Методика радиоэкологического мониторинга

Зачем нужен радиологический мониторинг

Уровни ионизирующего излучения в окружающей среде, действующе­го на все живые организмы, в том числе и на человека, не одинаковы на разных территориях и не постоянны во времени. В такой громадной стране, как Россия, всегда можно найти места, многократно различающиеся по радиационному фону. Причинами возникновения в данной местности более высокого уровня радиоактивного излучения могут быть как естественные источники - космическое излучение, радиоактивные элементы, содержащиеся в горных породах , продукты их распада, рассеянные в окружающей среде, так и искусственные - радиационное воздействие, связанное с деятельностью атомной промышленности (энергетикой, переработкой радиоактивных материалов, производством ядерного оружия и др.).

В настоящее время опасность для всего живого на Земле представля­ют радиационные «следы» - от взрывов при испытаниях ядерного оружия (Новая Земля, Семипалатинск, Оренбург) и атомных катастроф, происходивших в прошлом (Кыштымская, Карачаевская и Чернобыльская аварии). С территорий, где произошло загрязнение, ветрами поднимается ра­диоактивная пыль, которая переносится на расстояние многих сотен и тысяч километров. Следы Чернобыля обнаруживаются даже в Антарктиде. Этот процесс переноса радиоактивных веществ по Земле происходит в наши дни, будет продолжаться и в обозримом будущем.

Во всех крупных городах санитарно-эпидемиологические службы (СЭС) проводят радиологический мониторинг - постоянный контроль радиоактивности окружающей среды - воздуха, воды, почв сельскохозяй­ственных угодий, а также продуктов питания населения. Однако не вес радиационные «следы» могут быть отслежены СЭС - большинство по­селков, сел и малых городов, а тем более лесных угодий, садовых участ­ков и огородов не обследуются. Кроме того, перенос ветром загрязнений с места выпадений радионуклидов чаще всего имеет кратковременный характер, а выпадения радиоактивной пыли могут происходить и на не­больших территориях. Такие события и территории сотрудники СЭС про­сто физически не в состоянии контролировать.

Для контроля радиационной обстановки на конкретной (небольшой) тер­ритории - в своем поселке, микрорайоне школы, в школьном кабинете необходимо регулярно проводить измерения радиоактивности - школьный радиологический мониторинг. Методика проведения радиологического мониторинга достаточно проста, требует обычного оборудования школь­ного кабинета физики.

Что такое спектрометрия ионизирующего гамма-излучения Различные атомные ядра при радиоактивном распаде испускают гамма-кванты, обладающие разным уровнем энергии. Поэтому если удается измерить величину энергии гамма-кванта, то, заглянув в специальные таблицы, можно уверенно определить его «происхождение» - массу и заряд распавшегося ядра. Различные ядра, распадаясь, испускают кван­ты различной энергии, которые, в свою очередь, взаимодействуют с ве­ществом, изменяя и состав частиц, и их энергию. Регистрируя такое гам­ма-излучение, можно по участкам электромагнитного спектра определять, какие конкретно радиоактивные элементы присутствуют в исследуемом объекте.

На практике каждый гамма-квант с высокой энергией обычно преоб­разуют в т. н. «конверсионные фотоны» видимого света при их попадании в специальную среду - сцинтиллятор(например, монокристаллы NaI, CsI,растворы некоторых органических веществ). Конверсионные фотоны, в свою очередь, попадают на приемник видимого света, например фотока­тод фотоэлемента, и в нем возникает импульс тока. Количество конвер­сионных фотонов прямо пропорционально энергии гамма-кванта, и вели­чина импульса тока, проходящего через фотоэлемент, будет также про­порциональна энергии гамма-кванта.

На этой пропорциональности и основана спектрометрия ионизирующе­го гамма-излучения - основное средство для определения изотопного со­става источников радиоактивного излучения. Считая импульсы тока с той или иной амплитудой, определяют тем самым, какая доля гамма-квантов с той или иной энергией находится в спектральном составе ионизиру­ющего излучения.

Как проводится спектрометрия гамма-излучения

Экомониторинг воздушной среды в условиях школы (спектрометрию гамма-излучения) можно осуществлять на базе стандартного школьного оборудования - счетчика Гейгера с усилителем, выход которого соединен с микроамперметром (например, школьного авометра). В таких экспери­ментах помимо интенсивности счета импульсов можно провести и оценку идентичности изотопного состава радионуклидов в окружающей среде, сравнивая амплитудные спектры по амплитудам на данный момент и в прошлых измерениях.

Методика сравнения гамма-излучения радиоактивных элементов, рас­сеянных продуктов их распада и космических лучей основана на предпо­ложении, что одинаковые источники и условия излучения должны давать одинаковые амплитудные спектры импульсов счетчика Гейгера. Ампли­туда импульса пропорциональна энергии гамма-квантов, поэтому чем больше число частиц с данной энергией регистрируется, тем большее число импульсов данной амплитуды будет на выходе измерительного при­бора, шкала которого разбита на 10 секторов.

Изменения гамма-излучения радиоактивных элементов, например по­явление новых изотопов, вызывают изменения относительного числа импульсов в разных интервалах. Проводят подсчет числа импульсов в каждом интервале (по броскам стрелки прибора) и строят график в координатах «интервалы амплитуд - число импульсов, попавших в дан­ный интервал».

Имеющийся в школах счетчик заряженных частиц представляет со­бой прибор, основными частями которого являются счетчик Гейгера (типа СТС-5) и источник питания. Он предназначен для регистрации γ-лучей и жесткого β-излучения (с энергией более 0,5 Мэв). Трубка счетчика запол­нена смесью газов (неон с добавкой аргона и одного из галогенов), на его катод подается отрицательный потенциал, а нить (анод) соединяется с положительным полюсом источника тока.

При небольших напряжениях величина импульса зависит как от рода пролетающей частицы, так и от величины напряжения на электродах. Чем напряжение выше, тем менее вероятен процесс рекомбинации ионов. При повышении напряжения величина импульсов начинает расти за счет вто­ричной ионизации, в результате чего вместо каждого первичного электро­на на анод приходит целая лавина.

Счетчик, работающий в таком режиме, называется «пропорциональ­ным счетчиком», он и используется в нашем случае. Для счетчика СТС-5 область напряжений составляет от 300 В до 360 В.

При прохождении гамма-кванта газ в счетчике ионизируется. Импульсы тока, проходя через резистор R, создают импульсы напряжения. Эти им­пульсы поступают через разделительный конденсатор С на школьный уси­литель низкой частоты (УНЧ).

На выходе УНЧ через импульсный диод (например, Д 219А) импульс поступает на микроамперметр (со шкалой на 100 μА и с сопротивлением головки около 500 Ом). Таким сопротивлением обладает, например, мик­роамперметр авометра Ц20 или микроамперметры М24.

Измерения электрического импульса проводятся т.н. баллистическим методом, основанном на том, что под действием электрического импуль­са стрелка микроамперметра отклоняется на угол, прямо пропорциональ­ный величине этого импульса.

В баллистическом режиме может работать любой магнитоэлектричес­кий измерительный прибор. В нашем случае это микроамперметр. Нужно лишь, чтобы время прохождения импульса тока было много меньше пери­ода колебаний рамки микроамперметра.

Мониторинг радиологической обстановки

По результатам измерений строится график распределения числа час­тиц от энергии гамма-кванта в виде зависимости числа импульсов (брос­ков стрелки) от номера сектора. Огибающая такого спектра энергий гам­ма-квантов обычно имеет вид выпуклой кривой - «колокола» и использу­ется для оценки постоянства изотопного состава.

Первой оценкой для задачи мониторинга радиологической обстановки является общий радиационный фон в данное время (в импульсах в мину­ту). Его расчет производится по формуле:

где t - время измерений, мин.,

n_i - число отсчетов (бросков стрелки) в i-м секторе амплитуд.

Проводя сравнение полученного при измерении в данный момент зна­чения общего радиационного фона с предыдущими результатами, а также со средними значениями, можно сделать вывод об изменении радиацион­ной обстановки.

Второй оценкой в задаче мониторинга радиологической обстановки является контроль изменения состава изотопов в окружающей среде. Для этого по результатам измерений строится график зависимости количества отсчетов от амплитуд импульсов (по интервалам). На графике отобража­ется экспериментальная оценка спектра энергий гамма-квантов.

Типичный пример двух (среднего за год и экспериментально получен­ного в данный день) спектров отсчетов - оценок распределений числа частиц по амплитудам импульсов (энергиям гамма-квантов) приведен на рисунке (рис.9.5). Отчетливо видно смещение в данный день максимума среднего значения в 4-й сектор шкалы от среднего за год (3-й сектор). То же можно сказать и о сдвиге максимальных значений импульсов (с 7 на 9 сектор).

1. Полученный из графика максимум спектра является индикатором средних значений энергий гамма-квантов. Его смещение говорит об изменении средних значений энергии излучения в результате появления в окружающей среде изотопов другого состава.

Проводят сравнение максимума спектра радиационного фона, получен­ного при измерении в настоящее время, со сделанными ранее. Делается вывод об изменении основной доли гамма-квантов в энергетическом составе излучения.

2. Область в правой части графика, где огибающая спектра энергий приближается к горизонтальной оси, является верхней границей спектра. Она индицирует максимальные энергии гамма-квантов ионизирующего излучения.

На основании сравнения верхней границы спектра радиационного фона, полученного при измерении в настоящее время, с предыдущими резуль­татами, делается вывод об изменении в энергетическом составе излучения - исчезновении или появлении гамма-квантов с наибольшей энергией.

3. Для задач мониторинга необходима количественная оценка различий ионизирующего излучения. Для измерений, проводимых в разное время, можно сделать расчет показателя «различий» спектров β, характеризующего изменение условий распада изотопов в различных условиях окружающей среды, например в разное время года или в различных помещениях школы, по формуле:

где n_1i и n_2i - количества отсчетов i-гo интервала амплитуды в первом и втором случае.

Формула применима для одинакового времени измерения (например. 30 мин.). С ростом β различия в составе изотопов возрастают, а при (β = 0 – радиационная обстановка не изменилась.

4. Рекомендуемая периодичность измерений при исследовании ионизирующих излучений в воздухе по программе радиологического мониторинга – 1 раз в неделю.

5. Исследования спектра излучений, проводимые в один день в одном и том же помещении показывают их хорошую воспроизводимость. Схожи как сами формы спектров импульсов тока, так и положения максимумов. Однако измерения в различных помещениях зданий показывают изменение формы и самого спектра и смещение максимума. Это позволяет рас­сматривать график средних значений как «радиационный портрет» поме­щения. Эти «портреты» различаются при измерениях на разных этажах, а также в подвале здания, где выход радона из грунта максимален, а проветривание помещения проводится редко.

Методика проведения работы

Цель работы. Проведение оценки изменения радиационного фона.

Задачи работы:

- сборка и настройка экспериментальной установки по схеме рис.9.6, 9.7;

- проведение измерений и оценка радиационного фона;

- расчет изменения спектра ионизирующего излучения и оценка отли­чий результатов от полученных в данных условиях, но в другое время.

Оборудование: - счетчик Гейгера СТС-5 (или СТС-6 );

- источник питания : ВУП-2;

- усилитель низкой частоты: УНЧ-3;

- микроамперметр М-24 (сопротивление головки r = 690 Ом , 100 μА, класс точности 1,5).

Ход работы

1. Весь интервал амплитуд (вся шкала измерительного прибора, имеющая 100 делений) разбивается на 11 секторов (0-10, 10-20, ... , 90-100.более 100 делений).

Как показывает опыт, эксперимент желательно проводить вдвоем. Первый исследователь ведет отсчет - регистрацию импульса и при его появлении вслух сообщает второму человеку номер сектора, в котором произошла регистрация события (например, «пятый», «десятый» и т. д.).

Второй исследователь записывает эти сообщения в таблицу 9.3. В столбец таблицы им ставится галочка (или точка) в соответствующий сектор с первого по одиннадцатый, где наблюдался бросок стрелки.

2. Настройка установки.

а) Для того, чтобы уменьшить погрешность, измерения должны вестись с использованием всей шкалы прибора, то есть максимальные отклонения стрелки должны достигать в некоторых случаях предельного отклонения.

б) При исследованиях излучений в воздухе ручка регулятора громкости усилителя (УНЧ) устанавливается всегда в одно и то лее положение.