научная статья по теме УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕНОСА 218Po В ВОЗДУХЕ Физика

Текст научной статьи на тему «УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕНОСА 218Po В ВОЗДУХЕ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 1, с. 139-143

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ

УДК 53.082.79

УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕНОСА ^^ В ВОЗДУХЕ

© 2010 г. А. А. Афонин, А. А. Котляров, А. Ю. Максимов

Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31

Поступила в редакцию 16.07.2009 г.

Описаны экспериментальная установка и методика изучения характеристик переноса нуклида 218Ро в воздухе. Методика основана на регистрации а-распадов атомов 218Ро, которые осаждаются диффузионным путем на поверхность полупроводникового детектора из замкнутого объема, заполненного воздухом с примесью 222Кп. Показано, что в условиях камеры радиометра с электроосаждением часть атомов 218Ро присоединяется к крупным частицам, для которых существенную роль может играть седиментация. Получены значения скорости присоединения свободных атомов 218Ро к аэрозолям.

Известно, что после распада 222Яп значительная часть его первого дочернего продукта 218Ро образуется и некоторое время существует в положительно заряженном состоянии [1]. На этом факте основан метод измерения объемной активности радона — метод электроосаждения. Образующийся 218Ро первоначально представляет собой многозарядный положительный ион, который в процессе термализации уменьшает свой заряд до однократного или нейтрализуется.

Атомы полония, как нейтральные, так и положительно заряженные, быстро взаимодействуют с примесями воздуха и парами воды, образуя кластеры размером от 0.5 до 3 нм. Кроме того, ионы полония нейтрализуются при взаимодействии с примесями воздуха и аэроионами противоположного знака, присоединяются к поверхностям или аэрозольным частицам. Такие аэрозольные частицы движутся под действием силы тяжести. Время нейтрализации иона 218Ро в воздухе составляет 1—3 с [2].

Для определения коэффициента диффузии дочерних продуктов радона в воздухе часто используют "метод двух фильтров", который основан на измерении доли осевшей фракции атомов при ламинарной прокачке воздуха через протяженную трубу [3].

Найденные разными авторами с помощью "метода двух фильтров" значения коэффициента диффузии 218Ро сильно различаются и лежат в диапазоне от 0.005 до 0.1 см2 • с-1 [4]. Эти расхождения могут объясняться, например, влиянием на процесс диффузии турбулентных потоков воздуха, наличием электростатического заряда на внутренних поверхностях и деталях эксперимен-

тальной установки, который образуется при адсорбции ионов, содержащихся в воздухе, и в результате трибоэлектрических процессов. Авторы работы [5] установили, что на расчетные значения коэффициентов диффузии оказывает влияние время прохождения пробы воздуха по трубе, которое в экспериментах варьировалось от 13 до 300 с. Полученные значения коэффициентов диффузии лежали в пределах от 2.4 • 10-2 до 6.6 • 10-2 см2 • с-1.

Цель данной работы — создание установки для изучения механизмов и параметров миграции атомов 218Ро при диффузии с учетом возможного конвективного переноса в типичных для камер радиометров радона с электроосаждением условиях, а именно:

— объем камеры — от одного до нескольких литров;

— рабочим газом является воздух, прошедший очистку на аэрозольном фильтре и содержащий примеси, характерные для жилых и производственных помещений (вода, органические соединения и т.п.);

— воздух с примесью 222Яп в камере находится при атмосферном давлении.

В основе метода лежит измерение скорости счета а-распадов при осаждении атомов 218Ро на поверхность полупроводникового детектора из замкнутого объема, заполненного воздухом с примесью 222Яп. Для изучения диффузии 218Ро в воздухе использовалась усовершенствованная установка, описанная в [5] (рис. 1).

Внутри закрытой цилиндрической камеры, выполненной из металла, установлены две круглые металлические пластины, образующие плоский конденсатор, расстояние d между электрода-

140

АФОНИН и др.

Рис. 1. Схема установки для изучения переноса 218Ро в воздухе. О — осушитель; Б — барботер; В — воздуходувка; Д — датчик влажности; ПУ1-4, ПУ5-8 — зарядово-чувствительные предусилители; М — микродозатор примеси.

ПУ1-4

ПУ5-8

Сел ектор

Амплитудный анализатор

Подвижный электрод

Д

Аэрозольный фильтр

....."Г

12 п.п.д.

12 п.п.д.

Л

I I |

О

->,<е

В

М

Измерительная камера

ми которого может изменяться (обеспечивается плоскопараллельная геометрия). 218Ро непрерывно образуется при распаде 222Кп, распределенного по объему камеры. Обе пластины заземлены, а в центр каждой из пластин встроены 12 полупроводниковых детекторов (п.п.д.) с общей площадью чувствительной поверхности 24 см2.

Детекторы регистрируют а-излучение от распада 218Ро, атомы которого осаждаются на их поверхности. Блок селекции сигнала позволяет регистрировать одновременно импульсы амплитудных распределений, поступающих с восьми зарядово-чувствительных предусилителей (один предусилитель на три детектора) на амплитудный анализатор. Предусмотрена возможность установки измерительной камеры в двух положениях, когда пластины расположены горизонтально или вертикально. Камера окружена теплоизоляцией, которая устраняет возможные перепады температуры на стенках и тем самым снижает вероятность возникновения конвективных потоков воздуха во внутреннем объеме.

