Приложение 3. Измерение концентрации бета-активных газов в воздухе камерой с "воздушными" стенками

Приложение 3

Измерение концентрации бета-активных газов в воздухе камерой с "воздушными" стенками

Для измерения бета-активных газов в воздухе с достаточно малым пробегом бета-частиц может быть использована ионизационная камера с воздушными стенками. Чувствительность установок с ионизационными камерами находится в прямой зависимости от их объема, поэтому геометрические размеры камер подбирают таким образом, чтобы обеспечить достаточную чувствительность и, следовательно, точность измерений в области малых активностей.

Камера с воздушными стенками представляет собой два коаксиально-расположенных цилиндрических электрода, один из которых, внешний, изготовлен из металлической сетки. Внутренний, собирающий электрод, может быть изготовлен в виде сплошного стержня или в виде сетчатого цилиндра соответствующего диаметра. Второй вариант предпочтительнее, так как поле внутри камеры более равномерно при большем диаметре внутреннего электрода. Последний удобнее изготовлять в виде цилиндра из сетки, так как сплошной электрод был бы слишком громоздким. Кроме того, сеточный электрод уменьшает действие внешнего гамма-излучения вследствие меньшего выхода из него вторичных электронов.

Для уменьшения внешнего гамма-излучения целесообразно внешний и внутренний цилиндрические электроды ионизационной камеры делать из возможно тонкой сетки, изготовленной из материала с невысоким атомным номером (Al, Fe). Размеры ячеек сетки для создания в камере достаточно равномерного электрического поля не должны превышать 10x10 мм.

Изоляторами между электродами камеры могут служить янтарь и политетрафторэтилен, которые обладают высоким сопротивлением, относительно мало зависящим от изменения температуры и влажности. Для уменьшения утечки изолятор, к которому крепится собирающий электрод, окружен охранным кольцом.

Ионизационная камера с помощью гибкого экранированного кабеля соединяется с прибором "Кактус".

При измерении концентрации бета-активных газов в воздухе указанным методом (Ю.М. Штуккенберг, 1953) предполагается, что существует равновесие между энергией бета-частиц, испущенных в 1 воздуха, и энергией, поглощенной 1 воздуха, за одинаковый промежуток времени. Это условие равновесия может быть выражено следующим равенством:

, (5.69)

где q - число -частиц, испускаемых в единице объема загрязненного воздуха в единицу времени; - средняя энергия -частиц; n - число пар ионов, образованных -частицами в единице объема воздуха в единицу времени; - работа образования пары ионов в воздухе.

Условия равновесия соблюдаются при равномерной концентрации -активных газов в объеме воздуха, окруженного со всех сторон слоем воздуха, толщина которого равна максимальному пробегу -частиц в воздухе или больше него.

Поэтому в ионизационном объеме камеры с воздушными стенками будет выполняться условие равновесия, если ионизационная камера окружена слоем загрязненного воздуха толщиной не менее максимального пробега -частиц в воздухе.

Важно отметить, что при этом ионизация в объеме камеры с воздушными стенками будет соответствовать ионизации в малой камере с твердыми стенками и равномерно распределенным в них -активным веществом и толщиной стенок, равной максимальному пробегу -частиц в материале стенок.

Этот метод практически применим для измерения концентрации -активных газов воздуха с максимальным пробегом -частиц около 1 м (энергия -излучения не более 0,3 Мэв) в зависимости от геометрии расположения ионизационной камеры относительно окружающих ее предметов.

Расчет величины ионизационного объема камеры и чувствительности метода

Прибором "Кактус" на первом диапазоне можно измерять с достаточной точностью (стрелка прибора отклоняется на 0,1 шкалы) ионизационный ток, равный а, что соответствует 0,02 мкр/сек. по -излучению.

Ионизационный ток в камере с воздушными стенками, расположенной в воздухе, который загрязнен активным газом, равен

, (5.70)

где i - ионизационный ток, a, - средняя энергия -частиц, Мэв, - работа образования пары ионов в воздухе, Мэв; q - удельная активность газа, кюри/л, V - ионизационный объем, л.

Подставляя минимальную силу тока а, получим

кюри, (5.71)

откуда

л. (5.72)

Подсчитаем минимальный объем V ионизационной камеры для измерения предельно допустимой концентрации трития в воздухе.

Подставляя в выражение (5.72) Мэв и q = 0,2 ПДК (ПДК = кюри/л), получим

л.

Отсюда следует, что с помощью прибора "Кактус " и камеры объемом 21 л можно измерять концентрации трития в воздухе кюри/л с отсчетной точностью .

Аналогичный расчет сделаем для углерода . Подставляя Мэв и q = 0,1 ПДК ( кюри/л), получим

л.

Следовательно, для измерения 0,2 предельно допустимой концентрации в воздухе трития и 0,1 углерода с отсчетной точностью до 10% необходимо применять сеточные ионизационные камеры объемом 20-25 л.

Этот метод измерения концентрации активных газов в воздухе имеет следующие особенности по сравнению с обычно применяемым методом измерения с помощью закрытых ионизационных камер.

1. Свободный диффузионный обмен воздуха в сетчатой ионизационной камере позволяет производить непрерывный дозиметрический контроль воздуха в рабочих помещениях и на рабочих местах без применения специальных прокачивающих устройств.

2. Ионизационный ток в камере с воздушными стенками при наличии равновесия пропорционален произведению , что не выполняется для закрытых ионизационных камер. Вследствие этого чрезвычайно упрощается градуировка камер с воздушными стенками и повышается точность измерения.

3. Этот метод более чувствителен при измерении активных газов, испускающих -частиц, пробег которых сравним или превышает геометрические размеры ионизационной камеры. Это объясняется тем, что при условии равновесия ионизация в камере с воздушными стенками равна полной ионизации, которая создается -частицами, испущенными в объеме камеры. Ионизация в обычной закрытой камере того же объема значительно меньше и равна ионизации, которая создается -частицами, испущенными в объеме камеры, только на части их пробега, укладывающейся внутри камеры.

4. Камеры с воздушными стенками можно применять при условии, если в воздухе нет активных аэрозолей, повышенной влажности, а внутри камеры нет сильных воздушных потоков.

Градуировка камер с воздушными стенками

Градуировка камер может быть произведена двумя методами: по известному коэффициенту усиления электрометрической схемы; путем измерения тока в камере известного объема, с воздухоэквивалентными стенками от эталонного -источника.

В первом случае для градуировки камеры используются соотношения

, I = ki. (5.73)

Здесь I - ток, измеряемый выходным прибором а, коэффициент усиления R = SR, S - крутизна сеточной характеристики электрометрической лампы, а/в, R - сеточное сопротивление, ом.

Подставляя значения i и k в выражение I = ki, получим

, (5.74)

где I - ток, а, - средняя энергия -частиц, Мэв.

На основании выражения (5.74), зная величины S, R, V, и чувствительность выходного прибора, можно однозначно связать его показания с измеряемой концентрацией -активного газа q.

Этот метод градуировки обеспечивает достаточную точность, если с достаточной точностью известны все входящие в выражение (5.74) величины. Так как таких величин четыре, то суммарная ошибка может быть заметной. Поэтому точнее провести градуировку всей установки можно, используя эталонный источник -лучей известной активности. Для этого вместо камеры с воздушными стенками к прибору "Кактус" присоединяют обычную камеру с воздухоэквивалентными стенками из комплекта прибора и производят отсчет показаний прибора, облучая такую камеру дозой известной мощности , создаваемой на определенном расстоянии от камеры эталонным -излучателем.

Таким методом определяется коэффициент усиления прибора

где - сила тока, измеряемая показывающим прибором при облучении эталонным источником;

i - соответствующий ионизационный ток в камере.

Величины и определяются по показаниям выходного микроамперметра (вся шкала 100 мка), а величина i находится из выражения

,

где - объем камеры с воздухоэквивалентными стенками; - мощность дозы, мкр/сек. Отсюда

. (5.76)

Подставляя в выражение значение к из выражения (5.76) и i из выражения (5.73), получим

. (5.77)

Отсюда измеряемая концентрация

. (5.78)

Градуировкой с помощью эталонного -излучателя определяются величины и , причем рассчитывается по известной формуле

, (5.79)

где Г - гамма-постоянная -излучателя, , m - активность источника, мкюри; R - расстояние от источника до камеры, см.

Если прибор "Кактус" отградуирован, то величина находится без применения эталонного -излучателя по приложенной к прибору градуировочной таблице. Отношение для первого диапазона равно р/сек., а коэффициент усиления .

На основании формулы (5.78)

кюри/л.

Зам. Главного санитарного врача СССР

П.П. Лярский

______________________________

* Разработаны сотрудниками Института гигиены труда и профессиональных заболеваний АМН СССР. Тюменского медицинского института, физического института имени П.Н. Лебедева АН СССР.