Министерство образования и науки Украины

Восточноукраинский национальный университет им.В.Даля

Факультет естественных наук

Кафедра «Прикладная физика»

Выпускная работа на степень бакалавра

Специальности 6.040204 «Прикладная физика»

СПЕКТРОМЕТР АЛЬФА ИЗЛУЧЕНИЯ НА

ОСНОВЕ ГАЗОРАЗРЯДНОГО ДЕТЕКТОРА

Студент группы ПН-241 Креденцер Сергей Викторович

Научный руководитель Кудленко Василий Григорьевич

к. ф.-м. н., доцент

Работа принята к защите

Заведующий кафедрой Бранспиз Юрий Адольфович

д. т. н., профессор

Луганск 2008

2

3

РЕФЕРАТ

Кваліфікаційна робота на ступінь бакалавра:

49 с., 22 рис., 7 табл.

Виконано складання високовольтного перетворювача й конструкції альфа

спектрометра. Розглянуто метод виявлення енергії альфа часток коронним

торцевим газорозрядним лічильником СІ9А.

Експериментально в процесі досліджень виявлений у повітрі підвального

приміщення радон і продукти його розпаду. Доведено, що альфа спектрометр

працює в пропорційній області.

РАДОН, АЛЬФА ЧАСТКИ, СПЕКТРОМЕТР, ВИСОКОВОЛЬТНИЙ

ПЕРЕТВОРЮВАЧ, ФІЛЬТР, СПЕКТР.

Квалификационная работа на степень бакалавра:

49 с., 22 рис., 7 табл.

Выполнена сборка высоковольтного преобразователя и конструкции альфа

спектрометра. Рассмотрен метод обнаружения энергии альфа частиц коронным

торцевым газоразрядным счетчиком СИ9А.

Экспериментально в процессе исследований обнаружен в воздухе подвального

помещения радон и продукты его распада. Доказано, что альфа спектрометр

работает в пропорциональной области.

РАДОН, АЛЬФА ЧАСТИЦЫ, СПЕКТРОМЕТР, ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ФИЛЬТР, СПЕКТР.

Qualifying work on a degree of the bachelor:

49 pp., 22 fig., 7 tablas.

Assembling of high-voltage transformer and constructions is executed alpha of

spectrometer. The method of finding out energy is considered alpha of particles by the

corona butt-end gas-unloading meter of Si9a.

Experimentally in the process of researches discovered in mid air basement apartment

radon and products of his disintegration. It is well-proven that alpha a spectrometer works

in a proportional area.

RADON, ALPHA of PARTICLE, SPECTROMETER, HIGH-VOLTAGE

TRANSFORMER, FILTER, SPECTRUM.

4

СОДЕРЖАНИЕ

ВСТУПЛЕНИЕ…………………………………………………………………………5

1. РАДОН И ЕГО ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЧЕЛОВЕКА.......................................7

1.1. Характеристика распада радона…………………………………………….7

1.2. Источники радона в окружающей среде…………………………………..10

1.3. Воздействие излучения радона на человека………………………………18

2. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ РАДОНА В ВОЗДУХЕ….22

2.1. Метод с использованием газоразрядных детекторов……………………..22

2.2. Метод с использованием сцинтилляционных детекторов………………..25

2.3. Другие методы……………………………………………………………….27

3. СПЕКТРОМЕТР АЛЬФА ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЯ

СОДЕРЖАНИЯ РАДОНА В ВОЗДУХЕ…………………………………….29

3.1. Блок-схема установки……………………………………………………….29

3.2. Высоковольтный преобразователь…………………………………………33

3.3. Экспериментальные результаты и их обсуждение………………………..36

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5

ВСТУПЛЕНИЕ

Актуальность работы. В цивилизованном обществе уже пришло сознание, что

радоновая опасность является крупной и непростой комплексной проблемой, так как

радиоэкологические процессы, вызываемые радоном, происходят на трех

структурных уровнях материи: ядерном, атомно-молекулярном и

макроскопическом. Поэтому решение ее подразделяется на задачи диагностики и

технологии последующей нейтрализации воздействия радона на человека и

биологические объекты. Согласно расчетам Британского бюро защиты от радиации, в

Великобритании ежегодно погибают 2500 человек от рака легких, вызванного

радиоактивным газом радоном. По данным Агентства окружающей среды, в США

ежегодно около 20 тыс. онкологических заболеваний инициируется радоном и

продуктами его распада. Также остра проблема радиологического воздействия

радона на население в Швейцарии, Швеции, России, Украины (урановые

местоположения), Финляндии и Австрии. Подсчет вклада радона в формирование

средней дозы облучения человека в процессе его жизни дает неожиданные

результаты. Общий вклад естественного облучения в дозовую нагрузку составляет

около 72%. При этом радона оценивается в 54% от естественного облучения. Этот

факт вызвал громадный интерес к радоновой проблеме практически во всех развитых

странах, поскольку более половины годовой дозы от всех природных источников

излучения человек получает через воздух, облучая радоном свои легкие во время

дыхания. Так, в США, на преодоление радоновой опасности (постоянный

мониторинг жилых помещений и территорий с помощью современных радиометров,

дозиметров, спектрометров) ежегодно выделяется около 1 млрд. долларов.

Цель работы предполагает построить конструкцию спектрометра альфа излучения

на основе газоразрядного детектора СИ9А и обнаружение радона в воздухе.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

• произвести общее ознакомление со спектрометрией альфа излучения и

методами регистрации радона в воздухе;

• сконструировать высоковольтный преобразователь и альфа-детектор на

основе газоразрядного счетчика СИ9А;

• разработать методику проведения исследований;

• произвести анализ полученных экспериментальных результатов.

Объект наблюдения – альфа излучение радона и дочерних ядер его распада.

6

Метод наблюдения – экспериментальное обнаружение альфа излучения радона и

продуктов его распада с помощью торцевого газоразрядного счетчика СИ9А,

работающего в пропорциональной области.

Научная новизна полученных результатов состоит в том, что впервые доведена

возможность исследовать энергии альфа излучения радона и дочерних ядер его

распада в пропорциональной области торцевого газоразрядного счетчика СИ9А.

Практическое значение полученных результатов состоит в том, что данный

альфа спектрометр можно применять для обнаружения энергий и радиоактивных

изотопов.

Личный вклад студента состоит в участии конструирования действующего альфа

спектрометра, разработки методики проведения исследований, а также в получении

и обработке экспериментальных данных.

7

1. РАДОН И ЕГО ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЧЕЛОВЕКА

1.1. Характеристика распада радона

Земная кора с самого начального момента своего образования содержит

естественные радиоактивные элементы (ЕРЭ), создающие естественный

радиационный фон. В горных породах, почве, атмосфере, водах, растениях и тканях

живых организмов присутствуют радиоактивные изотопы калия-40, рубидия-87 и

члены трех радиоактивных семейств, берущих начало от урана-238, урана-235 и

тория-232. Эти материнские нуклиды стары как сама Земля – около 4,5 млрд. лет.

Они сохранились только потому, что периоды полураспада основателей

радиоактивных семейств очень велики и составляют для урана-238 4,5 × 109 лет,

урана-235 0,7 × 109, тория 14 × 109 лет.

Члены радиоактивных семейств жестко связаны между собой. Каждое звено

радиоактивного ряда образуется со скоростью, определяемой периодом полураспада

предыдущего нуклида, а распадается в соответствии с собственным периодом

полураспада. Таким образом, через некоторое время в цепочках распада

устанавливается равновесие, то есть, сколько дочерних элементов распадается,

столько же и рождается в соответствии с периодами полураспада материнских

нуклидов. После длинной цепи преобразований образуются, в конце концов,

стабильные изотопы свинца (рис. 1).

Рис.1. Схемы распада от радия до свинца для уранового (а) и ториевого (б) семейств естественных

радионуклидов. Интенсивность цвета определяет период полураспада нуклида

8

Единственным газообразным продуктом, который рождается в процессе

распада трех семейств ЕРЭ, является радон. Наибольший вклад в газовую

составляющую ЕРЭ вносят радиоактивные семейства урана-238 и тория-232, в

процессе распада которых образуются радиоактивные изотопы радона (рис.1).

Свойства радона

Радон Rn (исторически: эманация Em, нитон Nt) – элемент № 86 нулевой

группы периодической системы Менделеева, газ без цвета и запаха из

одноатомных молекул, радиоактивен; химически почти нейтрален

(благородный газ), в 7,5 раза тяжелее воздуха. Известны три природных α-

активных изотопа радона, принадлежащих к радиоактивным семействам

урана, тория и актиния – радон, торон и актинон (222Rn, 220Rn и 219Rn) с

периодами полураспада соответственно около 3,8 сут, 55 с и 3,9 с. Из них лишь

первые два имеют гигиеническое значение и представляют основной интерес с

точки зрения радиационной безопасности (РБ).

Из 1 г радия образуется 1мм3 радона 222Rn в сутки. По данным НКДАР при ООН,

радон вместе со всеми ДПР ответственен примерно за 3/4 годовой индивидуальной

ЭД облучения, получаемой населением от земных источников радиации, и примерно

за половину этой дозы от всех естественных источников радиации.

Радон-219 (актинон) может оказывать воздействие лишь в специфических случаях,

связанных с загрязнением помещения продуктами пере работки уранового сырья,

содержащими селективно экстрагированные радионуклиды актиноуранового ряда

227Ас и 231Ra.

Физические свойства радона отражены в табл. 1.

Основные свойства радиоактивного распада радона и торона, существенные для

радиационной защиты, приведены в таб.1.

9

Радон-222 встречается в природе в 20 раз чаще, чем радон-220, а содержание в

природе актинона и вовсе ничтожное, так как соотношение урана-238 и урана-235 в

месторождениях равно 0,00725. Поэтому, говоря о радоне, подразумевают, прежде

всего, радон-222. Ядра радона-222 при радиоактивном распаде излучают альфа-

частицы, превращаясь в ядра полония-218, при альфа распаде которых получается

свинец-214. При бета-распаде этого радионуклида образуется висмут-214, который,

в свою очередь, превращается в полоний-214, испуская бета-частицу. При альфа

распаде последнего возникает относительно долгоживущий свинец-210 (с периодом

полураспада 22,3 года) и далее – стабильный изотоп свинца-206 в качестве

конечного продукта.

Радон и торон присутствуют, как и его материнские нуклиды, во всех

строительных материалах и горных породах. Образующийся в процессе распада

инертный газ тотчас же диффундирует через капилляры грунта, микротрещины

горных пород, захватывается потоками других газов и, несмотря на ограниченное

время жизни, может транспортироваться на значительные расстояния в земной коре

и земной атмосфере. Причем естественная убыль этих газов за счет выделения из

материалов (процессы эманации – выделения из кристаллической решетки и

эксхаляции – испарение или выделение с поверхности) и естественного распада

постоянно компенсируется за счет распада радия и тория, присутствующих в

данном материале.

10

1.2. Источники радона в окружающей среде

Радон попадает в атмосферу помещений различными путями: а) проникает из

недр Земли; б) выделяется из строительных материалов (цемент, щебень, кирпич),

из которых построено здание; в) привносится с водопроводной водой, бытовым

газом и другими продуктами жизнеобеспечения (рис. 2).

Радон высвобождается из земной коры повсеместно, но его концентрация в

наружном воздухе существенно различается для разных точек земного шара. Радон

концентрируется в воздухе внутри помещений лишь тогда, когда они в достаточной

мере изолированы от внешней среды (рис. 4.). Поступая внутрь помещения тем или

иным путем (просачиваясь через фундамент и пол из грунта или, реже,

высвобождаясь из материалов, использованных в конструкции дома), радон

накапливается в нем. В результате в помещении могут возникать довольно высокие

уровни радиации, особенно если дом стоит на грунте с относительно повышенным

содержанием радионуклидов или если при его постройке использовали материалы с

повышенной радиоактивностью, герметизация помещений с целью утепления

только усугубляет дело, поскольку при этом еще более затрудняется выход

радиоактивного газа из помещения.

Рис. 2. Основные пути попадания радона в здание: из грунта по трещинам и щелям, из стен

и строительных конструкций

Очень высокие концентрации радона регистрируют последнее время все чаще.

Так, в последнее время, строения, внутри которых концентрация радона в 5000 раз

превышала среднюю его концентрацию в наружном воздухе, были обнаружены в

11

Швеции и Финляндии. Строения с уровнями радиации, в 500 раз превышающими

типичные значения в наружном воздухе, были выявлены и в Великобритании, и

США. Кроме того, были обнаружены жилища с концентрацией радона, примерно

равной его максимальной концентрации в жилых домах в скандинавских странах.

При дальнейших обследованиях такого рода выявляется все больше домов с очень

высокой концентрацией радона и других странах, в том числе и в России.

Самые распространенные строительные материалы – дерево, кирпич и бетон –

выделяют относительно немного радона (рис.3). Гораздо большей удельной

радиоактивностью обладают гранит и пемза, используемые в качество строительных

материалов, например, в России и Западной Германии. А некоторые материалы

преподнесли строителям, ученым и, конечно же, жителям домов, построенных из

этих материалов, неприятные сюрпризы, оказавшись особенно радиоактивными.

Рис. 3. Средняя удельная радиоактивность строительных материалов

В течение нескольких десятков лет, например, глиноземы, использовались в

Швеции при производстве бетона, с применением которого было построено 350-700

тысяч домов. Затем неожиданно обнаружили, что глиноземы очень радиоактивны. В

середине 80-х годов их применение было резко сокращено, а затем они вовсе

перестали использоваться в строительстве. Кальций силикатный шлак – побочный

продукт, получаемый при переработке фосфорных руд и обладающий, как

выяснилось, довольно высокой удельной радиоактивностью, – применялся в

качестве компонента бетона и других строительных материалов во многих странах.

Еще один побочный продукт, образующийся при другой технологии переработки

фосфорных руд, – широко применялся при изготовлении строительных блоков,

сухой штукатурки, перегородок и цемента.

12

Рис. 4. Влияние проветривания на содержание радона в воздухе жилой комнаты

одноквартирного дома

Он дешевле природного гипса, и его применение приветствовалось защитниками

окружающей среды, поскольку фосфогипс относится к разряду промышленных

отходов и, таким образом, его использование помогает сохранить природные

ресурсы и уменьшить загрязнение окружающей среды. В одной только Японии в

1974 году строительная промышленность израсходовала 3 млн. тонн этого

материала. Однако фосфогипс обладает гораздо большей удельной

радиоактивностью, чем природный гипс, который он был призван заменить, и, по-

видимому, люди, живущие в домах, построенных с его применением, подвергаются

облучению, на 30% более интенсивному, чем жильцы других домов. Согласно

полученным оценкам, ожидаемая коллективная эффективная эквивалентная доза

облучения в результате применения этого материала составляет ~ 300000 чел-Зв.

Среди других промышленных отходов с высокой радиоактивностью,

применявшихся в строительстве, следует назвать кирпич из красной глины-отхода

производства алюминия, доменный шлак – отход черной металлургии и зольную

пыль, образующуюся при сжигании угля.

Известны случаи применения в строительстве даже отходов урановых рудников.

В 1952-1966 годах пустая порода из отвалов обогатительных фабрик, производящих

урановый концентрат, применялась в качестве строительного материала и для

13

засыпки строительных площадок под дома. Иногда для строительных целей

использовали отходы, остающиеся после извлечения радия из руды. В обоих,

случаях пришлось вмешаться правительству и привлечь виновных к судебной

ответственности за ущерб, причиненный здоровью людей, которые подверглись

ничем не оправданному облучению.

Конечно, радиационный контроль строительных материалов заслуживает

самого пристального внимания, однако главный источник радона в закрытых

помещениях – это грунт. В некоторых случаях дома возводились прямо на старых

отвалах горнодобывающих предприятий, содержащих радиоактивные материалы.

Так, в некоторых странах дома оказались построенными на отходах урановых

рудников, или ходах переработки глинозема, на отходах, оставшихся после

извлечения радия, на регенерированной после добычи фосфатов территории. Но

даже и в менее экзотических случаях просачивающийся сквозь пол радон

представляет собой главный источник радиоактивного облучения населения в

закрытых помещениях.

В Хельсинки максимальные концентрации радона, более чем в 5000 раз

превосходящие его среднюю концентрацию в наружном воздухе, были обнаружены

в домах, где единственным сколько-нибудь значительным его источником мог быть

лишь грунт. Даже в Швеции, где при строительстве домов использовали

глиноземистые цементы, главной причиной радиации, как показали недавние

исследования, является эмиссия радона из земли.

Концентрация радона в верхних этажах многоэтажных домов, как правило,

ниже, чем на первом этаже. Исследования, проведенные в Норвегии, показали, что

концентрация радона в деревянных домах даже выше, чем в кирпичных, хотя дерево

выделяет совершенно ничтожное количество радона по сравнению с другими

материалами. Это объясняется тем, что деревянные дома, как правило, имеют

меньше этажей, чем кирпичные, и, следовательно, комнаты, в которых проводились

измерения, находились ближе к земле-основному источнику радона.

Скорость проникновения исходящего из земли радона в помещения фактически

определяется толщиной и целостностью (т.е. количеством трещин и микротрещин)

межэтажных перекрытий. Этот вывод подтвердился при инспекции домов,

построенных на регенерированных после добычи фосфатов землях, а иногда,

например, в домах, стоящих прямо на земле, с земляными подвалами, были

зарегистрированы концентрации радона, в 100 раз превышающие его средний

уровень в наружном воздухе, хотя удельная радиоактивность грунта была самая

обычная.

14

Из всего сказанного следует, что после заделки щелей в полу и стенах какого-

либо помещения концентрация радона там должна уменьшиться. Исследования в

этом направлении продолжаются, но некоторые обнадеживающие результаты уже

получены. Особенно эффективное средство уменьшения количества радона,

просачивающегося через щели в полу, вентиляционные установки в подвалах.

Кроме того, эмиссия радона из стен уменьшается в 10 раз при облицовке стен

пластиковыми материалами типа полиамида, поливинилхлорида, полиэтилена или

после покрытия стен слоем краски на эпоксидной основе или тремя слоями

масляной краски. Даже при оклейке стен обоями скорость эмиссии радона

уменьшается примерно на 30%.

Еще один, как правило, менее важный, источник поступления радона в жилые

помещения представляют собой вода и природный газ (рис. 5). Концентрация

радона в обычно используемой воде чрезвычайно мала, но вода из некоторых

источников, особенно из глубоких колодцев или артезианских скважин, содержит

много радона. Такое высокое содержание радона было обнаружено, например, в

воде артезианских колодцев в Финляндии и США, в том числе в системе

водоснабжения Хельсинки; и примерно в той же концентрации в воде, поступающей

в город Хот-Спрингс (шт. Аркавэае). Наибольшая зарегистрированная удельная

радиоактивность воды в системах водоснабжения составляет 100 млн. Бк/м3,

наименьшая равна нулю. По оценкам НКДАР ООН, среди всего населения Земли

менее 1% жителей потребляет воду с удельной радиоактивностью более 1 млн.

Бк/м3 и менее 10% пьют воду с концентрацией радона, превышающей 100000 Бк/м3.

Рис. 5. Радон в зданиях

15

Однако основная опасность, как это ни удивительно, исходит вовсе не от питья

воды, даже при высоком содержании в ней радона. Обычно люди потребляют

большую часть воды в составе пищи и в виде горячих напитков (кофе, чай). При

кипячении же воды или приготовлении горячих блюд радон в значительной степени

улетучивается и поэтому поступает в организм в основном с некипяченой водой. Но

даже и в этом случае радон очень быстро выводится из организма.

Гораздо большую опасность представляет попадание паров воды с высоким

содержанием радона в легкие вместе с вдыхаемым воздухом, что чаще всего

происходит в ванной комнате. При обследовании домов оказалось, что в среднем

концентрация радона в ванной комнате примерно в три раза выше, чем на кухне, и

приблизительно в 40 раз выше, чем в жилых комнатах (рис. 6). А исследования,

проведенные в Канаде, показали, что все семь минут, в течение которых был

включен теплый душ, концентрация радона и его дочерних продуктов в ванной

комнате быстро возрастала, и прошло более полутора часов с момента отключения

душа, прежде чем содержание радона вновь упало до исходного уровня .

Рис. 6. Средние значения радиоактивности воздуха в различных помещениях

Радон проникает также в природный газ под землей. В результате

предварительной переработки и в процессе хранения газа перед поступлением его к

потребителю большая часть радона улетучивается, но концентрация радона в

помещении может заметно возрасти, если кухонные плиты, отопительные и другие

нагревательные устройства, в которых сжигается газ, не снабжены вытяжкой. При

наличии же вытяжки, которая сообщается с наружным воздухом, пользование газом

практически не влияет на концентрацию радона в помещении.

16

Много радона, улетучившегося из природного газа в процессе

предварительной переработки, попадает в сжиженный газ – побочный продукт этой

обработки. Но в целом за счет природного газа в дома поступает значительно

больше радиоактивного материала (в 10-100 раз), чем от более радиоактивного

сжиженного газа, поскольку потребление природного газа гораздо выше.

К значительному повышению концентрации радона внутри помещений могут

привести меры, направленные на экономию энергии. При герметизации помещений

и отсутствии проветривания скорость вентилирования помещения уменьшается. Это

позволяет сохранить тепло, но приводит к увеличению содержания радона в

воздухе. [Results of radon-measurements in buildings and recommended action in the

Federal Republic of Germany // High Levels of Natural Radiation. – Vienna: IAEA, 1993.

P. 353– 363. ]

Особенно это касается тех домов, где они герметизируются особенно тщательно.

Долгие годы считалось, что не существует проблем, связанных с чрезмерным

содержанием радона внутри домов, несмотря на присутствие глинозема в составе

строительных материалов. Проведенные обследования, показали, что для

беспокойств такого рода нет достаточных оснований при существовавших в то

время скоростях вентилирования помещений. Однако, с проведением кампаний за

экономию энергии, скорости вентилирования помещений в домах постоянно

уменьшались, и как следствие этого концентрация радона внутри домов

увеличилась более чем в три раза. По оценкам, на каждый гигаватт-год

электроэнергии, сэкономленной благодаря герметизации помещений, можно

получить дополнительную дозу облучения в 5600 чел-Зв.

Рис. 7. Увеличение концентрации радона за счет экономии электроэнергии на вентиляцию

помещений

Эта проблема объясняется тщательной герметизацией помещений, относительно

высоким выходом радона из земли при малоэтажности зданий и использованием

глинозема в качестве добавки к строительным материалам. Согласно данным

17

НКДАР ООН концентрация радона вместе с его дочерними продуктами внутри

домов в 90% случаев составляет менее 50 Бк/м3, т.е. примерно в 25 раз выше

среднего уровня в наружном воздухе, и всего лишь в нескольких процентах домов

удельная радиоактивность воздуха внутри помещений превышает 100 Бк/м3.

18

1.3. Воздействие излучения радона на человека

С 1989 г. ведется мониторинг радона на Украине. Очень высокий уровень

активности этого газа (1000 Бк/м3 и выше) в зданиях зарегистрирован в районах

Украинского кристаллического массива. Эффективная доза облучения населения

Украины ЕРН составляет 5,2 мЗв (0,52 мбэр) в год, из которых 4,2 мЗв приходится

на радон и продукты его распада. Это в 300 раз больше той дозы, которую население

Украины получает вследствие аварии на ЧАЭС.

Сам радон – химически инертен, но ионизированные продукты его распада

(радионуклиды полония, висмута, свинца) сорбируются пылью и влагой, образуя

альфа-радиоактивные аэрозольные частицы. Наиболее опасны аэрозоли

субмикронных размеров, которые могут проникать в верхние дыхательные пути и

оседать в них, создавая локальные источники альфа облучения клеток. В

определенной степени такие аэрозоли эквивалентны «горячим частицам»

радиоактивной топливной пыли чернобыльских осадков.

Альфа-излучение ДПР радона, осевших в бронхах, воздействует на эпителиальные

клетки. Средняя годовая эквивалентная доза на бронхиальный эпителий за счет

радона 15 мЗв, средняя эффективная доза ≈ 1,1 мЗв, в т.ч. за счет экспозиции в

помещениях ~1,0 мЗв; годовая ЭД за счет торона ≈ 0,16 мЗв [НКДАР, 1988]. Вклад

других компонентов излучения незначителен. Радиационное повреждение молекул

ДНК (генетического аппарата клетки) может вызвать нарушение функций генов,

осуществляющих контроль размножения и дифференцировки – опухолевую

трансформацию с последующим клоновым ростом опухоли.

Максимальные дозы от ДПР радона приходятся на эпителий сегментарных

бронхов, что соответствует преимущественной локализации развивающихся раков.

Среди разновидностей рака легкого, вызываемых радоновым облучением, чаще

других диагностируются аденокарцинома, чешуевидная карцинома, саркома

лимфатических узлов. Уязвимы клетки базального эпителия бронхов. [Крисюк

Э.М. Радиационный фон помещений. М.: Энерго-атомиздат, 1989. 257 с.]

Имеются данные о том, что радоновое облучение увеличивает риск рака желудка,

мочевого пузыря, прямой кишки, кожи, а также данные о негативном влиянии этого

облучения на костный мозг, сердечно сосудистую систему, печень, щитовидную

железу, гонады. Не исключается возможность отдаленных генетических

последствий радонового облучения. Однако все эффекты радона, по крайней мере,

на порядок менее вероятны, чем рак легкого. Наиболее обычны мелкоклеточные и

19

сквамозные карциномы. Имеются данные о синергизме канцерогенного действия

радона и вдыхаемых химических канцерогенов (курения).

Следует заметить, что существует точка зрения, что малые дозы радиации, в том

числе радона, стимулируют защитные реакции клетки и организма и могут быть

даже полезны – так называемый гормезисный (благоприятный) эффект. В

медицинской литературе (особенно научно-популярной) давно обсуждаются

целебные свойства радоновых ванн.

Радоновые ванны применяются для лечения артритов, артрозов, гипертонии,

возрастных нарушений функций мозга и ряда других заболеваний. Длительность

курса лечения, подбираемая эмпирически, как правило, невелика, и поэтому

отрицательные эффекты радонового облучения (на легкие, сердечно сосудистую

систему и т.д.) не успевают сказаться.

Аналогичным образом обстоит дело и в медицинской химии малых доз [2, 3].

Еще Парацельс практиковал яды, например, мышьяк и ртуть, для лечения многих

болезней. Ядовитые в больших дозах, эти вещества способны в малых дозах влиять

на организм положительно.

Таблица 2. Оценка риска, обусловленного радоном (АООС,1986)

20

Поскольку радоновая радиация создает в той или иной степени

«сверхнормативные» концентрации свободных радикалов в клетках и тканях, то в

малых дозах радон действует как мягкий стрессовый фактор, повышающий

надежность систем репарации ДНК и антиокислительной защиты клеток.

Разумеется, для проверки этой гипотезы нужны соответствующие эксперименты.

Выводы онкологов не вполне однозначны.

МКРЗ и НКДАР, обобщив все имеющиеся сведения, пришли к заключению, что

оптимистическая позиция о положительном влиянии малых доз радоновой радиации

недостаточно обоснована. Поддерживающие ее наблюдения недостаточно

воспроизводимы, а положительные клинические эффекты могут быть объяснены

сопутствующими (например, бальнеологическими) факторами и не исключают

канцерогенных последствий. Поэтому действующие нормативные документы

основаны на беспороговой гипотезе. Облучение других органов и тканей, кроме

легких, незначительно.

Ущерб от экспозиции радоном определяется риском рака легких (табл. 2).

Наиболее тяжким следствием облучения радоном является увеличение

заболеваемости раком легких со смертельным исходом. Доза 1 мЗв увеличивает

риск онкологического заболевания со смертельным исходом на 5•10-5. Доза 2,2

мЗв/год увеличивает риск на 1,1•10-4 чел/год или в 8•10-3 за 70 лет жизни. В

настоящее время принято считать, что на радон и продукты его распада приходится

80% дозы облучения, получаемой населением планеты за год от всех природных

источников радиации (около 50 млн. чел./бэр в год). Этот радиоактивный газ несет

ответственность за 10% регистрируемых ежегодно в мире заболеваний раком

легкого. Так, в США, по существующим нормативам, предельно допустимые

выбросы загрязняющих атмосферу веществ промышленными предприятиями не

должны увеличивать смертность населения более чем на 0,001%. Между тем

расчеты показывают, что при средней активности радона в американских домах 55

Бк/м3 и суммарной экспозиции 0,2 МРУ, радоновое облучение вызывает 20 тыс.

дополнительных случаев смерти от рака легкого ежегодно, превышая допустимый

нормативами рост смертности в 300 раз. Существенно повышается по той же

причине риск нераковых заболеваний дыхательных путей, например, эмфиземы

легкого и сердечно сосудистых заболеваний (табл. 3).

21

Таблица 3. Смертность от радонового облучения и некоторых других причин в США 80-е

годы

Один из самых высоких уровней заболеваемости раком легкого в мире

наблюдается в Финляндии. В стране с населением около 5 млн. человек радон

ежегодно вызывает 200–600 случаев смерти от рака легкого. По оценкам немецких

ученых, 7% случаев фатального рака легкого в западной части Германии

обусловлено радоновой радиацией (1600 мужчин и 400 женщин ежегодно).

Реакция организма не зависит от того, происходит ли облучение от техногенных

или естественных источников, так как действие ионизирующего излучения не может

зависеть от происхождения источника. Поэтому контроль радона в воздухе

помещений может иметь не только самостоятельное значение, но и входить в число

реабилитационных мероприятий для территорий и контингентов, подвергающихся

техногенному воздействию.

22

2. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ РАДОНА

В ВОЗДУХЕ

2.1. Метод с использованием газоразрядных детекторов

Газоразрядные счетчики являются удобными в эксплуатации детекторами

излучений. В судовой дозиметрической аппаратуре они получили широкое

распространение благодаря ряду достоинств: высокой чувствительности, обуслов-

ленной использованием усиления ионизации, простоте преобразования ионизации в

электрические сигналы большой мощности, относительно простой конструкции и

технологии изготовления, небольшой стоимости, возможности работы от

источников питания с относительно невысоким коэффициентом стабилизации

напряжения, работе в большем диапазоне температур.

Режим работы газоразрядных счетчиков определяется напряжением на его элек-

тродах. Существуют три основных режима работы счетчиков: 1) режим пропорцио-

нального газового усиления; 2) режим ограниченной пропорциональности (неса-

мостоятельный разряд); 3) режим гейгеровского разряда (самостоятельный разряд).

Счетчики, работающие в первом и втором режимах, называются пропорциональ-

ными, а в третьем - гейгеровскими, или счетчиками с самостоятельным разрядом.

В процессах, возникающих в газоразрядных счетчиках, важную роль играет зна-

чение приложенного напряжения и состав газа-наполнителя. Если на электроды

счетчика подано небольшое напряжение, при котором дополнительная ионизация за

счет соударения первичных ионов с нейтральными молекулами отсутствует, то он

действует как ионизационная камера. Изменение потенциала нити (анода)

относительно катода будет определяться соотношением:

ΔU = N·q/C (1)

где N - число пар первичных ионов, образованное в рабочем объеме счетчика иони-

зирующей частицей: q - заряд электрона, равный 1,6 · 10-19 Кл; С-электрическая

емкость анод-катод счетчика.

В случае облучения счетчика α-частицами с энергией 5 МэВ каждая α-частица соз-

дает в рабочем объеме счетчика примерно 105 пар ионов. Принимая емкость анод-

катод равной 10 пФ и пренебрегая рекомбинацией ионов, можно рассчитать

величину импульса напряжения на электродах счетчика:

23

ΔU = (105·1.6·10-19)/10·10-12≈1.6·10-3 В. (2)

Электроны, образованные ионизирующей частицей вблизи нити счетчика, где

градиент электрического поля особенно велик, сильно ускоряются, приобретая при

этом кинетическую энергию, достаточную для ионизации нейтральных молекул

газа. Возникающие новые электроны также ионизируют газ. Этот процесс нарастает

лавинообразно, и вся лавина поступает на нить счетчика. Таким образом, в данном

случае каждый первичный электрон образует А добавочных пар ионов. Величина

импульса будет определяться как

ΔU =А· N·q/C (3)

В этом выражении множитель А характеризует газовое усиление и зависит глав-

ным образом от напряжения (Uсч (напряжение на нити счетчика) а также от газа-

наполнителя и геометрических размеров счетчика.

Диапазон напряжений Uсч в котором сохраняется зависимость (3) при А=А(Uсч),

называется пропорциональной областью. В этой области с увеличением напряжения

наблюдается непрерывное возрастание коэффициента газового усиления А по

экспоненциальному закону (рис. 8, участок 2).

Рис. 8. Зависимость амплитуды импульса от напряжения на счетчике (1 – область работы

ионизационной камеры; 2 – пропорциональная область; 3 – область ограниченной

пропорциональности; 4 – область Гейгера)

Счетчик, работающий в описанном выше режиме, называется

пропорциональным.

Величина импульса, образующегося на нагрузочном сопротивлении такого

счетчика, пропорциональна первичной ионизации, обусловленной прохождением

через него ионизирующей частицы.

В зависимости от газа-наполнителя коэффициент газового усиления А может

изменяться в значительных пределах. Например, в пропорциональных счетчиках,

наполненных инертными газами, величина коэффициента А составляет около 103, а

24

в случае наполнения аргоном с небольшой примесью многоатомных газов А

может достигать 104. При определенных условиях в рабочем объеме счетчика может

возникнуть так называемый коронный разряд, не нуждающийся для своего поддержания в

действии внешнего ионизатора и являющийся поэтому разновидностью самостоятельного

разряда.

Коронный разряд возникает при сравнительно больших давлениях газа-наполнителя,

когда электрическое поле между электродами счетчика крайне неравномерно. В счетчике

с коаксиальным расположением электродов эта неравномерность обусловливается малым

радиусом кривизны нити анода. Корона у нити счетчика возникает в виде тонкого слоя

светящегося газа. Этот слой называют коронирующим слоем. В нем идет усиленное

образование электронных лавин. Остальное пространство в таком счетчике представляет

внешнюю область короны, в которой нет свободных электронов, отсутствует ударная

ионизация, и носителями тока являются в основном положительные ионы.

При отсутствии облучения через счетчик протекает флуктуирующий темновой ток

(ток короны). При прохождении ионизирующих частиц через коронирующий разрядный

промежуток в счетчике возникают импульсы тока, пропорциональные величине первичной

ионизации. Импульсы, снимаемые с нагрузочного сопротивления счетчика, могут быть

зарегистрированы при прохождении через счетчик сильноионизирующих частиц,

например, α-частиц или протонов. Импульсы, вызываемые слабоионизирующими

частицами (β-частицами), имеют малую амплитуду, сливаются с фоном флуктуации тока

короны и поэтому не могут быть зарегистрированы.

При увеличении напряжения на электродах коронного счетчика он также работает

вначале как ионизационная камера, а затем как пропорциональный счетчик.

По достижении напряжения зажигания Uз называемого порогом короны, в счетчике

вспыхивает коронный разряд. Ток, проходящий через счетчик, резко возрастает,

достигая приблизительно 10-7 А. Этот ток имеет колебательный характер. Амплитуда и

частота колебаний тока короны, а также его средняя величина возрастают с увеличением

перенапряжения, т. е. превышением напряжения над порогом короны.

При попадании в объем счетчика сильноионизирующей частицы, производящей

значительную дополнительную ионизацию, ток в счетчике сильно возрастает, превышая

амплитуду колебаний тока короны в 10-20 раз. Многие типы счетчиков могут

регистрировать несколько различных видов излучений. α-частицы регистрируют

торцевыми пропорциональными и коронными счетчиками, а также проточными

счетчиками. Окна торцевых счетчиков изготовляют из слюдяных или алюминиевых

пластинок.

25

2.2. Метод с использованием сцинтилляционных

детекторов

Сцинтилляционный счетчик (рис. 9) состоит из сцинтилляционного детектора-

сцинтиллятора 1, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 2, между которыми имеется

оптический контакт; узла включения фотоумножителя 3, содержащего схему

включения с делителем напряжения, блока выходного каскада с усилителем и

эммитерным повторителем 4, высоковольтного преобразователя напряжения 5 для

питания фотоумножителя, узла подключения сцинтилляционного счетчика к

измерительной схеме 6, кожуха 7. Принцип работы счетчика основан на использовании

явления люминесценции, возникающей в некоторых твердых телах, жидкостях и газах

при воздействии на них ионизирующих излучений. При этом часть энергии излучения

преобразуется в фотоны света, выбивающие из фотокатода ФЭУ электроны. После

умножения фотоэлектронов системой ФЭУ импульсы тока с его выхода поступают на

вход измерительной схемы.

Сцинтилляционные счетчики повсеместно используются как детекторы ионизи-

рующих излучений при регистрации загрязнений внешней среды. Широкое применение

они получили и в судовой дозиметрической аппаратуре. В ряде случаев обнаружения и

контроля проникновения теплоносителя в тепловыделяющие элементы (например,

контроль по γ-излучению изотопов йода) используются преимущественно

сцинтилляционные счетчики. К числу достоинств таких счетчиков относятся:

ДЕТАЛИ ФАЙЛА:

Имя прикрепленного файла:   Спектрометр альфа излучения на основе газоразрядного детектора.zip

Размер файла:    1.04 Мбайт

Скачиваний:   632 Скачиваний

Добавлено: :     10/30/2016 21:21