Воздух в измерительной камере перед измерениями осушали и очищали от аэрозолей. При этом использовали воздуходувку, патрон-осушитель с СаС12 и аэрозольный фильтр типа АФА-РСП. Затем в рабочее пространство системы с помощью микродозатора вводили заданное количество радона, газ тщательно перемешивали. Объем вводимого воздуха с примесью радона составлял от 1 до 50 см3, что

много меньше общего объема системы (около 5 дм3). Объемную активность радона в воздухе камеры измеряли аттестованным радиометром радона РРА-01М-01 (изготовитель ООО "НТМ-Защи-та"), имеющим относительную погрешность 20% с доверительной вероятностью 0.95.

Радиоактивное равновесие в системе наступает при времени выдержки с момента запуска радона в объем между электродами, много большем периода полураспада 218Ро, который равен 3.04 мин (после введения радона в камеру скорость счета возрастает, затем через 15 мин практически выходит на стационарный уровень). В работе [2] показано, что при объемной активности радона до 3 • 104 Бк/м3 скорость счета п.п.д. линейно зависит от содержания радона в камере.

Скорость счета а-распадов 218Ро, осажденного на детектор, при известной активности в камере характеризует долю атомов 218Ро, достигающих стенок камеры в результате диффузионного движения или конвективного переноса. Оказалось, что для подавления конвективных потоков воздуха в камере необходимо принимать специальные меры по обеспечению стабильной температуры стенок посредством теплоизоляции. На рис. 2 показана динамика измерения скорости счета на нижней и верхней пластинах без теплоизоляции, когда наружная поверхность нижней стенки камеры обдувалась подогретым воздухом, температура которого превышала температуру окружаю-

п, с 3

11.41

, Л

Нижние детекторы

•Г

\Т Верхние 1 детекторы

Нагрев камеры

10

12

14

16 Т, ч

Рис. 2. Зависимость скорости счета (сумма 218Ро и Ро) от времени при нагреве камеры (^ = 10 см, аб-

214-

солютная влажность воздуха 6.0 г • м 3).

щей среды на 2°С. После прекращения нагрева скорость счета возвращалась к исходным значениям.

Установлено, что показания полупроводниковых детекторов, размещенных на одной пластине, во всех измерениях в пределах статистической ошибки совпадали друг с другом. Поэтому в дальнейшем данные, полученные с детекторов конкретной пластины, суммировались. Измерения показали, что скорость счета зависит от расположения детекторов. При верхнем расположении детекторов скорость счета меньше, чем при нижнем, причем это имеет устойчивый характер при длительных измерениях (рис. 3).

Наличие устойчивого превышения скорости счета на нижней пластине по отношению к верхней свидетельствует о том, что в камере присутствует 218Ро в форме достаточно крупных частиц, которые под действием силы тяжести смещаются к нижней пластине.

Экспериментальная зависимость скорости счета а-распадов 218Ро, осажденного на детекторы, от расстояния между пластинами представлена на рис. 4. Анализ данных, представленных на этом рисунке, показывает, что:

1) при горизонтальном расположении пластин (рис. 4а) скорости счета на нижней и верхней пластинах существенно различаются (отношение этих скоростей различно в разные дни измерений);

2) при вертикальном расположении пластин (рис. 4б) скорости счета детекторов на левой и правой пластинах совпадают в пределах экспериментальной погрешности.

Полученные данные можно интерпретировать следующим образом: наряду с неприсоединенной

п, с 4

105

225

Детекторы

внизу

_ Детекторы Детекторы

вверху й вверху

1 1 1 1 V 1 1 1

50 100 150 200 250

Т, мин

Рис. 3. Зависимость скорости счета от времени при изменении положения детекторов (^ = 12 см, абсолютная влажность воздуха 4.6 г • м—3).

фракцией в воздухе камеры существует присоединенная фракция 218Ро. Неприсоединенная фракция, согласно [1], представляет собой частицы размером порядка 1 нм, а для таких частиц скорость седиментации практически равна нулю [6], коэффициент диффузии приблизительно равен 10-2 см2 • с-1 [1, 3]. Присоединенная фракция (аэрозоли так называемой аккумуляционной зоны) имеет размер частиц порядка 0.1—1 мкм, коэффициент диффузии — 10—5—10—7 см2 • с—1, скорость седиментации — 10—4—10—2 см • с—1 [6].

Для неприсоединенной фракции осаждение на детектор будет определяться диффузией и не должно зависеть от положения пластин с детекторами. Для присоединенной же фракции при размерах камеры порядка 30 см и периоде полураспада 218Ро 3.04 мин диффузией частиц можно пренебречь, осаждение должно происходить только на нижнюю пластину и только за счет седиментации.

Таким образом, если принять, что в объеме камеры существуют две устойчивые фракции 218Ро (неприсоединенная и присоединенная), то полученный результат легко объяснить: при верхнем и боковом расположении детектора на него из объема осаж

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком