автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Радиометрия эксхаляции радона из строительных материалов

р 5 М101ДГГЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ Н НАУКИ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

2 2 МАП белорусский государственный университет

УДК 539.16

махди мохамед рамдан

радиометрия эксхаляции радона из строительных материалов

Специальность: 05.11.10 - "Приборы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские приборы"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск - 1995

Работа выполнена на кафедре ядерной физики Белорусского государственного университета.

Научный руководитель: Проректор по научной работе Международного института по радиоэкологии им.А.Д.Сахарова кандидат технических наук Чудаков В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гольцев В.П., кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ИФОХ АНБ Уголев И.И.

Ведущая организация - Институт физики АНБ.

■ н его

Защита состоится мая 1995 г. в /V — часов на заседании специализированного Совета К 056.03.15 в Белорусском государственном университете по адресу: 220080, г.Минск, проспект Ф.Ско-рины, 4, главный корпус, ауд. 205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгосунивер-ситета.

Автореферат разослан "Об" мая 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета /у

доцент В. А. Чудаков

ОБЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Вредное воздействие радионуклидов радона и дочерних продуктов их распада (ДПР) на организм человека впервые было замечено на европейских урановых рудниках в 30-х годах 20-го века. В 50-х годах на основании большого объема данных, полученных ка урановых рудниках США была установлена прямая связь содержания радона в воздухе и числа заболеваний раком легких. В начале 80-х годов в большинстве развитых стран: США, Англия, Швеция, Финляндия, Германия и др. возникает повьпенный интерес к радону в воздухе хилых помещений. В результате проведенных исследований было установлено, что концентрация радона в ряде жилых помещений может превышать допустимую даке для профессиональных работников 1 урановых рудников и обогатительных фабрик. По оценкам Научного комитета по действию атомной радиации (ООН) воздействие радона и ДПР обуславливает от 501 до 70% годовой индивидуальной эффективной дозы населения от естественных источников ионизирующего излучения, что обуславливает по данным экспертов Международной комиссии по-радиационной защите (МКРЗ) до 20Z общего количества заболеваний раком легких в мире. •

Радон и торон представляют собой природные радиоактивные газы. Радон (222Rn) образуется при а-распаде 226Ra в естественном • радиоактивном ряду 23SU и распадается с образованием цепочки а- и 3-излучающих нуклидов (ДПР), которая завершается стабильным изотопом 20бРЬ. Торон (220Rn) возникает при а-распаде 224Ra в ряду 232Th. Третий радионуклид радона - актинон (219Rn) - продукт распада в цепочке 235U. мало распространен в природе и его обычно не учитывают.

Выделение (эксхаляция) радона из почвогрунтов, строительных материалов и изделий, содержащих естественные радионуклиды урана и тория, является основной причиной его накопления в воздухе жилых помещений. Исследования, проведенные в Финляндии, показали, что интенсивность эксхаляции радона -из бетона колеблется от 8-10"3 до З'Ю-2 Бк/(м2*с). При кратности воздухообмена 0,5 в час это создает концентрацию радона до ВО Бк/м3, что соответствует годовой эффективной эквивалентной дозе облучения людей до 6 мЗв. Для сравнения следует отметить, что в районных центрах Могилевс-кой области уровни внешнего облучения населения даже в первый год

после аварии на ЧАЭС не превысили 10 мЗв, а принятая в Белоруссии концепция "70 мЗв за жизнь" допускает дополнительную дозу облучения людей 1 МЗв в год.

В настоящее время практически во всех странах мира реализуются национальные радоиовые программы, курируемые ООН. Актуальность данной задачи для Беларуси подтверждена предварительными исследованиями, выполненными в 1989-90 годах.

Радиационную опасность строительных материалов и изделий обычно оценивают по содержанию в них радионуклидов урана, радия и тория методом гамма-спектрометрии. Однако их содержание однозначно не определяет радоноопасность, так как эксхаляция радона зависит от множества факторов: пористости и влажности материала, способа обработки самого изделия и его поверхности и так далее. Поэтому оценка реальной радоноопасности стройматериалов и изделий, выбор технологии их обработки и методов снижения эксхаляции радона требуют создания специальных методик и приборов для непосредственного измерения эксхаляции радона из стройматериалов, изделий и стен помещений с повышенной концентрацией радона.

Специальная аппаратура для измерения эксхаляции радона из строительных материалов и изделий в странах СНГ и за рубежом не выпускается. Для этих целей, как правило, используют обычные радиометры радона в совокупности со специальными методиками предварительного отбора проб воздуха вблизи поверхности стен помещений: накопительные камеры; коллекторы Пирсона; сорбция радона на активированном угле и т.п.. Отобранные пробы доставляются в лабораторию, где и проводится измерение содержания радона. В силу этого существующие методики обладают чрезвычайно низкой экспрессностыо и ограниченностью применения, хотя достигаемый предел детектирования эксхаляции для некоторых из них составляет около 10"й бк/(м2,с).

При проведении радонового мониторинга за рубежом осуществляется широкий комплекс работ, включающий измерение содержания радона и ДПР как в помещениях жилого и социального назначения, так и в атмосферном воздухе. При этом применяются различные методы и аппаратура для проведения как экспрессных, так и интегральных измерений. Прибор« для экспрессного (активного) мониторинга радона и ДПР используются для оперативного контроля в помещениях, измерения кратковременных вариаций концентрации радона, определения

уровня облучения шахтеров, рабочих горнообогатительных комбинатов, проверки интегральных радиометров и т.п. Для решения дачного комплекса задач необходимы достаточно высокие чувствительность (порядка нескольких единиц Бк/м3) и экспрессность единичных измерений.

Сбор и анализ ДПР сложнее, чем самого радона, но он чрезвычайно важен для точной оценки воздействия на дыхательную систему, особенно в наиболее часто встречающихся случаях неравновесной концентрации радона и ДПР. Все методы определения содержания ДПР в воздухе основаны на сборе атомов ДПР, либо содержащих их аэрозольных частиц на специальные фильтры при прокачке через них воздуха и последующего измерения активности фильтров. Эти методы сложны, обладают суммарным низким быстродействием и требуют учета * многочисленных мешающих факторов.

Существенно более перспективным является метод, основанный на сборе радиоактивных ионов ДПР и содержащих их аэрозольных частиц электрическим полем непосредственно на поверхности детектора с последующей альфа-спектрометрией ДПР. Этот метод позволяет достичь высокой чувствительности, экспрессносги и обеспечивает селективную регистрацию ДПР.

Все вышеизложенное предопределило цель данной диссертационной работы.

Цель работы: исследовать возможность применения метода электростатического концентрирования ионов ДПР радона для создания радиометра эксхаляции радона из строительных материалов и изделий.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

1. Создать измерительный комплекс для определения скорости эксхаляции изотопов радона из строительных материалов и изделий по их первым ДПР, включающий в себя камеру сбора ионов ДПР на рабочую поверхность «-детектора электростатическим способом; блок детектирования «-излучений ДПР и усиления сигналов, полученных при их регистрации; устройство сопряжения с ЭВМ для обработки получаемой информации.

2. Разработать теоретическую модель процесса сбора ионов ДПР в электростатической камере, позволяющей оценивать влияние на сбор ДПР геометрических размеров камеры, давления и влажности в ней, напряжения сбора и т.д.

3. Исследование реальных процессов, протекающих в камере сбора ДПР при изменении условии сбора (геометрия, напряженность электрического поля и т.п.)

4. Создать методики оценки скорости экехаляции радионуклидов радона по их первым ДТП-.

5. Определить скорости экехаляции радона и торока для различных строительных материалов.

Научная новизна:

1. Впервые в СНГ создан действуодий макет радиометра экехаляции изотопов радона из проб строительных материалов, изделий и почвогруктов, реализующий метод концентрирования ионов ДПР в' электрических полях с последующей а-спектрометраей.

2. Апробирован метод оценки скорости зкехаляции радона и то-рона, основанный на информации об а-излучении их ДПР.

3. Теоретически обоснована, исследована и экспериментально проверена методика выполнения измерения экехаляции радона из проб с применением электростатического сбора конов ДПР радионуклидов радона.

4. Исследовано поведение ионов ДПР в электрическом поле в процессе их сбора.

5. Получены экспериментальные данные по экехаляции радона из строительных материалов.

Практическая значимость работы:

Предложена действующая модель радиометра экехаляции радиоизотопов радона, позволяется проводить экспресс-дозиметрию строительных материалов и почвогруктов для выявления потенциальной радоноопасности помещений.

Использование разработанной аппаратура позволяет контролировать воздействие радиоактивного газа на человека и предпринять меры по уменьшению экехаляции радона из строительных материалов и изделий, с целью уменьшения получаемых населением доз ионизирующих излучений.

На защиту выносятся следующие положения: 1. Конструкция измерительного преобразователя, радиометра эксхаяяцш радионуклидов радона из проб строительных материалов и изделий с использованием концентрирования ионов ДПР радона в электрическом поле с последующей их альфа-спектрометрией.

2. Методика и результаты теоретического анализа эффективности сбора ионов ДПР в электрических полях и оценки влияния на нее различных факторов: влажности и давления воздуха, концентрации отрицательных ионов и параметров камеры сбора.

3. Результаты экспериментальных исследований основных характеристик радиометра эксхаляции радона из проб строительных материалов и изделий, а также предварительных измерений, выполненных на реальных пробах.

Апробация работы:

Материалы работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры ядерной физики Белорусского государственного университета и Международного института по радиоэкологии им.А.Д.Сахарова.

Объем и структура диссертации:

Диссертация изложена на 103 страницах машинописного текста; содержит 20 рисунков, 25 таблиц; состоит из введения, трех глаз, заключения, библиографии (72 наименования).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко представлена историческая справка по изучаемому вопросу, обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, указана новизна и. практическая значимость, дан обзорный анализ традиционных средств радиометрии зкс-халяции радона и основные принципы используемого в работе метода, изложено краткое содержание работы и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава является в основном обзорной. В ней рассмотрены источники радионуклидов радона в воздухе, почве, различных строительных материалах, механизм эксхаляции и методы ее определения.

В первом параграфе подробно рассматриваются свойства радиоактивных изотопов радона, их возможные источники и пути проникновения в воздух и материалы. Параграф содержит большое количество данных о содержании радона и его ДПР в строительных материалах. Существенными источниками радона, оказывающими вредное воздействие на организм человека, являются материалы, используемые в

б

строительстве. Их применение оказывает влияние на перераспределение природно размещенных радиоизотопов, в том числе материнских радионуклидов изотопов радона. Отмечается большое различие в экс-халяции газа из материалов, используемых для изготовления изделий и из готовых изделий (кирпичи, бетонные блоки, балки, панели и т.д.). Приведен обзор использования в строительстве зданий в мире отходов различных производств (фосфогипс, шлак и др.). Обсуждаются условия высоких концентраций радона в воздухе помещений (материал конструкционных частей здания, вода, грунтовый газ и пр.).

Во втором параграфе подробно рассматривается процесс эксхаля-ции радона из строительных материалов. Отмечается существенное различие между содержанием изотопов радона в образцах и количеством эксхалирукяцих из него радионуклидов радона. Рассмотрены причины такого несоответствия.

В третьем параграфе раздела дан подробный анализ современных методов и средств измерения эксхаляции радона, их преимуществ и недостатков в сравнении друг с другом. Обсуждаются'требования к аппаратуре, которая может применяться при экспресс-мониторинге эксхаляции радионуклидов радона.

Во второй главе подробно рассматривается возможность концентрирования ДПР радона в электрических полях.

В первом параграфе представлены объективные предпосылки использования этого метода. В момент своего образования первые ДПР радона и торона - 218Ро и 21бРо - представляют собой в более чем 90Х случаев свободные положительные ионы, имеющий время жизни порядка нескольких десятков секунд. Изменение концентрации ионов ДПР радона и торона в воздухе определяется процессами радиоактивных превращений, присоединения ионов к аэрозольным частицам, рекомбинацией и осаждением на поверхность предметов. В любом случае в данный момент времени в воздухе присутствуют свободные ионы ДПР, содержащие их заряженные аэрозольные частицы и нейтральные атомы ДПР. При этом положительно заряженные частицы л ионы ДПР составляют большинство.

Во внешнем электрическом поле заряженные частицы ДПР будут двигаться вдоль его силовых линий. С помощью электрических полей основную массу ДПР радона можно натравить в нужную точку пространства и сконцентрировать, например, на рабочей поверхности полупроводникового а-детектора, работающего в спектрометрическом

режиме. Проводя спектрометрические измерения, можно осуществить энергетическую селекцию а-активных ДПР и, зная характеристики их радиоактивного распада (энергию и период полураспада), рассчитать концентрацию радона и торона.

Во втором параграфе приведены данные теоретического анализа вышеназванного метода для планарной модели камеры сбора с однородным электрическим полем. Получены выражения, описывающие относительные потери ионов ДПР без учета и с учетом рекомбинации, а также выражение для эффективности сбора ионов ДПР. Они позволили проанализировать зависимость эффективности сбора ионов ДПР от параметров камеры сбора: расстояния между электродами камеры с1 и рабочего напряжения и и характеристик воздуха внутри рабочего объема камеры: давления р и абсолютной влажности г. Кроме того, в *них были учтены коэффициент рекомбинации ионов а, их подвижности ц+ и ц", а также концентрация электроотрицательных частиц л":

Относительные потери ионов ДПР бе5 учета рекомбинации.

Относительные потери ионов ДПР с учетом рекомбинации.

Эффективность сбора ионов ДПР.

Указанные величины оценивались, исходя из анализа существующих литературных данных. Полученные зависимости позволили сделать некоторые исходные предположения относительно конструкции камеры сбора и возможного диапазона факторов, влияющих на эффективность сбора ионов ДПР.

Третий параграф содержит сведения о применявшейся экспериментальной установке, ее устройстве, основных особенностях. Главным ее элементом является камера сбора ионов ДПР полусферической формы, выполненная из алюминия и закрытая внизу металлической сеткой. На камеру подается положительный потенциал от источника вы-

I п I, 51 7,вцЧги3

М1=(1+у) ап-рс? I п ), и у,2(ц.%ц-)и

и|) (ЦпР

е=1

л I. V п

сокого напряжения. Контролируемая проба в измерительной кювете помещается под сеткой камеры. Выделяющийся из пробы радон попадает в камеру сбора и распадается, образуя ДПР. Положительно заряженные частицы ДПР собираются в электрическом поле на полупроводниковый кремниевый поверхностно-барьерный детектор площадью 5 см2, регистрирующей «-частицы, образующиеся при распаде ДПР. Источник питания 1ВД обеспечивает напряжение смещения детектора. Импульсы с выхода ППД, усиленные зарядо-чувствительным предусили-телем, поступают на вход аналого-цифрового преобразователя на 256 каналов. Накопление.и обработку регистрируемых а-спектров обеспечивает ЭВМ. Камера сбора помещена в пластмассовый корпус. Энергетическое разрешение детектора для энергии а-частиц 5 МэВ составляет около 8%. Оценка разрешения детектора и цены канала энергетической шкалы спектрометра проводилась по «-источнику 239Ри активностью 3 кБк. Дрейф энергетической шкалы за 8 часов работы не превышал 3%, а долговременный дрейф (за месяц) - 10%. Перед исследованием каждого образца проводилась калибровка спектрометра с использованием источника 239Ри. В качестве образцов при исследованиях и оптимизации характеристик макета радиометра использовались метрологически аттестованные образцы уран-радиевой, радиевой и ториевой руды, а также пробы некоторых стройматериалов, содержание радия и тория в которых определялось с помощью селективного гамма-радиометра РУГ-92СМ.

В третьей главе систематизированы и обобщены результаты экспериментальных исследований. В начале проведен анализ и выбор оптимальных параметров экспериментальной установки (рабочее значение иСм на детекторе, влияние изменения геометрии системы на полученные результаты). Далее проведена идентификация пиков спектров эксхаляции в соответствии с таблицей ДПР изотопов радона (рис.1). Исследования зависимости эффективности сбора ионов от напряжения на электродах камеры и расстояния сетка-детектор позволили оптимизировать геометрию измерительного преобразователя радиометра. Приводятся данные экспериментов по выявлению елияния изменения расстояния образец-сетка, изменения полярности напряжения сбора ионов ДПР на получаемые «-спектры (рис.1а, иСб= 1 кВ; рис.1б, иСб= "1 кВ). Проведенные опыты по изучению эффективност сбора ионов ДПР от напряжения сбора позволили выявить существенные различия протекания процесса сбора для разных ДПР (рис.2).

160-

n

о

'í 120ч >>

с §

о 8СН

R О

40-

100

200 -

160-

rt О

л 120-

с; >. S

80 ~

40-

100

г»

Ро

214

а)

£15

Ро

LA-

—I-1 -J - -I-1-1—Г '-1-1-г

120 140 160 180 220 240 номер канала

21 к

г1ь.

Ро

6)

2 IS

I 1 Г^ 120 140

р°1

i ч

I

160 ISO номер канала

I i |

220 240

Pjíc. Л Лльфа-спвктр ДПР радона, эксхагстругацого и-з образца радиевой руды: a) Uco«1kB, б) Uco— 1кБ

О

R

о

Рис.. 2 Зависимость эффективности сбора ДПР от исо при изменении 11св от О В.

и

В последнем параграфе третьей главы приводятся результаты экспериментального исследования эксхаляции радионуклидов радона из реальных проб строительных материалов и изделий. Исследования проводились на пробах Иа-, и-Ра-руд, гранита, глины, базальта, красного и белого кирпичей.

Расчет скорости эксхаляции радионуклидов радона из контролируемых образцов стройматериалов и изделий проводился на основе а-спектров их первых ДПР и темпа накопления радона в камере сбора с учетом эффективности сбора ионов ДПР, их периода полураспада и соотношения положительно и отрицательно заряженных ионов.

Некоторые экспериментальные данные о скорости эксхаляции радона и торона из образцов красного обожженного и белого (силикатного) кирпича приведены в таблице 1. Там же указаны результаты исследований, выполненных в Германии.

Таблица 1

Скорость эксхаляции 222йп и 220й1 из образцов (Бк-м~2-с-1).

Данные, полученные в ходе исследований

Образец Радон Торон

Силикатный кирпич 2,2-10"5 2,1'Ю-3

Красный кирпич 8,5'10"6 8,4'1ь 4

Данные, полученные учеными Германии

Образец Радон Торон

Силикатный кирпич 9,1-Ю"5 8,3-Ю"3

Красный кирпич 7,2-Ю"5 6,1-Ю"4

Сравнение полученных данных показывает, что полученные скорости эксхаляции очень близки к полученным в Германии. Некоторые расхождения обусловлены различием в содержании радия и тория в исходном сырье, а также особенностями технологии обработки изделий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Эксхаляции радона и торона из почвогрунтов, строительных материалов и изделий, содержащих естественные радионуклиды урана и тория, является основной причиной их накопления в воздухе помещений, что приводит в конечном результате к возрастанию риска заболевания раком легких.

2. Метод электростатического концентрирования ионов ДПР радионуклидов радона на поверхности детектора с последующей альфа-спектрометрией может, служить основой для создания радиометров эксхаляции радона из почвогрунтов и строительных материалов.

3. Разработан, изготовлен и исследован измерительный преобразователь радиометра эксхаляции радона .из строительных материалов, обеспечивающий необходимую -чувствительность и селективность для контроля эксхаляции радионуклидов радона из проб строительных материалов и изделий.

4. Предложена теоретическая модель процессов, происходящих в камере сбора ионов ДПР в электрических полях, позволяющая проанализировать их потери, оценить эффективность сбора ионов ДПР и влияние на нее параметров камеры сбора и других факторов.

5. Экспериментально доказано различие отношений положительно и отрицательно заряженных частиц для разных ДПР, что может послужить основой для исследования поведения ДПР в воздухе, а также реализовать методику учета влияния влажности воздуха на эффективность сбора ионов ДПР в радиометрах радона с концентрированием ионов ДПР в электрических полях.

6. Поскольку в настоящее время специальная аппаратура для измерения эксхаляции радионуклидов радона из- строительных материалов и изделий в странах СНГ и за рубежом не производится, созданный радиометр эксхаляции радиоизотопов радона может быть использован для оценки радоноопасности строительного сырья, готовых изделий и существующих помещений.

7. Выполнены измерения скорости эксхаляции радона и торона из реальных' проб стройматериалов и изделий. Сравнение полученных данных с результатами исследований других авторов показывает удовлетворительное их совпадение.

РЕЗЮМЕ

Махди Мохамед Рамдан. Радиометрия эксхаляции радона из строительных материалов.

Ключевые слова:электростатическое концентрирование ионов ДПР радона, радиометр эксхаляции радона, эффективность сбора ионов ДПР радона, скорость эксхаляции.

Исследована возможность применения метода электростатического концентрирования ионов ДПР радона для создания радиометра эксхаляции радона кз строительных материалов и изделий. Предложены методика и результаты теоретического анализа эффективности сбора ионов ДПР в электрических полях, оценка влияния на нее влажности, давления воздуха, концентрации отрицательных ионов и параметров камеры сбора. Представлены результаты экспериментальных исследований основных характеристик радиометра эксхаляции радона и проведены измерения скорости эксхаляции г2гЯп и 220й1 из проб строительных материалов и изделий.

РЭЗШЭ

Махдз! Махамед Рамдан. Радыяметрыя эксхаляцы1 радону з будау-н1чых матэрыялау.

Юшчавьм слови: электрастатычнае канцэнтраванне 1она/ ДПР радону, радыеметр зксхаляцы! радону, эффектыунасць збору 1онау ДПР радону, хуткасцЬ зкехаляцы1.

Даследавана магчымасць ужывання метада электрастатычнага кан-цзнтравання 1онау ДПР радону для стварэння радыеметра эксхаляцы1 радону з будаун1чых матэрыялау 1 вырабау. Прапанаваны методыка 1 рэзультаты тэарэтычнага анал!зу эффектыунасц1 збору 1онау ДПР у электрычных палях, ацэнка уплыву на яе в!льготнасц1, ц1ску павет- . ра, канцэнтрацы! адмоуных 1онау 1 параметрау камеры збору. Пры-ведзены вын1к! экспериментальных даследаванняу асноуных характа-рыстык радыеметра эксхаляцы1 радону 1 праведзены вымярэнн! хут-касц1 эксхаляцы1 222Ип и 220Й1 з проб будаун!чых матэрыялау 1 вырабау.

ABSTRACT

Mahdi Mohamed Ramdan. The radon exhalation radlometry from building materials.

Keywords: electrostatic concentrating of the radon progeny ions, radon exhalation radiometer, radon daughters ions collection efficiency, exhalation rate.

The possibility of the using the electrostatic concentrating method of the radon progeny ions for creation of the radon exhalation radiometer from building materials and products is explored. The technique and theoretical analisis resuts of the radon daughters ions collection efficiency in electric fields, the estimation of influence on it the following factors: humidity, air pressure, the negative ions concentraition and characteristics of the collection chamber are proposed. The experimental exploration results of basic characteristics of the radon exhalation radiometer are presented and the exhalation rate measurements of 222Rn and'220Rn from the sample of building materials and products.