УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к аналитическим измерительным системам, связанным с оценкой радиоактивной примеси в газовом потоке в реальном режиме времени. Предлагаемое устройство может найти применение при техническом решении экологических проблем, в том числе для контроля безопасности на предприятиях, связанных с применением радиоактивных источников.
В первую очередь измеряемые заявленным устройством радиоактивные примеси находятся на наночастицах, присутствующих в газовом потоке, который может возникать в ходе протекания производственных процессов (в т.ч. в газовых выбросах АЭС), причем как в свободной атмосфере, так и в заданных в исследовательских целях лабораторных условиях.
Для регистрации ионизирующего излучения используются различные приборы и аппаратура. Один из механизмов, который позволяет проявлять это излучение - это процесс нуклеации, который происходит на ионах, как на ядрах конденсации. Исторически на основе этого механизма была создана камера Вильсона, с помощью которой исследовались различные ядерные процессы, сопровождающиеся ионизацией молекул воздуха в условиях пересыщенных паров каких-либо веществ. 1 Функциональный аналог
Идея использования камеры Вильсона базируется на том, что при распаде радиоактивных частиц осколки деления (например, альфа-частицы) летят от места распада с высокой скоростью и обладают большой (по сравнению с энергией связи электрона в атоме или молекуле) энергией. При этом, сталкиваясь на своем пути с нейтральными молекулами газов, они создают положительные и отрицательные ионы. Если камеру Вильсона поместить в магнитное поле, то с ее помощью можно получить информацию и о заряде частиц, а также о ее энергии [Принципы и методы регистрации элементарных частиц. Сост. - ред. Люк К.Л. Юан, By Цзянь-Сюн, пер. с англ., М., 1963].
Позднее для регистрации радиоактивных распадов стала использоваться пузырьковая камера, в которой используется перегретая жидкость. При проскоке через такую жидкость заряженная частица образуют пузырьки пара, по этим трекам можно определить траекторию движения частиц [Суп К., Пузырьковая камера. Измерение и обработка данных, пер. с англ., М, 1970]. