].

Ингаляционный путь поступления естественных и искусственных аэрозолей внутрь организма признан одним из наиболее важных и опасных. Опасные концентрации радиоактивных аэрозолей в атмосфере помещений создаются различными путями. Это могут быть отходы, содержащие радионуклиды уранового и/или ториевого семейства. В процессе их радиоактивного распада образуются благородные газы – радон, торон и актинон. Дочерние продукты распада этих газов в результате осаждения на взвешенных в воздухе частицах образуют радиоактивные аэрозоли. Обнаружение искусственных радиоактивных аэрозолей в воздухе непосредственно связано с контролем радона и его дочерних продуктов распада.

Как было показано в работе [5], одной из задач мониторинга окружающей среды при обеспечении радиационной безопасности является оперативный аэрозольный контроль атмосферы помещений. Задача контроля и обнаружения альфа-активных аэрозолей в атмосфере помещений является важной функцией радиационной ветви системы безопасности объекта. Для решения этой задачи был разработан радиометр “Альфа-3” (фото 1).

Фото 1. Радиометр “Альфа-3”

Радиометр “Альфа-3” является новой разработкой, пополнившей семейство приборов, предназначенных для измерения содержания альфа-активных аэрозолей в воздухе. При разработке радиометра были использованы результаты многочисленных расчетных исследований и экспериментов, а также приняты во внимание специфические требования, предъявляемые к современным средствам безопасности. Узлы радиометра размещены в обычном кейсе, чтобы назначение прибора было неочевидно даже для специалистов.

В основу радиометра был положен широко используемый аспирационный метод измерения [6]. В автоматическом режиме радиометр выполняет измерения величины “скрытой энергии по модифицированной методике Маркова-Рябова-Стася [7]. В радиометре предусмотрен полуавтоматический режим, который позволяет реализовать любую методику, предполагающую отбор пробы на фильтр типа АФА-РСП-3 с последующим измерением альфа-активности [6]. На рис. 1 приведена блок-схема радиометра “Альфа-3”.

Рис. 1. Блок-схема радиометра Альфа-3”

Отбор пробы воздуха на фильтр типа АФА-РСП, закрепленный в фильтродержателе 7, производится через воронку 1. Скорость расхода воздуха контролируется поплавковым манометром 2. Отбор пробы обеспечивает воздуходувка 3, работа которой управляется ключом 4. После отбора пробы фильтр переставляется в устройство детектирования, состоящее из детектора 5 и усилителя 6. Нормализованные импульсы после дискриминатора 8 поступают на вход устройства обработки и управления 9. Радиометр питается от автономной аккумуляторной батареи 11, причем стабилизация питающих напряжений осуществляется узлом 10.

Радиометр “Альфа-3 обеспечивает измерение эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОАRn) в диапазоне от 5 до 10000 Бк/м3; пределы допускаемой основной относительной погрешности измерения ± 30% с доверительной вероятностью 0,95. Радиометр обеспечивает измерение объемной активности долгоживущих альфа-активных аэрозолей, начиная с предельно допустимых уровней.

Время измерения не превышает 20 мин. Собственный фон измерительного тракта не более 0,005 с-1. Чувствительность измерительного тракта при регистрации активности образцовых твердых источников типа 1П9 – 0,28 ± 0,02 (с-1Бк-1). Производительность воздуходувки при отборе пробы воздуха на фильтр составляет (2,5 ± 0,2)10-4 м3/с. Питание радиометра осуществляется от аккумуляторных батарей или от внешнего источника автономного питания напряжением (12,5 ± 1,0) В. Максимальный ток, потребляемый от источника питания, не превышает 0,8 А. Без подзарядки ресурса батареи хватает на 100 измерений. Габаритные размеры не более 105х480х360 мм. Масса снаряженного радиометра не более 7,5 кг.

Производительность воздуходувки МР-12 контролируется поплавковым ротаметром. Регулировка производительности воздуходувки производится вручную регулятором расхода. Воздуходувка МР-12 потребляет 450 мА при питании 12 В.

Известно, что вариации естественного фона альфа-излучающих аэрозолей могут достигать величин, отличающихся на порядок [8]. Зависимость фона наблюдается от времени года, времени суток, погодных условий, строительных материалов и пр. В связи с этим, контроль и обнаружение альфа-излучающих аэрозолей предполагает регулярный мониторинг содержания естественных аэрозолей в атмосфере помещений, например по величине “скрытой энергии” [7]. Алгоритм выработки сигнала тревоги предполагает сравнение текущего результата со средним значением величины “скрытой энергии”, рассчитанным на текущий момент. Кроме того, текущий результат измерения величины “скрытой энергии” должен сопоставляться с результатами измерений мощности дозы фотонного излучения и содержания бета-излучающих аэрозолей в воздухе.

Фильтр, давший статистически значимый аномальный результат, должен быть исследован дополнительно либо с помощью альфа-спектрометра, либо радиометром “Альфа-3 по истечении определенного времени выдержки, необходимого для распада естественных короткоживущих альфа-активных аэрозолей. Порог измерения удельной объемной активности аэрозолей долгоживущих альфа-активных нуклидов тем ниже, чем продолжительнее отбор пробы и время обсчета пробы. Так, при отборе пробы объемом 1 м3 длительность отбора ~ 70 мин, при измерении активности пробы в течение 60 мин можно определить удельную объемную активность аэрозолей долгоживущих альфа-активных нуклидов на предельно допустимом по плутонию уровне ~ 0,03 Бк/м3 (~ 8х10-16 Ки/л).

Минимально детектируемая активность долгоживущих аэрозолей, которая может быть измерена оперативно без длительной выдержки пробы, оценивается следующим образом:

здесь Vfon – скорость счета обусловленная RaA и RaC’; e чувствительность детектора. Если принять e=0,2, ЭРОАRn=100 Бк, время прокачки 5 минут, то величина минимально детектируемой активности составляет 30 Бк. То есть на фильтре достаточно ать всего 5х10-11 г плутония, чтобы уверенно измерять на фоне естественных аэрозолей. При скорости прокачки 20 литров в минуту минимально детектируемая объемная активность плутония ~ 300 Бк/м3.

Таким образом, регулярные измерения содержания альфа-активных аэрозолей в воздухе помещений, проводимые при помощи радиометра “Альфа-3”, позволяют обнаруживать малые концентрации искусственных альфа-излучающих радионуклидов. Кроме того, анализ результатов совместных измерений, проводимых в рамках обеспечения мониторинга окружающей среды, позволяет выявить факты применения альфа-активных аэрозолей в террористических целях и степень представляемой угрозы.

В заключение автор благодарит за полезные дискуссии и помощь в работе д.т.н. Б.В. Поленова, к.т.н. Никитина В.И., к.т.н. Волкова С.В., сотрудников лаборатории 192 НИЦ “СНИИП” Бабича В.Г., Сальникова В.Н. и Митюниной Е.В.

 Литература

1. А.Ф. Леонов, Б.В. Поленов, С.Б. Чебышов. Современные методы и технические средства борьбы с радиоактивным терроризмом. Экологические системы и приборы” № 5, 2000.
2. И.Я. Киселев. Токсикология продуктов ядерного деления. ISBN5-225-04468-9.
3. И.Я. Киселев. Ликвидация ядерных припасов и ее влияние на здоровье людей. Ядерная безопасность № 48 – 49 май – июнь 2001. http://npi.ru/nucrep/n48-49/index.htm.
4. НРБ-99. http://wdcb.ru/mining/zakon/Content.htm.
5. Никитин В.И., Тихонов А.А. К вопросу построения радиационной ветви интегрированной системы безопасности.// Специальная техника, 2002, № 3.
6. Radiation protection instrumentation – Radon and radon decay product measuring instruments – Part 1: General requirements. IEC 61577-1 (2000-08).
7. Марков К.П., Рябов Н.В., Стась К.Н. Экспрессный метод оценки радиационной опасности, связанной с наличием в воздухе дочерних продуктов распада радона. Атомная энергия, № 4, 1962, стр. 315.
8. Рузер Л.С. Дозиметрия радиоактивных аэрозолей. Измерение концентраций, поступлений и поглощенных доз. Москва, 2001.