Методическое пособие по радиометрическим и радиоэкологическим методам

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Серго Орджоникидзе

А.В.Карпов, А.И.Посеренин

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ПО РАДИОМЕТРИЧЕСКИМ И РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКИМ МЕТОДАМ

«Допущено учебно-методическим объединением в области прикладной геологии в качестве учебного пособия для студентов высших заведений, обучающихся по специальности 130201 «Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых» направления 130200 «Технологии геологической разведки» (решение № 15-14-УМО/41 2008 г.)».

Москва 2008 г.

УДК 550.83 Методическое пособие по радиометрическим и радиоэкологическим методам. Карпов А.В., Посеренин А.И. Учебное пособие. – М.: РГГРУ, 2008. – 134 с. Пособие предназначено для студентов геологического и геофизического факультетов, проходящих учебную практику на Сергиево-Посадском полигоне. Оно является дополнением лекционных курсов по «Радиометрии» и «Радиоэкологии» и может использоваться в качестве дополнительной литературы. Пособие включает в себя два основных раздела, в которых описываются радиометрические и радиоэкологические методы. В пособии приведены краткие физические и геологические основы методов, описана аппаратура, применяемая в этих методах, приемы ее настройки, а также методика проведения измерений и обработка результатов измерений.

Р е ц е н з е н т – канд. техн. наук И.А. Крампит

Карпов А.В., Посеренин А.И. Российский Государственный Геологоразведочный Университет имени Серго Орджоникидзе, 2008.

Оглавление Введение .................................................................................................................................... 4

Раздел I. Радиометрические методы ............................................................................. 6 Глава 1. Пешеходная гамма-съемка .................................................................................... 6 1.1. Геологические и физические основы метода ............................................................. 8 1.2. Аппаратура для проведения пешеходной гамма-съемки............................................... 12 1.3. Методика проведения работ пешеходной гамма-съемки ........................................ 20 1.4. Результаты проведения пешеходной гамма-съемки ................................................ 22 Глава 2. Спектрометрическая гамма-съемка .................................................................. 24 2.1. Геологические и физические основы метода ........................................................... 25 2.2. Аппаратура для проведения спектрометрической гамма-съемки .......................... 28 2.3. Методика проведения работ спектрометрической гамма-съемки ................................. 47 2.4. Результаты проведения спектрометрической гамма-съемки ......................................... 49 Глава 3. Эманационная съемка .......................................................................................... 50 3.1. Геологические и физические основы метода ........................................................... 53 3.2. Аппаратура для проведения эманационной съемки ................................................ 55 3.3. Методика проведения работ с радиометром РГА-01 ..................................................... 59 2.4. Результаты проведения эманационной съемки ........................................................ 61

Раздел II. Радиоэкологические методы ..................................................................... 61 Глава 4. Плотность потока радона ..................................................................................... 61 4.1. Радон и его дочерние продукты распада....................................................................... 62 4.2. Оценка радоноопасности территории ....................................................................... 64 4.3. Источники радона .......................................................................................................... 67 4.4. Влияние радона на организм человека .......................................................................... 77 4.5. Нормирование основных радоновых величин............................................................... 80 4.6. Аппаратура для определения плотности потока радона ................................................ 82 4.7. Методика проведения работ с радиометром РРА-01М-03 ............................................ 93 4.8. Результаты измерений плотности потока радона .......................................................... 96 Глава 5. Поле аэроионов....................................................................................................... 97 5.1. Физические основы и основные характеристики аэроионов ..................................... 97 5.2. Естественные источники аэроионов ........................................................................ 104 5.3. Искусственная аэроионизация в помещениях ........................................................ 113 5.4. Процессы, вызывающие уничтожение аэроионов.................................................... 115 5.5. Воздействие аэроионов на человека ........................................................................ 117 5.6. Нормирование параметров аэроионов..................................................................... 119 5.7. Аппаратура для измерения аэроионов ......................................................................... 123 5.8. Методика проведения работ с МАС-01 ....................................................................... 132 5.9. Результаты измерения аэроионов ............................................................................ 132 Литература ............................................................................................................................ 134

3

Введение Методическое пособие предназначено для студентов геологического и геофизического

факультетов,

проходящих

практику

на

Сергиево-

Посадском учебном полигоне. Пособие состоит двух разделов, в которых описываются основные радиометрические и радиоэкологические методы. Первый раздел состоит из трѐх глав: пешеходная гамма-съемка, спектрометрическая гамма-съемка и эманационная съемка. В каждой главе описана сущность метода, геологические и физические основы, применяемая аппаратура, методика проведения работ, обработка данных. Во втором разделе приводятся данные по полю аэроионов и плотности потока радона. В каждой главе описаны геологические и физические основы, источники аэроионов и радона, применяемая аппаратура, методика проведения работ, обработка данных, а также рассмотрены вопросы, связанные с влиянием аэроионов и радона на организм человека и нормированием параметров аэроионов и радоновых величин. Поскольку студенты впервые знакомятся с геофизической аппаратурой, в данном пособии подробно описано ее устройство, принцип работы, настройка, проверка стабильности работы оборудования, а также последовательность проведения измерений. Методика проведения работ написана, исходя из особенностей радиометрического планшета, на котором проводится практика. Радиометрический планшет представляет собой залесенный участок площадью 7000 м2 с аномалиями, созданными из отходов гидрометаллургического завода. На планшете разбита сеть, состоящая из 12 профилей по 20 пикетов на каждом профиле. Расстояние между профилями и пикетами 5 м. Пособие позволяет не только познакомится с основами радиометрических и радиоэкологических методов, аппаратурой и методикой проведения работ, но и поможет студентам в составлении отчета по практике, направленной на закрепление теоретического материала, полученного в курсе 4

«Радиометрия», а в дальнейшем будет полезным при изучении курса «Радиоэкология».

5

Раздел I. Радиометрические методы Глава 1. Пешеходная гамма-съемка Пешеходная гамма-съѐмка – один из основных поисковых и разведочных методов радиометрических исследований. Она широко применяется на всех стадиях и подстадиях геологоразведочного процесса для поисков и разведки радиоактивных руд и парагенитически или пространственно связанных с ними нерадиоактивных полезных ископаемых (Nb, Ta, TR, V, Mo, Au, Sn, W, Hg, бокситы, фосфориты) в условиях развития открытых и в том числе слабо проявленных, ореолов. Теоретической основой гамма-съемки являются расчеты γ-полей для оценки амплитуды и площадных размеров γ-аномалий над излучающими геологическими объектами различной формы. Наиболее благоприятными для проведения пешеходной гамма-съемки являются районы с хорошей обнаженностью коренных пород и площади, закрытые элювиально-делювиальными отложениями небольшой мощности, в пределах которых можно ожидать открытые ореолы рассеяния. Такими районами являются горные районы с резко расчлененным рельефом и хорошо развитой современной гидросетью. Участки, закрытые наносами мощностью более 2-3 м, в пределах которых отсутствуют открытые ореолы рассеяния, а если они и выходят на поверхность, то сильно ослаблены, являются неблагоприятными для постановки пешеходной гамма-съемки по поверхности. Неэффективна пешеходная гамма-съемка и в районах, закрытых дальнеприносными отложениями мощностью более 0,5-0,7 м. При проведении работ измеряется интенсивность -излучения пород и руд переносными радиометрами на поверхности земли, в закопушках и шпурах и выделяются аномальные по интенсивности излучения участки. Измерения производятся по маршрутам, прокладываемым вкрест простирания пород и структур по предварительно разбитым на местности профилям. Глубинность пешеходной гамма-съемки составляет 0,5-0,7 м. 6

Применяются различные модификации наземных гамма-методов: поверхностная пешеходная гамма-съемка, автогамма-съемка, шпуровая гаммасъемка, глубинная гамма-съемка. Поверхностная гамма-съемка занимает ведущее место среди остальных модификаций. В зависимости от геологической изученности и природных условий района работ проводятся различные (по масштабам) виды поверхностной пешеходной гамма-съемки: маршрутные и рекогносцировочные поиски, площадные съемки и разведка поверхностей рудопроявлений и месторождений урана. Работа при поверхностной пешеходной гамма-съемке состоит в непрерывном и тщательном прослушивании -активности пород в телефон на слух и в измерении величины гамма-поля в фиксированных точках наблюдения. Съемки масштаба 1:50000 проводят с целью уточнения геологической основы района, изучения радиоактивности слагающих пород и предварительной оценки площади для опоискования ее гамма-методом. Гамма-съемку масштаба 1:10000 проводят в районах выявленных аномалий с целью оконтуривания рудных тел и изучения распространения радиоактивных проявлений по площади. Гамма-съемку масштаба 1:5000 и крупнее выполняют с целью картирования отдельных рудных тел и качественной оценки их радиоактивности. Автогамма-съемка представляет собой скоростную наземную гаммасъемку, выполняемую автоматически во время движения автомобиля с автогамма-спектрометром (АГС-3, АГС-4). Наиболее благоприятные для применения автогамма-съемки равнинные или холмистые незаболоченные или слабозалесенные территории с углом наклона до 15 , где развиты открытые вторичные ореолы рассеяния. Масштабы площадной автогамма-съемки изменяются от 1:2000 до 1:10000 при расстояниях между профилями соответственно от 20 до 100 м. Съемку проводят по правильной сети профилей длиной 1-4 км. Для привязки концов профилей по местности прокладывают одну или две базисные магистрали. Скорость движения автомобиля не превышает 12-15 км/ч при съемке и 3-4 км при детализации аномалий. Проверка выявленных аномалий проводится с помощью пешеходной гамма-съемки масштаба 1:2000. К основ7

ным достоинствам автогамма-съемки можно отнести высокую производительность по большим площадям и небольшую стоимость работ. Шпуровую гамма-съемку проводят на перспективных территориях, покрытых наносами, мощностью до 1,5-2 м, где ореолы рассеяния в верхней части рыхлых отложений сильно ослаблены или совсем отсутствуют. Съемку проводят в шпурах (бурках) глубиной до 1м. Шпуры, как правило, проходятся вручную. Глубинность исследований по сравнению с поверхностной гаммасъемкой увеличивается только на длину шпура. Мощность дозы -излучения тщательно измеряют на забое шпура. В случае отсчета на забое измерения проводят по всему шпуру через 10-20см. Активность рыхлых отложений между шпурами прослушивают через телефон. К основным недостаткам можно отнести трудоемкость, низкую производительность и высокую стоимость работ. Глубинная гамма-съемка основана на измерении γ-излучения в глубоких шпурах (0,8-1 м) и мелких скважинах (до 25 м), пробуренных в пунктах поисковой сети по рыхлым отложениям. Объект изучения – погребенные вторичные и первичные ореолы рассеяния радионуклидов Минимальная глубина проходки шпуров и скважин определяется глубиной залегания представительного горизонта. Глубинной гамма-съемкой выявляют аномалии в коренных породах, коре выветривания.

1.1. Геологические и физические основы метода Первичным объектом поисков месторождений урана являются ореолы рассеяния рудных тел. Размеры ореолов рассеяния, как правило, больше размеров выходов рудных тел, что облегчает их обнаружение с поверхности. Регистрируемая радиометром интенсивность γ-излучения нормального фона в любой точке земной поверхности (Iн.ф.) состоит из интенсивности γизлучения окружающих пород (Iо.п.), интенсивности космического излуче-

8

ния (Iк.и.) и излучения, создаваемого за счет «загрязненности» прибора (собственный фон прибора) (Iф.п.), т.е. I н.ф.

I о.п. I к.и. I ф.п.

(1)

Показания прибора, вызываемые космическим излучением и «загрязненностью» прибора, называются натуральным фоном или фоновым излучением (Iф.и..= Iк.и.+Iф.п). Чтобы узнать интенсивность γ-излучения радиоактивных элементов, находящихся в породе, необходимо из показания прибора в данной точке вычесть фоновое значение: I о.п.

I н.ф. I ф.и.

(2)

Фоновое значение можно определить следующим образом: 1) над водоемом (река, озеро) глубиной не менее 2 м примерно в 20 м от берега, на котором отсутствуют скальные обнажения коренных пород. В этом случае слой воды поглотит γ-излучение, идущее со дна водоема, и прибор зафиксирует фоновое излучение; 2) на высоте 600-800 м. Этот способ применяется при аэрогаммасъемке; 3) с помощью цилиндрического свинцового экрана, одеваемого на гильзу радиометра. В этом случае производят два измерения. Одно измерение – без экрана (Iн.ф.) (берут среднее из нескольких измерений на одной и той же точке). Затем гильзу помещают в цилиндрический свинцовый экран длиной 10-15 см и толщиной 1,5-2,5 см и производят второе измерение (I'н.ф.) (экран делают из листового свинца). Показания прибора уменьшатся за счет поглощения свинцом γ-излучения окружающих пород. Величина Iф.п. (собственный фон) останется без изменения. Составляющая Iк.и. практически останется величиной постоянной, так как свинцовый экран тол-

9

щиной 1,5-2,5 см не может поглотить жесткую составляющую космического излучения. Тогда I 'н.ф.

I о.п. e

эф d

I к.и. I ф.п.

(3)

Вычтем из выражения (1) выражение (3), получим I н.ф. I 'н.ф. I о.п. (1 e

эф d

)

(4)

отсюда

I о.п.

I н.ф. I 'н.ф. 1 e

эф d

I н.ф. 1 e

эф d

(5)

где I - разность показаний прибора при измерении без экрана и с экраном;

эф.

– эффективный коэффициент поглощения γ-излучения свинцом;

d – толщина свинцового экрана (см). Подставим значение Iо.п. в выражение (1) и определим величину фонового излучения

Iф.и.

I к.и. Iф.п.

I н.ф. 1 e

I н.ф. эф

d

(6)

Эффективность обнаружения радиоактивных руд с помощью гаммасъемки зависит не только от интенсивности гамма-излучения разведываемых пород, но и от уровня нормального фона. Уровень нормального фона обусловлен γ-излучением пород с кларковым содержанием в них радиоэлементов. Так как содержание радиоактивных элементов может быть самым различным, то и нормальный радиационный фон будет различным. Даже в пределах одной и той же петрографической разности пород величина нормального фона на разных участках будет разной, что объясняется весьма неравномерным распределением радиоактивных элементов в горных породах. Нормальный фон пород колеблется обычно в пределах от 10

единиц мкр/ч до 20 мкр/ч, редко достигая 30 - 50 мкр/ч. Наиболее низкие его значения для осадочных пород фиксируются на болотных отложениях (до 5 мкр/ч), отложениях каменной соли (до 3 мкр/ч) и на карбонатных породах (до 10 мкр/ч). Наибольшие значении гамма-активности характерны для глин и нескольких типов сланцев (до 20 мкр/ч). Низким значениями гамма-активности среди изверженных пород характеризуются ультраосновные и основные породы, а повышенными – гранитоиды и пегматиты (до 50 мкр/ч). Правильная оценка нормального фона в районе работ позволяет установить нижний предел выделяемой аномалии: чем больше значение нормального фона и его колебания, тем труднее выделять участки с низкой интенсивностью γ-излучения. При пешеходной гамма-съемке нижний предел аномальной гаммаактивности (Iаmin) оценивается по величине нормального фона (Iн.ф.) с учетом колебаний этой величины (

н.ф.)

по формуле:

I amin

Iн.ф. 3

н.ф.

(7)

Для оценки значения нормального гамма-поля проводят измерения в 50 - 100 точках интенсивности излучения на достаточно представительной площади. За значение интенсивности, соответствующее нормальному фону, принимают среднее из полученных результатов без учета заведомо аномальных значений N

I н.ф.

i 1

I н.ф. N

(8)

где N – число точек измерения. За флюктуацию нормального гамма-поля принимают отклонение отдельного измерения величины нормального поля от его среднего значения. Флюктуация нормального фона рассчитывается по формуле: 11

N н.ф.

i 1

( I н.ф.i I н.ф. )2 N 1

(9)

1.2. Аппаратура для проведения пешеходной гамма-съемки Сцинтилляционный радиометр полевой СРП-68-01 Для регистрации -квантов при пешеходной гамма-съемке применяются наиболее чувствительные радиометры со сцинтилляционными счетчиками - СРП-68-01 (рис. 1). Прибор сцинтилляционный геологоразведочный СРП-68-01 предназначен для поиска радиоактивных руд по их гаммаизлучению и для радиометрической съемки местности, а также для радиометрического опробования карьеров и горных выработок. Информация выдается в виде показаний стрелочного индикатора и цифрового индикатора. Приборы СРП-68-01 позволяют проводить измерение потока гаммаизлучения в пределах от 0 до 10000 с-1 и мощности экспозиционной дозы гамма-излучения в пределах от 0 до 3000 мкР/ч. Схемы радиометра СРП-68-01 выполнены на микромодулях. В качестве сцинтилляционного счетчика (рис. 2) использован кристалл NaI в сочетании с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Принцип работы сцинтилляционного счетчика следующий. При попадании -кванта в кристаллсцинтиллятор происходит возбуждение атомов и молекул вдоль траектории движения -кванта. Возбужденные атомы, живущие короткое время, переходят в основное состояние, испуская электромагнитное излучение. У ряда прозрачных веществ (люминофоров)1 часть спектра этого излучения приходится на световую область. Прохождение -кванта через такое вещество вызывает вспышку света. Для увеличения выхода света и уменьшения его поглощения в люминофоре в последний добавляют активаторы. Вид 1

Люминофоры - неорганические или органические кристаллы, жидкие или газообразные сцинтилляторы.

12

активатора указан в скобках после обозначения люминофора. Так кристалл NaI, активированный таллием, обозначают NaI(Tl). 6

C

-1

мкР/ч

1

2

100 300 1т 3т 10т

3т 1т 300 100 30 Выкл Бат 2.5 5 5В

Контр.

3

7

5

4

8

Рис. 1. Внешний вид радиометра СРП–68–01: 1 – стрелочный индикатор; 2 – разъем для подключения гильзы; 3 – разъем для подключения наушников; 4 – лицевая панель радиометра; 5 – режимный переключатель; 6 – переключатель пределов измерения; 7 – кнопка «Контр»; 8 – блок детектирования (гильза)

Рис. 2. Схема сцинтилляционного детектора: 1 – люминофор (сцинтиллятор); 2 – корпус ФЭУ; 3 – катод; 4 - 8 – диноды; 9 - анод 13

Итак, попадание -кванта в люминофор вызывает световую вспышку – сцинтилляцию, в результате которой образуются фотоны. Фотоны, поступающие из люминофора на фотокатод2, выбивают из последнего несколько десятков или сотен электронов. Электроны, фокусируясь и ускоряясь электрическим полем, бомбардируют первый динод3. Потенциал каждого последующего динода на некоторую величину (10 В) превышает потенциал предыдущего, что обеспечивает ускорение электронов между ними. За счет вторичной эмиссии и наличия ряда динодов в фотоэлектронном умножителе возникает лавинообразно увеличивающийся поток электронов. В результате на аноде собирается в 105-1010 раз больше электронов, чем было выбито из фотокатода, а в цепи возникает электрический ток. Конструктивно радиометр выполнен в виде двух блоков: гильзы и пульта (рис. 3). В гильзе помещен сцинтилляционный счетчик, преобразователь низкого постоянного напряжения (5-8 В) в постоянное высокое напряжение (1200 В), необходимое для нормальной работы детектора, и согласующий каскад. В пульте помещается усилитель, дискриминатор, формирующий каскад (нормализатор), накопительная ячейка, стрелочный индикатор и источник питания - батарея.

Рис. 3. Блок-схема сцинтилляционного радиометра: 1 – сцинтилляционный

счетчик;

2 – преобразователь напряжения; 3 – согласующий каскад; 4 – усилитель; 5 – дискриминатор; 6 – формирующий каскад; 7 – накопительная ячейка; 8 – блок питания 2 3

Фотокатод – устройство, из которого под действием света вылетает электрон Динод – специальная пластина, у которой коэффициент вторичной эмиссии больше единицы

14

Принцип работы радиометра следующий. Гамма-кванты преобразуются сцинтилляционный счетчиком в электрические импульсы, которые через согласующий каскад подаются в пульт на усилитель. После усиления до достаточной амплитуды импульсы подаются на дискриминатор, который отсекает импульсы малой амплитуды, обусловленные помехами преобразователя напряжения и импульсами детектора, не связанными с воздействием гамма-излучений на него. Прошедшие через дискриминатор импульсы нормализуются формирующим каскадом, т. е. делаются все одинаковыми по форме с тем, чтобы каждый импульс вносил в накопительную ячейку строго определенное количество электричества. В результате этого на накопительной ячейке создается напряжение, пропорциональное скорости поступления на нее импульсов, а, следовательно, и интенсивности регистрируемого гамма-излучения. Это напряжение измеряется стрелочным индикатором. Особенности работы с радиометром следующие. Включаем радиометр режимным переключателем, проверяем напряжение питания и наличие стабилизированного напряжения. Для этого переводим режимный переключатель последовательно в положения «Бат», «5В». В положении «Бат.» вся шкала измерительного прибора рассчитана на 15 В, и показания его должны быть не менее 8-15 В. В положении «5 В» вся шкала рассчитана на 10 В, а показания прибора должны быть в районе цифры 5. Если батареи питания имеют недостаточное напряжение, то стабилизированное напряжение будет равно нулю, и радиометр не будет работать. В СРП-68-01 не предусмотрена регулировка рабочего напряжения, однако предусмотрен контроль нормальной работы. ФЭУ. Для этого радиоактивный источник (рабочий эталон, входящий в комплект радиометра) прикладывают к гильзе, с помощью переключателя пределов измерения устанавливают поддиапазон, соответствующий максимальному в пределах шкалы отклонению стрелки измерительного прибора, записывают показания прибора. Затем убирают радиоактивный источник и контролируют уровень фона в месте 15

проведения измерения. Показание при установленном источнике за вычетом фона должно соответствовать указанному в паспорте на прибор. После этого вновь прикладывают контрольный источник к гильзе, и после успокоения стрелки нажимают кнопку «Контр» на пульте прибора. При исправно работающем детекторе показания не должны уменьшаться более чем на 10%. Измерения радиоактивности СРП-68-01 производятся в положении режимного переключателя «2,5» (τ = 2,5 с) или «5» (τ = 5 с). Сцинтилляционный радиометр полевой СРП-88Н Прибор геологоразведочный сцинтилляционный СРП-88Н представляет собой переносной радиометр для регистрации гамма-излучения. Прибор состоит из блока детектирования, преобразующего кванты гамма-излучения в электрические импульсы, и пульта Амплитудный отбор импульсов с последующей их нормализацией по амплитуде и длительности производится в блоке детектирования. Связь между блоком детектирования и пультом - однопроводная. Вывод визуальной информации осуществляется в пульте на четырехразрядный жидкокристаллический цифровой индикатор и на стрелочный индикатор аналогового интенсиметра. Кроме того, имеется звуковая мониторная и пороговая сигнализация (рис. 4). Конструктивно прибор состоит из двух блоков - пульта и блока детектирования. Пульт прибора и блок детектирования соединены кабелем через разъем. Блок детектирования содержит фотоумножитель типа ФЭУ-85 с кристаллом NaI(Tl) размером 25x40 мм. Резистивный делитель ФЭУ смонтирован на панели. Электрическая часть блока детектирования

со-

стоит из трех узлов, размещенных на отдельных платах и трансформатора. Пульт прибора СРП-88Н состоит из комбинированного устройства индикации УИК-01Н и низковольтного узла питания, механически соединенных винтами, а электрически - через разъем ПИТАНИЕ. Органы управления и индикации выведены на единую лицевую панель. В нижней части 16

корпуса пульта (на крышке) имеются резьбовые отверстия для установки скоб, которые позволяют закреплять пульт на шейном ремне. На боковой поверхности пульта имеется разъем БД для подсоединения блока детектирования. Блок детектирования выполнен в виде гильзы диаметром 40 мм, длиной 400 мм, внутри которой на шасси установлены электронные блоки, узел включения ФЭУ и втулка с герметично заделанным кабелем. Сцинтиллятор и ФЭУ-85 соединены эластичной манжетой и установлены в панель узла детектирования. Для амортизации и центрирования детектора в гильзе на конце детектора установлен специальный вкладыш. В узле включения ФЭУ имеется пружинный компенсатор. В качестве кабеля используется стандартный телефонный шнур. 1

т. изм.

ба

0

8

2 4

СРП-88

2

вы к л

порог х 10 30 200 5

1 3

100 0

300

3

0.3

0

10

5

-1

10

0.1

Ax10

-1 диапазон С х 1000

4

6

Рис. 4. Внешний вид радиометра СРП-88Н: 1 – цифровой индикатор; 2 - переключатель «ПОРОГ»; 3 – переключатель «ДИАПАЗОН»; 4 – стрелочный индикатор; 5 – лицевая панель радиометра; 6 – блок детектирования (гильза)

17

Для подготовки прибора СРП-88Н к работе необходимо провести следующие операции. Установить органы управления на устройстве индикации УИК-01Н в исходное положение: переключатель ПОРОГ – в положение «ВЫКЛ», переключатель ДИАПАЗОН – в положение «1». Установить в батарейный отсек элементы питания и подключить его в разъем ПИТАНИЕ устройства индикации. Подключить блок детектирования к разъему БД пульта. Включить прибор, установив переключатель ПОРОГ в положение «БАТ», при этом стрелочный индикатор показывает напряжение батарей. Средняя отметка шкалы индикатора соответствует напряжению 3,5 В. При величине напряжения свыше 3,5 В элементы питания пригодны для работы. При напряжении менее 3,5 В элементы питания необходимо сменить. Установить переключатель ПОРОГ в положение «0» и приблизить блок детектирования кристаллом к месту расположения контрольного источника в пульте. При этом стрелка индикатора должна отклониться, на табло должны индицироваться показания и должны прослушиваться щелчки звукового сигнализатора, частота которых увеличивается при приближении кристалла к месту расположения контрольного источника. Установить переключатели ПОРОГ в положение «ИЗМ» и ДИАПАЗОН - в положение «0,3», через 1 мин после включения прибора приставить торец блока детектирования (без резинового колпачка) вплотную к месту расположения контрольного источника, совместив блок детектирования с окружностью на пульте. Зафиксировать не менее трех показаний цифрового табло и вычислить среднеарифметическое значение Ризм. Отвести торец блока детектирования от места расположения контрольного источника на расстояние не менее 0,5 м, зафиксировать не менее трех показаний цифрового табло и вычислить среднеарифметическое значение Рф. Определить действительное значение показаний Pg, с-1, от контрольного источника по формуле:

18

Рg

Ризм Рф К

где К - коэффициент, учитывающий изменение активности источника во времени. Особенности работы с радиометром следующие. При работе с прибором СРП-88Н в режиме поиска изменение интенсивности потока гаммаизлучения необходимо отслеживать по стрелочному индикатору, для чего переключатель ДИАПАЗОН устанавливаем в положение, при котором стрелка индикатора колеблется в пределах от одной третьей до конечного значения шкалы. Для более точных измерений в режиме поиска и при радиометрической съемке местности показания прибора СРП-88Н считываются с цифрового табло. Экспозиция в положениях переключателя ДИАПАЗОН «0,1» и «0,3.» равна 10 с, а в положениях от «1» до «30» - 1 с. Для снижения статистической погрешности замера следует, по возможности, использовать экспозицию 10 с. При этом, максимальная измеряемая величина потока гамма-излучения при экспозиции 10 с не должна превышать 9000 с-1. Необходимый порог звуковой сигнализации величиной 0,2, 0,4 или 0,8 максимального значения установленного поддиапазона может быть установлен переключателем ПОРОГ (соответственно положения «2», «4» и «8» переключателя). В положении «ИЗМ» переключателя ПОРОГ звуковая сигнализация отключена, а в положении «0» осуществляется мониторный режим, то есть сигнализация работает в режиме звуковой индикации интенсивности регистрируемого излучения. Для представления информации в единицах мощности экспозиционной дозы (мкР/ч) достаточно показания цифрового табло разделить на значение чувствительности блока детектирования, указанное в паспорте (3881 с-1 м2 мг-1), и умножить полученное значение на 1000.

19

1.3. Методика проведения работ пешеходной гамма-съемки Методика проведения работ с радиометром СРП-68-01 Получив радиометр СРП-68-01, подготавливаем его к работе (проверяем питание, стабилизационное напряжение, делаем контроль работы ФЭУ (методику см. выше)). Проверив прибор и убедившись в его работоспособности, переходим в район работ. Измерения на каждой точке производятся следующим образом. Переключатель пределов измерения переводим в положение, соответствующее требуемому пределу. Для приборов СРП-68-01 используются пределы, выраженные в мкР/ч. Предел измерения следует выбирать так, чтобы показания прибора были не менее 30% полной шкалы. В зависимости от величины измеряемой мощности дозы или плотности потока гамма-излучения с помощью переключателя рода работ устанавливаем постоянную времени измерения 2,5 или 5 с. При постоянной времени 5 с величина статических флуктуаций снижается, то есть повышается точность отсчета, однако вместе с этим повышается инерционность прибора. Опускаем гильзу с детектором на расстояние 5-10 см от точки измерения, по показанию стрелочного индикатора снимаем отсчет и записываем его в полевой журнал. После этого передвигаемся к следующей точке, при этом гильзу с детектором стараемся держать на прежнем расстоянии и постоянно смотрим на показания стрелочного индикатора, чтобы не пропустить аномалию, расположенную между пикетами. При обнаружении аномалии проводится ее детализация. Для этого в восьми направлениях выполняются измерения. По каждому направлению проводим пять измерений с шагом 20 см. При этом в полевом журнале около каждой точки записываем значение мощности экспозиционной дозы в мкР/ч (рис.5).

20

480

420 410

410 340

380 320

320 380

420 380

440 630 410

380

400

380

360

320

520 440

340

560

360

210

160

90

0.2 м

420 500 200 400

110

0.

2

290

м

320

200

210

170

60 40

140

120

Рис. 5. Схема проведения детализации аномалии пешеходной гамма-съемки

Методика проведения работ с радиометром СРП-88Н Получив радиометр СРП-88Н, подготавливаем его к работе (проверяем питание, определяем показания прибора от контрольного источника (методику см. выше)). Проверив прибор и убедившись в его работоспособности, переходим в район работ. Измерения на каждой точке производятся следующим образом. Переключатель ДИАПАЗОН установить в положение «0,1», а переключатель ПОРОГ в положение «ИЗМ». Опускаем гильзу с детектором на расстояние 5-10 см от точки измерения, по показанию цифрового индикатора снимаем отсчет и записываем его в полевой журнал. Для перевода показаний цифрового индикатора в единицы мощности экспозиционной дозы (мкР/ч), как уже говорилось выше, необходимо показание цифрового табло разделить на значение чувствительности блока детектирования (3881 с-1 м2 мг-1) и умножить полученное значение на 1000, но для упрощения достаточно показания цифрового табло разделить на 4. После этого передвигаемся к следующей точке, при этом гильзу с детектором стараемся держать на прежнем расстоянии и постоянно следим за по21

казаниями прибора, чтобы не пропустить аномалию, расположенную между пикетами. При обнаружении аномалии проводится ее детализация. Проведение детализации аномалии с радиометром СРП-88Н аналогично детализации аномалии с радиометром СРП-68-01.

1.4. Результаты проведения пешеходной гамма-съемки По результатам проведения пешеходной гамма-съемки строится карта графиков (рис. 6), приводятся результаты детализации аномалий (рис. 7), выявленных во время проведения работ и рассчитывается значение Iаmin. 40 30 20 10 0

I,мкР/ч Профиль 9

40 30 20 10 0 40 30 20 10 0

Профиль 8

276 Профиль 7

40 30 20 10 0

2500 60

40 30 20 10 0

470

Профиль 6

Профиль 5

200

40

Профиль 4

30 20 10 450

40 30 20 10 0

440

60 90

Профиль 3

40 30 20 10 0

580 180 290 110 210 42

Профиль 2

130 125 140

40 30 20 10 0

Профиль 1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20 ПК

масштаб вертикальный в 1 см 20 мкР/ч горизонтальный 1:700

Рис.6. Карта графиков пешеходной гамма-съемки 22

480

420 410

410 340

380 320

320 380

420 380

440 630 410

380

400

380

360

320

520 440

340

560

360

210

160

90

420 500

320 290 200

200 400

110

210

60

170

40 140

120

Сечений изолиний 50 мкР/ч Масштаб: 1:20 Рис.7. Результаты детализации аномалии пешеходной гамма-съемки

Контрольные вопросы 1. Сущность пешеходной гамма-съемки и условия ее применимости. 2. Задачи, решаемые с помощью пешеходной гамма-съемки. 3. Модификации наземной пешеходной гамма-съемки. 4. Принцип работы сцинтилляционного детектора. 5. Понятие нормального и натурального фона. 6. Способы определения фонового значения. 7. Определение нижнего предела (Iаmin) пешеходной гамма-съемки. 8. Особенности работы с радиометром СРП-68-01. 9. Методика проведения работ пешеходной гамма-съемки.

23

Глава 2. Спектрометрическая гамма-съемка Под спектрометрической гамма-съемкой понимают гамма-метод, основанный на регистрации -излучения в одном или нескольких интервалах энергетического спектра. Раздельное определение U(Ra), Th, K в горных породах и рудах позволяет получить количественные радиогеохимические критерии оценки радиометрических аномалий с целью выделения потенциально ураноносных площадей и локальных зон, перспективных для открытия месторождений радиоактивных руд. Известно, что основными -излучателями в семействе урана являются продукты распада радия (RaB, RaC и RaC'). Важной особенностью этого семейства является то, что на долю продуктов распада урана, расположенных до радия (группа урана), приходится всего лишь 2% от общего излучения ряда, а остальные 98% -излучения приходятся на долю продуктов распада радия (группа радия). Вследствие этого при нарушении в горных породах радиоактивного равновесия между ураном и радием, приводящего к недостатку радия, -активность горных пород резко снижается, и, наоборот, породы, обогащенные солями радия или радоном, даже при отсутствии в них урана являются -активными. При проведении спектрометрических работ чаще всего сталкиваются с оценкой состояния радиоактивного равновесия между ураном и радием, поэтому определение количественных соотношений между ураном и радием является важным элементом работ. Состояние радиоактивного равновесия между ураном и радием определяется коэффициентом радиоактивного равновесия Крр, определяемым из выражения

К рр

СRa СU 3,4 10

7

(10)

где СRа и СU – соответственно концентрации радия и урана в руде в г на 1 г руды или в весовых процентах; 3,4 10-7 – отношение количества радия и 24

урана в состоянии радиоактивного равновесия; СU 3,4 10-7 – количество радия, которое должно было быть в единице массы руды, содержащей СU, при условии радиоактивного равновесия между ураном и радием. Если Крр = 1, то равновесие между ураном и радием не нарушено. При Крр > 1, радиоактивное равновесие смещено в сторону избытка радия по сравнению с тем количеством, которое должно было быть в равновесии с имеющимся в руде ураном. Если Крр < 1, то равновесие смещено в сторону недостатка радия. Коэффициент радиоактивного равновесия выражают в процентах. Задачами спектрометрической гамма-съемки являются поиски и разведка радиоактивных руд, а также выявление других металлических и неметаллических полезных ископаемых, парагенетически или пространственно связанных с радиоактивными. Например, на месторождениях редкоземельных элементов, боксита, олова, бериллия наблюдается повышенное содержание тория, на месторождениях ниобия, тантала, вольфрама, молибдена присутствует уран, на некоторых полиметаллических месторождениях много калия-40.

2.1. Геологические и физические основы метода Основная масса радиоактивных элементов заключена в горных породах, особенно в магматических, составляющих свыше 95% всей массы земной коры. Концентрация радиоактивных элементов в магматических породах тем выше, чем больше они содержат SiO2, т.е. чем большей кислотностью они обладают. Из таблицы 1 видно, в породах средней кислотности, а тем более в основных и ультраосновных породах концентрация радиоактивных элементов соответственно уменьшается. Исходя из того, что кора Земли на 2/3 состоит из кислых пород и на 1/3 из основных и ультраосновных, А.П. Виноградов вывел средние содержания (кларки) радиоактивных элементов для земной коры в целом: урана – 3,6 10-4 %, тория - 1,2 10-4 %, калия – 2,5%. 25

Таблица 1 Содержания некоторых радиоактивных элементов в магматических горных породах (по А.П.Виноградову)

Породы Кислые (граниты, гранодиориты, липариты, риалиты) Средние (диориты, андезиты, сиениты) Основные (базальты, габбро, диабазы) Ультраосновные (дуниты, перидотиты, пироксениты)

U 10

-4

Содержание Q, % K Th 10-4

Si

3,5

18

3,34

32,3

1,8

7

2,31

26

0,5

3

0,88

24

0,003

0,005

0,03

19

Осадочные породы составляют 5% объема литосферы и, следовательно, масса заключенного в них урана представляет незначительную долю общей массы его в земной коре. Однако осадочные породы занимают по площади около 3/4 поверхности континентов и в них имеются большие по запасам месторождения урана. Радиоактивность осадочных пород более изменчива, чем радиоактивность магматических пород, так как осадочные породы образовались в результате глубокой переработки в основном магматических пород. При разрушении горных пород уран либо транспортируется с частицами обломочного материала, либо под действием поверхностных или подземных вод переходит в растворы и в форме различных соединений, преимущественно карбонатных, мигрирует в бассейны осадконакопления. Из таблицы 2 видно, среди осадочных пород наиболее радиоактивны сланцы и глины. Радиоактивность песчаников и известняков меньше, но радиоактивность однотипных пород может быть различной. Содержание радиоактивных элементов в осадочных породах в среднем не ниже, чем в магматических. Практически не содержат радиоактивных элементов каменная соль и гипс. Содержание калия в калийных солях (сильвинит, карналит) достигает 25-40%.

26

Таблица 2 Средние содержания урана, тория и калия в осадочных породах

Породы Сланцы и глины Песчаники Известняки Осадки выпаривания (галит, ангидрит, гипс)

U 10 4 3 1,4

-4

Содержание Q, % Th 10-4 11 10 1,8

K 3,2 1,2 0,3

0,4

0,1

0,1

Концентрация радиоактивных элементов в метаморфических породах обычно несколько ниже, чем в магматических. Определение U(Ra), Th и K производится по энергиям 1,76, 2,62 и 1,46 МэВ соответственно. При этом следует иметь ввиду, что в приповерхностном слое горных пород равновесие между U и Ra часто смещено в ту или другую сторону. Между Ra и RaC имеется небольшой более или менее постоянный сдвиг равновесия, обусловленный эманированием и миграцией Rn. Значительные нарушения равновесия между Th и Th'' встречаются довольно редко. Изотоп

40

К всегда находится в постоянном соотношении с

изотопами калия в их естественной смеси. Таким образом, измерив гаммаспектрометрическим методом содержания изотопов RaC, Th'' и 40К, можно с определенной степенью достоверности перейти к содержанию U(Ra), Th и K. По значениям U(Ra), Th и K определяют природу радиоактивности аномалии. Под природой радиоактивности аномалии понимают принадлежность радиоактивных элементов, содержащихся в горных породах, к тому или иному ряду радиоактивных элементов. Различают урановую, ториевую и урано-ториевую (смешанную) природу радиоактивности. Аномалия считается урановой, если QTh/QU<0,1, смешанной – 0,1 QTh/QU 10 и ториевой - QTh/QU>10.

27

2.2. Аппаратура для проведения спектрометрической гаммасъемки Для проведения спектрометрической гамма-съемки используется следующая аппаратура: концентратомер модернизированный полевой РКП305M, радиометрический комплекс для измерения активности альфа-, бета- и гамма-излучающих нуклидов «ПРОГРЕСС-СПЕКТР», установка спектрометрическая СКС-99 «СПУТНИК» и радиометр-спектрометр универсальный РСУ-01 «СИГНАЛ». Рассмотрим состав, принцип работы и методику проведения работ с каждым прибором.

Концентратомер модернизированный полевой РКП-305M Концентратомер модернизированный РКП-305М предназначен для определения содержания (массовой доли) калия, радия (в эквиваленте урана) и тория в горных породах и рудах на всех этапах геологоразведочных работ для непосредственных исследований ореолов рассеяния, обнажений и горных выработок. Принцип работы концентратомера основан на анализе амплитудного распределения электрических импульсов, соответствующих энергиям гамма-квантов излучения калия, радия и тория. Функционально концентратомер разделяется на блок детектирования (БД) и измерительный пульт (ИП). Блок детектирования состоит из детектора, предварительного усилителя и высоковольтного преобразователя для питания ФЭУ. Отличием данного блока детектирования от других блоков более ранних годов выпуска является наличие в нем опорного источника или реперного сигнала (Zn-65), который служит для обеспечения автоматической регулировки усиления БД, что позволяет правильно распознавать амплитудные значения электрических сигналов, соответствующих энергетическим спектрам радионуклидов K, Ra, Th. Измерительный пульт включает в себя следующие узлы: входное устройство, устройство обработки, 28

устройство управления и устройство вывода. Измерительный пульт предназначен для преобразования электрических импульсов в информацию, позволяющую определять концентрацию K, Ra, Th (рис.8). 1

3

2

4

ВКЛ

К

Коррекция

6 Пуск

9

5

Р Т

8

10

Опрос

7

Рис.8. Внешний вид концентратомера РКП-305М: 1 – разъем для подключения блока детектирования; 2 – миллиамперметр; 3 – защитная крышка трехразрядного табло; 4 – трехразрядное табло; 5 – светодиод; 6 – кнопка «ОПРОС; 7 – кнопка «ПУСК»; 8 – потенциометр «КОРРЕКЦИЯ»; 9 – тумблер включения/выключения прибора; 10 – блок детектирования

Гамма-излучение от природных радионуклидов регистрируется сцинтилляционным детектором блока детектирования, состоящим их оптически сочлененного кристалла NaI(Tl) и ФЭУ-139. Сформированные на нагрузке детектора импульсы отрицательной полярности поступают на вход предварительного усилителя, который имеет прямую гальваническую связь с детектором. Амплитуда выходного импульса имеет примерно ту же амплитуду, что и амплитуда входного импульса. Высоковольтный преобразователь служит для питания ФЭУ-139. Устройство обработки предназначено для проведения арифметических операций с информацией по трем измерительным каналам, получаемой во входном устройстве. Необходимость обработки вызвана наложением спектров радионуклидов, влиянием комптон-

29

эффекта и требованием пересчета конечного результата на единицу концентрации. Особенности работы с концентратомером РКП-305М следующие. Подключаем кабель блока детектирования (БД) к измерительному пульту (ИП). Включаем прибор и даем ему прогреться в течение 15-20 мин. Устанавливаем потенциометр «КОРРЕКЦИЯ» в крайнее левое положение, нажимаем кнопку «ПУСК» и, не отпуская ее, контролируем напряжение питания. При этом стрелка индикатора должна находится правее красной риски. Отпускаем кнопку «ПУСК» и наблюдаем ход интервала времени измерения. При этом стрелка индикатора должна совершать колебательные движения с периодом 1 с в течение первых двух третей интервала – в средней части шкалы, в течение последней трети интервала – в левой части шкалы. По окончании интервала времени измерения стрелка индикатора должна остановится в пределах зеленого сектора шкалы. Вводим систему автоматической регулировки усиления (АРУ) в режим слежения, для чего 3 раза нажимаем на кнопку «ОПРОС». На индикаторе высветятся значения каналов K, Ra и Th. Не обращая внимания на показания индикатора, еще дважды нажимаем на кнопку «ОПРОС». При этом через плату управления произойдет подключение системы слежения АРУ к стрелочному индикатору. Плавно вращая потенциометр «КОРРЕКЦИЯ» по часовой стрелке наблюдаем за смещением вправо стрелки индикатора. Момент самопроизвольного смещения стрелки индикатора влево отмечает вход системы АРУ в режим слежения.

Радиометрический комплекс для измерения активности альфа-, бетаи гамма-излучающих нуклидов «ПРОГРЕСС-СПЕКТР» Комплекс «ПРОГРЕСС-СПЕКТР» предназначен для измерения активности радионуклидов в пробах пищевых продуктов, стройматериалов и 30

др. объектов окружающей среды и биологических пробах по их внешнему альфа-, бета- и гамма (рентгеновскому) излучению. Комплекс «ПРОГРЕСС-СПЕКТР» состоит из измерительного пульта, в котором размещено устройство накопления и обработки (УНО) импульсов с встроенным микропроцессором и амплитудным анализатором на базе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на 1024 канала, четырех альтернативно подключаемых измерительных трактов с блоками детектирования для регистрации альфа-, бета-, гамма- излучения (двух типов), блоков свинцовой защиты и блока питания. Сцинтилляционный блок детектирования состоит из сцинтиллятора и фотоумножителя, расположенных в одном корпусе. В состав УНО входят: корпус, преобразователь высокого напряжения, предусилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессор, устройство памяти, устройство индикации, разъемы для подключения блоков детектирования и блоков питания, разъем последовательного порта и клавиатура. На передней панели корпуса расположены: устройство индикации, клавиатура, разъемы для подключения блока детектирования, блока питания и разъем последовательного порта, предназначенный для связи с внешней ПЭВМ, которая используется для проверки комплекса "ПРОГРЕСССПЕКТР" (рис. 9). Комплекс "ПРОГРЕСС-СПЕКТР" может работать с одним из четырех альтернативно подключаемых самостоятельных измерительных трактов с блоками детектирования альфа-, бета- и гамма-(рентгеновского) излучения. После подключения блока детектирования к блоку УНО процессор автоматически определяет тип подключенного детектора и устанавливает требуемое значение высокого напряжения для питания ФЭУ. Время установления высокого напряжения не превышает 1 минуты. Принцип работы комплекса "ПРОГРЕСС-СПЕКТР" основан на преобразовании энергии регистрируемого ионизирующего излучения в электрический импульс. Для гамма- и бета-трактов амплитуда импульса пропор31

циональна энергии, потерянной частицей в чувствительном объеме детектора. Поступивший с детектора сигнал подается на вход линейного усилителя. Десятиразрядный аналого-цифровой преобразователь преобразует сформированный усилителем импульс в цифровой код. Процессор фиксирует факт прихода электрического импульса и увеличивает количество отсчетов в соответствующем цифровому коду канале на единицу. Таким образом, АЦП, процессор и память образуют многоканальный анализатор, ведущий счет электрических импульсов в каналах, соответствующих их амплитудам. 1 Выкл Вкл/Сброс + С БД

ЭВМ

6

5

2

7

Сеть

Уст

4

3

Рис.9. Внешний вид радиометрического комплекса «ПРОГРЕСС-СПЕКТР»: 1 – устройство индикации; 2 – клавиатура; 3 – лицевая панель комплекса; 4 – разъем для подключения сетевого блока; 5 – разъем для подключения к компьютеру; 6 – разъем для подключения блока детектирования; 7 – блок детектирования

При работе с альфа-радиометрическим трактом процессор ведет счет количества пришедших импульсов независимо от их амплитуды. Процессор подает импульс тока постоянной длительности на светодиод, находящийся в оптическом контакте с ФЭУ. После каждого импульса сравнивается полученный в результате обработки импульса числовой код с установленным значением. В зависимости от результата сравнения процессор выдает команду блоку высокого напряжения либо на увеличение, либо на уменьшение высокого напряжения. Соответствие номера канала анализатора энергии ионизирующего излучения устанавливается при помощи контрольного ис32

точника. Источник устанавливается на детектор, после чего проводится измерение спектра. По окончании измерения процессор ищет на спектрограмме пики полного поглощения энергии и строит зависимость номера канала анализатора от энергии, потерянной квантом ионизирующего излучения в детекторе. При работе с гамма- и бета-трактами активность радионуклидов в исследуемой пробе рассчитывается процессором матричным методом. При работе с альфа-радиометрическим трактом активность рассчитывается как отношение скорости счета импульсов к эффективности альфа-тракта. Клавиатура служит для управления комплексом "ПРОГРЕСССПЕКТР" и включает в себя 4 клавиши: (С), ( ), (+) и (-). Клавиша (С) служит для включения комплекса "ПРОГРЕСССПЕКТР" и для перевода его из любого режима работы в исходное состояние (состояние после включения питания). Нажатие клавиши (С) не останавливает набор и не стирает спектрограмму. Назначение клавиш (+), (-) и ( ) зависит от режима работы комплекса "ПРОГРЕСС-СПЕКТР". Клавиши (+) и (-) служат для изменения или выбора предлагаемого процессором варианта, а клавиша ( ) - для сообщения процессору о том, что выбор сделан. Некоторые операции комплекса "ПРОГРЕСС-СПЕКТР" инициируются нажатием двух клавиш. Например, для выключения комплекса "ПРОГРЕСС-СПЕКТР" следует нажать клавишу (+) и, не отпуская эту клавишу, нажать (С). В описании такие комбинации обозначаются двумя символами в скобках. Например (+С). Устройство индикации служит для вывода информации. Вывод может осуществляться в одном из следующих режимов: ФИКСИРОВАННАЯ СТРОКА. В этом режиме выводятся сообщения, длина которых не превышает размеров индикации. БЕГУЩАЯ СТРОКА. Если длина сообщения превышает размер индикатора, оно циклически перемещается по индикатору справа налево. Нажатие клавиши (-) останавливает сообщение. При удержива33

нии клавиш (-) или (+) сообщение перемещается влево или вправо. Быстрое нажатие клавиши (+) инициирует автоматическое перемещение строки. МЕНЮ. Используется для выбора действия из нескольких вариантов. Все варианты выводятся подряд в одной строке. Слово, соответствующее выбранному варианту, мигает. Клавиши (+) и (-) служат для изменения варианта (перемещения мигающей области влево или вправо). Клавиша ( ) - для сообщения комплексу "ПРОГРЕСССПЕКТР" о том, что выбор сделан. ЗАПРОС ЧИСЛА. Используется для ввода числовых значений в комплекс "ПРОГРЕСС-СПЕКТР". На экран выводится предлагаемое значение числа и текстовый комментарий. Одна из цифр числа мигает. Клавиши (+) и (-) служат для перемещения мигающей области на другую цифру. Комбинации клавиш ( +) и ( -) - для изменения мигающей цифры. Клавиша ( ) - для сообщения комплексу о том, что нужное значение установлено. Особенности работы с комплексом «ПРОГРЕСС-СПЕКТР» следующие. Перед проведением измерения выполняется энергетическая калибровка. Для этого нажимаем клавишу (С). На индикаторе появится текст основного меню "ПУСК ОБРАБОТКА". Нажимая клавишу (+), установить маркер (мигающую область на индикаторе) на слово "ПУСК" и нажать ( ). На индикаторе появится меню "КАЛИБРОВКА ФОН ИЗМЕРЕНИЕ". Выбираем пункт "КАЛИБРОВКА" и нажимаем ( ). В ответ на запрос программы установить контрольный источник (КИ) на детектор (для гамматракта: установить КИ на торец детектора; для бета- и альфа-трактов: установить КИ вместо измерительной кюветы) . Нажимаем клавишу ( ) для пуска измерения. На экране появится изменяющееся время набора (в секундах) и текст основного меню "СТОП ОБРАБОТКА". Ориентировочное время измерения калибровочного источника - 100 с. По окончании измерения на индикатор будет выведено сообщение с позициями пиков калибро34

вочного источника и значением контрольной скорости счета. Занести значения контрольной скорости счета и позиции пиков в лабораторный журнал. Если методикой выполнения измерений предусмотрен контроль фона, проводится измерение фонового спектра. Для этого нажимаем клавишу (С). На индикаторе появится текст основного меню "ПУСК ОБРАБОТКА". Нажимая клавишу (+) установить маркер (мигающую область на индикаторе) на слово ПУСК. Нажать ( ).На индикаторе появится меню "КАЛИБРОВКА ФОН ИЗМЕРЕНИЕ". Выбрать пункт "ФОН" и нажать ( ). В ответ на запрос программы убрать контрольные источники с детектора. Нажать клавишу ( ) для пуска измерения. На экране появится изменяющееся время набора (сек) и текст основного меню "СТОП ОБРАБОТКА". Ориентировочное время измерения фона - 1800 с. По окончании измерения на индикатор будет выведено сообщение со значением фоновой скорости счета в контрольном интервале. Занести значение фоновой скорости счета в лабораторный журнал. Нажать клавишу ( ). На индикаторе появится надпись "Фоновый спектр сохранен в буфере X". После этого производится измерение активности счетного образца. Для этого нажимаем клавишу (С). На индикаторе появится текст основного меню "ПУСК ОБРАБОТКА". Нажимая клавишу (+), устанавливаем маркер (мигающую область на индикаторе) на слово «ПУСК» и нажимаем ( ). На индикаторе появится меню "КАЛИБРОВКА ФОН ИЗМЕРЕНИЕ". Выбираем пункт "ИЗМЕРЕНИЕ" и нажимаем ( ). На индикаторе появится меню с названиями аттестованных геометрий измерений. Выбираем пункт, соответствующий геометрии счетного образца и нажимаем ( ). Отвечаем на вопросы программы о характеристиках счетного образца. Для этого клавишами (+),(-), ( +) и ( -) исправляем предлагаемое программой значение. После того как предложенное значение будет отредактировано - нажимаем ( ). В ответ на запрос программы установить счетный образец на детектор 35

(или детектор на счетный образец). Нажимаем клавишу ( ) для запуска измерения. На экране появится изменяющееся время набора спектра и текст основного меню "СТОП ОБРАБОТКА". Время измерения выбираем в зависимости от требуемой точности измерения и допустимого максимального времени измерения. Чтобы посмотреть активность радионуклида и погрешность измерения, не останавливая цикл, выбираем пункт «ОБРАБОТКА» и нажимаем ( ). На индикаторе бегущей строкой появится активность радионуклида с погрешностью на данный момент времени измерения. Для вывода активности следующего нуклида нажимаем ( ). Для возвращения в основное меню нажимаем ( ) столько раз, пока на индикаторе не появится текст основного меню. По окончании измерения на индикатор будет выведено значение активности и ее погрешности одного из радионуклидов в счетном образце. Для вывода активности следующего нуклида нажимаем ( ). Записываем значения активности и ее погрешности для каждого радионуклида в лабораторный журнал. Выключаем питание. Нажимаем комбинацию клавиш (+С). На индикаторе появится сообщение "ВЫКЛЮЧИТЬ ПИТАНИЕ?". Нажимаем клавишу ( ). Питание будет отключено.

