МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАДОНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ И НА ОТКРЫТОМ ВОЗДУХЕ
Авторы: Маслодудов Ю., Кун С.
КЦО «Школа ксмонавтики»,
лаборатория радиационных технологий
Научный руководитель: к.т.н. Коскин В.В.
г. Железногорск
Введение.
Радиоактивность - отнюдь не новое явление; новизна состоит лишь в том, как люди пытались её использовать. И радиоактивность и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли.
Резко возрос интерес к уровню радиации окружающего нас пространства, в связи с возможным заражением местности при испытательных ядерных взрывах и авариях на атомных электростанциях. До сих пор мы судорожно вспоминаем события, произошедшие на Чернобыльской Атомной Электростанции. Поэтому к радиации необходимо относится с большой внимательностью.
Человечество научилось определять радиоактивный фон в том или ином месте, но методики, по которым порой определяется радиоактивный фон, не доступны для многих из нас. Одним из примеров такого излучения является радоновое излучение.
Цель нашей работы - разработать методику, позволяющую определить радиационное излучение от природного источника излучения – газа радона. Актуальность этой работы заключается в том, что на сегодняшний день измерение радонового излучения – сложная, наукоёмкая процедура, доступная далеко не каждому человеку. К тому же установки, позволяющие измерять радоновое излучение, очень редки и встречаются лишь на специализированных предприятиях, таких как ГХК, АЭС и т.п.
Необходимо выделить одно важное обстоятельство: мы не можем ощутить радиацию - увидеть или услышать, выявить ее на ощупь, на вкус или по запаху. В этом главная причина страха перед радиацией. Поэтому мы считаем, что каждый из нас должен обладать возможностью уберечь себя от различных видов радиоактивного излучения, в том числе и радонового, чьё влияние на организм человека оказывает непоправимые воздействия, приводящие к необратимым процесса в организме.
До сих пор в нашей стране не разработан бытовой дозиметр, позволяющий определить радоновое излучение. Хотя радон повсюду окружает нас. Исходя из физических и химических свойств этого газа, радон может находиться в больших количествах где угодно, даже в жилых помещениях. Радон может поступать в здания вместе с наружным воздухом, проникать в помещения из почвы или породы, находящихся под зданием, выделяться из строительных материалов, воды, природного газа, то есть из всего, что нас окружает в повседневной жизни.
Радон и продукты его распада за счет ионизирующего излучения могут вызвать внешнее и внутреннее облучение человека. Под внутренним понимается излучение, обусловленное радоном и ДПР, попавшим в организм человека вместе с водой, воздухом, пищей. Радон, поступающий через органы дыхания, постоянно присутствует в легких человека в концентрации, соответствующей концентрации в воздухе помещения. Частично происходит растворение радона в мягких тканях. Обычно коэффициент растворимости радона в мягких тканях принимают равным 0,4.
Продукты распада радона вместе с атмосферным воздухом также попадают в организм человека, однако, если радон, как инертный газ не накапливается в организме, то ДПР в виде аэрозолей осаждаются на слизистой, бронхах, в желудке.
Следует особо подчеркнуть, что концентрации радона в воздухе помещений могут меняться в течении суток в десятки раз. Из-за различных физических свойств дозы от радона, присутствующего в воздухе в форме газа, и дозы от ДПР рассчитываются отдельно.
Наша работа состоит из разработки более простой, доступной для большего числа людей методике по определению радонового излучения на открытом воздухе и в жилых помещениях.
Методика.
Простота и оригинальность нашей методики состоит в том, что для измерения радонового излучения нам не нужно пользоваться какими-либо новыми разработками дозиметров, редкими, сверхсложными установками. Для измерения радонового излучения нам просто будет необходим обычный бытовой дозиметр гамма-излучения. Ниже мы приводим необходимые формулы для получения значения радонового излучения.
Для измерения радонового излучения нам будет необходимо найти разницу между значением гамма-излучения в месте скопления радона и значением гамма-излучения в этом же месте, но без учёта радонового излучения. Это можно очень просто сделать, воспользовавшись тем, что период распада радона длится не более суток. О том, каким образом возможно получить значения без учёта радона (в области, где находится радон) будет описано подробнее в последующих частях нашей работы. Теперь найдём число гамма квантов за единицу времени, т.е.
n=DP/D,
где DР – искомая разница измерений гамма-излучения, D – эффективная на единичный флюенс доза, которую мы получим по табличным значениям. Далее, непосредственно найдём объёмную концентрацию радона:
Q=n*S/V*N,
где S -площадь поверхности сферы с радиусом , равным длине свободного пробега гамма кванта в воздухе,V – объём шара с радиусом равным длине свободного пробега гамма кванта в воздухе, N – сумма квантов при распаде радона на RaА, RaB, RaC. После математических преобразований мы получим формулу объёмной концентрации радона:
Q=DР *3/2r*N*D ,
где r – длина свободного пробега гамма кванта в воздухе, N – число квантов при распаде одного ядра радона. Теперь нам остаётся найти сумму квантов при распаде Ra, RaB, RaC и длину свободного пробега гамма квантов.
Расчёт проведём по средней энергии g-квантов, образующихся при распаде радона которую найдём по формуле:
Eср. =SEj*nj/Snj,
где Ej - это энергия квантов, nj – это число квантов с энергией Ej.,приходящихся на распад одного атома радона. В таблице 1 приведены значения Еi и ni , взятые из книги А.С. Сердюкова и Ю.Т. Капитанова «Изотопы радона и продукты их распада в природе».
Таблица 1.
Энергия и интенсивность основных линий гамма спектра радия, находящегося в равновесии со своими продуктами распада [16,19]
|
Изотоп |
Энергия, МэВ |
Число квантов на распад 1 ядра |
Изотоп |
Энергия, МэВ |
Число квантов на распад 1 ядра |
|
Ra |
0,188 |
0,012 |
RaC |
0,935 1,120 1,238 1,379 1,764 2,204 2,450 |
0,040 0,159 0,067 0,047 0,149 0,054 0,020 |
|
RaB |
0,241 0,294 0,350 |
0,106 0,240 0,435 |
|||
|
RaC |
0,609 0,768 |
0,398 0,056 |
Зная среднюю энергию (МэВ) распада радона, по справочной литературе мы найдём длину свободного пробега гамма кванта в воздухе, эффективная на единичный флюенс доза. Из этой же таблицы мы сможем найти N (число квантов при распаде одного ядра радона). По табличным значениям, взятым из справочника Л.Р. Кимель и В.П. Машковича «Защита от ионизирующих излучений», длина свободного пробега гамма кванта в воздухе при Eср.= 0,75 МэВ равна
r = 105 м
По табличным значениям, взятым из норм облучения моноэнергетическими фотонами лиц из персонала при Eср.= 0,75 МэВ, D (эффективная на единичный флюенс доза) равна
D = 8,28 * 10-5 Р фотон/м2
Из таблицы №1:
N = 1,783 квантов
Для нахождения DР мы воспользовались физическим свойством газа радона. Его относительная масса значительно больше, чем относительная масса воздуха, следовательно, газ радон, выходящий из земли, скапливается в низинах, ущельях, подвалах и нижних этажах зданий и т.п.
Рядом со Школой Космонавтики находится болото, уровень которого примерно на 20 метров меньше, чем уровень поляны, на которой расположена Школа Космонавтики. Следовательно, если предположить, что из болота выделяется радон, то радоновое излучение будет только лишь на болоте, а на поляне его не будет. Разница между измерениями будет составлять именно радоновое излучение, т.к. измерения проводятся в одно время, т.е. космическое излучение и излучение грунта будет одинаковым на поляне и болоте.
Если нет возможности сравнивать мощности дозы в месте скопления радона и без него, то можно создать искусственно такую залу. Например, какую-то часть контрольной поверхности закрыть плёнкой, исключающей проникновение в неё радона. Дать выдержку на время превосходящее его период полураспада. После этого замерить разницу дозы g-излучения под плёнкой и без неё. Для исключения действия излучения от излучающих предметов, дозиметр целесообразно экранировать от них свинцовым экраном.
Проведение измерений.
При проведении измерений были выделены две основные части: самая низкая область болота, где по предположению должен скапливаться газ радон и поверхность поляны, на которой радоновое излучение отсутствует из-за высоты расположения относительно болота. В каждой части мы проводили по 20 измерений в разное время суток (утро, день, вечер) для выявления наиболее точного определения значения радиоактивного фона с радоном и без него. Измерения проводились непосредственно на земле бытовым дозиметром «Белла». Измерения проводились утром, днём и вечером.
Результаты.
В результате проведённой работы мы получили, что объёмная концентрация радона на болоте составила:
Q
= 390+ 50 Бк/м3
Оценка полученных значений.
Как говорилось раньше, воздействие радона на организм человека необратимо. В первую очередь поражаются лёгкие (при дыхании), поэтому необходимо не только знать какой уровень радонового излучения в той или иной местности, но и знать нормы содержания радона в жилых помещениях, на открытом воздухе.
В научной литературе возможно найти нормы, но далеко не каждый из нас сможет правильно рассчитать и сравнить табличные и полученные значения, поэтому в нашей работе мы представим таблицу зависимости изменения гамма излучения и, непосредственно, объёмной концентрации радона в воздухе.
Результат, полученный нами, свидетельствует о том, что в районе болота, расположенного в одном километре от Школы Космонавтики, действительно находится радон, причём его концентрация в этом районе близка к максимально допустимому значению. По данным из норм воздействия ионизирующих излучений на человека, максимально допустимая объёмная концентрация радона на открытом воздухе – 400 Бк/м3, в закрытом помещении – 200 Бк/м3. В зоне этого болота располагаются дачные участки жителей города Железногорска, поэтому в целях недопущения неблагоприятных последствий необходима более доскональное обследование этого района в целях обнаружения источника радонового излучения.
Как уже говорилось ранее, наша методика работает не только на открытом воздухе, но и в закрытом помещении.
Воспользуемся тем, что период полураспада радона составляет не более одних суток. Тогда для получения единственного неизвестного в нашей формуле – изменения гамма фона воспользуемся следующим методом: в помещении, где необходимо измерить радоновое излучение, произведём несколько измерений гамма фона, прислонив дозиметр к стене. После чего, приложим к этому участку стены металлическую пластину на сутки. Через сутки произведём измерение гамма фона у этой же стены, накрыв дозиметр свинцовым колпаком (для того, чтобы радон, находящийся в воздухе не повлиял на наши измерения). Отняв от значений первоначальных измерений, значения, полученные со свинцовым колпаком, мы получим искомое изменение гамма фона.
Ошибка при использовании нашей методики составила 40, что говорит о её работоспособности . При измерении радонового излучения современными, наукоёмкими приборами, ошибка составляет примерно 50%.
Кроме обследования болота, мы проводили радоновое обследование здания общежития Школы Космонавтики. Предполагалось получить график изменения гамма излучения, показанный на рисунке 1. Увеличение гамма излучения на верхних этажах объясняется космическим излучением, увеличение гамма излучения на нижних этажах предполагалось пояснить нахождением там радона. Наше предположение не оправдалось, т.к. истинный график гамма излучения оказался другим (рисунок 2). Измерения проводились на каждом этаже (включая подвал) по десять раз. Из графика, изображённого на рисунке 2 видно, что присутствует природное излучение и космическое, которое убывает с уменьшением высоты измерения.
Таблица 5.
