Введение................................................................4
Актуальность темы исследований...........................................5
Цель диссертационной работы..............................................6
Основные результаты работы...............................................6
Научная новизна результатов работы.......................................7
Научная и практическая ценность работы................................7
Автором выносятся на защиту:.............................................8
Апробация работы.........................................................8
Публикации...............................................................8
Структура диссертации....................................................8
1. Приборы и методы альфа радиометрии жидкости............................9
1.1. Основные источники альфа радиоактивного загрязнения в воде........9
1.2. Альфа-радиометрия жидкости.........................................14
1.2.1. Альфа-радиометрия с помощью жидко-сцинтилляционных счетчиков......................................................17
1.2.2. Измерение альфа-радиоактивного загрязнения проточной воды .. 19
1.2.3. Измерение концентрации альфа радионуклидов в воде..............21
1.2.3.1. Измерение концентрации радиоактивного изотопа Ян222 в воде.21
1.2.3.2. Измерение концентрации радиоактивного изотопа Яа226 в воде.25
1.2.3.3. Измерение концентрации радиоактивного изотопа и - в воде...26
1.3. Используемые детекторы сегодня в России и их характеристики........26
1.4. Выводы.............................................................27
2. Физические основы аэроионной топометрии...............................29
2.1. Образование аэроионов..............................................29
2.2. Подвижность аэроионов............................................ 33
2.3. Типы аэроионов................................................... 35
2.3.1. Концентрация малых ионов в атмосфере...........................35
2.4. Дистанционная регистрация альфа-излучения........................ 38
2.4.1. Принципы работы аэроионного детектора в счетном режиме 40
2.5. Выводы.............................................................43
3. Методики аэроионного альфа мониторинга жидкости.........................44
3.1. Способы аэроионной а-радиометрии воды..............................46
3.1.1. Аэрационный метод..............................................46
3.1.2. Диспергирование................................................47
3.1.3. Вспенивание....................................................48
3.1.4. Метод смачиваемых сеток........................................50
3.3. Расчет эффективности аэрационного метода............................52
3.4. Сравнительный анализ методик альфа мониторинга жидкостей 58
3.5. Выводы..............................................................61
4. Математическое моделирование процесса регистрации альфа-частиц 63
4.1. Моделирование траекторий альфа частиц в пленке......................65
4.2. Ионизация воздуха в зазоре между пленками...........................67
4.3. Транспортировка аэроионов электрическим полем.......................68
2
4.4. Выводы..........................................................75
5. Система сбора и анализа данных с аэроионного детектора..............77
5.1. Основные функции блока управления...............................79
5.2. Выбор микроконтроллера..........................................80
5.3. Программирование микроконтроллера...............................84
5.4. Структура блока управления и порядок работы.....................84
5.5. Выводы..........................................................89
6. Экспериментальное исследование метода смачиваемых сеток............90
6.1. Экспериментальная установка.....................................90
6.2. Исследование электростатической транспортировки ионов...........96
6.3. Исследование воздушного способа транспортировки аэроионов 105
6.4. Измерение объемной активности модельного раствора..............109
6.5.Вывод ы.........................................................114
Заключение............................................................116
Основные Выводы.......................................................118
Список литературы.....................................................120
Приложение............................................................124
3
Введение
К концу двадцатого века на нашей планете образовался новый, очень мощный экологический фактор - ионизирующее излучение. В настоящее время радиоактивное загрязнение приняло глобальный характер и опасность его для жизни людей непрерывно повышается. Ионизирующие излучения непрерывно воздействует на всю биосферу. Значение этого фактора ещё до конца не изучено, хотя опыты с ядерными веществами, испытания ядерного вооружения, катастрофы на АЭС дали человечеству огромный фактический материал, свидетельствующий о губительном действии радиации
Среди источников ионизирующих излучений альфа-активные изотопы представляют собой особую группу радиоактивных веществ, имеющий высокий биологический эффект воздействия на организм человека.
Естественная альфа радиоактивность вызвана распадом тяжелых элементов. Продукт этих распадов радон может просачиваться через каменные образования и скапливаться в нижних этажах наших домов. Продукты радиоактивного распада радона попадают на частицы пыли или дыма, и с их помощью проникать внутрь живых организмов. Кроме того, радиоактивный радон очень хорошо растворяется в воде и попадает в живые организмы через питьевые источники. Воздействие в течении длительного времени даже относительно небольших доз альфа радиации на человека вызывает тяжелейшие заболевания его внутренних органов.
Техногенные источники альфа радиоактивного воздействия на человека имеют следующую структуру: облучения при медицинских обследованиях и лечении (0,4 мЗв; 16,522%)( например; радоновая терапия, рентгеновская томография и.т.д.), облучения от радиоактивных осадков (0,02 мЗв; 0,826%) и от атомной энергетики (0,001 мЗв; 0,041%). Испытания ядерного оружия, которые особенно интенсивно проводились в период 1954-1958 и 1961-1962 гг. стали одной из основных причин повышения
4
радиационного фона Земли и, как следствие этого, глобального повышения доз внешнего и внутреннего облучения населения. Источником альфа радиоактивности являются атомные электростанции. Опасность состоит в возможности возникновения катастрофических аварий реактора, а также в реально не решенной проблеме утилизации радиоактивных отходов и утечке в окружающую среду небольшого количества радиоактивности.
Установлены чрезвычайно жесткие (по сравнению с другими излучателями) нормы содержания в окружающей среде таких альфа-активных нуклидов, как плутоний и уран, содержащихся в ядерном топливе и его остатках. Проведение эффективного контроля за соблюдением этих норм является сложной технической задачей, в особенности, когда речь идет об обследовании больших площадей, подвергающихся систематическому загрязнению в ходе производственных процессов или в результате аварий, сопровождающихся выбросом продуктов переработки и производства материалов, содержащих радиоактивные компоненты.
Актуальность темы исследований.
Имеющиеся в настоящее время приборы для контроля содержания альфа-активных нуклидов в жидкости являются стационарными лабораторными приборами, часто требующими применения большого количества расходных материалов и работающими в режиме ручного отбора проб, что осложняет организацию работ в режиме непрерывного контроля или в полевых условиях. Кроме того, существующие сцинтилляционные методы имеют ограничение по чувствительности, связанное с поглощением света в исследуемой среде (в случае применения жидкой сцинтиллирующей добавки), либо с поглощением света в плёночном конвертере (при попытке увеличить рабочий объём детектора).
Предлагаемый в данной работе метод альфа-радиометрии, когда альфа-излучение детектируется не прямым способом, а через регистрацию ионов, возникающих в воздухе на следах частиц, позволяет существенно
5
увеличить эффективный объем исследуемой жидкости, и за счет этого повысить чувствительность детектора и сократить время измерения, что чрезвычайно важно при проведении мониторинга альфа-радиоактивного загрязнения. В совокупности с аэроионным детектором для обнаружения загрязнения территории альфа-радиоактивными изотопами данный метод может стать мощным средством радиационного экологического мониторинга. Наличие нескольких возможных способов увеличения площади контакта жидкой и воздушной фазы позволяет использовать данный метод и для контроля альфа-радиоактивности в различных технологических процессах, например для измерения объемной активности теплоносителя и обнаружения утечек топлива на атомных электростанциях или хранилищах ядерных отходов. В медицинской практике данным способом можно контролировать активность препаратов, содержащих альфа радиоактивные изотопы, например, при радонотерагши.
Цель диссертационной работы
Целю является разработка методики измерения альфа активности воды на фоне сопутствующих ионизирующих излучений в реальных атмосферных условиях и в реальном масштабе времени на основе аэроинного метода регистрации альфа излучения.
Основные результаты работы
1. Предложен набор методов пробоподготовки жидкости для альфа радиометрии на основе аэроионного детектора и проведен их сравнительный анализ.
2. С использованием метода Монте-Карло построена математическая модель процесса регистрации альфа-частиц в аэроионном детекторе для воды и произведена оценка оптимальных параметров детекторного блока с помощью этой модели.
3. Определена структура системы сбора данных с аэроионного детектора и предложен вариант реализации блока управления на базе АУЯ микроконтроллера фирмы А!ше1.
6
4. Создан лабораторный стенд для изучения процесса регистрации альфа частиц в жидкости аэроионным методом.
5. Исследованы возможности аэроионного способа измерения объемной активности воды и обоснована возможность его применения для технологического и экологического мониторинга альфа радиоактивного загрязнения.
Научная новизна результатов работы
1. Впервые предложен аэроионный метод регистрации альфа-частиц для обнаружения альфа-радиоактивного загрязнения воды.
2. Разработаны варианты конструкции альфа радиометра на основе аэроионного метода регистрации альфа частиц и проведен анализ эффективности предложенных конструкций для различных условий измерений.
3. С использованием разработанной математической модели и в натурных экспериментов впервые показана возможность измерения объемной активности воды с использованием аэроионного метода.
Научная и практическая ценность работы.
1. Сравнительный анализ различных методов радиометрии альфа частиц в жидкости позволяет выбрать более подходящий к экологическому мониторингу альфа радиоактивного загрязнения метод смачиваемых сеток.
2. Разработанная математическая модель позволяет делать оценки параметров детектора альфа-излучения при измерении объемной активности в жидкости.
3. При исследовании методом смачиваемых сеток впервые было показано, что с помощью одного элемента можно измерить до 12 Бк на миллилитр, и нужно заметить, что в реальном приборе должно содержаться 100 элементов, что позволит повысить чувствительность прибора на 2 порядка.
7
Автором выносятся на защиту:
1. Метод аэроионной радиометрии альфа излучения жидкости.
2. Конструкция измерительного блока радиометра для воды на основе аэроионного детектора.
3. Методика определения оптимальных параметров детектирующего модуля аэроионного радиометра с помощью математического моделирования.
4. Результаты экспериментальной оценки чувствительности аэроионного радиометра, работающего на основе метода смачиваемых сеток.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: Научная сессия МИФИ-2005 (Москва, 2005 г.), МИФИ-2006 (Москва, 2006 г.), МИФИ-2007 (Москва, 2007 г.).
Публикации.
Материал диссертации основан на работах, опубликованных в период с 2005 по 2007 гг. в научных журналах; материалах конференций, семинаров. Количество работ опубликованных по теме диссертации, и использованных в диссертации 6, из которых 5 приведены в автореферате. Полный список работ содержит более 8 наименований.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. В конце каждой главы содержатся выводы, основные выводы диссертационной работы приведены в заключении. Материал изложен на Д7 страницах, включая 5 таблиц и 54 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 49 наименований. Полный объем диссертации 131 страниц.
8
1. Приборы и методы альфа радиометрии жидкости
Альфа-излучение обладает малой проникающей способностью (всего несколько сантиметров в воздухе и десятки микрон в биологической ткани), но оно гораздо опаснее, когда источник альфа-частиц находится внутри организма [1,16]. Альфа излучатели поступают в воду при ее контакте с естественными радионуклидами в почве. Альфа излучатели могут поступить внутрь организма за счет употребления пищи и воды, содержащей любой из существующих альфа-радионуклидов.
Поэтому необходимо контролировать содержание радиоактивных нуклидов в пище и в воде. В этом разделе излагаются известные методы для контроля содержания альфа радиоактивности в воде по отдельным группам альфа радиоактивных нуклидов.
1.1. Основные источники альфа радиоактивного загрязнения в
воде.
Альфа - радиоактивность (альфа-излучение) - представляет собой поток альфа-частиц, испускаемых при радиоактивном распаде элементов тяжелее свинца или образующихся в ходе ядерных реакций.
Радон - радиоактивный природный газ, абсолютно прозрачный, не имеющий ни вкуса, ни запаха. Будучи газом, радон-222 попадает в организм человека при дыхании и может вызвать пагубные для здоровья последствия, прежде всего - рак легких. По данным Службы Общественного Здоровья США (US Public Health Service) радон - вторая по серьезности причина возникновения у людей рака легких после курения.
Радон образуется в недрах Земли в результате распада урана, который, хоть и в незначительных количествах, но входит в состав практически всех видов грунтов и горных пород. В процессе радиоактивного распада уран превращается в радий-226, из которого, в свою очередь, и образуется радон-
9
222. Особенно велико содержание урана (до 2 мг/л) в гранитных породах. Соответственно в районах, где преимущественным породообразующим элементом является гранит, можно ожидать и повышенное содержание радона. Радон постепенно просачивается из недр на поверхность, где сразу рассеивается в воздухе, в результате чего его концентрация остается ничтожной и не представляет серьезной опасности.
Проблемы возникают в случае, если отсутствует достаточный воздухообмен, например, в домах и других закрытых помещениях. В этом случае содержание радона в замкнутом помещении может достичь опасных концентраций. Так как радон попадает в здания из земли, то на западе при строительстве фундаментов в "радоноопасных" районах широко применяют специальные защитные мембраны, препятствующие просачиванию радона. Однако даже применение этих мембран не дает стопроцентной защиты. В случае, когда для снабжения дома водой используются скважины, радон попадает в дом с водой и также может скапливаться в значительных количествах в кухнях и ванных комнатах. Дело в том, что радон очень хорошо растворяется в воде и при контакте подземных вод с радоном, они очень быстро насыщаются последним. В США уровень содержания радона в грунтовых водах колеблется от 10 до 100 Беккерелей на литр, в отдельных районах доходя до сотен и даже тысяч Бк/л.
Растворенный в воде радон действует двояко. С одной стороны, он вместе с водой попадает в пищеварительную систему, а с другой стороны, люди вдыхают (ингаляционный способ) выделяемый водой радон. Дело в том, что в тот момент, когда вода вытекает из крана, радон выделяется из нее, в результате чего концентрация радона в кухне или ванной комнате может в 30-40 раз превышать его уровень в других помещениях (например, в жилых комнатах). Этот путь попадания радона в живой организм считается более опасным для здоровья.
Агентство по охране окружающей среды США (ШЕРА) в качестве предельной допустимой величины содержания радона в воде установило на
10
уровне 30 пКи/л (что составляет 11,1 Бк/л), однако это не нашло пока отражения в американском национальном стандарте качества воды (этот параметр не нормируется). В российских Нормах Радиационной Безопасности (НРБ-99) предельный уровень содержания радона в воде, при котором уже требуется вмешательство, установлен на уровне 60 Бк/кг.
Радон образуется из радия (Яа), который является элементом II группы периодической таблицы Д. И. Менделеева, относящийся к щелочноземельным металлам. Атомный номер 88, атомная масса 226,0254. Наиболее
226
устойчивым изотопом является радий-226 ( Яа), образующийся при распаде урана. Период полураспада радия-226 составляет 1600 лет, в процессе распада, которого и образуется радиоактивный газ радон. В природе радий встречается в урановых рудах, причем как правило наряду с изотопом 226Яа встречается и изотоп радий-228 (228Яа).
В природные воды радий переходит за счёт процессов адсорбционного обмена, диффузионного выщелачивания пород и извлечения из некоторых растительных остатков (дело в том, что некоторые растения способны накапливать радий в повышенных количествах). Содержание радия в водах колеблется от IVй до Ы8 г/л, самые высокие его концентрации обнаружены в водах урановых месторождений.
Изотоп радий-228 является довольно мощным природным источником бета-излучения. В свою очередь, Радий-226 является источником альфа-излучения и считается потенциально опасным для костной ткани человека.
И хотя изотопы радия встречаются в воде нечасто и в незначительных количествах, тем не менее, что Агентство по Охране Окружающей Среды США (ШЕРА) установило норму суммарного содержания в воде радия-228 и радия-226 на уровне 5 пКи/л, что соответствует 0.185 Бк/л. Такой уровень активности радионуклида примерно соответствует концентрации в воде на уровне 4.5%18/п г/л.
Уран - распространенный на земле элемент, который встречается в почве и каменистой породе. Он радиоактивен. Концентрация широко
- Київ+380960830922