Установка спектрометрическая СКС-99 «СПУТНИК» Установка спектрометрическая СКС-99 «СПУТНИК» предназначена для спектрометрических, радиометрических и дозиметрических измерений ионизирующих излучений. СКС-99 «СПУТНИК» может использоваться для решения широкого спектра задач радиационного контроля от измерений в области сертификации соответствия пищевой продукции, питьевой воды, строительных материалов, продукции лесного хозяйства и др. до мониторинга и задач радиационного контроля на предприятиях ядерного цикла, а также для решения целого ряда исследовательских задач, связанных с измерениями радиоактивности. 36

СКС-99 состоит из блоков детектирования, защиты от внешнего гамма излучения, электронного устройства и внешнего блока питания. Блок детектирования состоит из сцинтилляционного детектора, соединенного с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), делителя высокого напряжения, задающего требуемую разность потенциалов между динодами ФЭУ и системы светодиодной стабилизации, помещенных в металлический кожух. Электронное устройство состоит из аккумуляторного блока питания, линейного усилителя, амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП), процессора (ПР), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). На передней панели электронного устройства расположены индикация и клавиатура. На задней панели электронного устройства расположены разъемы для подключения блока детектирования, внешнего блока питания и разъем последовательного порта, предназначенный для связи с внешней ПЭВМ и переключатель для включения прибора СКС-99 (рис. 10). 4

1

+

2

3

5

С СКС-99 Спутник НТЦ НТЦ Амплитуда Амплитуда

7 Ввод

6

Рис.10. Внешний вид спектрометрической установки СКС-99 «СПУТНИК»: 1 – разъем для подключения блока детектирования; 2 – разъем для подключения к компьютеру; 3 – клавиша включения/выключения прибора; 4 – устройство индикации; 5 – клавиатура; 6 – лицевая панель спектрометрической установки; 7 – блок детектирования

37

Принципы работы СКС-99 аналогичен принципу работы радиометрического комплекса «ПРОГРЕСС-СПЕКТР». Клавиатура служит для управления СКС-99 и включает в себя 8 клавиш: (С), (Ввод), ( ), ( ), ( ), ( ), (

)и(

).

Клавиша (С) служит для перевода СКС-99 из любого режима работы в исходное состояние (основное меню). Нажатие клавиши (С) не останавливает набор и не стирает спектр. Назначение клавиш (Ввод), ( ), ( ) зависит от режима работы СКС99. Клавиши ( ) и ( ) служат для выбора предлагаемого пункта меню, а клавиша (Ввод) - для сообщения процессору о том, что выбор сделан. Индикация служит для вывода информации. Вывод может осуществляться в одном из следующих режимов: ТЕКСТОВОЕ СООБЩЕНИЕ. В этом режиме на экран выводятся текстовые сообщения. МЕНЮ. Используется для выбора действия из нескольких вариантов. Все варианты выводятся подряд в одной строке. Слово, соответствующее выбранному варианту, выделяется цветом. Клавиши ( ) и ( ) служат для изменения варианта (перемещения мигающей области влево или вправо). Клавиша (Ввод) - для сообщения СКС-99 о том, что выбор сделан. ЗАПРОС ЧИСЛА. Используется для ввода числовых значений в СКС99. На экран выводится предлагаемое значение числа и текстовый комментарий. Одна из цифр числа выделена. Клавиши (

) и ( ) служат для пе-

ремещения выделенной области на другую цифру. Комбинации клавиш (Ввод

) и (Ввод

) - для изменения выделенной цифры. Клавиша (Ввод)

- для сообщения комплексу о том, что нужное значение установлено. Клавиши ( ), ( ), (

), (

) предназначены для изменения масшта-

ба отображения спектра по осям «Y» и «X».

38

Особенности работы с СКС-99 следующие. Подсоединяем блок детектирования. Включаем прибор с помощью переключателя, расположенного на задней поверхности электронного устройства. Нажимаем клавишу (С), на индикаторе будет выведено меню "ПУСК ОБРАБОТКА". Нажимая клавишу ( ), установить маркер (выделенная область на индикаторе) на слово "ПУСК" и нажать (Ввод). На индикаторе появится меню "КАЛИБРОВКА ФОН ИЗМЕРЕНИЕ". Выбираем пункт "КАЛИБРОВКА", появляется запрос: «Установите калибровочный источник на детектор». Устанавливаем калибровочный источник Na-22 на детектор и нажимаем (Ввод). После проведения энергетической калибровки убираем контрольный источник с детектора. Нажимаем клавишу (С) для возврата в основное меню. С помощью клавиши ( ) выбираем «ПУСК» и нажимаем клавишу «Ввод». В появившемся меню "КАЛИБРОВКА ФОН ИЗМЕРЕНИЕ" выбираем «ФОН» и нажимаем «Ввод». После измерения фона нажимаем клавишу (С) для возврата в основное меню. С помощью клавиши (

) выбира-

ем «ПУСК» и нажимаем клавишу «Ввод». В появившемся меню "КАЛИБРОВКА ФОН ИЗМЕРЕНИЕ" выбираем «ИЗМЕРЕНИЕ» и нажимаем «Ввод». На индикаторе появится меню с названиями аттестованных геометрий измерений. Выбираем пункт, соответствующий геометрии счетного образца и нажимаем (Ввод). Отвечаем на вопросы программы о характеристиках счетного образца. Для этого клавишами ( ), ( ), (Ввод (Ввод

)и

) исправляем предлагаемое программой значение. После того как

предложенное значение будет отредактировано - нажимаем (Ввод). В ответ на запрос программы «УСТАНОВИТЕ ПРОБУ НА ДЕТЕКТОР» нажимаем клавишу (Ввод) для запуска измерения. На экране появится изменяющееся время набора спектра и текст основного меню "СТОП ОБРАБОТКА". Время измерения выбираем в зависимости от требуемой точности измерения и допустимого максимального времени измерения. Чтобы посмотреть активность радионуклида и погрешность измерения, не останавливая цикл, выбираем пункт «ОБРАБОТКА» и нажимаем (Ввод). На индикаторе поя39

вятся активности радионуклидов с погрешностью на данный момент времени измерения. Для возвращения в основное меню нажимаем клавишу (С). По окончании измерения на индикатор будут выведены значения активности и погрешности радионуклидов в счетном образце. Записываем значения активности и ее погрешности для каждого радионуклида в лабораторный журнал. Выключить питание. Нажимаем переключатель, расположенный на задней поверхности электронного устройства.

Радиометр-спектрометр универсальный РСУ-01 «СИГНАЛ» Радиометр-спектрометр универсальный РСУ-01 предназначен для обнаружения и идентификации делящихся радиоактивных материалов и других источников ионизирующих излучений, а также контроля радиационной безопасности на рабочем месте. РСУ-01 состоит из блоков детектирования, электронного устройства и внешнего блока питания. Блок детектирования состоит из сцинтилляционного детектора, соединенного с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), делителя высокого напряжения, задающего требуемую разность потенциалов между динодами ФЭУ и системы светодиодной стабилизации, помещенных в металлический кожух. Электронное устройство состоит из аккумуляторного блока питания, линейного усилителя, амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП), процессора (ПР), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). На передней панели электронного устройства расположены индикация и клавиатура. На задней панели электронного устройства расположены разъемы для подключения блока детектирования, внешнего блока питания, разъем последовательного порта, предназначенный для связи с внешней ПЭВМ и переключатель для включения прибора РСУ-01 (рис.11).

40

4

1

2

3

5

С

РСУ-01 "СИГНАЛ"

7 ЭКСПЕРТЦЕНТР

Ввод

6

Рис.11. Внешний вид радиометра-спектрометра РСУ-01 «СИГНАЛ»: 1 – разъем для подключения блока детектирования; 2 – разъем для подключения к компьютеру; 3 – клавиша включения/выключения прибора; 4 – устройство индикации; 5 – клавиатура; 6 – лицевая панель спектрометрической установки; 7 – блок детектирования

Принципы работы РСУ-01 аналогичен принципу работы радиометрического комплекса «ПРОГРЕСС-СПЕКТР». Клавиатура служит для управления РСУ-01 и включает в себя 8 клавиш: (С), (Ввод), ( ), ( ), ( ), ( ), (

)и(

).

Клавиша (С) служит для перевода РСУ-01 из любого режима работы в исходное состояние (основное меню). Нажатие клавиши (С) не останавливает набор и не стирает спектр. Назначение клавиш (Ввод), ( ), ( ) зависит от режима работы РСУ01. Клавиши ( ) и ( ) служат для выбора предлагаемого пункта меню, а клавиша (Ввод) - для сообщения процессору о том, что выбор сделан. Индикация служит для вывода информации. Вывод может осуществляться в одном из следующих режимов: ТЕКСТОВОЕ СООБЩЕНИЕ. В этом режиме на экран выводятся текстовые сообщения.

41

МЕНЮ. Используется для выбора действия из нескольких вариантов. Все варианты выводятся подряд в одной строке. Слово, соответствующее выбранному варианту, выделяется цветом. Клавиши ( ) и ( ) служат для изменения варианта (перемещения мигающей области влево или вправо). Клавиша (Ввод) - для сообщения СКС-99 о том, что выбор сделан. ЗАПРОС ЧИСЛА. Используется для ввода числовых значений в РСУ01. На экран выводится предлагаемое значение числа и текстовый комментарий. Одна из цифр числа выделена. Клавиши (

) и ( ) служат для пе-

ремещения выделенной области на другую цифру. Комбинации клавиш (Ввод

) и (Ввод

) - для изменения выделенной цифры. Клавиша (Ввод)

- для сообщения комплексу о том, что нужное значение установлено. Клавиши ( ), ( ), (

), (

) предназначены для изменения масшта-

ба отображения спектра по осям «Y» и «X». К РСУ-01 возможно подключения четырех различных блоков детектирования для регистрации альфа-, бета-, гамма- и нейтронного излучения. Рассмотрим работу с каждым блоком в отдельности. Порядок работы с альфа-датчиком. Подключаем блок детектирования альфа-излучения СБДА-02 к измерительному пульту. Включаем прибор, и после выдержки в течение 5 мин с помощью клавиши (Ввод) входим в основное меню "ПУСК ОБРАБОТКА". Устанавливаем маркер (выделенная область на индикаторе) на слово "ПУСК" и нажимаем клавишу (Ввод). На индикаторе появится меню "КАЛИБРОВКА ФОН ИЗМЕРЕНИЕ". Выбираем пункт "КАЛИБРОВКА", нажимаем клавишу (Ввод) и выполняем команду, для чего устанавливаем контрольный альфа-источник Pu-239 перед окном блока детектирования. Нажимаем клавишу (Ввод) и проводим измерение контрольной скорости счета. После повторного нажатия клавиши (Ввод) на табло появится значение контрольной скорости счета в имп/с. Значение контрольной скорости счета записываем в рабочий журнал. Нажимаем клавишу (С) для возврата в основное меню. Устанавливаем 42

маркер на слово "ПУСК" и нажимаем клавишу (Ввод). В появившемся меню "КАЛИБРОВКА ФОН ИЗМЕРЕНИЕ" выбираем пункт "Фон", нажимаем клавишу (Ввод). Выполняем появившуюся на табло команду, для чего устанавливаем детектор на чистую поверхность. Нажимаем (Ввод) и проводим измерение фона в течение выбранного промежутка времени. После запоминания фонового спектра нажимаем клавишу (Ввод). Устанавливаем маркер на слово "ПУСК" и нажимаем клавишу (Ввод). В появившемся меню "КАЛИБРОВКА ФОН ИЗМЕРЕНИЕ" выбираем пункт "ИЗМЕРЕНИЕ". Нажав клавишу (Ввод) проводим измерение плотности потока альфачастиц в течение заданного времени. После повторного нажатия клавиши (Ввод) на табло появится информация А:____ имп/см2 с. Порядок работы с бета-датчиком. Подключаем блок детектирования бета-излучения СБДБ-01 к измерительному пульту. Включаем прибор, и после выдержки в течение 5 мин с помощью клавиши (Ввод) входим в основное меню "ПУСК ОБРАБОТКА". Устанавливаем маркер (выделенная область на индикаторе) на слово "ПУСК" и нажимаем (Ввод). На табло появится меню "КАЛИБРОВКА ФОН ИЗМЕРЕНИЕ". Выбираем пункт "КАЛИБРОВКА", нажимаем (Ввод) и выполняем команду, для чего устанавливаем контрольный источник Na-22 перед окном блока детектирования. Нажимаем (Ввод) и проводим измерение контрольной скорости счета. Время измерения задается автоматически и составляет 100 с. Значение контрольной скорости счета записываем в рабочий журнал. Нажимаем клавишу (С) для возврата в основное меню. Устанавливаем маркер на слово "ПУСК" и нажимаем клавишу (Ввод). В появившемся меню "КАЛИБРОВКА ФОН ИЗМЕРЕНИЕ" выбираем пункт "Фон", нажимаем клавишу (Ввод). Выполняем появившуюся на табло команду, для чего устанавливаем детектор на чистую поверхность. Нажимаем клавишу (Ввод) и проводим измерение фона в течение выбранного промежутка времени. После запоминания фонового спектра нажимаем клавишу (Ввод). Устанавливаем маркер на слово "ПУСК" и нажимаем клавишу (Ввод). В появившемся ме43

ню "КАЛИБРОВКА ФОН ИЗМЕРЕНИЕ" выбираем пункт "ИЗМЕРЕНИЕ". Нажав клавишу (Ввод) проводим измерение плотности потока бета-частиц в течение заданного времени. После повторного нажатия клавиши (Ввод) на табло появится информация А:____ имп/см2 с. Порядок работы с гамма-датчиком. Подключаем блок детектирования гамма-излучения СБДГ-02 к измерительному пульту. Включаем прибор и с помощью клавиши (Ввод) входим в основное меню "ПУСК ОБРАБОТКА". Устанавливаем маркер (выделенная область на индикаторе) на слово "ПУСК" и нажимаем (Ввод). На табло появится меню "КАЛИБРОВКА ФОН ИЗМЕРЕНИЕ". Выбираем пункт "КАЛИБРОВКА", нажимаем (Ввод) и выполняем команду, для чего устанавливаем контрольный источник Na-22 перед окном блока детектирования. Время измерения задается автоматически и составляет 100 с. Нажимаем (Ввод) и проводим энергетическую калибровку (при обработке спектра калибровочного источника определяется шкала прибора, т.е. коэффициенты соответствия между энергией измеряемого излучения и амплитудой электрических импульсов, поступающих от блока детектирования в измерительный пульт). После повторного нажатия клавиши (Ввод) на табло появятся номера каналов и значение энергий. Нажимаем клавишу (С) для возврата в основное меню. Устанавливаем маркер на слово "ПУСК" и нажимаем (Ввод). В появившемся меню "КАЛИБРОВКА ФОН ИЗМЕРЕНИЕ" выбираем пункт "Фон", нажимаем клавишу (Ввод). Выполняем появившуюся на табло команду, для чего устанавливаем детектор на чистую поверхность. Нажимаем (Ввод) и проводим измерение фона в течение выбранного промежутка времени. После запоминания фонового спектра нажимаем клавишу (Ввод). Устанавливаем маркер на слово "ПУСК" и нажимаем клавишу (Ввод). В появившемся меню "КАЛИБРОВКА ФОН ИЗМЕРЕНИЕ" выбираем пункт "ИЗМЕРЕНИЕ". На табло появится меню с названиями аттестованных геометрий измерений. Выбираем пункт 4 , помещаем блок детектирования внутрь исследуемого объекта на глубину не менее 60 см и нажимаем 44

(Ввод). В ответ на запрос программы «ПОМЕСТИТЕ ДЕТЕКТОР ВНУТРЬ ИССЛЕДУЕМОГО ОБЪЕКТА» нажимаем клавишу (Ввод) для запуска измерения. На экране появится изменяющееся время набора спектра и текст основного меню "СТОП ОБРАБОТКА". В меню прибора "СТОП ОБРАБОТКА" режим «ОБРАБОТКА» позволяет производить оперативный анализ информации в процессе измерений, не прерывая текущее время измерений. Для этого необходимо с помощью клавиши ( ) установить маркер на режим «ОБРАБОТКА» и нажать клавишу (Ввод). На табло появится нужная вам информация, после анализа которой нажатием клавиши (Ввод) осуществляется возврат в режим измерений. После окончания времени измерения нажимаем клавишу (Ввод) и на табло появляется информация о четырех радионуклидах: Cs-137, K-40, Th-232, Ra-226 и значение Аэфф. (Аэфф.= АRa+ 1,3 АTh+ 0,09 АK). Появление на табло информации в виде: 0,0е 0 Х означает, что в пределах указанной погрешности Х соответствующий радионуклид не обнаружен. Порядок работы с нейтронным датчиком. Подключаем блок детектирования нейтронного излучения СБДН-01 к измерительному пульту. Включаем прибор и с помощью клавиши (Ввод) входим в основное меню "ПУСК ОБРАБОТКА". Устанавливаем маркер (выделенная область на индикаторе) на слово "ПУСК" и нажимаем (Ввод). На индикаторе появится меню "КОНТРОЛЬ ИЗМЕРЕНИЕ". Выбираем пункт "КОНТРОЛЬ" и нажимаем (Ввод). На табло появится строка «КОНТРОЛЬ...» и сразу же высветится «КОНТРОЛЬНАЯ СКОРОСТЬ СЧЕТА = 32». Прибор готов к измерениям. Измерения фона при подключенном нейтронном датчике не производятся. С помощью нейтронного датчика возможны измерения мощности эквивалентной дозы, плотности потока тепловых нейтронов, промежуточных и быстрых нейтронов. Для измерения плотности потока тепловых нейтронов устанавливаем маркер на слово «ПУСК» и нажимаем клавишу (Ввод). В появившемся меню "КОНТРОЛЬ ИЗМЕРЕНИЕ" с помощью клавиши (

) выбираем пункт 45

«ИЗМЕРЕНИЕ» и нажимаем клавишу (Ввод). В появившемся меню «МЭД ПлПТН ПлПБН» выбираем пункт «ПлПТН» и нажимаем клавишу (Ввод). Выполняем появившуюся на табло команду и снова нажимаем клавишу (Ввод). Проводим измерения в течение заданного времени, затем нажимаем клавишу (Ввод). Появившаяся на табло величина представляет собой плотность потока тепловых нейтронов. Для измерения плотности потока промежуточных и быстрых нейтронов устанавливаем маркер на слово «ПУСК» и нажимаем клавишу (Ввод). В появившемся меню "КОНТРОЛЬ ИЗМЕРЕНИЕ" с помощью клавиши ( ) выбираем пункт «ИЗМЕРЕНИЕ» и нажимаем клавишу (Ввод). В появившемся меню «МЭД ПлПТН ПлПБН» выбираем пункт «ПлПБН» и нажимаем клавишу (Ввод). На табло появится сообщение: «ПОДГОТОВЬТЕ ДЕТЕКТОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ». Блок детектирования помещаем внутрь малой сферы с кадмиевым экраном и нажимаем клавишу (Ввод). Проводим измерения в течение заданного времени, затем нажимаем клавишу (Ввод). Число, появившееся после окончания набора, является плотностью потока промежуточных и быстрых нейтронов. Для измерения мощности эквивалентной дозы нейтронного излучения устанавливаем маркер на слово «ПУСК» и нажимаем клавишу (Ввод). В появившемся меню "КОНТРОЛЬ ИЗМЕРЕНИЕ" с помощью клавиши ( ) выбираем пункт «ИЗМЕРЕНИЕ» и нажимаем клавишу (Ввод). В появившемся меню «МЭД ПлПТН ПлПБН» выбираем пункт «МЭД» и нажимаем клавишу (Ввод). На табло появится сообщение: «ПОДГОТОВЬТЕ ДЕТЕКТОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ МЭД НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ». Блок детектирования помещаем внутрь сборного шара, собранного из двух сфер – малой с кадмиевым экраном и большой (парафиновой). Нажимаем клавишу (Ввод) и проводим измерения в течение заданного времени. После окончания времени измерения число на табло будет соответствовать мощности эквивалентной дозы нейтронного излучения.

46

2.3. Методика проведения работ спектрометрической гаммасъемки

Методика проведения работ с концентратомером РКП-305М Перед началом рабочего дня оператор получает задание с указанием участка работ, системы измерений. Получив прибор, оператор подготавливает его к работе (методику см. выше). После этого переходим в район проведения работ. Процесс проведения измерений непосредственно на полевом маршруте сводится к следующему. Устанавливаем блок детектирования, включенный и подготовленный к работе на точку измерения. Нажимаем кнопку «ПУСК» и следим за стрелкой индикатора. Стрелка будет совершать колебания с частотой 1 Гц в течение 1 мин, причем первые 40 с – в правой части шкалы, а оставшиеся 20 с – в левой. После окончания времени экспозиции записываем результаты измерения. Признаком окончания счета является резкое отклонение стрелки вправо и прекращение колебательных движений стрелки индикаторного микроамперметра. Поочередно нажимаем кнопку «ОПРОС» и записываем в полевой журнал результаты измерений калия (10-1 %), радия и тория (10-4 %). Результаты измерений сохраняются в оперативной памяти вплоть до следующей экспозиции или выключения концентратомера и, в случае необходимости, вывод информации может быть повторен. Методика проведения работ с радиометрическим комплексом «ПРОГРЕСС-СПЕКТР» Методика проведения работ с радиометрическим комплексом «ПРОГРЕСС-СПЕКТР» может выполняться в двух вариантах: измерение радиоактивности горных пород в полевых условиях и измерение активности проб в лаборатории. 47

Методика измерения радиоактивности горных пород в полевых условиях следующая. Перед началом измерения обязательно проводится энергетическая калибровка и, если необходимо, производится контроль фона (методику смотри выше). Затем делается шурф глубиной 0,5-0,7 м и на дно шурфа погружается детектор. В основном меню прибора выбираем пункт «ИЗМЕРЕНИЕ» и из предложенных геометрий измерений выбираем 4 . Производим измерение активности радионуклидов и записываем результаты в полевой журнал. Методика измерения образцов в лаборатории следующая. С интересующей нас площади производится отбор проб. Каждая проба отбирается в полиэтиленовый пакет и в этот же пакет кладется бумажка, в которой написана точка, с которой была взята данная проба. В лаборатории эти пробы взвешиваются и помещаются в специальный сосуд (сосуд Маринелли). К измерительному пульту подключается блок детектирования, который предварительно помещается рабочей поверхностью вверх в свинцовую защиту (свинцовый домик). Измеряемый образец в сосуде Маринелли помещается на детектор. Сверху свинцовая защита закрывается крышкой. Затем проводится энергетическая калибровка прибора и, если необходимо, производится контроль фона. В основном меню прибора выбираем пункт «ИЗМЕРЕНИЕ» и из предложенных геометрий измерений выбираем МАРИНЕЛЛИ, вводим массу измеряемого образца, производим измерение активности радионуклидов и записываем результаты.

Методика проведения работ со спектрометрической установкой СКС-99 «СПУТНИК» Методика проведения работ со спектрометрической установкой СКС99 «Спутник» аналогична методике работ с радиометрическим комплексом «ПРОГРЕСС-СПЕКТР». 48

Методика проведения работ с радиометром-спектрометром универсальным РСУ-01 «СИГНАЛ» На практике из четырех блоков детектирования чаще всего используется блок детектирования СБДГ-02 для регистрации -излучения. Поэтому методику проведения работ с прибором РСУ-01 рассмотрим на его примере. Подсоединяем блок детектирования к электронному устройству. Перед проведением измерения обязательно проводим энергетическую калибровку с помощью контрольного источника Na-22 и, если необходимо, производим контроль фона (методику смотри выше). Затем делаем шурф глубиной 0,5-0,7 м и на дно шурфа опускается детектор. В основном меню прибора выбираем пункт «ИЗМЕРЕНИЕ» и из предложенных геометрий измерений выбираем 4 . Производим измерение активности радионуклидов и записываем результаты в полевой журнал.

2.4. Результаты проведения спектрометрической гамма-съемки Результаты проведения работ спектрометрической гамма-съемки изображаются в виде карт содержания U(Ra), Th и K, графиков распределения удельной активности Ra, Th и K, выраженной в Бк/кг. Контрольные вопросы 1. Сущность спектрометрической гамма-съемки и задачи, решаемые с ее помощью. 2. Общие закономерности значений естественной радиоактивности горных пород. 3. Понятие коэффициента радиоактивного равновесия. 4. Определение природы радиоактивности аномалии. 5. Состав и принцип работы концентратомера РКП-305М. 6. Методика проведения работ с концентратомером РКП-305М. 49

7. Состав и принцип работы радиометрического комплекса «ПРОГРЕСС-СПЕКТР». 8. Методика проведения работ с радиометрического комплекса «ПРОГРЕСС-СПЕКТР». 9. Состав и принцип работы спектрометрической установки СКС-99 «Спутник». 10. Методика проведения работ со спектрометрической установкой СКС-99 «Спутник». 11. Состав и принцип работы радиометра-спектрометра универсального РСУ-01 «Сигнал». 12. Методика проведения работ с радиометром-спектрометром универсальным РСУ-01 «Сигнал».

Глава 3. Эманационная съемка Эманационная съемка – радиометрический метод поисков и разведки радиоактивных руд, литолого-структурного картирования, изучения геодинамических явлений и оценки радиационной безопасности территорий городов и населенных пунктов, а также жилых и служебных помещений. Эманационная съемка была первым полевым радиометрическим методом, предложенным в 1922 г. для поисков урановых руд. Эманационная съемка основана на исследовании распределения радиоактивных газов - эманации Rn и Тn в рыхлых отложениях. Эманационная съемка может применяться на всех стадиях поисково-разведочных работ, но в основном это метод детальных поисков. Ее применяют также для решения задач геологического картирования (для обнаружения зон тектонических нарушений, зон трещиноватости и т. д.) при мощности рыхлых отложений 6-10 м (для радонового метода). В настоящее время применяют традиционную (обычную) эманацнонную съемку, трековую съемку и способ активного налета. 50

Традиционная (обычная) эманацнонная съемка заключается в отборе проб почвенного воздуха и измерении α-излучения эманации и ее продуктов распада (RaA и RaC'). Отбор проб почвенного воздуха производится с помощью конусообразного пробоотборника из шпуров глубиной 0,6-1,0 м в сцинтилляционные измерительные камеры. Для установки пробоотборника в плотных образованиях предварительно пробивают шпуры с помощью металлического стержня и кувалды или лома. Измерения проб воздуха осуществляются с помощью радиометров, которые позволяют определять концентрации Rn в беккерелях4 на кубический метр (Бк/м3). В точках с максимальной концентрацией эманации определяется природа аномалии. Сцинтилляционный эффект от Tn максимален только в начальный момент времени, так как его период полураспада (Т) равен 54,5 с, ТhA, образующийся из Tn, имеет период полураспада Т=0,2 с, а ThB – 10,6 ч и является βизлучателем. Через 1 мин (точнее через 54,5 с) отсчет, если в камере был Tn, уменьшится в 2 раза по сравнению с начальным. Период полураспада An равен 3,92 с, поэтому эффектом от актинона можно пренебречь. Чтобы определить за счет какого изотопа (Rn или за счет Tn) получена аномалия, и какова концентрация Rn и Tn в почвенном воздухе, производят, например, два отсчета. Первый отсчет берут сразу после введения пробы в камеру и производят измерение «мгновенной» активности n0, а второй – через 3 минуты после введения пробы в камеру (n3). На радоновой аномалии эти отсчеты близки друг к другу (рис. 12, а). На тороновых аномалиях n3 в несколько раз меньше, чем n0 (рис. 12, б). Концентрацию торона можно определить как разность между суммарной радиоактивностью почвенного воздуха, определенной сразу же после введения почвенного воздуха в камеру, и радиоактивностью пробы через 3 мин:

СTn СRn

Tn

СRn

(11)

Зная величину концентрации Rn и Tn в почвенном воздухе, можно рассчитать отношение СRn к СТn : 4

Беккерель – 1 распад одного радиоактивного атома за одну секунду

51

СRn СTn

(12)

При >10 – природа аномалии радоновая, при <1 – тороновая, а значение 1 10 соответствует смешанной природе аномалии.

Рис.12. Графики изменения -активности, создаваемой Rn (а), Tn (б).

К основным достоинствам эманацнонной съемки можно отнести относительно высокую глубинность, высокую производительность и оперативность, к недостаткам – большую зависимость от метеорологических условий (колебания давления, влажность, осадки) и резкое падение эффективности в условиях малопроницаемых и мерзлых грунтов. Результаты традиционной эманационной съемки представляют в виде графиков или карт изоконцентраций эманаций, выраженных в Бк/м3. Трековая съемка заключается в считывания числа треков - следов α-частиц, образовавшихся на детекторе под воздействием на него α -излучения нуклидов Rn и Тn и их продуктов распада. Основным аппаратурным элементом является пленочные детекторы, представляющие собой фотопленку со снятой фотоэмульсией. Пленку нарезают на куски и прикрепляют на дно специальной кассеты, представляющей собой стакан. Кассеты с пленкой устанавливаются в шпурах, глубиной 0,6-0,8 м, со свободным доступом воздуха. Кассеты оставляют в шпурах на 25-30 суток. Эманации попадают в кассеты за счет диффузии и конвекции радона. Под действием α-частиц на пленки остаются следы (треки), плотность которых пропорциональна концентрации эманации. Пленку 52

вынимают из кассеты, промывают и протравливают в растворе щелочи при температуре около 70 С, а затем подсчитывают количество треков на единицу площади (как правило на 1 мм2). К основным достоинствам трековой съемки можно отнести ее дешевизну, из-за отсутствия принудительного отбора проб почвенного воздуха не вносится погрешность, связанная с пробоотборником, длительное экспонирование приводит к сглаживанию метеоусловий, возможность проведения съемки на обводненных участках, где проведение традиционной эманационной съемки невозможно, к недостаткам – низкая производительность и оперативность. Результаты трековой съемки, представленные числом треков α-частиц на 1мм2 поверхности пленки и отнесенные ко времени экспозиции 25-30 суток, изображают в виде графиков. Способ активного налета (САН) заключается в измерении α-активности дочерних продуктов распада Rn, осевших на адсорбенте. В качестве материала адсорбента используют полиэтилен, текстолит. Адсорбент изготавливают в форме диска (площадь 60-80 см2) и закрепляют у дна измерительной камеры (объем 1 литр), а затем устанавливают в шпур. Минимальное время экспозиции 3-4 часа, оптимальное – 1 сутки. После завершения экспонирования измеряется α-активность диска с помощью альфа-радиометра. Процесс повторяется на следующей точке.

3.1. Геологические и физические основы метода Горные породы содержат 238U, 232Th AcU (235U), при распаде, которых образуются эманации (Rn, Тn и An), которые попадают в поровое пространство, заполненное газом или жидкостью. В результате диффузии, а также движения подземных вод, эманации могут перемещаться на значительное расстояние, создавая вокруг рудных тел газовые ореолы рассеяния. Часть эманации выделяется в атмосферу. Концентрация эманации в поровом пространстве зависит от концентрации Ra (для Rn) и Th (для Тn) в горной породе, от интенсивности выде53

ления эманации в окружающую среду, от плотности и пористости пород. Эманирование – процесс выделения в открытые поры породы или во внешнее пространство свободных радиоактивных газов, которые в природных условиях могут мигрировать в газовой или растворенной фазах. Основной количественной характеристикой эманирования является коэффициент эманирования Кэ, представляющий собой отношение количества эманаций, выделившихся при данных условиях из единицы объема породы в единицу времени, ко всему количеству эманаций, которое образовалось за тоже время в том же объеме горной породы. Коэффициент эманирования измеряется в процентах. Величина Кэ меняется от десятых долей процента (в породах с плотной кристаллической решеткой) до 95-98% (в сильно разрушенных породах). Эманации, перемещающиеся в вертикальном направлении к земной поверхности, несут информацию о глубоко залегающих (первые десятки метров) радиоактивных рудах, о наличии разрывной тектоники за счет уменьшения литостатического давления, о подготовке землетрясений и оползневых процессов за счет изменения порового давления вследствие временных вариаций литостатических напряжений. Ввиду различных скоростей распада эманации дальность их распространения от эманирующего объекта весьма различна. Малая продолжительность жизни Тn и An определяет нахождение их только вблизи эманирующих объектов: Тn - на расстоянии до 10-15 см; An – 2-3 см; Rn, средняя продолжительность жизни которого около 4 суток (3,8 суток), - на расстоянии до 5-8 м. Названные расстояния определяют глубинность методов. Из-за малой глубинности торонового и актинонового методов на практике применяют лишь радоновый метод. Определение концентрации Тn при проведении радоновой съемки производят с целью установления природы аномалии и получения истинных значений концентрации Rn. Глубинность радонового метода зависит от характера рыхлых отложений, перекрывающих рудные тела. Слабо газопроницаемыми являются рыхлые образования, состоящие из глин и суглинков. При высокой влаж54

ности последние практически непроницаемы для Rn. To же справедливо и для заболоченных участков и зон вечной мерзлоты, на которых эманационную съемку не проводят. По физическим свойствам эманации – инертные газы, которые довольно хорошо растворяются в воде и других жидкостях. Распад эманации, как и всех радиоактивных веществ, происходит по показательному закону:

N

N0 e

t

(13)

где N0 и N - количество атомов эманации в начальный момент времени и спустя время t; λ - константа распада эманации (с-1). Накопление радона из радия рассчитывают по формуле: Rn Ra(1- e

Rnt

)

(14)

где Ra и Rn - количество Ra в кюри или граммах и количество Rn в кюри5. Кюри – основная единица измерения количества Rn. Практически один кюри Rn - количество его, находящееся в равновесии с 1 г Ra. Концентрация Rn в воде, газах и почвенном воздухе выражается в кюри/л, в эманах (1 эман = 10-10 кюри/л) и в Бк/м3.

3.2. Аппаратура для проведения эманационной съемки Для проведения эманационной съемки используют радиометр альфаактивных газов РГА-01 (рис.13). Радиометр альфа-активных газов РГА-01 предназначен для измерения объемной активности

222

Rn.

Радиометр применяется при проведении геологоразведочных работ в полевых условиях, на горнодобывающих предприятиях, в лабораториях научно-исследовательских институтов и на различных предприятиях, свя5

Кюри – количество любого радиоактивного вещества, в котором за 1 с происходит 3,7 1010 распадов ядер атомов

55

занных с добычей, переработкой и применением материалов, содержащих и выделяющих 222Rn. 1

2

3

4

пуск

коррекция 9 вход

x10

6

5

x10

n2 10

индикация

n1

x10

4

x10

3

набор мало разряд

n1 - n 2 n1 + n2

измерение 14

8

1 2 3 n

контроль выкл.

x1

x 10 x 100

режим - 1

режим - 2

7

Т

6

5

11 13

12

Рис.13. Внешний вид радиометра РГА-01: 1 – цифровой индикатор; 2 – лицевая панель радиометра; 3 – кнопка «ПУСК»; 4 – потенциометр «КОРРЕКЦИЯ»; 5 – переключатель «РЕЖИМ-1»; 6 – переключатель «РЕЖИМ-2»; 7 – переключатель «ИЗМЕРЕНИЕ»; 8 – кнопка «ИНДИКАЦИЯ»; 9 – светодиодный индикатор; 10 – ручной насос; 11 – каркас с электронными платами; 12 – опорная скоба; 13 – фотоэлектронный умножитель (ФЭУ); 14 – рабочая камера с нанесенным сцинтиллятором ZnS (Ag)

Радиометр измеряет объемную активность альфа-излучения нуклида

222

222

Rn путем регистрации

Rn и его дочерних продуктов распада. Радио-

метр состоит из двух основных частей: устройства детектирования (УДГА) и счетного устройства измерения (УИО).

56

Регистрация альфа-частиц осуществляется в устройстве детектирования сцинтиллятором ZnS (Ag), нанесенным на стенки сцинтилляционной камеры. Воздух, содержащий

222

Rn, вводится с помощью ручного насоса в

сцинтилляционную камеру. Поток альфа-частиц, регистрируемый сцинтиллятором ZnS(Ag), прямо пропорционален активности

222

Rn и активно-

сти дочерних продуктов. Устройство детектирования состоит из основания, сцинтилляционной камеры, отсека с электронными узлами и ручного насоса. Сцинтилляционная камера крепится к основанию с помощью накидной гайки. В основании размещается ФЭУ, который крепится к основанию с помощью специальных гаек. С противоположной стороны (по отношению к сцинтилляционной камере) к основанию на винтах крепится каркас с электронными платами, расположенными вокруг ФЭУ. В нижней части основания расположена опорная скоба, а в верхней закреплен ручной насос. Ручной насос поршневого типа состоит из следующих основных частей: корпуса, стока, совмещенного с выпускным клапаном и впускного клапана. Шток насоса выполнен из полой трубки, на одном конце закреплена рукоятка и выходной штуцер, а на другом поршень с выпускным клапаном, устроенный так, что при перемещении поршня вверх клапан закрыт, а при перемещении вниз – открыт и воздух из корпуса насоса поступает в трубку штока и по ней выходит через выходной штуцер. Нижний клапан (выпускной) расположен в основании насоса и открывается при перемещении поршня вверх, а закрывается при перемещении вниз. На основании устройства детектирования расположен входной штуцер, соединяющийся с помощью гибкого шланга с воздухозаборным щупом. Входной штуцер через канал в основании корпуса блока детектирования связан с внутренним объемом сцинтилляционной камеры. Аналогичным каналом внутренний объем камеры соединяется с ручным насосом.

57

При подготовке радиометра к измерениям в полевых условиях для измерений объемной активности в подпочвенном воздухе соединяем с помощью шланга пробоотборник с устройством детектирования и с помощью кабеля устройство детектирования с пультом радиометра. Вставляем в устройство детектирования контрольную камеру. В устройстве УИО устанавливаем переключатель «ИЗМЕРЕНИЕ» в положение n1, «РЕЖИМ-1» в положение х10, а переключатель «РЕЖИМ-2» в положение 1. При этом должна засветится точка в одном из разрядов цифрового индикатора. При снижении напряжения батарей питания ниже 7 В должен загореться индикатор «РАЗРЯД», сигнализирующий о необходимости замены элементов питания. Нажимаем кнопку «ПУСК», при этом должен включится индикатор «НАБОР», после выключения индикатора «НАБОР» нажимаем кнопку «Индикация». Записываем показания радиометра. Проводим не менее 10 измерений и вычисляем результат по формуле:

n

С

i 1

Сi

n

(15)

где С – среднее значение активности нуклида в источнике, измеренное радиометром; Сi – значение активности нуклида в источнике, измеренное радиометром за один замер; n – количество замеров. Сравниваем среднее значение активности с величиной, указанной в паспорте. Показания радиометра при измерении с контрольной камерой должны отличаться от паспортного значения не более чем на ± 4%. В случае, если различие в показаниях окажется более ± 4%, вращением потенциометра «КОРРЕКЦИЯ» устанавливаем показания, отличающиеся от паспортных данных на величину не более ± 4%. Выключаем радиометр,

58

переведя переключатель «РЕЖИМ-1» в положение ВЫКЛ. Устанавливаем в устройство детектирования рабочую камеру.

3.3. Методика проведения работ с радиометром РГА-01 Для отбора пробы почвенного воздуха делаем бурку глубиной 0,6-0,8 м с помощью металлического штыря и кувалды и погружаем в нее пробоотборник. Для полного замещения в рабочей камере атмосферного воздуха почвенным проводим 8 – 10 качаний насосом. Большое число качаний насоса может привести к деэманированию пород и снижению радиоактивности почвенного воздуха. При отборе почвенного воздуха оператор должен следить, перемещается ли поршень насоса свободно и плавно или с трудом или рывками. Необходимость прилагать большие усилия при перемещении поршня свидетельствует о том, что всасывающие отверстия пробоотборника засорились, и почвенный воздух в камеру не поступает. В этом случае пробоотборник вынимается, прочищается и забивается снова. В ряде случаев затруднения в отборе пробы почвенного воздуха могут быть вызваны малой газопроницаемостью пород (плотные и влажные глины). Устанавливаем переключатель «РЕЖИМ-1» в одно из положений х1, х10, х100, которые соответствуют накоплению 64, 640 или 6400 входных импульсов. Выбор положения переключателя «РЕЖИМ-1» осуществляется с учетом предполагаемого диапазона измерений и требуемой статистической погрешности, которая составляет 13, 4, 1,3% для положения переключателя х1, х10, х100, соответственно. Нажимаем кнопку «ПУСК», а после выключения индикатора «НАБОР» - кнопку «ИНДИКАЦИЯ». Записываем показания в полевой журнал. При считывании показаний следует помнить, что положение запятой определяется точечным светодиодом, в светодиодных индикаторах, а порядок определяется по точечным индикаторным светодиодам. Например, на табло высветились цифры 3,78, и включился индикатор х105, следовательно, показания будут равны Сi = 3,78 105 Бк/м3. 59

Если по истечении некоторого времени будет замечено, что камера загрязнена продуктами распада Rn, то ее необходимо заменить запасной, тщательно продув загрязненную. Через 1-2 часа после продувания камера может снова использоваться для измерений. Кроме того, на каждой точке производится измерение собственного фона. Для этого вынимают пробоотборник из бурки и проводят 10-15 качаний насосом для полного удаления

222

Rn из газового тракта радиометра.

Это необходимо для предотвращения увеличения фона, обусловленного накоплением дочерних продуктов распада на внутренних поверхностях камеры. Для измерения фона устанавливаем «РЕЖИМ-1» в положение х1, переключатель «РЕЖИМ-2» в положение 1, а переключатель «ИЗМЕРЕНИЕ» в положение n1, нажимаем кнопку «ПУСК» и после выключения индикатора «НАБОР» - кнопку «ИНДИКАЦИЯ». Записываем значение в полевой журнал. Включение индикатора «МАЛО» свидетельствует об уровне собственного фона радиометра менее 1 102 Бк/м3. В этом случае показания цифровых индикаторов и множителей не учитывают. Переход радиометра в режим «НАБОР» происходит при появлении сигнала на выходе устройства детектирования. Если в течение 800 с не включается индикатор «НАБОР», это свидетельствует об уровне собственного фона радиометра менее 40 Бк/м3. В итоге объемная активность на каждой точке вычисляется по формуле:

Сi

С

i

Сфi

(16)

где Сi – объемная активность радона 222Rn в пробе, Бк/м3; СΣi – суммарная активность радона 222Rn и фона, Бк/м3; Сф – активность фона, Бк/м3.

60

2.4. Результаты проведения эманационной съемки По результатам проведения эманационной съемки строятся графики распределения объемной активности радона, карта изоконцентраций радона в Бк/м3.

Контрольные вопросы 1. Сущность эманационной съемки и задачи, решаемые с ее помощью. 2. Условия применения эманационной съемки и ее глубинность. 3. Основные модификации эманационной съемки. 4. Определение природы аномалии. 5. Понятие эманирования и коэффициента эманирования. 6. Способы переноса эманаций. 7. Основная измеряемая величина при эманационной съемке, единицы измерения. 8. Состав и принцип работы радиометра РГА-01. 9. Методика проведения работ эманационной съемки.

Раздел II. Радиоэкологические методы Глава 4. Плотность потока радона Интерес к радиологическому воздействию радона на человека возник сразу после его открытия (1900 г.). Вскоре, было выяснено, что именно радон является одной из причин гибели рабочих шахт, добывающих серебро, полиметаллы (большинство таких шахт впоследствии оказались урановыми), железо. В конце 70-х годов 20-го века начались подробные исследования возможного влияния «бытового» радона на здоровье населения. Первые 61

же исследования показали, что концентрация радона в воздухе жилых домов, особенно одноэтажных, часто превышает уровень предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных для работников урановых рудников. Была обнаружена определѐнная корреляция между концентрацией радона в жилых домах и смертностью людей от рака лѐгких в конкретном регионе. Причина видится в том, что поскольку радий входит во все строительные материалы, то образующийся из него тяжѐлый радиоактивный инертный газ - радон - постоянно находится в воздухе жилых и служебных (офисы, учебные классы, больницы и.т.п.) помещений. В результате население часто подвергается дополнительной дозовой нагрузке, способной привести к увеличению числа заболеваний раком легких. В настоящее время при строительстве зданий и сооружений производится оценка радоноопасности территории. Радоноопасность территории определяется плотностью потока радона (ППР) с поверхности грунта и содержанием радона в воздухе построенных зданий и сооружений. Оценка потенциальной радоноопасности территории осуществляется по комплексу геологических и геофизических признаков. К геологическим признакам относятся: наличие определенных петрографических типов пород, разрывных нарушений, сейсмическая активность территории, присутствие радона в подземных водах и выходы радоновых источников на поверхность. Геофизические признаки включают: высокую удельную активность радия в породах, слагающих геологический разрез, уровни объемной активности ОА радона (концентрация) в почвенном воздухе, эквивалентной равновесной активности (ЭРОА) радона в зданиях и сооружениях

4.1. Радон и его дочерние продукты распада Радон (222Rn) – самый тяжѐлый из инертных газов. Он не имеет ни запаха, ни вкуса, прозрачен и бесцветен. Температура его сжижения -62оС. В нормальных условиях плотность радона равна 9,81 кг/м3, т.е. почти в 8 раз 62

выше плотности воздуха. Поэтому радон накапливается в подвалах, горных выработках, тоннелях, глубоких ямах и.т.п. Радон легко подвижен и атмосферными потоками переносится на большие расстояния, а также перемещается вместе с поверхностными и грунтовыми водами. Так как радон является продуктом распада радия, а радий, в свою очередь, образуется при распаде урана, то ясно, что радон поступает в окружающую среду из минералов и горных пород, содержащих уран. А так как уран весьма распространѐнный в природе элемент, то практически вся земная кора является источником поступления радона в атмосферу. Кроме того, радон из минералов и пород попадает в подземные воды, нефть и природный газ в их естественном залегании. Радон относительно слабо растворяется в воде, значительно легче растворим в некоторых органических соединениях, например в сероуглероде, толуоле или спирте. Известно 19 изотопов радона (все радиоактивны), из которых 3 являются природными: 219Rn (An, актинон, период полураспада, Т1/2 = 3,92 сек), 220

Rn (Тn, торон, период полураспада, Т1/2 = 51,5 сек), и

222

Rn (Rn, радон,

период полураспада, Т1/2 = 3,82 сут). 222Rn образуется в ряду 238U, 220Rn – в ряду

232

Th,

219

Rn – в ряду

235

U. В 1 м3 воздуха при нормальных условиях

содержится 7 10-6 г радона. Содержание радона в атмосфере оценивается порядка 7 10-17 вес.%. Изотопы радона короткоживущие, но они никогда не исчезают из атмосферного воздуха, т.к. радон постоянно поступает в атмосферу из земных пород. Пород, содержащих изотопы урана и торий, в земной коре очень много, (например, граниты, фосфориты), поэтому убыль компенсируется поступлением, и в атмосфере существует некая равновесная концентрация радона. Изотоп радона

222

Rn дает 50-55 % дозы облучения, ко-

торое ежегодно получает житель Земли от природных радионуклидов, изотоп 220Rn (торон) прибавляет к этому еще 5-10 %. Концентрацию потенциальной энергии альфа-излучения в любой смеси превращения 222Rn можно представить в качестве эквивалентной равно63

весной объемной активности радона (ЭРОА), указываемой в единицах Бк/м3. Эквивалентная равновесная объемная активность радона

222

Rn –

взвешенные суммы объемных активностей соответствующих короткоживущих дочерних изотопов радона. Отношение между эквивалентной равновесной объемной активностью и активностью радона, когда наблюдается равновесие между всеми радионуклидами цепочки и активности всех дочерних продуктов распада равны и совпадают с активностью материнского нуклида называется коэффициентом равновесия (равновесным фактором): F = ЭРОАRn/АRn. Коэффициент равновесия характеризует неравновесное состояние между смесью короткоживущих дочерних продуктов и радоном в воздухе. Величина ЭРОАRn составляет:

ЭРОАRn

0,10 ARaA 0,52 ARaB 0,38 A

RaC '

(17)

,

где АRaA, АRaB, АRaC’ – удельные активности соответственно

218

Po,

210

Pb,

214

Bi подсемейства 222Rn. В случае 220Rn (торон) имеем: ЭРОАТn

0,91AThA 0,09 AThC ,

где AThA, AThC – удельные активности радионуклидов

(18) 212

Pb и

212

Bi соответ-

ственно. Для радона величина F в атмосферном воздухе вне помещений принимается равной 0,6, внутри помещений – 0,4. Для торона используется непосредственно эквивалентная равновесная объемная активность в воздухе, которая принимается равной 0,1 Бк/м3 вне помещений и 0,3 Бк/м3 внутри.

4.2. Оценка радоноопасности территории Основной источник поступления радона в помещение – грунты основания сооружений. Поэтому при проектировании новых зданий необходи64

мо оценивать потенциальную радоноопасность территорий строительства, т.е. прогнозировать интенсивность поступления радона из грунтов основания в проектируемые сооружения. Однако в последней редакции ОСПОРБ996 в качестве единственного критерия оценки радоноопасности принята плотность потока радона (ППР), измеренная на поверхности земли до начала строительных работ. Соответственно, разработаны несколько методик измерения плотности потока радона с поверхности строительных материалов и почв. Методика же оценки потенциальной радоноопасности территорий строительства, регламентирующая не только порядок измерения ППР, но и способы интерпретации полученных данных, до сих пор отсутствует. Такой подход можно считать оправданным только в том случае, если допустить, что значения ППР, измеренные на поверхности земли, полностью соответствует потоку радона из всего массива грунтов основания сооружения, т.е. если геологический разрез абсолютно однороден в плане и по глубине. Радоноопасность проектируемого здания определяется потоком радона из всего массива грунта основания. Чтобы реально оценить потенциальную радоноопасность участков строительства, необходимо выяснить, какие горизонты грунтов основания могут быть источником радона, их положение в геологическом разрезе, пути миграции радона от источников к дневной поверхности и в подвалы будущего здания с учетом конструкции и глубины заложения фундамента. В качестве основного механизма миграции радона к поверхности земли предполагаются совершенно различные процессы – температурная конвекция, «фильтрационный»

перенос радона с парами воды от зеркала

грунтовых вод к дневной поверхности, диффузия за счет разницы концентраций в почвенном и атмосферном воздухе. Существуют различные мнения по поводу временных колебаний ППР. По одним данным в зимний период наблюдаются минимальные значения ППР, по другим – зимой прогнозируется максимальный поток радона из грунта за счет интенсивной 6

ОСПОРБ – Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности

65

температурной конвекции почвенного воздуха, летом – минимальный. Длительные наблюдения приводят к выводу, что поток радона из грунта вообще слабо зависит от метеофакторов и какие-либо закономерные колебания ППР в течение года отсутствуют. Под плотностью потока радона понимают активность радона, проходящего через единицу площади поверхности в единицу времени. Величина плотности потока радона измеряется в Бк/м2 с. Плотность потока радона – чрезвычайно изменчивая величина. На одном и том же участке, т.е. при практически одинаковых геологических, гидрогеологических и метеорологических условиях, близких активностях радия в грунтах, значения ППР, измеренные в соседних точках, могут различаться на порядок и колеблются от 10-20 до сотен, а в отдельных случаях – тысяч мБк/м2 с. Так средние по участкам значения ППР на территории города Москвы изменяются также в очень широких пределах – от 4 до 264 мБк/м2 с. Анализ пространственной изменчивости плотности потока радона показывает существование статистически значимого различия между его значениями на участках, сложенных с поверхности песчаными и глинистыми грунтами. Эксхаляция радона из глинистых грунтов значительно выше, чем из песчаных. Это связано со значительно большими концентрациями материнского, по отношению к радону, радия в глинистых грунтах. Практика показывает, что потоки радона, превышающие нормативный предел (80 мБк/м2 с), наблюдаются только на глинистых участках, где концентрация радия (226Ra) в приповерхностных грунтах превышает 25-30 Бк/кг. Определяющую роль при этом играет именно первый от поверхности слой грунтов, который является основным источником поступления радона в атмосферу. Подтверждением тому служат измерения ППР, проведенные в районе Митино, на дневной поверхности до начала вскрышных работ и на дне котлована, после его открытия. До начала работ измерения проводились на поверхности покровных глин (уд. активность

226

Ra – 35

Бк/кг), залегающих до глубины 3-5 м. Среднее значение ППР на участке 66

составило 168 мБк/м2 с, что значительно выше допустимого предела. После открытия котлована, в его дне были вскрыты флювиогляциальные пески с активностью 226Ra 10-15 Бк/кг. Плотность потока радона со дна котлована (из песков) оказалось незначительной (менее 30 мБк/м2 с), т.е. источником повышенной эксхаляции радона выступали покровные глины. С другой стороны, измерения, проведенные в пойме р.Москвы, где на глубине 3-5м залегают юрские глины (содержание

226

Ra до 250 Бк/кг), перекры-

тые слаборадиоактивными аллювиальными водоносными песками, свидетельствует, что радон, выходящий из высокоактивных юрских глин, практически полностью поглощается (распадается, не успев достигнуть дневной поверхности) слоем водоносных песков мощностью 2-3 метра. ППР на таких участках характеризуется значениями, типичными для песчаных грунтов. Таким образом, подавляющая часть радона, выходящего на дневную поверхность, образуется в зоне аэрации, горизонты и структуры, залегающие ниже уровня грунтовых вод, на значения плотности потока радона с поверхности земли не влияют. Основным источником эксхаляции радона в атмосферу выступает первый от поверхности слой грунта, состав и свойства которого определяют значения ППР, измеряемые на поверхности земли.

4.3. Источники радона Источники радона на открытом воздухе На открытом воздухе основным источником поступления радона в атмосферу является почва, менее важными его источниками являются: грунтовые воды, моря и озера, природный газ, геотермальные выбросы, сжигание угля. Концентрация радона в околоземном слое воздуха регулируется скоростью его эксхаляции и атмосферным разбавлением. Оба этих фактора зависят от метеорологических условий. Образующийся при распаде радия, находящегося в поч67

венных частицах, радон должен попасть в заполненные воздухом поры между частицами и диффундировать по ним в атмосферу. Одна часть радона, диффундируя по воздушным порам, достигает поверхности почвы и поступает в атмосферу, а другая – из-за хаотичности диффузионного движения попадает в закрытые поры и распадается в них. Перенос атомов радона может осуществляться путем диффузии и конвекции7. Конвекционное движение возникает за счет обусловленной метеорологическими условиями разности давлений; оно изменяется во времени и плохо поддается количественной оценке. На концентрацию радона в атмосфере оказывает влияние поверхностный слой глубиной несколько метров. Сколько именно – определяется очень многими факторами. Ввиду того, что 226Ra более легко, чем его материнские изотопы, переходит в растения, интенсивность испускания радона горными породами, в состав которых вошло много органики, или почвами с большим содержанием органических веществ достаточно велика. Несмотря на то, что концентрация радона вне помещений определяется в первую очередь его эксхаляцией, в некоторых случаях существенную роль могут играть и адвекция8, обусловленная ветровым переносом, и изменение атмосферного давления. Реальная концентрация радона CRn в почвенном газе может изменяться на несколько порядков величины. Имеются данные, указывающие на значительные возрастания концентрации радона CRn перед мощными землетрясениями. Концентрация радона в атмосферном воздухе зависит от географического положения региона, времени, высоты над поверхностью земли и метеорологических условий. Поскольку основным источником радона является почва, концентрация его в воздухе плавно уменьшается по мере удаления от земли. На концентрацию радона вне помещений существенное влияние оказывают и атмосферные процессы, в первую очередь те, которые приводят к перемешиванию воздуха. Это вызывает в свою очередь су-

7 8

Конвекция – перенос воздуха (а вместе с ним его свойств) в вертикальном направлении Адвекция – перенос воздуха (а вместе с ним его свойств) в горизонтальном направлении

68

точные и сезонные колебания концентрации радона, как вне помещений, так и в воздухе внутри помещений. Солнечное излучение постепенно прогревает днем поверхность земли, и турбулентные потоки уносят значительную часть радона вверх, а вечером, когда влияние солнечного излучения уменьшается, плотность радона близ поверхности земли возрастает. Таким образом, максимальный уровень отмечается ночью, а в полдень он снижается до минимального значения. Что касается сезонных вариаций, то они связаны с такими факторами, как осадки, преимущественные направления ветра и в существенной степени с изменением характера использования помещения в разные сезоны. Все эти эффекты следует учитывать, когда сравниваются результаты опытов, выполненных в ночное и дневное время и в разные сезоны года. Согласно оценкам НКДАР ООН9 2000, усредненные концентрации 222

Rn и 220Rn вне помещений могут быть приняты одинаковыми и равными

10 Бк/м3 у поверхности земли. Что касается 222Rn, то имеется огромное количество измерений, которые показывают, что концентрации изменяются в очень широких пределах примерно от 1 до более чем 100 Бк/м3. Данные по 220

Rn немногочисленны, а его концентрация быстро уменьшается с высо-

той в связи с малым периодом полураспада. На высоте 1 м от поверхности Земли концентрация

220

Rn почти в 10 раз меньше, чем на высоте около 5

см. Концентрация радона, как правило, ниже над островами и арктическими областями, поскольку там гораздо меньше эманирующей радон почвы, чем в континентальных регионах умеренных широт. Над островами и в прибрежных районах содержание радона в воздухе, как правило, в 2 – 4 раза ниже, т.к. скорость поверхностной эксхаляции из океана примерно в 100 раз меньше, чем из почвы.

9

НКДАР ООН – Научный комитет по действию атомной радиации Организации Объединенных Наций

69

Источники радона в помещении Радон внутрь помещений попадает из грунта под основанием здания, из строительных материалов, использованных при строительстве здания и в процессе его эксплуатации, из водопроводной воды, с бытовым газом и с атмосферным воздухом. При этом в зависимости от существующих условий, вклад этих источников в суммарное поступление может значительно варьироваться. Строительные материалы Большинство строительных материалов (за исключением древесины, стекла и стали) содержат значительные количества урана и тория и, следовательно, радия – материнского изотопа радона. Известно, что в некоторых регионах радон в жилье поступает не столько из почвы, сколько из строительных материалов. Так, например, обстоит дело в Москве. Почвы Москвы относительно бедны радием, старые дома построены из малоактивных известняков. Однако стены домов, построенных из железобетона или облицованных гранитом, иногда содержат довольно много радия. Пески и гравий некоторых карьеров содержат адсорбированный радий (фильтрация природных обогащенных радием вод). Например, гранитный щебень из подмосковных карьеров характеризуются повышенной радиоактивностью (200 - 700 Бк/кг). Соответственно и бетон, приготовленный из таких компонентов, содержит радий. Как известно, именно из радия образуется газ радон. Выход радона из строительного материала в атмосферу жилья зависит от эманирующей способности стен, которая определяется пористостью, температурой, перепадом давлений. С точки зрения поступления радона в жилые помещения пористые бетоны весьма опасны, особенно изготовленные из шлаков угольных электростанций, эманирующая способность которых приближается к 100%. В этом смысле граниты менее опасны: хотя радия в них и больше, но эмани70

рующая способность составляет доли процента. Поэтому радон из гранитов в жилое помещение практически не поступает. Наличие штукатурки обычно понижает поступление радона из стен. Исключение составляет штукатурка японских традиционных домов, отличающаяся повышенным содержанием радия-224. Во многих регионах Японии поток радона-220 (торона) весьма высок и достаточно опасен. Поступление радона существенно подавляет покрытие стен обоями (особенно - специально разработанными для блокировки радона), красками и лаками на эпоксидной основе. Хорошие результаты дает применение композитных покрытий. Отметим, что самые распространенные строительные материалы – дерево, кирпич и бетон – выделяют относительно немного радона. При толщине строительного материала 0,2 м типичные скорости поверхностной эксхаляции составляют 0,3 и 2,0 мБк/м2 с для кирпича и бетона соответственно. Гораздо большей радиоактивностью (из-за повышенного содержания радия 226

Ra) обладают гранит, пемза, итальянский туф, легкий бетон на основе

квасцитовых песчаников, а еще более опасны в этом отношении глиноземы, фосфогипс и кальций-силикатный шлак. В воздух помещений радон поступает также из строительных конструкций. Наиболее в этом плане неблагоприятны: кальций-силикатный шлак, фосфогипс, глинозем, гранит, пемза, красный кирпич, меньше всего радия и тория содержится в дереве, природном гипсе, песке и гравии. Высокое содержание радона наблюдается в зданиях, если он стоят на грунте с большим содержанием радия или если при его постройке использовались материалы с повышенной радиоактивностью. Возрастание концентрации радона зданиях объясняется, с одной стороны, герметизацией помещений с целью утепления, поскольку при этом затрудняется выход радиоактивного газа из помещения, с другой, толщиной и целостностью межэтажных перекрытий, независимо от материала, т.к. даже деревянные прохудившиеся перекрытия, не будучи сами источниками радона, способствуют проникновению радона в помещения из грунта. В последние годы во многих странах мира все чаще регистрируются высокие концен71

трации радона во внутренних помещениях домов, в 100 - 5000 раз превышающие таковую в наружном воздухе. Концентрация радона в верхних этажах многоэтажных домов, как правило, ниже, чем на первом этаже. При этом содержание радона деревянных домах нередко оказывается выше, чем в кирпичных, хотя дерево выделяет ничтожное количество радона по сравнению с другими материалами. Это объясняется тем, что деревянные дома, как правило, имеют меньшую этажность, чем кирпичные, и, следовательно, помещения находятся ближе к земле – основному источнику радона. Плотность потока радона из строительных материалов можно рассчитать по формуле: QRn CRa

ERn LRn th( L1/ 2 ), LRn

(19)

где СRa – объемная активность радия, Бк/м3; – плотность материала, г/см3 ERn – коэффициент эманирования радона, отн.ед.; LRn – длина диффузии радона, м; L1/2 – толщина стены, м; Даже при полной герметизации помещения, накопление радона из строительного материала будет происходить:

СRn

Q S t (1 e V

Rnt ),

(20)

где Q – плотность потока радона, Бк/м2 с; S - суммарная площадь стен, пола, потолка, м2; t – время накопления, с; V- объем помещения, м3; Rn

– постоянная распада радона (2,1·10-6с-1).

72

Атмосферный воздух При наружном воздухообмене в помещение попадает некоторое количество радона, содержащегося в атмосферном воздухе. Воздухообмен может осуществляться за счет: - естественной вентиляции через открытые окна и двери; - принудительной вентиляции и фильтрации; - неконтролируемые утечки воздуха через трещины в строительных покрытиях. Здесь предполагается, что обмен воздуха осуществляется только за счет фильтрации. Скорость поступления радона в результате фильтрации описывается выражением:

Uатм

Сатм vB ,

(21)

где Cатм – концентрация радона в атмосферном воздухе, Бк/м3; α – доля скорости воздухообмена, ответственная за обмен с атмосферным воздухом и во всех случаях близкая к единице. υв – скорость воздухообмена, ч-1. Вода Концентрация радона в поверхностных водах зависит от концентрации Ra-226 и составляет в среднем 10 Бк/м3, но в глубоких артезианских скважинах создаются условия для накопления чрезвычайно больших количеств радона – до 100 МБк/м3. Например, в Финляндии в водах из некоторых глубоких скважин концентрация радона достигает примерно 7 107 Бк/м3. По оценкам НКДАР ООН в настоящее время 10% населения Земли пьют воду с концентрациями радона 0,1 МБк/м3 и 1% – 1 МБк/м3. Так, по данным шведских ученых, более 60000 шведов потребляют воду с содержанием радона выше 1000 Бк/л, что приводит к 50 случаям заболеваний 73

раком легких в год. Однако основная опасность исходит не из потребления воды, даже при высоком содержании в ней радона. Гораздо большую опасность представляет попадание паров воды с высоким содержанием радона в легкие вместе с вдыхаемым воздухом, что чаще всего происходит в ванной комнате. С ростом температуры и распыления воды (душ) значительно увеличивается степень дегазации радона. Так, при обследовании ряда домов в Финляндии, было выяснено, что концентрация радона в ванной комнате в 40 раз выше, чем в жилой. Всего за 22 минуты пользования душем концентрация радона достигает величины, которая в 55 раз превышает предельно допустимую концентрацию. Исследования, проведенные в Канаде, показали, что все семь минут, в течение которых был включен теплый душ, концентрация радона быстро возрастла (примерно в 37 раз) и в течение последующих 1,5 часов возвращалась к норме. Скорость поступления радона в процессе дегазации воды выражается уравнением Uв

СВRn QВ V

,

(22)

где СВRn – концентрация радона в воде, Бк/м3; Qв – количество воды, потребляемой в единицу времени, м3/ч; ε – коэффициент дегазации, отн.ед.; V – объем помещения, м3

Природный газ В отдельных случаях природный газ рассматривают как потенциально важный источник радона внутри помещений. Концентрация радона в бытовом газе варьирует в широких пределах от единиц до 50 кБк/м3. При сжигании бытового газа для обогрева помещений и приготовления пищи в устройствах без вытяжки концентрация радона в воздухе увеличивается за счет его выделения с продуктами сгорания. 74

Скорость поступления радона при сжигании бытового газа описывается уравнением: U бг

Rn Сбг Qбг , V

(23)

где СбгRn – концентрация радона в бытовом газе, Бк/м3; Qбг – количество газа, потребляемого в единицу времени, м3/ч; V – объем помещения,м3. Почвы и грунты под зданием Основной источник поступления радона в помещение – грунты основания сооружений. Для характеристики скорости поступления радона следует учитывать скорость генерирования радона в материале источника, способы его переноса через различные материалы и, наконец, пути, по которым радон попадает непосредственно в воздух помещений. Первым помещением здания, куда из грунта основания здания попадает радон, является подвал. Подвальные помещения зданий являются, с одной стороны, предохранительным барьером от радона для выше расположенных жилых помещений, а с другой стороны – аккумулятором радона, который при определенных условиях может из него поступать в вышерасположенные помещения. Формирование радона в подвальных помещениях зависит от следующих основных факторов: - наличия воздухонепроницаемого полового покрытия; - площади и толщины пола, имеющий контакт с грунтом основания здания; - площади и толщины стен, имеющий контакт с грунтом основания здания; - площади и толщины стен, не имеющих контакта с грунтом основания здания, но подверженных воздействию ветровой нагрузки; 75

- физического износа конструкций, имеющих контакт с грунтом основания здания (трещины, разошедшиеся швы и.т.п.), наличия зазоров между половой плитой и стенами; - химического состава, механических характеристик и коэффициента эманирования материала пола, стен и потолка помещения подвала; - химического состава, механических характеристик и коэффициента эманирования грунта основания здания. Формирование радона в помещениях первого этажа здания, имеющего подвал, напрямую зависит от объѐмной активности радона в подвале. Важное значение имеет поступление радона внутрь помещения с конвекционным потоком воздуха через конструкционные элементы здания. Часто этот способ поступления является основным, в особенности, если здание находится в прямом контакте с почвой. Потоки радона, проходящие через неповрежденную бетонную плиту пренебрежимо малы по сравнению с потоками, проникающими через трещины, дыры и другие повреждения, и конструкционные отверстия. В Канаде было выполнено компьютерное моделирование процесса перемещения радона как почвенного газа, которое возникает из-за разности давлений в воздухе помещения и в подлежащей почве. Как показывают результаты аэродинамического исследования, большие изменения скорости поступления радона в помещение наблюдаются при одновременном изменении силы и направления ветра, а не при изменении каждого параметра в отдельности. Установлено, что средняя скорость поступления зависит в первую очередь от проницаемости почвы и значительно меньше зависит от площади и герметичности того дома, который использовался в компьютерной модели. В зимнее время поступление радона было в четыре раза интенсивнее, чем летом. Величина эксхаляции (плотность потока радона (ППР)) из почвы является функцией нескольких переменных, которые можно разделить на две основные группы. Первая, связанная с качественными характеристиками 76

грунта, из которых наиболее существенное влияние на величину ППР оказывают: удельная объѐмная активность радия-226 в почве, коэффициенты эманирования и диффузии. Эти параметры практически постоянны в пределах отдельного участка поверхности земли. Вторая группа - параметры, связанные с климатическими и погодными условиями, среди которых наиболее существенное влияние на изменение величины

ППР оказывают

температура окружающего воздуха, атмосферное давление, влажность почвы. Эти параметры (назовѐм их «условно переменными») подвержены постоянным изменениям во времени. Существует взаимосвязь «условно переменных» параметров с вариациями ППР из почвы, причѐм основное влияние на изменение величины ППР во времени оказывают колебания температуры окружающего воздуха (в сочетании с влажностью почвы) и атмосферного давления.

При этом

колебания атмосферного давления

имеют пролонгированный характер. Причѐм в зависимости от изменения «условно переменных» параметров величина ППР из почвы может изменяться в течение относительно короткого промежутка времени в несколько раз в сторону, как увеличения, так и уменьшения относительно средней. Эксхаляция радона увеличивается с ростом температуры воздуха и уменьшается с ее снижением. При этом увеличение или уменьшение эксхаляции происходит практически одновременно с ростом или снижением температуры. На изменение ППР влияет и атмосферное давление, но это влияние носит пролонгированный характер. Сразу зафиксировано постепенное изменение эксхаляции с достижением пика на 9-11 сутки с момента начала резкого изменения атмосферного давления.

4.4. Влияние радона на организм человека Отрицательное действие радона Риск для здоровья при вдыхании

222

Rn представляют главным обра-

зом его дочерние продукты. Биологическое действие радона и его дочер77

них продуктов распада (ДПР) при попадании в живые организмы связывают в основном с их радиоактивностью. Ионизирующие излучения, возникающие при распаде радиоактивных элементов, ионизируют или возбуждают атомы или молекулы вещества. При этом различают три этапа: физический, физико-химический и биологический. На первом этапе происходит ионизация всех компонентов живой клетки: макромолекул, низкомолекулярных веществ различной природы и воды. В результате ионизации молекул воды и связанных с этим реакций образуются свободные радикалы, вступающие в реакции на втором этапе. Основное значение среди них имеют атомарный водород и гидроксил- ион. Кроме того, в клетке при действии излучения происходит образование вторичных продуктов, активных в химическом отношении и, в свою очередь, взаимодействующих с нуклеиновыми кислотами, белковыми молекулами и другими составными частями облучаемых тканей. Общая схема лучевой реакции макромолекул на втором этапе состоит в следующем. Сначала происходит образование скрытых повреждений связей биологически важных молекул и надмолекулярных структур. Вторая стадия лучевой реакции макромолекул состоит в реализации скрытых повреждений или репарации поражения, что выражается как в разрушении структур, так и в образовании новых структур, не свойственных данной системе. Подобные процессы могут быть быстрыми (менее 10 сек) и весьма продолжительными. На биологическом этапе реакция организма на облучение зависит от дозы облучения, размеров облучаемой поверхности, индивидуальной чувствительности и других факторов. При этом непосредственно биологическое действие ионизирующего излучения проявляется в эффекте угнетения деления клеток, продолжительность и сила которого пропорциональны дозе облучения. При очень высоких дозах наблюдается быстрая гибель клеток, восстановленные клетки продолжают деление, обнаруживая различные уродства и ненормальности. Различные виды орга78

низмов, индивидуумы и органы обладают различной чувствительностью к ионизирующему излучению. Клинические проявления радиационного поражения являются следствием, прежде всего нарушений того или иного органа. На биологическом этапе радиационного поражения наблюдается нарушение обмена веществ в биологических системах, что в свою очередь может повлечь за собой физико-химические изменения различных биологических структур. Радиационные повреждения могут быть ранними (проявляются в течение нескольких недель после облучения) и поздними, наиболее серьезными из которых являются рак, генетические изменения, сокращение продолжительности жизни. Внутреннее облучение живого организма имеет свои особенности, причем наиболее опасны альфа-частицы, имеющие большое значение ЛПЭ (линейной передачи энергии). Радон поступает в организм через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт и кожу, легко растворяясь во всех жидкостях этого организма: воде, крови и других. Отмеченная ранее исключительно высокая растворимость радона в жирах обуславливает эффективное поглощение его жировыми тканями человека и животных. Радиационная опасность при воздействии радона на организм обусловлена его дочерними продуктами, особенно группы короткоживущих изотопов. Преимущественное накопление радиоактивных веществ в отдельных органах определяет развитие в них патологических процессов в виде злокачественных новообразований и других изменений тканей в отдаленные сроки после облучения. Критическим органом для радона и ДПР при ингаляции являются органы дыхания, причем доза их облучения составляет около одного процента от дозы, полученной вследствие накопления и распада в легких ДПР, поступающих с вдыхаемым воздухом. Таким образом, биологическое действие радона и главным образом его ДПР в больших концентрациях на организм является отрицательным и часто приводит к нежелательным и даже необратимым последствиям. 79

Положительное действие радона Примером положительного влияния радона на организм человека является радонотерапия. По данным многочисленных клинических исследований радоновые процедуры, воздействуя на различные рецепторы кожи, усиливают работу всех защитно-приспособительных систем организма, стимулируя функцию гипофиза, мозгового и коркового слоя надпочечников, инсулярного аппарата поджелудочной железы, систем гипофизнадпочечники-яичники. Это влияние проявляется через реакции исполнительных систем (сердечно-сосудистой, обменной, нервной и др.). Таким образом, с радонотерапией связано как лечебное, так и профилактическое действие, поддержание в тонусе защитно-приспособительных сил организма, противодействующих негативному воздействию на него стресса, онкопродуцирующих факторов, переутомления, монотонных длительных физических и умственных нагрузок, токсинов, генетических факторов старения и.т.д.

4.5. Нормирование основных радоновых величин Поскольку основной источник радона в зданиях – его выделения (эманации) из грунта, то концентрацию радона принято измерять в цокольных и первых этажах. Наиболее тщательные исследования (около 2 миллионов зданий) были проведены в США в конце 80-х годов. В результате было выяснено, что среднее значение активности радона в американских домах составляет 55 Бк/м3. В воздухе 5% американских домов радона содержится более чем 150 Бк/м3 – значения, рекомендованного в США в качестве предельно допустимой величины удельной активности радона в воздухе жилых помещений, а в 0,1% домов активность радона превышает 800 Бк/м3. Более того, в 3% из 130 обследованных школьных зданий уровень радона был выше 700 Бк/м3.

80

В настоящее время в странах Европейского союза экспертами по радиационной защите рекомендованы следующие предельные нормативные значения активности радона: 200 Бк/м3 для новых жилых зданий и 400 Бк/м3 для старых. Если активность радона превышает норму, то следует принимать контрмеры, начиная с простых и дешевых (заделка щелей в фундаменте зданий, дополнительные лакокрасочные и полимерные покрытия для пола и стен и.т.п.) вплоть до сложных и сравнительно дорогих инженерных методов (вентиляция фундамента и подпола, откачка радона изпод здания, улавливание радиоактивных продуктов распада радона специальными приборами). До недавнего времени в нашей стране на проблему радона не обращали особого внимания. Но с 1991 г. содержание радона в воздухе жилых и производственных помещений стало регламентироваться. При проектировании новых зданий жилищного и социально-бытового назначения среднегодовая эквивалентная равновесная объемная активность радона в воздухе помещений не должна превышать 100 Бк/м3 (ЭРОАRn+ 4,6 ЭРОАTn<100 Бк/м3), в построенных зданиях – 200 Бк/м3 (ЭРОАRn+ 4,6 ЭРОАTn<200 Бк/м3). При значениях объемной активности, превышающих указанные, следует провести защитные мероприятия, направленные на предотвращение поступления радона в воздух помещений. В тех случаях, когда защитные мероприятия не позволяют снизить среднегодовую эквивалентную равновесную объемную активность радона в воздухе помещений до значений, менее 400 Бк/м3, то решается вопрос о переселении жильцов (с их согласия) и перепрофилировании помещений. Что касается плотности потока радона, то при строительстве жилых и общественных зданий и сооружений эта величина не должна превышать 80 мБк/м2 с, а в дошкольных зданиях и сооружениях, общеобразовательных, спортивных и лечебно-оздоровительных учреждениях, малоэтажные зданиях коттеджного типа, а также реконструируемых зданиях и сооружениях

81

без подвальных этажей плотность потока радона не должна превышать 40 мБк/м2 с. Помимо нормирования радона из почвы также нормируется содержание радона в воде. Из-за разнообразия условий радононакопления в водах в разных странах приняты различные величины предельных концентраций радона, которые ограничивают использование вод с высоким содержанием радона. Так, в Финляндии предельно допустимые концентрации установлены на уровне 300 Бк/л, в Швеции – 300 Бк/л, в Ирландии – 200 Бк/л. В российских Нормах Радиационной Безопасности (НРБ-99) предельный уровень содержания радона в воде, при котором уже требуется вмешательство, установлен на уровне 60 Бк/л при отсутствии в воде других радиоактивных веществ. До этого «Санитарные правила и нормы для централизованного водоснабжения» разрешали пользоваться водой с содержанием радона 120 Бк/л.

4.6. Аппаратура для определения плотности потока радона Радиометр радона РРА-01М-03 предназначен для измерения объемной активности (ОА) радона-222 и количества распадов

216

Po (ThA) в воздухе

жилых и рабочих помещений, а также на открытом воздухе в пределах эксплуатационных параметров радиометра. Дополнительно радиометр может контролировать следующие параметры окружающей среды: температура, относительная влажность и давление. Радиометр выполнен в виде носимого прибора с автономным и сетевым питанием. Основными его узлами (см. рис. 14) являются: - измерительная камера с фильтром и ППД; - микровоздуходувка; - климатическая камера с датчиками температуры, влажности и давления; 82

- зарядочувствительный предусилитель; - высоковольтный блок питания; - автономный источник питания; - блок управления с расположенными в нем элементами управления и индикации на базе микропроцессора; - сетевой блок питания (прилагается отдельно). 2

1

3 4

5

6

8 7 9 зарядочувствительный предусилитель микровоздуходувка

К

автономный блок питания

высоковольтный блок питания

Рис.14. Блок-схема радиометра: 1 – осушитель; 2 – аэрозольный фильтр; 3 – входной фланец; 4 – корпус измерительной камеры; 5 – электрод измерительной камеры; 6 – детектор; 7 – входной фланец; 8 – климатическая камера; 9 – штуцер

Измерительная камера объемом 1,6 л представляет собой пластиковый пустотелый цилиндр, герметично закрытый фланцами с двух сторон. На переднем (входном) фланце размещен аэрозольный фильтр, а в центре заднего (выходного) фланца установлен ППД. Рядом с измерительной камерой крепится климатическая камера, аккумуляторы для автономного питания радиометра и микровоздуходувка. Климатическая камера контролирует 83

климатические параметры окружающего радиометр воздуха. Работа радиометра основана на отборе пробы воздуха с помощью микровоздуходувки. Анализируемый воздух поступает через аэрозольный фильтр в измерительную камеру. Аэрозольный фильтр предназначен для очистки контролируемого воздуха от дисперсной фазы аэрозолей и, в том числе, от дочерних продуктов распада (ДПР) торона-220 и радона-222. Прозрачный прижимной фланец позволяет визуально контролировать состояние фильтра. В случае механических повреждений или сильной запыленности фильтра, он подлежит замене. При отборе проб воздуха в условиях повышенной влажности на входе измерительной камеры под декоративной крышкой предусмотрена установка фильтра-осушителя, избирательно поглощающего пары воды из анализируемого воздуха. Измерение ОА радона-222 и торона-220 основано на электростатическом осаждении положительно-заряженных ионов Ро (RaA) и

216

Ро (ThA)

из отобранной пробы воздуха на поверхность ППД с помощью высокого положительного потенциала, поданного на электрод (сетку) измерительной камеры. Активность радона-222 и торона-220 определяются соответственно по количеству зарегистрированных альфа-частиц при распаде RaA и ThA альфа-спектрометрическим методом. Электрические импульсы, образующиеся при попадании на детектор альфа-частиц, усиливаются зарядочувствительным предусилителем и поступают на вход амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) и далее обрабатываются микропроцессором (рис. 15). Пройдя амплитудную селекцию, импульсы, соответствующие альфачастицам от RaA, регистрируются счетчиком микропроцессора и далее результаты в относительном (количество зарегистрированных альфа-частиц) и абсолютном виде (ОА радона-222) выводятся на матричный жидкокристаллический дисплей. Эффект, обусловленный накоплением RaA и ThA на поверхности детектора, не влияет на результаты последующих измерений из-за малых периодов полураспада RaA и ThA.

84

Блок управления RS232

ОЗУ

ПЗУ

климатическая камера

таймер

зарядочувств. предусилитель

измерительная камера с ППД

микропроцессор микровоздуходувка

Дискриминатор нижнего и верхнего уровня

аккумуляторная батарея

модуль вывода информации

высоковольтный блок питания

"заряд" сетевой блок питания

матричный дисплей

стабилизатор напряжения

Рис.15. Функциональная схема радиометра

Блок управления включает в себя АЦП, микропроцессор, ОЗУ, постоянно-запоминающее устройство (ПЗУ) и разъем для связи с компьютером. Для

управления

работой

радиометра

на

его

лицевой

панели

предусмотрены кнопки «СТАРТ», «ПРОСМОТР», «СБРОС», а также три кнопки «Режим» и кнопка подсветки матричного жидкокристаллического индикатора. Внешний вид радиометра изображен на рис. 16. Жидкокристаллический матричный индикатор служит для контроля состояния радиометра и просмотра измеренных данных. Гибкая пленочная клавиатура с кнопками «СТАРТ», «ПРОСМОТР», «СБРОС», подсветка индикатора, «Режим» с набором цифр 1, 2, 3 служат для управления радиометром. Под декоративной крышкой измерительной камеры находится отверстие для забора анализируемого воздуха и фильтр-осушитель. Кнопка подсветки индикатора служит для удобства эксплуатации радиометра при пониженной освещенности. При питании от сети подсветка индикатора включается автоматически. При работе от аккумуляторов подсветка включается при нажатии кнопки подсветки. 85

2

4

5

6

Радиометр радона

Режим старт

1

просмотр

1 2 3

сброс

3

Рис. 16а. Вид радиометра спереди: 1 – гибкая пленочная клавиатура с кнопками управления; 2 – жидкокристаллический матричный индикатор; 3 – кнопки режим; 4 – кнопка подсветки индикатора; 5 – вход микровоздуходувки

Питание всех узлов радиометра осуществляется через разъем подключения сетевого блока питания, либо от встроенного автономного источника постоянного тока (аккумуляторной батареи). Включение и выключение напряжения радиометра осуществляется тумблером «ПИТАНИЕ» (3, рис.16б). 1

2

питание

Радиометр радона РРА-01М-03 зав. №2 00200

3 4 5

7

6

Рис. 16б. Вид радиометра сзади: 1 – светодиод зарядки аккумуляторной батареи; 2 – разъем для вывода информации на компьютер; 3 – тумблер «ПИТАНИЕ»; 4 – разъем для подключения сетевого блока питания; 5 – разъем для вывода спектрометрической информации; 6 – выход микровоздуходувки; 7 – выход измерительной камеры 86

На задней панели радиометра предусмотрена световая индикация зарядки аккумуляторной батареи от сети (1, рис.16б). Разъем для вывода спектрометрической информации (5, рис.16б) на многоканальный анализатор (МАЛ) позволяет контролировать работу спектрометрического тракта радиометра. Разъем для вывода информации на компьютер (2, рис.16б) позволяет осуществлять дополнительное управление радиометром и передавать данные из радиометра в компьютер. Выход 1 (7, рис.16б) в процессе измерений постоянно закрыт заглушкой и соединен с выходом измерительной камеры, выход 2 (6, рис.16б) соединен с выходом микровоздуходувки и служит для выхода анализируемого воздуха из радиометра. Перед началом включаем питание радиометра тумблером «ПИТАНИЕ» вверх. При этом на индикаторе последовательно появляются надписи, сопровождаемые звуковыми сигналами: RADON RADIOMETER RRA-01M-03

RADON RADIOMETER BATTERY U-5,08V

На этом этапе происходит контроль напряжения на аккумуляторной батарее. На индикаторе отображается величина напряжения на аккумуляторной батарее. При разрядке аккумуляторной батареи на индикаторе появится надпись «BATTERY DISCHARGED» и радиометр прекращает измерения. В этом случае необходимо выключить радиометр тумблером «ПИТАНИЕ» (положение вниз) и зарядить аккумуляторную батарею, воспользовавшись зарядным устройством, входящим в комплект радиометра. На следующем этапе тестирования радиометра происходит проверка работы спектрометрического тракта. При успешном завершении проверки на индикаторе появляется надпись: 87

RADON RADIOMETER -ADC-PASSEDBATTERY -5,08V 200 контрольная цифра

Режим выполняет контрольную функцию и характеризует работу спектрометрического

тракта.

Цифра

200±5

является

контрольной

и

информирует об исправности спектрометрического тракта. Производится проверка внутренней памяти радиометра (ОЗУ). При успешном прохождении теста на индикаторе появляются сообщения: число

месяц

год

текущее время

01 Jan 99

18-10

RADON RADIOMETER RRA-01M-03 №00401 -4 3 S=1.8*10 м /(Bq s) чувствительность радиометра

заводской номер радиометра

Далее процессор радиометра автоматически ожидает команды от пользователя. Окончание всех проверок сопровождается звуковым сигналом. После каждого включения радиометра тумблером ПИТАНИЕ серия измерений

увеличивается

на

единицу.

Серия

измерения

позволяет

идентифицировать различные эксперименты при последующем анализе результатов. Работа в режиме непрерывных измерений. После нажатия на кнопку «СБРОС», находящейся на передней панели радиометра,

на

индикаторе

появляется информация о климатических характеристиках анализируемого воздуха: температура (°С), давление в мм ртутного столба (mmHg) и относительная влажность (%). Нажимаем кнопку "СТАРТ". При этом вклю88

чается воздуходувка, обеспечивающая прокачку воздуха через измерительную камеру в течение 5 минут, а на индикаторе отображается

следующая

информация: номер измерения

число

месяц

101 01 Jan 99 N =0 03:02 3 Rn<20 Bq/m 21 23 C 768 mmHg

год

текущее время

18-15 Tn 20

кол-во распадов 216 Po (ThA)

35%

относительная давление ОА радона-222 влажность число серия температура зарегистрированных - измерений частиц RaA время, оставшееся до конца работы воздуходувки (мин:с)

Через 4,5 мин после начала работы микровоздуходувки на сетку измерительной камеры подаѐтся высокое напряжение. По окончании 5 минутной работы микровоздуходувки начинаются измерения в течение 20 мин. После окончания измерения комплексный результат автоматически запоминается в ОЗУ радиометра. При этом в качестве временной отметки измерения запоминается время начала измерения. Режим измерения повторяется трижды без включения микровоздуходувки. После окончания трех циклов измерения автоматически включается микровоздуходувка и новый цикл измерений повторяется. Окончательное значение ОА радона-222 автоматически вычисляется процессором радиометра только по окончании времени измерения. Если полученное значение ОА радона-222 выходит за предел нижней границы диапазона измерений радиометром, на индикаторе по окончании измерения появляется информация: Rn<20 Bq/m3. Для остановки циклов измерений нажать кнопку "СБРОС". При этом кнопку "СБРОС" необходимо удерживать не менее 2 с. 89

101 01 Jan 99 N =10 19:52 3 Rn: 103 20 Bq/m 12 23 C 768 mmHg ОА радона-222, измеренная в предыдущем измерении

18-15 Tn 20 35%

время, оставшееся до конца измерения (мин:с)

Выбор интервала времени между измерениями. Остановить цикл измерений, нажав на кнопку «СБРОС». Выбор интервала времени между измерениями осуществляется кнопкой «Режим 1». При нажатии на кнопку «1» на индикаторе появляются следующие возможные комбинации интервала времени между измерениями: 1 час (1 Hour) 4 часа (4 Hours) 8 часов (8 Hours). Выбор интервала осуществляется кнопками « » и « » путем перемещения знака «***» на индикаторе напротив выбранного интервала. После выбора интервала запуск измерения осуществляется кнопкой «СТАРТ». Процесс измерения при этом состоит из автоматического отбора пробы микровоздуходувкой в течение 5 мин и 20 мин измерения. После автоматического сохранения полученных данных в ОЗУ и паузы =30 с радиометр автоматически отключает все ресурсы по питанию, кроме внутреннего таймера и индикатора. При этом потребление от аккумуляторов уменьшается в 10 раз. В режиме паузы между измерениями возможен просмотр результатов последнего комплексного измерения и интервала между измерениями. По истечении выбранного интервала между измерениями (1час, 4 часа или 8 часов) радиометр автоматически включает микровоздуходувку на 5 мин. Далее цикл работы радиометра повторяется до тех пор, пока он не будет остановлен кнопкой «СБРОС».

90

Выбор длительности одного измерения. Выбор оператором времени измерения обеспечивает начало диапазона измерения ОА радона-222 и торона-220 с пределом допускаемой основной погрешности при доверительной вероятности 0,95. Начало диапазона измерений для различного времени измерения составляет: при 20 мин - 110 Бк м-3; при 60 мин - 40 Бк м-3; при 120 мин - 20 Бк м-3. После включения радиометра длительность измерения составляет 20 мин. Если длительность нить,

кнопкой

измерения

необходимо

изме-

«Режим 2» установить необходимую длительность из-

мерения: 60 мин, 120 мин или интегральный режим измерения. Выбор длительности одного измерения осуществляется кнопками « » и « » путем перемещения знака «***» на индикаторе напротив выбранного значения. После выбора времени измерения запуск измерения осуществляется кнопкой «СТАРТ». Процесс измерения при этом состоит из отбора пробы в течение 5 мин, выбранного времени измерения и паузы ~ 10 с. В этом режиме возможен просмотр комплексных результатов кнопкой «ПРОСМОТР». Если выбран интегральный режим измерения (Integral), радиометр начинает непрерывные измерения без включения микровоздуходувки. Отбор пробы в измерительную камеру осуществляется путем диффузии. Смена пробы в измерительной камере радиометра происходит за время не более 50 минут. Значение ОА радона-222 вычисляется каждую минуту с уточнением ранее полученного результата. По окончании каждой минуты измерения число зарегистрированных при этом альфа-частиц RaA (N ) обнуляется. Просмотр ранее полученных результатов измерений в интегральном режиме измерения невозможен. Для просмотра полученного интегрального значения остановить процесс измерения кнопкой «СБРОС», удерживая ее в течение не менее 2 с. Режим просмотра информации. В режиме ПРОСМОТР осуществляется просмотр хранящихся в ОЗУ радиометра данных. Просмотр данных может осуществляться как в процессе измерений, так и в режиме ожидания 91

радиометром команд оператора, кроме специально оговоренных в настоящем документе случаев. Для просмотра информации нажать кнопку «ПРОСМОТР». На индикаторе радиометра появляется надпись:

51 01 Jan 99 N =10 VIEW 3 Rn: 103 20 Bq/m 03 21 C 744 mmHg

номер просматриваемого измерения

18-15 Tn 20 26%

указатель того, что радиометр работает в режиме ПРОСМОТР

Просмотр осуществляется, начиная с максимально возможного (последнего) номера измерения и далее в порядке его уменьшения. Для просмотра других данных необходимо пользоваться кнопками « » (номер измерения уменьшается) или « » (номер измерения увеличивается). При попытке посмотреть номер измерения больше максимально или минимально (первого) возможного или при отсутствии данных на дисплее появляется надпись «No data». Для окончания просмотра еще раз нажать кнопку «ПРОСМОТР». Особенности работы с радиометром следующие. Включаем питание радиометра и выдерживаем в течение 3 мин. Используя функцию «Режим 3» и подпрограммы «Измерение фона (Background)», измеряем фон. Использование подпрограммы позволяет провести измерения собственного фона радиометра без подачи высокого напряжения на электрод измерительной камеры. Значение собственного фона радиометра не должно превышать паспортного значения (7 Бк м-3). Нажимаем на кнопку «СТАРТ». При этом происходит отбор пробы воздуха микровоздуходувкой в течение 5 минут и измерение пробы в течение 20 мин. По окончании измерения на индикаторе отображается новое значение ОА радона-222, торона-220 и климатических параметров. В процессе измерений на индикаторе отобра92

жается предыдущий результат измерения ОА радона-222. Результат измерения сохраняется в памяти радиометра. Окончание каждого измерения сопровождается прерывистым звуковым сигналом продолжительностью 10 c. Для остановки циклов измерений нажать кнопку "СБРОС". При этом кнопку "СБРОС" необходимо удерживать не менее 2 с.

4.7. Методика проведения работ с радиометром РРА-01М-03 Перед началом работ собираем следующую схему (рис. 17). Для этого с помощью резиновых шлангов соединяем один из штуцеров накопительной камеры с отверстием для забора проб, расположенным на передней панели радиометра. Другой штуцер накопительный камеры соединяем с выходом 2 (6, рис. 16б). Включаем прибор и контролируем напряжение на аккумуляторной батарее. Если появится надпись «BATTERY DISCHARGED», то производим зарядку аккумуляторной батареи. Выполняем измерение фоновой объемной активности радона (QФ) в камере РРА. Для этого нажимаем кнопку «Режим 3» и выбираем подпрограмму «Измерение фона (Background)». QФ не должна превышать значения собственного фона, указанного в паспорте РРА (7 Бк/м3). После этого на резиновые шланги надеваем специальные зажимы, чтобы поступающий в накопительную камеру радон накапливался в ней. После окончания времени накопления снимаем зажимы и нажимаем кнопку «СТАРТ» на радиометре. Начинает работать микровоздуходувка, которая в течение 5 мин перегоняет воздух из накопительной камеры в рабочую камеру радиометра. По истечении 5 мин начинает процесс измерения объемной активности, который длится 20 мин. После окончания измерения, которое сопровождается звуковым сигналом, записываем значение объемной активности радона в журнал измерений плотности потока радона и нажимаем клавишу «СБРОС». Аналогичные действия выполняем на следующей точке.

93

Радиометр радона

Режим старт

просмотр

сброс

1 2 3

2

1

3

4 5

Рис.17. Схема измерения плотности потока радона: 1 – радиометр РРА-01М-03; резиновые шланги; 3 – штуцеры; 4 – накопительная камера; 5 – грунт

Величина плотности потока радона на каждой точке вычисляется по формуле:

QRn

V

CRn V , S t

(24)

Vн.к. V р.к. Vш.

где QRn – плотность потока радона, Бк/м2 с; СRn – объемная активность радона, Бк/м3; V – суммарный объем, м3; Vн.к. – объем накопительной камеры, (Vн.к. = 0,0063 м3); Vр.к. – объем рабочей камеры РРА (Vр.к. = 0,0016 м3); 94

Vш – объем резиновых шлангов, м3; S – площадь сбора радона накопительной камерой (S = 0,0314 м2); t – время накопления (t = 1800 c) Погрешность определения плотности потока радона на каждой точке вычисляется по формуле:

(

(25)

где θ – погрешность измерения концентрации радиометром (θ для РРА01М-03 ~ 0,3 (30 %)). ψ – коэффициент Стьюдента (ψ = 4,3 для 3-х измерений с вероятностью 95%). n i 1

Q

(Q Qi )2

n(n 1)

Q – плотность потока радона, вычисленная как среднее из 3-х измерений; Qi – i-ое измерение плотности потока радона в серии; n – число измерений

Журнал измерений плотности потока радона 222Rn

1.

Место отбора пробы.............………………...........

2.

Номер точки измерения...…………………...........

3.

Дата отбора пробы:……………………………….

4.

Площадь накопительной камеры:............……….

5.

Измерение фоновой концентрации радона в камере РРА: Сф =………… Бк/м3

6.

Измерение объемной активности 222Rn: СRn =.…… ……. Бк/м3

7.

Определение плотности потока 222Rn: QRn =...….......Бк/м2 с 95

Измерения

выполнены

радиометром

радона

РРА-01М-….....

зав.№...……...... Измерения выполнили:

____________ / Ф.И.О. / ____________ / Ф.И.О. /

4.8. Результаты измерений плотности потока радона Результаты измерений плотности потока радона представляются в следующем виде: QRn, мБк/с·м2

№ точки измерения

Измерения

выполнены

радиометром

,%

радона

РРА-01М-….....

зав.№...……...... Контрольные вопросы 1. Радон и его дочерние продукты распада. 2. Понятие эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОА) радона и коэффициента равновесия. 3. Геологические основы формирования плотности потока радона. 4. Источники радона на открытом воздухе. 5. Источники радона в помещении. 6. Влияние радона на организм человека. 7. Нормирование эквивалентной равновесной активности радона, плотности потока радона, содержание радона в воде. 8. Принцип работы радиометра РРА-01М-03. 9. Методика определения плотности потока радона.

96

Глава 5. Поле аэроионов Аэроионы являются одним из важных факторов воздействия окружающей среды на людей, на состояние их здоровья, как в условиях открытой атмосферы, так и при нахождении человека в замкнутых помещениях. Воздух является наиболее активной компонентой взаимодействия организма человека с окружающей средой через механизм газового обмена. Вместе с газовым обменом происходит обмен электрическими зарядами, которые переносятся ионами газов, заряженными молекулами или аэрозольными частицами. Параметры ионизации воздуха характеризуют его качество, они должны контролироваться и на рабочих местах удовлетворять требованиям санитарно-гигиенических норм. Концентрации аэроионов способны нарушить или поддержать динамическое равновесие в процессе взаимодействия организма с окружающей средой.

5.1. Физические основы и основные характеристики аэроионов Образование в атмосфере заряженных газовых комплексов – аэроионов происходит в результате процесса ионизации газов, входящих в состав воздуха, то есть аэроионы это попросту молекулы газа, несущие тот или иной заряд. Ионизация – процесс, при котором нейтральные атомы и молекулы газов и других компонентов воздушной среды превращаются в ионы – электрически заряженные частицы, несущие положительный или отрицательный заряд. Причина ионизации воздуха: присутствие радиоактивных веществ в коре земли, естественная радиоактивность воздуха (радон и торон) и почвы, горных пород (изотопы

40

К,

238

U,

232

Th). Космическое излу-

чение – главный ионизатор воздуха, а также распыление воды в воздухе, атмосферное электричество, трение частиц песка, снега и пр. 97

Под воздействием ионизации в воздушной среде происходят физикохимические процессы возбуждения главных составляющих воздуха – кислорода и азота. Вероятность образования и устойчивость отрицательных аэроионов в результате захвата атомами и молекулами электронов определяется величиной их сродства к электрону. Наиболее устойчивые отрицательные аэроионы могут образовывать следующие вещества: атом углерода, молекулы кислорода, озона, углекислого газа, диоксида азота, диоксида серы, молекулы воды, хлора и др. Химический состав легких аэроионов зависит от химического состава воздушной среды в целом. Газовый состав воздушной среды в природе разительно отличается от газового состава внутренней среды зданий – по этой причине аэроионизация в помещениях никогда не сможет заменить собой целебный природный воздух. Ионизация воздуха происходит следующим образом: под действием внешнего фактора молекуле или атому газа сообщается энергия, необходимая для удаления одного из электронов из ядра. Нейтральный атом становится положительно заряженным, а образовавшийся свободный электрон присоединяется к одному из нейтральных атомов, передавая ему отрицательный заряд и образуя отрицательный аэроион. К таким положительно и отрицательно заряженным аэроионам в доли секунды присоединяется определенное число молекул и газов, входящих в состав воздуха. В результате образуются комплексы молекул, называемые лѐгкими аэроионами. Лѐгкие аэроионы, сталкиваясь в атмосфере с другими аэроионами и ядрами конденсации (жидкие и твердые частички в атмосфере, на которых начинается конденсация водяного пара и образуются капельки облаков и туманов), образуют аэроионы более крупных размеров – средние аэроионы, тяжелые аэроионы, аэроионы Ланжевена и ультратяжелые аэроионы. Деление аэроионов на легкие, средние, тяжелые, аэроионы Ланжевена и ультратяжелые основано на различной подвижности (табл. 3). Подвижность – отношение, характеризующее скорость движения аэроионов к на98

пряженности электрического поля. Подвижность обычно выражается см2 В-1 с-1. По значениям подвижности аэроионы воздуха делятся условно на два диапазона: легкие аэроионы и остальные аэроионы, характеризующиеся меньшей подвижностью. Таблица 3 Классы аэроионов с их подвижностью и размером

Аэроионы

Подвижность к (см2 В-1 с-1)

Размер (r 10-8 см)

легкие

>0,5

7-8

средние

0,5-0,01

8-80

тяжелые

0,01-0,001

80-250

аэроионы Ланжевена

0,001-0,002

250-550

ультратяжелые

<0,002

550-1000

Легкие аэроионы – аэроионы, у которых носителями заряда являются атомы, молекулы или комплексы молекул. Граница подвижностей, отделяющая диапазон легких аэроионов от остальных по данным разных авторов, составляет 0,5 0,3 см2 В-1 с-1. К остальным аэроионам относятся: средние, тяжелые, аэроионы Ланжевена и ультратяжелые (иногда в литературе они называются «псевдоаэроионами», т.к. у них носителями заряда являются высокодисперсные аэрозольные частицы, в том числе и микроорганизмы). Подвижность аэроионов зависит от размера аэроиона (рис.18). Подвижность частиц того или другого знака также находится в зависимости от газового состава воздуха, а также ряда метеорологических факторов, главным образом от степени относительной влажности воздуха, температуры, барометрического давления, от числа пылинок, ядер конденсации и.т.д. Размеры положительных и отрицательных аэроионов и подвижность отрицательных аэроионов зависят от относительной влажности воздуха. Известно, что при росте относительной влажности подвижность легких отрицательных аэроионов падает, подвижность положительных аэроионов ос99

тается почти без изменения. Заряд аэроиона является основной его характеристикой. Если легкий аэроион теряет свой заряд, то он исчезает, а при потере заряда тяжелым или средним аэроионом распада такого аэроиона не происходит, и в дальнейшем он может приобретать заряд любого знака. 3

2

k 10 см / (В с) 12 10 8 6 4 2 0 100

300

r 10 6 см

Рис.18. Зависимость подвижности к аэроионов от величины их радиуса r

Легкие аэроионы очень быстроподвижны. Это аэроионы молекулярной величины. Они состоят из ионизированной молекулы или нескольких ионизированных молекул того или иного газа воздуха. Так, например, имеются основания считать, что легкие аэроионы отрицательной полярности в воздухе – это аэроионы кислорода воздуха. Средняя скорость их движения равна 1-2 см/с при градиенте электрического поля в 1 В/см. Концентрация легких аэроионов доходит в среднем до 500 пар ионов в 1 см3, в чистом высокогорном воздухе она достигает 1000 – 1500 пар ионов. Средние аэроионы имеют среднюю подвижность, равную 0,01 см/с при градиенте электрического поля в 1 В/см. Концентрация ионов средней подвижности составляет до 500 пар ионов в 1 см3. В чистом воздухе эта концентрация резко уменьшается. Средние аэроионы могут быть значитель100