Зависимость объёмной концентрации радона от изменения гамма излучения.
|
Значение DР,
мкР |
Объёмная конц. Q, Бк/м3 |
Знач. DР,
мкР |
Объёмная конц. Q, Бк/м3 |
|
0,5 |
97 |
1,8 |
348 |
|
0,6 |
116 |
1,9 |
368 |
|
0,7 |
135 |
2,0 |
387 |
|
0,8 |
155 |
2,1 |
406 |
|
0,9 |
174 |
2,2 |
426 |
|
1,0 |
193 |
2,3 |
445 |
|
1,1 |
213 |
2,4 |
464 |
|
1,2 |
232 |
2,5 |
484 |
|
1,3 |
251 |
2,6 |
503 |
|
1,4 |
271 |
2,7 |
522 |
|
1,5 |
290 |
2,8 |
542 |
|
1,6 |
309 |
2,9 |
561 |
|
1,7 |
329 |
3,0 |
580 |
Эта таблица предназначена для вычисления концентрации в бытовых условиях. Для наглядности выделены значения, превышающие допустимый уровень радонового излучения в закрытых помещениях, подчёркнуты и выделены – значения, превышающие допустимый уровень радонового излучения на открытом воздухе.
Полученные результаты высокого содержания радона, косвенно подтверждены следующим: по сведениям, взятым из книги «Радиация», в угольных разрезах Красноярского края встречается большое количество урана. В некоторых из них встречается до 50 г урана на тонну !
Учитывая новизну и практичность нашей методики, после доскональной доработки и исключения возможных недостатков, планируется подача заявки на предполагаемое изобретение.
Для дополнительного подтверждения нашей методики, целесообразно провести радоновое обследование домов в селе Атаманово Красноярского края , в которых радоновое излучение превышает допустимые нормы в несколько раз. В частности показано, что эквивалентная годовая доза в них достигает 21 бэр/год. С учётом коэффициента пересчёта объёмная концентрация радона в эквивалентную дозу, равного 6нЗв*м3/час*Бк (0,6МкР*м3/час*Бк), объёмная концентрация радона в этих домах достигает 3500 Бк/м3. В этих домах ожидаемая разница в показаниях дозиметра g-измерения при расчётах по нашей методике должно достигать 18МкР/час.
Заключение.
1.В результате проведённых исследований разработана методика измерения объёмной концентрации радона с помощью бытового дозиметра g-излучения.
2.Проведённые по данной методике замеры показали, концентрация радона в здании Школы Космонавтики находится на уровне чувствительности методики и значительно ниже допустимых уровней для жилых помещений.
3.Концентрация радона на болоте составляет 390 Бк/м3, что близко к предельно допустимой для открытой местности. Расчётная погрешность измерений составляет 15%.
4.Целесообразно провести дополнительно исследования находящихся за болотом садовых участков, для выявления локальных выходов радона и разработки рекомендаций владельцам этих участков.
Список используемой литературы:
1. В.М. Пермяков «Ионизирующие излучения»
2. В.И. Иванов «Дозиметрия ионизирующих излучений»
3. Л.Р. Кримель, В.П. Машкович «Защита от ионизирующих излучений»
4. Гл. ред. А.М. Прохоров «Большой энциклопедический словарь по физике»
5. Х. Кухлинг «Справочник по физике»
6. «Радиация»
7. Нормы ГП 1001.234.12
8. М.П. Ивашков «Радиация вокруг нас»
9. И.Н. Павлов «Статистическая оценка данных»
10. К.К. Аглинцев «Дозиметрия ионизирующих излучений»
11. И.В. Поройков «Рентгенометрия»
12. Е.И. Долгирев «Детекторы ядерных излучений»
13. Р. Егер «Дозиметрия и защита от излучений»
14. Е.А. Либерман «Дозиметрия радиоактивных изотопов»
15. В. Прайс «Регистрация ядерного излучения»
16. Г.Д. Бурдун «Единицы физических величин»
17. Г. Гольдштейн «Основы защиты реакторов»
18. Г.В. Горшков «Гамма излучения радиоактивных тел и методы расчёта защиты от излучения»
19. О.И. Лейпунский «Распространение гамма квантов в веществе»
20. В. Векслер «Ионизационные методы исследования излучений»
21. А.А. Зотиков «Биофизика»
22. С.Ф. Килин «Приборы и техника эксперимента»
23. А. Н. Кронгауз «Дозиметры для рентгеновых и гамма лучей»
24. А.Н. Энгель «Ионизованные газы»
25. С.М. Бреховский «Исследования в области дозиметрии и ионизирующих излучений»
26. И.П. Белов «Приборы и техника эксперимента».