ными скоплениями молекулярных аэроионов или даже иметь в своем основании твердую или жидкую микрочастицу, на поверхности которой адсорбированы легкие газовые аэроионы, например аэроионы кислорода. Тяжелые аэроионы и аэроионы Ланжевена обладают меньшей подвижностью, равной 0,001 см/с. Концентрация этих ионов в загрязненном воздухе часто поднимается до 25 тыс. пар в 1 см3 и даже выше. В совершенно чистом воздухе, лишенном твердых или жидких микрочастиц, концентрация ионов П.Ланжевена может упасть до нуля. Тяжелые аэроионы и аэроионы Ланжевена обязательно имеют в своем основании твердую или жидкую микрочастицу, на поверхности которой адсорбированы аэроионы газов воздуха. Тяжелые аэроионы могут представлять собой просто наэлектризованные твердые или жидкие частицы, взвешенные в воздухе. Группа тяжелых аэроионов постепенно переходит в группу ультратяжелых, которые называются аэрозолями – частицами, незаряженными или заряженными электричеством того или иного знака. Они состоят из копоти, дыма, пыли, тумана, мелких дождевых капель, снежинок и.т.д. Такие частицы могут нести на своей поверхности большое число элементарных электрических зарядов и не нести ни одного истинного газового иона. Имеется принципиальное различие между аэроионами и заряженными аэрозолями при одинаковой полярности заряда тех и других. Отрицательные аэроионы атмосферы – это аэроионы кислорода. Отрицательная частица жидкого или твердого аэрозоля может не иметь ничего общего с аэроионом кислорода. Частица аэрозоля отрицательной полярности – это частица, поверхность которой адсорбировала электрон или электроны, и совершенно необязательно – отрицательные аэроионы кислорода воздуха. Таким образом, электроаэрозоли или псевдоаэроионы различаются по своему физическому состоянию и химическому составу. Когда мы говорим, что воздух ионизирован, это значит, что некоторая очень небольшая часть газовых молекул воздуха несет электрический заряд отрицательного или положительного знака. Заметим, что в 1 см3 воз101

духа при нормальных условиях содержится 2,7 1019 молекул, среднее число легких аэроионов в естественных условиях в том же объеме равно приблизительно 500 – 700 парам. Концентрация аэроионов в атмосфере выражается числом положительных и отрицательных ионов в 1 см3. Отсюда, проводимость атмосферы состоит из полярных проводимостей – положительной и отрицательной, т.е. n k e

где к+ и к- – подвижность положительных и отрицательных аэроионов; е – заряд аэроиона, равный 4,8 10-10 абсолютных электростатических единиц. Полная проводимость атмосферы n k e n k e

Отношение положительных аэроионов к отрицательным близ поверхности земли равно приблизительно 1,2, т.е. К = n+/n- =1,2. Эта величина К носит название коэффициента униполярпости. Присутствие в воздухе некоторого избытка положительных аэроионов объясняется тем, что почвенный воздух, выходя наружу через капилляры почвы, оставляет на них преимущественно отрицательные аэроионы. Как известно, проводимость почвенного воздуха в 30 раз больше проводимости воздуха атмосферного. Наличие аэроионов в атмосфере и их подвижность обусловливают степень рассеивания электричества с заряженного тела в воздух, а, следовательно, и степень его проводимости. Эта степень может быть установлена с достаточной точностью соответствующими приборами. Измерения проводимости, сделанные во многих местах, в большинстве случаев показывают наличие положительной проводимости, т.е. преобладания в воздухе положительных аэроионов. В некоторых местностях наблюдается преобладание отрицательной проводимости, последнее 102

явление может иметь место также при различных метеорологических пертурбациях, в различные часы суток и.т.п. Преобладание в большинстве случаев положительной ионизации близ поверхности Земли хорошо объяснимо естественным влиянием земного поля на распределение аэроионов в толще атмосферы, положительные аэроионы направляются по силовым линиям поля к отрицательно заряженной поверхности Земли, на 1 см2 площади которой приходится в среднем 6,7 105 элементарных зарядов. Максимальные показатели проводимости обычно имеют место в ясную погоду. Во время туманов, во влажную сырую погоду, при загрязнении воздуха пылью, дымом, копотью и при падении степени прозрачности атмосферы значения проводимости падают до минимума. Атмосферный воздух ионизирован во всей своей толще в большей или меньшей степени в зависимости от ряда метеорологических, геофизических и космических условий (рис.19). Эти условия вызывают как процессы

радиоактивные, космические и др. излучения

возникновения аэроионов в атмосфере, так и процессы их уничтожения.

1 1

4

6 +

+ 2 +

1

1

3

-

5

7

1

Рис 19. Схематическое представление об образовании легких и тяжелых аэроионов положительной и отрицательной полярности в атмосферном воздухе: 1 – молекулы воздуха; 2 – нестабильный положительный легкий аэроион; 3 – свободный электрон; 4 и 5 – стабильные легкие аэроионы, положительный и отрицательный, соответственно; 6 и 7 – тяжелые аэроионы, положительный и отрицательный, соответственно 103

5.2. Естественные источники аэроионов К естественным ионизаторам и электризаторам дисперсной фазы атмосферного воздуха могут быть отнесены: 1) эманация радия, находящаяся в воздухе; 2) радиоактивные излучения почвы, воды и др.; 3) фотоэлектрический эффект; 4) ультрафиолетовый свет солнца (высокие слон атмосферы); 5) корпускулярное излучение солнца (высокие слои атмосферы); 6) космические лучи; 7) электрические разряды в атмосфере (молнии, разряды на вершинах гор, огни св. Эльма и.т.д.); 8) баллоэлектрический эффект (дробление и распыление воды над водопадами, каскадами, поверхностью моря; во время прибоя и прилива, морской бури; при дожде); 9) трибоэлектрический эффект (взаимное трение песчинок, частиц пыли, снега, града); 10) гниение органических веществ; многообразные химические реакции, протекающие на поверхности почвы; испарение воды. Основным источником ионизации атмосферы является находящийся в воздухе газообразный продукт распада радия – его эманация, которая в свою очередь непрерывно распадается, диссоциируя молекулы воздуха на положительные и отрицательные частицы. Следующим по силе источником ионизации атмосферного воздуха можно считать гамма-лучи радиевых солей, находящихся в поверхностном слое земной коры в чрезвычайно ничтожном количестве. Содержание радий в каменных породах в среднем составляет (1-3)10-12 г на 1 г породы, в некоторых местностях оно достигает 40 10-12 г. В морской воде содержание радия колеблется в пределах (2-5) 10-16 г на 1 г воды. Гамма-лучи радиоактивных веществ обладают способностью расщеплять нейтральные молеку104

лы на положительный ион и электроны. Эти лучи отличаются большой проницаемостью и ионизируют прилегающие к земной поверхности слои воздуха. Исходящий из почвенных пор воздух также достаточно сильно ионизируется теми же гамма-лучами и также является источником атмосферной ионизации. Процесс выхода почвенного сильно ионизированного воздуха возникает всегда при падении атмосферного давления, при солнечной радиации или под влиянием высасывающего действия ветра. Дыхание почвы несет с собой в атмосферу по преимуществу положительные аэроионы, так как электроны при прохождении почвенных капилляров быстро адсорбируются их стенками. Если сравнить количество эманации радия, содержащейся в почвенном воздухе, со средним содержанием ее в свободной атмосфере, то окажется, что первое приблизительно в 2000 раз больше второго. Геологическое строение местности, а главное – степень радиоактивности ее почвы и ее пород, обусловливает собой соответственные степени ионизации воздуха. В некоторых случаях, при высоких радиоактивных свойствах почвы, ионизация воздуха может достичь весьма значительных величин и даже обусловить собой частоту поражаемости данной местности молнией вследствие повышенной проводимости воздуха. Уже давно было замечено, что одни местности чаще и сильнее поражаются молниями, чем другие. Такого рода феномен устойчиво наблюдается из года в год. Изучение этого явления привело к выводу, что оно стоит в прямой связи с повышенной ионизацией воздуха в данном месте. Повышенная ионизация обусловливалась наличием в данном месте локальных ионизаторов воздуха. Ими оказались заложенные в земле горные породы: граниты, сланцы, металлические руды и т.д. В таких местах обычно число отрицательных аэроионов больше, чем положительных. Исследования показали различные глубины залегания этих локальных ионизаторов воздуха от нескольких до десятков метров. Кривые обнаруживают замечательный параллелизм между числом аэроионов в 1 см воз105

духа и профилем залегания руды, т.е. чем ближе к поверхности Земли лежит руда, тем большее число аэроионов образуется в 1 см воздуха в единицу времени. В соответствии с этим возрастает и частота поражений молниями (рис. 20). Локальная аэроионизация имеет первостепенное климатическое значение, которое должно быть учтено при строительстве городов, курортов, санаториев, домов отдыха и.т.д. 1

26 18 10 0

3

3

3

3

60 120 180 2

2

Рис.20. Кривая числа аэроионов в 1 см3/с (1) и кривые глубин залегания пород в м (2), а также места наибольшей поражаемости молниями (3)

Среди космических факторов ионификации первое место принадлежит электромагнитной и корпускулярной деятельности Солнца и затем космической радиации. Солнечный спектр включает в себя ультрафиолетовые лучи, начиная от мягких и кончая жесткими (рентгеновскими), а, следовательно, является ионизатором воздуха. Благодаря значительной толще воздушного слоя большая часть ультрафиолетового света поглощается атмосферой и к поверхности Земли лучи доходят в весьма ослабленном виде. Поэтому принято считать, что в пределах нижнего слоя воздуха – биосферы и тропосферы – ионизации воздуха солнечный свет не производит. Зато в верхних слоях воздушного океана – в стратосфере – имеют место высокие степени ионизации атмосферы, благодаря действию солнечного света (слой озона). По-видимому, та же судьба постигает и потоки заряженной электричеством так называемой солнечной пыли, которая вызывает иони106

зацию воздуха в его верхних слоях и в особенно сильной степени в годы максимумов циклической активности Солнца. Есть предположение, что благодаря диффузии часть аэроионов из верхних слоев атмосферы может проникнуть в нижние, но предположение это маловероятно, ибо быстрая рекомбинация аэроионов на пути движения сверху вниз должна до минимума уменьшить их общее число. Среди других источников естественной ионизации воздуха заслуживает быть отмеченной ионизация, производимая проникающей радиацией или космическим излучением. Это излучение имеет своим источником отдельные небесные объекты. У поверхности Земли ионизирующее действие космического излучения выражается в образовании 1,4 пар аэроионов в 1 см3 /с. С высотой образование аэроионов под влиянием космического излучения постепенно возрастает, достигая на высоте 5 км 7,04 пар аэроионов в 1 см3/с. Мощные электрические поля, возбуждаемые грозовыми облаками, могут вызвать излучение, которое производит ионизацию воздуха даже в местах, удаленных от центра грозы. Если принять во внимание, что ежедневно в земной атмосфере разражается до 40 тыс. гроз, то нельзя обойти молчанием и этот фактор. Можно назвать и еще один источник естественной ионизации – фотоэлектрический эффект Столетова – Гальвакса, состоящий в том, что с поверхности некоторых фотоэлектрически чувствительных веществ при освещении их отделяются электроны, которые в условиях нижнего слоя атмосферы могут создавать легкие аэроионы, несущие отрицательный заряд. Теоретический подсчет суммарного действия основных ионизаторов для нижнего слоя атмосферы даст около 10 пар аэроионов в 1см3/с. Это число хорошо совпадает с реальными цифрами, полученными в результате многих измерений. Мак Леннан и Мак Лед приводят следующие значения числа аэроионов в см3/с: 1) над сушей – 8,1 - 9; 2) над морями – 4,9; 3) над океанами – 4,3. 107

Е.Швейдлер нашел, что средняя продолжительность жизни легких аэроионов в естественной обстановке лежит в пределах от 60 до 46 с. В совершенно чистом воздухе продолжительность жизни аэроионов достигает 100 с и более. Другие авторы полагают, что после прекращения действия ионизирующего агента уже через 10 с в газах остается только 10% первоначального числа ионов. Некоторые авторы приводят значительно большие значения средней продолжительности жизни легких аэроионов (в воздухе, содержащем ядра конденсации, – до 270 с, в чистом воздухе – до 21 мин). При повышении относительной влажности воздуха число легких аэроионов уменьшается, что объясняется образованием тяжелых аэроионов вследствие оседания легких аэроионов на микроскопических капельках воды. С этим также связано уменьшение подвижности аэроионов. Ниже приведены результаты измерений числа аэроионов в 1 см3 воздуха при нормальной (56%) и повышенной (71%) относительной его влажности. Аэроионы n 105 положительные отрицательные

При влажности нормальной повышенной 2,9 1,53 2,7 1,42

Из этого следует, что в условиях повышенной влажности число легких аэроионов уменьшается по сравнению с нормальной влажностью, уменьшается и их подвижность. Многочисленные измерения степени аэроионизации воздуха, произведенные в разнообразных местностях, показали ее изменчивость в зависимости от различных внешних причин. Аэроионизация невелика на твердом песчанике и падает до минимума на очень сырых почвах, во влажных местах, в тумане, в облачных слоях. Число аэроионов над морями и океанами, за тысячи километров от суши, значительно меньше, чем над землей,

108

благодаря ничтожному содержанию радиоактивных веществ в морской воде. Растительность также является одним из мощных ионизаторов атмосферного воздуха. Впитывая эманацию радия с почвенной водой, растения затем испаряют эту воду через стебли и листья в воздух, чем способствуют возникновению аэроионов. Суммарная площадь поверхности листьев в тысячи раз превосходит значение площади проекции данного дерева на плоскость. С другой стороны, растения (листья, стебли, травы) фотоэлектрически чувствительны. Остроконечная форма некоторых трав и иглы хвойных растений являются теми остриями, через которые земное электричество будет, при известных условиях, разряжаться в воздух и опять-таки ионизировать атмосферу. Средние степени аэроионизации воздуха в лесу и на открытом воздухе несколько различны. Наблюдения показывают, что днем и вечером число легких аэроионов в лесу больше, чем на открытом месте, а утром – меньше. Аналогичное увеличение аэроионов в лесу по сравнению с открытым местом было отмечено на горе Бештау; под деревьями было обнаружено 5 – 7,5 тыс. легких аэроионов в 1 см3 воздуха, в то время как на открытом месте измерения показали наличие 2,8 –3 тыс. аэроионов в 1 см3. Приведем средние результаты измерений числа легких аэроионов обоих знаков в 1 см3 в различных пунктах нашей страны: Москва – 1512, Анапа – 1475, Сочи – 1789, Мацеста – 2086, Уч-Дере – 2005, Красная Поляна – 2650, Кисловодск и его окрестности – 3702 – 2396, Ессентуки – 2099, Ялта – 836. В табл. 4 приведены числа легких положительных и отрицательных аэроионов в разных местах земного шара.

109

Таблица 4 Число легких аэроионов в 1 см3 воздуха в различных местах земного шара Место и вид воздушного транспорта

Число аэроионов положи-

отрица-

тельных

тельных

Сумма аэ-

Коэффициент

роионов

униполярности

Гельголанд

524

272

596

1,92

Потсдам

775

629

1404

1,23

Лапландия

796

691

1487

1,15

1236 1907

1.36 1,11

1990 1111

1,26 1,3

Фрайбург (Швейцария)

712

Мюнхен Барселона

1110 629

524 901 880 482

Лионский залив

398

377

775

1.06

Тихий океан

419

419

838

1

Атлантический океан

691 775 670 566

566 650 629 607

1257 1425 1299 1173

1,22 1,19 1,07 0,93

Средиземное море

901

586

1487

1.54

Венгерская низменность Давос Кордильеры Близ Вены Буэнос-Айрес

1090 1236 2340 746 712

838 1006 2010 712 670

1928 2242 4350 1S08 1382

1.3 1,23 1,16 1.12 1.06

Кью (Англия)

440 650 377 1006 1630 419 1214 775 1423 1508 2860 964 755

314 629 356 1006 796 377 775 650 1047 880 1820 901 629

754 1279 733 2012 2426 796 1989 1425 2470 2388 4680 1865 1384

1,4 1,03 1.06 1 2.05 1.11 1.57 1.19 1,36 1.71 1.57 1,07 1.22

1562

1449

3011

1,08

Зеегам (Зальцбург) Река Амазонка Западная Исландия Пик Тенериф Манила (Филиппины) МоунтПауаЙ (2460 м) Тихий океан Малый Шлейдегг (2100 м) Хребет Юнгфрау (3700 м) Ледник Алеч Венгерская низменность Южный Ледовитый океан Воздушный транспорт: дирижабль «Италия» во

1006

110

время полета к Северному полюсу воздушный шар на высоте

964

985

1959

0,98

2380

1970

4350

1,21

(4000-4500 м)

самолет (на высоте 5200 м)

Значительное преобладание положительных аэроионов над отрицательными в некоторых горных местностях объясняется тем, что плотность отрицательного заряда Земли особенно велика на вершинах гор. Обнаруженные высокие степени ионизации отрицательного знака в некоторых горных местностях объясняются резко повышенной радиоактивностью горных пород. Радиоактивность обусловливает собой высокие степени ионизации воздуха горных пещер, но с преобладанием аэроионов положительной полярности, очевидно вследствие отсутствия проветривания. Например, в пещере Суук-Хоба (Крым) обнаружено 15880 –16860 аэроионов в 1 см3 воздуха, а в пещере Бин-Баш-Хоба (Крым) 5220 – 7630 аэроионов. Различные условия внешней среды обусловливают ритм колебаний степени аэроионизации. Согласно произведенным наблюдениям, в Европе максимум аэроионизации отчетливо обнаруживается летом или в начале осени, минимум – зимой. Для верхних слоев воздуха (слои Хивсайда) существуют сезонные, а также многолетние периоды колебания степени аэроионизации. Многолетняя периодичность связана с циклической деятельностью Солнца. В суточных колебаниях аэроионизации замечается влияние местных условий. В некоторых местностях эти колебания имеют двойной период в течение суток. Максимум аэроионизации приходится на предрассветные часы (4 - 5 ч); другой максимум – на 2 - 4, 3 - 5 ч дня. Минимум падает на утренние (5 - 7 ч) и вечерние часы (9 - 12 ч). В разных местностях точки максимумов и минимумов отклоняются в разные стороны. Имеются основания предполагать, что степень ионизации атмосферы рас111

тете широтой, с севера на юг, благодаря увеличению количества падающей на Землю лучистой энергии Солнца. Впрочем, на Крайнем Севере, в зоне полярных сияний, можно встретить также весьма высокие степени аэроионизации. Вследствие отсутствия систематических и долгосрочных наблюдений за динамикой ионизации атмосферы годовые и суточные колебания се для многих местностей не достаточно выяснены. Располагать данными о числе легких аэроионов обеих полярностей в воздухе той или иной местности – это уже много, но далеко еще не все. Представляется весьма существенным также знать, какого знака легкие аэроионы преобладают. Средние числа аэроионов в различных местностях, например, в Анапе или Москве, могут быть одинаковыми. Но в Москве положительных аэроионов вообще несколько больше, чем в Анапе. Коэффициент униполярности в Москве (1,35) значительно больше, чем в Анапе (1,12). Коэффициент униполярности в Париже равен 1,23; в Абердине – 1,1; во Фрайбурге – 1,11; в Мюнхене – 1,26. Высота над уровнем моря весьма часто обусловливает собой и коэффициент униполярности, который в некоторых случаях достигает значительных величин. Так на скале Шишко коэффициент униполярности равен 5,3, а на вершине Ай-Петри – 19. В сравнительно близких к поверхности Земли слоях преобладают положительные аэроионы, движущиеся в направлении земного поля, т.е. сверху вниз. Преобладание положительных аэроионов у поверхности Земли представляет собой обычное явление. Но в некоторых местностях встречаются исключения из данного общего правила, и в среднем там мы наблюдаем преобладающее число аэроионов отрицательного знака. Можно считать экспериментально установленным, что осадки (дождь, снег, град, крупа) всегда несут электрические заряды. Проводимость воздуха обусловливает частичную потерю каплей заряда. При испарении дождевая капля приобретает отрицательный заряд, при конденсации – заряд положительный. Полярность и величина заряда могут варьировать. По измерениям ряда авторов, сильные дожди несут положительный заряд. Слабые 112

дожди чаще всего несут отрицательный заряд. Снег бывает заряжен и положительно, и отрицательно. Град и крупа чаще заряжены положительным электричеством. Вблизи водопадов, у берега моря во время прибоя и прилива, на гребнях волн и в других случаях разбрызгивания воды, а также во время дождя и особенно после дождя с грозой имеет место сильная электризация капель, причем крупные капли воды получают положительный заряд, мелкие – заряжаются отрицательно. О.Герке установил, что число легких отрицательных аэроионов в 1 см3 воздуха у самого водопада составляет (27,9 - 85) 103, вблизи водопада – 18050 - 44440, в отдалении от водопада – 14870 - 25160. 5.3. Искусственная аэроионизация в помещениях Сущность искусственной ионизации воздуха заключается в искусственном создании внутренней среды обитания различных зданий и помещений атмосферного электричества – аэроионов. Поток аэроионов осаждает пыль и микроорганизмы, очищая, тем самым, воздух внутри помещения. При искусственной аэроионизации химическая и физическая природа аэроионов, как правило, отличается от природной. Одной из главных причин этого является химический состав газовой среды: в помещение любого здания в результате процессов загрязнения окружающей среды проникают различные примеси, в том числе и вредные вещества, например, оксиды азота, аммиак, галоиды, диоксиды углерода, серы и пр. При этом увеличивается вредное воздействие отрицательно заряженных молекул примесей, что необходимо учитывать при внедрении аэроионизаторов в помещениях. Вклад каждого вида молекулярных ионов в дискомфорт или в комфорт воздушной среды, окружающей человека, различен. Лечебной эффективностью обладают лишь аэроионы с определѐнной энергией ионизации и коэффициентом подвижности. Большинство аэроионизаторов использует напряжение на электроде менее 20 киловольт, а в этом случае количество и качественный состав продуцируемых аэроионов 113

разительно отличается от тех параметров, которые рекомендовал основоположник аэроионотерапии - А.Л. Чижевский. Аэроионы, вырабатываемые ионизатором, даже при длительной его работе, не могут распределиться в замкнутом воздушном объеме равномерно, подобно молекулам какого-либо ароматического газа. Их концентрация максимальна вблизи ионизатора и быстро убывает по мере удаления от него. Объясняется это тем, что время существования (время жизни) легких аэроионов в воздухе ограничено и тем меньше, чем сильнее загрязнен воздух различными аэрозольными частицами. В бытовых условиях среднее время жизни легких аэроионов практически не превышает десятка секунд. В последние годы ионизаторы получили широкое распространение в качестве очистителей воздуха от микроорганизмов и микропримесей (сигаретный дым, выхлопные газы). Производители данных устройств в технической документации часто указывают высокую степень очистки воздуха от микроорганизмов (до 95 %). Однако профессионально проведенные исследования изменения уровня микробиологического загрязнения воздуха в медицинских помещениях с и без ионизации это не подтверждают. Реальное снижение микробиологической контаминации воздуха обычно колеблется на уровне 32-52 % в помещениях с ионизацией. При искусственной аэроионизации на теле человека и на различных предметах в помещении появляются электростатические заряды, которые способны привести к электрической искре (электрическому пробою) между людьми, между человеком и электроприборами, а также внутри профессиональной и бытовой техники. Для человека эти разряды безопасны, а вот техника может выйти из строя (перегореть). Искусственная ионизация воздуха в замкнутых помещениях с высокой влажностью и запыленностью воздуха, при большой скученности людей и без достаточного воздухообмена вызывает неизбежный рост тяжелых аэроионов, пыль задерживается в дыхательных путях на 40% больше – 114

вот случай, когда ионизация воздуха приносит вред. Ионизация не может использоваться для оздоровления воздуха закрытых помещений без осуществления всех других мер по нормализации его параметров. Поэтому нельзя рекомендовать везде и всюду устанавливать искусственные ионизаторы воздуха, так как необходимо комплексное решение задачи создания благоприятных условий жизнедеятельности для человека.

5.4. Процессы, вызывающие уничтожение аэроионов Очевидно, что наряду с возникновением аэроионов происходит их непрерывное исчезновение – деионизация воздуха. Процессы, вызывающие уничтожение аэроионов можно разделить на две основные группы: 1) удаление аэроионов путем диффузии и адсорбции и действием электрического поля (электрическая конвекции); 2) уничтожение аэроионов путем воссоединения с аэроионами противоположного знака и прилипанием их к большим незаряженным частицам (потеря подвижности). Явление диффузии аэроионов в свободной атмосфере имеет место главным образом близ почвы, где наблюдается большая разность и концентрации аэроионов между почвенным воздухом и прилегающими к нему слоями. Явление адсорбции протекает в пограничных слоях между воздухом и твердой или жидкой поверхностью. Аэроионы, соприкасаясь с поверхностью почвы, воды, растительностью, отдают им свои заряды и превращаются в нейтральные молекулы. Влияние адсорбции наблюдается только в газовом слое, равном 0,01 мм и прилегающем непосредственно к твердой или жидкой поверхности. Вследствие резкого понижения концентрации аэроионов в этом слое аэроионы близко прилегающих слоев постоянно диффундируют в этот слой, вызывая явление диффузии ионов в последующих слоях. Процесс рекомбинации или воссоединения аэроионов среди ионоуничтожающих явлений имеет весьма существенное значение для степени 115

концентрации аэроионов в воздухе. Воссоединение аэроионов зависит от ряда физических, геофизических и метеорологических факторов, и потому для различных местностей коэффициенты воссоединения не одинаковы. Например, над морем воссоединение значительно меньше, чем над сушей, вследствие отсутствия ядер конденсации, несмотря на то, что ионообразующие процессы над морем значительно менее интенсивны (до 0,1 ионизации над сушей). Весьма сильным фактором уничтожения аэроионов является прилипание их к большим незаряженным частицам, взвешенным в воздухе (пыль, дым, ядра конденсации и другие аэрозоли), отчего происходит потеря подвижности аэроионов. В настоящее время следует считать доказанным, что основная масса легких аэроионов уничтожается вследствие соединения с взвешенными в воздухе тяжелыми частицами. Измерения концентрации аэроионов, произведенные многими исследователями в различных пунктах земной поверхности, показывают большую ее изменчивость во времени и большие отклонения от некоторой средней величины в разных пунктах. Среднюю концентрацию легких аэроионов над сушей можно принять для положительных аэроионов равной 800 и для отрицательных – 700. В отдельных пунктах среднее значение меняется примерно от 50 до 1000 и более, причем коэффициент униполярности больше 1 и в среднем равен 1,2. Над океанами наблюдаются значения приблизительно того же порядка. Для некоторых местностей значение коэффициентов униполярности падает и часто очень значительно, что говорит о высоких концентрациях отрицательных аэроионов (до 50 тыс. в 1 см3). Данные явления были отмечены рядом исследователей в курортных местах, отличающихся своим благотворным влиянием на организм человека. Концентрация тяжелых аэроионов изменяется в столь широких пределах, что указать какое-либо среднее се значение представляется весьма затруднительным. У земной поверхности над сушей концентрация тяжелых 116

аэроионов больше, чем легких, и изменяется от места к месту в еще больших пределах – от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч. Число тяжелых аэроионов в естественных условиях редко возрастает выше 100 тыс. в 1 см3. Эти изменения концентрации непосредственно человеком не ощущаются, но оказывают заметное действие на организм. В зависимости от соотношения скоростей процессов ионизации и деионизации устанавливается определенное квазиравновесное состояние ионизированности воздушной среды. Основной величиной, характеризующей ионизированность воздуха, является полярная объемная плотность электрического заряда (ПОПЭЗ), равная количеству электрического заряда аэроионов положительной или отрицательной полярности в единице объема воздуха. ПОПЭЗ в Международной системе единиц (СИ) выражается в Кл/м3. 1 Кл/м3 – это очень большая величина. На практике удобно применять дольную единицу пКл/м3 = 10-12 Кл/м3. Ранее для измерений ПОПЭЗ традиционно использовалась внесистемная единица измерения: 1 элементарный заряд, содержащийся в 1 см3 воздуха: 1 эл.зар./см3 = 0,16 пКл/м3. Для легких аэроионов ПОПЭЗ, выраженная в эл.зар./см3, численно совпадает с их счетной концентрацией (числом аэроионов в единице объема, выраженной в см3). Для других аэроионов это не соблюдается, т.к. заряд аэроиона может быть более 1 эл.зар. 5.5. Воздействие аэроионов на человека Влияние аэроионов на человека многостороннее, зависит от полярности аэроионов и может быть неблагоприятным (при недостаточной и избыточности концентрации аэроионов) и стимулирующим (при оптимальной концентрации). Зонами, воспринимающими аэроион, являются органы дыхания и кожный покров. Через кожу и локальные нервные окончания действует в 117

основном нервно-рефлекторный механизм. Он проявляется в воздействии аэроионов на функциональное состояние нервных центров, а далее через них на весь организм. Электрогумоларный механизм, т.е. обмен электрическими зарядами под влиянием аэроионов через органы дыхания происходит в следующей последовательности: аэроионы воздуха кровь

артериальная кровь

ткани

альвеолы легких венозная кровь

венозная ионы выды-

хаемого воздуха. В мозговой ткани, в отличие от других тканей, содержание серотина уменьшается при действии как положительных, так и отрицательных ионов в диапазоне концентраций 2 103 – 5 105 см-3. Этот эффект может быть одной из причин изменения в поведении и настроении людей при резком изменении ионизации воздуха. Механизм воздействия аэроионов на организм человека связан с изменением метаболизма серотонина в головном мозге. Имеются данные о возможности влияния аэроионизации на вегетативные процессы в организме. Подкрепление биоколлойдов в умеренных дозах отрицательными аэроионами действует благоприятно, катализируя протекание всех электрохимических, биохимических и других реакций организма. Отрицательные аэроионы, как биокатализаторы (катализирующий механизм), активизируют биохимические процессы и окислительновосстановительные реакции. Причем, для активизации этих процессов не нужно ионизировать все реагирующие молекулы, а нужно лишь запустить эти процессы. Кроме того, аэроионизация, как один из элементов эволюционного экологического развития человека, влияет на защитно-приспособительные реакции (адаптационный механизм) организма. При оптимальных концентрациях аэроионов воздух является адекватным раздражителем и способствует оптимизации проявления адаптационных реакций жизненно важных систем организма и достижению состояния повышенной его устойчивости, например, способствует корреляции пространственной синхронизации 118

корковых биопотенциалов, что приводит к ускорению образования условных рефлексов. В результате совместного действия указанных механизмов влияние аэроионов на организм сказывается на ряде вегетативных (газовый, минеральный, водный обмен, регенерация тканей, функционирование эндокринных желез, ритм дыхания и сердечных биений, состав крови и др.) и анимальных (возбудимость нервной системы и мышечной ткани) функций отдельных органов и на жизнедеятельности всего организма (рост, моторика, половая функция). Причем длительное воздействие положительных и отрицательных аэроионов при высоких и низких дозах приводит к неблагоприятным последствиям, а при оптимальных концентрациях – к стимулирующим эффектам. 5.6. Нормирование параметров аэроионов Нормируемыми параметрами ионизированности воздуха являются: -

– концентрация легких аэроионов (количество в 1 см3 воздуха);

- П – показатель полярности, равный отношению разности концентраций положительных

+

и отрицательных

-

легких аэроионов к их сумме.

Показатель полярности может изменяться от -1 до +1. При равенстве количества положительных и отрицательных аэроионов показатель полярности равен нулю. Часто удобнее вместо показателя полярности применять коэффициент униполярности – У, равный отношению концентрации положительных аэроионов к концентрации отрицательных аэроионов. В настоящее время нормированы параметры только легких аэроионов. Подход, применяемый к нормированию оптимальных концентраций легких аэроионов, основан на том, что, для нормального функционирования организма необходимо обеспечить нужное количество заряда, которое человек получает при вдыхании за сутки в естественных условиях. Профилактической и гигиенической является концентрация легких аэроионов от 119

103 до 104 в см3, соответствующая их содержанию в чистом воздухе. Аэроионизацию с такой концентрацией можно осуществлять круглосуточно во всех обитаемых помещениях. Основным документом по оценке аэроионного состояния воздушной среды является СанПиН 2.2.4.1294-03 «Гигиенические требования к аэроионному составу воздуха производственных и общественных помещений». Во всех других нормативных актах, связанных с оценкой условий труда, делаются ссылки на этот документ и вместе с тем допускаются некоторые отклонения. Так, максимально допустимые концентрации аэроионов положительной и отрицательной полярности предусмотрены в табл. 5 СанПиН 2.2.4.1294-03. Таблица 5 Показатели ионизированности воздуха на рабочем месте

Концентрация аэроионов, (ион/см3)

Нормируемые показатели Минимально

положительной

отрицательной

полярности

полярности

+

400

-

+

< 50000

-

униполярности, У

> 600

допустимые Максимально

Коэффициент

0,4

У

1

50000

допустимые Данные табл. 5 установлены с учетом работы аэроионизаторов в течение 8-часового рабочего дня с единым уровнем концентрации аэроионов на каждом рабочем месте. При этих условиях превышение концентрации аэроионов отрицательной полярности более максимальной (50 000 ед.) может быть отнесено к вредному производственному фактору. Согласно СанПиН 2.2.4.1294-03 по аэроионному составу воздуха устанавливается класс 2 (допустимый), если имеется соответствие установленным в табл. 5 нормам. 120

Условия труда при значениях концентраций аэроионов, лежащих вне допустимых пределов, приведенных в СанПиН 2.2.4.1294-03, относятся к вредным (класс 3): - первой степени (3.1) – если концентрация положительных аэроионов +

равна или выше 200 см-3, концентрация отрицательных аэроионов

-

меньше 50000 см-3, а коэффициент униполярности находится в интервале от 1,0 до 2,0; - второй степени (3.2) – если концентрация положительных аэроионов +

меньше 200 см-3, концентрация отрицательных аэроионов

-

больше

50000 см-3, а коэффициент униполярности находится в интервале больше или равен 2,0; На практике, руководствуясь нормой максимально допустимого уровня концентрации отрицательных аэроионов, предусмотренной СанПиН 2.2.4.1294-03, без правильного ее понимания добиться оценки условий труда по классу 2 не только очень трудно, но и нецелесообразно по следующим основаниям. Учеными, в том числе А.Л. Чижевским, доказано, что нахождение человека в зоне с повышенной концентрацией аэроионов определенное (регламентированное) время не опасно, и это подтверждается медицинской практикой, как было отмечено выше. На основании многочисленных исследований А.Л. Чижевским предложена следующая формула расчетов минимальной и максимальной суточных доз аэроионизации человека: N 106 / 2t

(26)

где N – фактическое число аэроионов в зоне дыхания человека в 1 см3; t – рекомендованное время нахождения человека в этой зоне, ч. Эти рекомендации по времени аэроионизации основаны на том положении, что для человека профилактической дозой за сутки является величина, равная 2–3 биологическим единицам аэроионизации (БЕА). Величи121

на 1 БЕА была вычислена А.Л. Чижевским в 30-е годы прошлого века, когда он занимался задачей дозировки аэроионов отрицательной полярности. В основу расчета дозировок была положена естественная концентрация аэроионов. Хоть на Земле есть места, где количество аэроионов достигает более 100000 в 1 см3, средняя концентрация аэроионов колеблется от 1 до 10 тыс. аэроионов в 1 см3 в большинстве точек земного шара. Далее Чижевский рассчитал, сколько аэроионов вдохнет человек за сутки, находясь в воздухе с природной, естественной концентрацией отрицательных ионов кислорода. Получилось: 350·16·60·24·1000=8·109, где 350 – число куб. см. воздуха в одном вдохе, 16 – число вдохов человека в спокойном состоянии в 1 мин, 60 – число минут в 1 часе, 24 – число часов в сутках, 1000 – количество аэроионов в 1 см3. Число отрицательных ионов кислорода, вдыхаемое человеком в естественной природной среде за сутки – 8·109, было названо Чижевским биологической единицей аэроионизации (БЕА) и принято на Международном конгрессе по биологической физике (сентябрь 1939 г., Нью-Йорк). Это число определяет оптимальную суточную потребность организма в аэроионах отрицательной полярности. Такая доза аэроионов считается профилактической. Увеличивая количество аэроионов, можно одну биологическую единицу аэроионов получить в более короткий срок. Рассчитать время, для получения профилактической дозы аэроионов (1 БЕА) можно по формуле: T 1440/ N

(27)

где: Т - время для получения профилактической дозы аэроионов в минутах; N - концентрация аэроионов в тыс. ион/см3. Лечебная

доза

отрицательных

ионов

кислорода,

по

мнению

А.Л.Чижевского, должна составлять за сеанс 20 БЕА (при длительности сеанса 20-30 мин), т. е. в 20 раз большее количество ионов, чем минималь122

ная естественная доза. Рассчитать время, для получения лечебной дозы аэроионов (20 БЕА) можно по формуле: T

28800/ N

(28)

где: Т - время для получения лечебной дозы аэроионов в минутах; N - концентрация аэроионов в тыс. ион/см3. При выдохе каждый человек выделяет «псевдоаэроионы», за сутки их количество составляет ≈ 3 1012. Скапливаясь в закрытых помещениях, они отрицательно воздействуют на физиологические функции организма, ухудшают самочувствие и работоспособность. При компенсации аэроионной недостаточности для нейтрализации «псевдоаэроионов» величина отрицательной аэроионизации должна быть значительной.

5.7. Аппаратура для измерения аэроионов Малогабаритный аэроионный счетчик МАС-01 предназначен для измерения концентраций легких аэроионов обеих полярностей в воздухе помещений в условиях как природной, так и искусственной аэроионизации. Счетчик

аэроионов

применяется

при

проведении

санитарно-

гигиенического обследования помещений и рабочих мест, а также при мониторинге окружающей среды. Счетчик целесообразно использовать для аттестации рабочих мест в помещениях с видеодисплейными терминалами и персональными электронно-вычислительными машинами, в помещениях с системами кондиционирования, там, где применяются групповые или индивидуальные ионизаторы воздуха, устройства автоматического регулирования ионного режима воздушной среды. Диапазон измерения концентраций легких аэроионов обеих полярностей 102-106 см-3. Собственный фон счетчика не более 50 см-3. Счетчик аэ-

123

роионов обеспечивает измерение концентрации положительных и отрицательных аэроионов с подвижностью к 0,4 см2 В-1 с-1. Аэроионный счетчик выполнен в виде малогабаритного прибора с автономным питанием. Конструктивно счетчик размещен в корпусе из алюминиевых сплавов. Основным элементом счетчика является аспирационная камера, размещенная в корпусе, сочлененная с вентилятором с предусилителем (ПУ). Объемный расход воздуха поддерживается постоянным путем стабилизации скорости вращения микроэлектродвигателя с закрепленной на оси крыльчаткой. В корпусе счетчика расположен блок управления и индикации, размещенный на отдельной плате (см. рисунок 21). Защитная насадка крепится на верхней торцевой стенке корпуса счетчика и предохраняет аспирационную камеру от попадания ворсинок, пуха, а также экранирует от паразитных сигналов вход предусилителя. 1 2

МАС-01

нтм

Защита

3

Малогабаритный аэроионный счетчик

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Сброс

4 5

6 7

Рис. 21. Внешний вид аэроионного счетчика: 1 – защитная насадка; 2 – матричный жидкокристаллический индикатор; 3 –лицевая панель счетчика; 4 – пленочная клавиатура; 5 – гнездо «ЗЕМЛЯ» с резьбовым отверстием под установку штатива; 6 – тумблер включения и выключения ПИТАНИЯ; 7 – разъем для подключения сетевого блока питания 124

Воздух с аэроионамн втягивается в аспирационную камеру сверху и выбрасывается через отверстие, расположенное в нижней части задней панели корпуса счетчика. Воздух отсасывается с помощью центробежного вентилятора, обороты которого стабилизированы с помощью электронного регулятора скорости. В рабочем объеме камеры на ионы действует электростатическое поле, создаваемое источниками питания камеры. В режимах измерения, с помощью коммутатора, производится поочередное подключение источников литания различной полярности. Под действием электростатического поля ионы отклоняются в сторону собирающего электрода, расположенного внутри камеры, и оседают на нем. Электрический заряд поступает во входную цепь ПУ, в основу которого положен высокоомный (~1010 Ом) дифференциальный усилитель с динамическим диапазоном усиления – 106. Собирающий электрод установлен в камере на двух изоляторах из фторопласта. Обратная связь, предусмотренная в ПУ, поддерживает нулевой потенциал на собирающем электроде (рис.22). Аспирационная камера

Защитная насадка

ПУ

Блок управления и индикации

АЦП

Источник питания камеры"+"

Коммутатор

Микроэлектродвигатель

Источник питания камеры

ПЗУ

Регулятор скорости

Микропроцессор

Сетевой блок питания

Преобразователь напряжения

Модуль вывода информации

Аккумуляторная батарея

Матричный ЖК индикатор

Рис. 22. Функциональная схема счетчика 125

С выхода предусилителя сигнал поступает на вход амплитудноцифрового преобразователя (АЦП), и далее обрабатывается микропроцессором (рис. 22). По выбору пользователя могут быть установлены режимы работы непрерывного измерения концентрации как положительных, так и отрицательных аэроионов. Кроме того, предусмотрены режимы, позволяющие контролировать напряжение на аккумуляторной батарее и микроэлектродвигателе вентилятора, отслеживать работу амплитудно-цифрового преобразователя и измерительного канала счетчика аэроионов. Режим работы блока управления и индикации устанавливается кнопками посредством меню-организованного интерфейса. На лицевой панели установлены (рис. 21): а) жидкокристаллический матричный индикатор; б) гибкая пленочная клавиатура с кнопкой "Сброс" и набором цифр от 0 до 9. На задней стенке счетчика установлен тумблер включения и выключения напряжения ПИТАНИЯ. На нижней торцевой стенке корпуса установлены: а) гнездо ЗЕМЛЯ (измерительное заземление) с резьбовым отверстием под установку штатива; б) разъем для подключения сетевого блока зарядки аккумулятора; На верхней торцевой стенке корпуса установлена съемная защитная насадка. Питание всех узлов измерителя осуществляется от автономного источника - 6 аккумуляторов. Перед началом измерений следует заземлить корпус счетчика с помощью провода заземления, который соединяет гнездо ЗЕМЛЯ с шиной заземления или с любым заведомо заземленным проводящим предметом. Заземление является условием корректности измерений. Незаземленный счетчик может неконтролируемым образом приобрести электростатический заряд, что существенно исказит результаты измерений. 126

Включить питание счетчика переключателем ПИТАНИЕ, поставив его в положение "1" (край переключателя с цифрой "1"- утоплен). При этом на матричном жидкокристаллическом дисплее (далее мониторе) появится надпись: Текущее время

МАС-01 Ready

00:00:00

сопровождаемая кратковременными звуковыми сигналами. Далее счетчик автоматически входит в рабочий режим и ожидает команду от пользователя. Выбор режима работы счетчика осуществляется путем нажатия одной из кнопок 0 - 9 на лицевой панели (рисунок 21). Остановка соответствующего режима работы осуществляется при вторичном нажатии данной кнопки. Последовательно нажимая одну из кнопок 0-9, можно выбрать любой из режимов измерения счетчика: 1. – -1- Режим непрерывных измерений концентрации отрицательных азроионов. 2. – -2- Режим непрерывных измерений концентрации положительных аэроиоиов. 3. – -5- Режим однократных измерений концентрации отрицательных и положительных аэроионов, определение показателя полярности. 4. – -8- Измерение уровня собственного фона счетчика. 5. – -4- Контроль напряжения на аккумуляторной батарее. 6. – -3- Проверка работы амплитудно-цифрового преобразования блока управления и индикации. 7. – -6- Контроль напряжения на микроэлектродвигателе. 8. – -0- Контроль измерительного канала счетчика. 9. – -9- Дополнительные режимы измерения.

127

В случае сбоев в работе системы ее перезапуск осуществляется нажатием кнопки СБРОС. При этом операционная система переходит в исходный режим. Контроль напряжения на аккумуляторной батарее осуществляется после нажатия кнопки 4. Режим выполняет вспомогательную функцию и контролирует состояние автономного источника питания. На мониторе фиксируется величина напряжения на аккумуляторной батарее.

-4-

00:00:10 Um =8.00 B Ut =7.77 B Battery Control

Рабочее напряжение на аккумуляторной батарее должно находиться в пределах (8,0 ± 1,5) В. В случае разряда аккумуляторной батареи при уменьшении напряжения питания до значения 6,5 В и менее, следует прекратить работу и подключить счетчик к зарядному устройству. Контроль работы амплитудно-цифрового преобразователя осуществляется после нажатия кнопки 3 (режим -3-). На мониторе выводятся показания тест-кода. При нормальной работе преобразователя, значение числа, полученного на мониторе, должно совпадать в пределах погрешности с данными, указанными в паспорте. После нажатия кнопки 6 (режим -6-) включается вентилятор, выводится

величина

стабилизированного

напряжения

питания микро-

электродвигателя, которая в пределах погрешности должна совпадать с данными, указанными в паспорте. Режим -8- выполняет контрольную функцию и используется для проверки работоспособности аспирационной камеры и ПУ. После нажатия кнопки 8, появляется надпись:

128

-8Fon Measure

00:01:10

Zero Setting

10

и начинается цикл измерений уровня собственного фона счетчика. Измерения проводятся последовательно, сначала для отрицательных, а затем для положительных ионов. При этом включается соответствующий источник питания аспирационной камеры, напряжение с которого подается на отклоняющие электроды. Вентилятор в данном режиме выключен, и прокачка воздуха через аспирационную камеру отсутствует. При нормальной работе аспирационной камеры, уровень собственного фона не должен превышать величины, указанной в паспорте (не более 50 см-3). Контроль измерительного канала счетчика осуществляется после нажатия кнопки 0 (режим -0-). Режим выполняет вспомогательную функцию и используется для определения коэффициента преобразования измерительного канала счетчика при проведении поверки. Выключение счетчика осуществляется при установке переключателя ПИТАНИЕ в положение «0». В счетчике предусмотрено два режима работы: - режим непрерывных измерений положительных или отрицательных аэроионов; - последовательное измерение концентраций положительных и отрицательных аэроионов с последующим вычислением полярности. -1-. Режим непрерывного измерений концентрации отрицательных аэроионов с последующей индикацией текущего и среднего значения из зарегистрированных. Режим целесообразно использовать для общего обследования рабочих помещений: определения среднего уровня концентраций аэроионов в помещении, поисков возможных источников аэроионов (по

129

увеличению уровня концентраций аэроионов при приближении к источнику). После нажатия кнопки 1, появляется надпись:

-1Negative Ions Zero Setting

Отрезок времени, оставшийся до завершения текущей операции

00:10:01 15

и начинается цикл измерений. На отклоняющие электроды аспирационной камеры подается отрицательное напряжение, после стабилизации в течение ~ 20 с ток на собирающем электроде измеряется и фиксируется. Затем включается вентилятор, и начинаются измерения значений концентрации отрицательных аэроионов.

-1Ns- = -3.33 103 cm-3 Nt- = -3.33 103 cm-3 Negative N-

00:10:01

20

Показания Nt- обновляются каждую секунду. Значение Ns- - средняя концентрация аэроионов за 25 с (значения обновляются через 25 секунд). В конце цикла измерений выводится значение средней концентрации аэроионов NS- вместо текущих Nt-, выключается вентилятор, и цикл измерений повторяется. Если полученное значение Ns выходит за предел нижней границы диапазона измерений концентраций аэроионов, на мониторе появляется информация. -1Ns < 0,100 103 cm-3 Nt = 0,120 103 cm-3

00:11:10

30 130

-2-. Режим непрерывных измерений концентрации положительных аэроионов. Алгоритм работы режима аналогичен режиму -1-. -5-. В этом режиме осуществляются измерения концентраций как положительных, так и отрицательных аэроионов, вычисляется показатель полярности, измеренный в конкретном месте. Режим целесообразно использовать для аттестации рабочих мест в помещениях с видеодисплейными терминалами и персональными электронно-вычислительными машинами, в помещениях с системами кондиционирования, там, где применяются групповые и индивидуальные ионизаторы воздуха, устройства автоматического регулирования ионного режима воздушной среды. Процесс измерения данных отображается на мониторе:

-5Ns- = -2.00 103 cm-3 Nt+ = +1.00 103 cm-3 Polarity ?

00:15:01

15

В данном режиме реализуются последовательно измерения режимов -1- и 2-. По завершению последнего измерения автоматически вычисляются значения показателя полярности. Рр

Ns Ns

Ns Ns

(29)

где Ns+ и Ns- число положительных и отрицательных ионов в 1 см3 воздуха. Результаты измерений выводятся на монитор: -5- off Ns- = -2.00 103 cm-3 Ns+ = +1.00 103 cm-3 Pp = - 0.33

00:16:01

Показатель полярности может изменяться от 1 до -1. При равенстве концентраций ионов положительного к отрицательного знаков РР = 0. 131

5.8. Методика проведения работ с МАС-01 Перед началом измерений заземляем корпус счетчика, чтобы он не приобрел электростатический заряд, который может существенно исказить результаты измерений. Включаем питание счетчика переключателем ПИТАНИЕ, поставив его в положение "1" (край переключателя с цифрой "1"утоплен). Нажимаем кнопку 4 и контролируем напряжение на аккумуляторной батарее. Рабочее напряжение на аккумуляторной батарее должно находиться в пределах (8,0 ± 1,5) В. Нажимаем кнопку 8 для проверки работоспособности аспирационной камеры и предусилителя, т.е. проводим измерения собственного фона счетчика. Измерения проводятся последовательно, сначала для отрицательных, а затем для положительных ионов. При нормальной работе аспирационной камеры, уровень собственного фона не должен превышать 50 см-3. После этого переходим непосредственно к измерениям. Для измерения концентраций отрицательных аэроионов нажимаем кнопку 1 и выполняем 3-5 замеров, после чего вычисляем среднее значение на данной точке. Для измерения концентраций положительных аэроионов нажимаем кнопку 2 и выполняем 3-5 замеров, после чего также вычисляем среднее значение. Аналогичные действия выполняем на следующей точке.

5.9. Результаты измерения аэроионов Результаты измерения аэроионов представляются либо в виде графиков распределения концентраций положительных и отрицательных аэроионов вдоль профиля, либо в виде карт концентраций положительных и отрицательных аэроионов.

132

Контрольные вопросы 1. Понятие аэроионов и их образование. 2. Понятие подвижности и основные классы аэроионов по подвижности. 3. Понятие коэффициента униполярности и полярности аэроионов. 4. Понятие полярной объемной плотности электрического заряда. 5. Естественные источники аэроионов. 6. Процессы, приводящие к уничтожению аэроионов. 7. Влияние аэроионов на организм человека. 8. Нормирование параметров аэроионов. 9. Принцип работы аэроионного счетчика МАС-01. 10. Методика измерения аэроионов.

133

Литература 1. Белозерский Г.Н. Радиационная экология. М.: Издательский центр «Академия», 2008. 2. Бондаренко В.М., Демура Г.В., Савенко Е.И. Общий курс разведочной геофизики. М.: Norma, 1998. 3. Горбушина Л.В., Зимин Д.Ф., Сердюкова А.С. Радиометрические и ядерно-геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. М.: Атомиздат, 1970. 4. Горбушина Л.В., Савенко Е.И., Сердюкова А.С. Полевые радиометрические методы поисков и разведки урановых руд. М.: МГРИ, 1978. 5. Ларионов В.В., Резванов Р.А. Ядерная геофизика и радиометрическая разведка. М.: Недра, 1989. 6. Новиков Г.Ф. Радиометрическая разведка. Л.: Недра, 1989. 7. Хмелевской В.К. Геофизика. М.: КДУ, 2007. 8.Чижевский

А.Л.

Аэроионификация

в

народном

хозяйстве.

М.:СТРОЙИЗДАТ, 1989. 9. Энциклопедия «Экометрия». Контроль физических факторов окружающей среды, опасных для человека. Под редакцией Крутикова В.Н. М.: ИПК Издательство СТАНДАРТОВ, 2003.

134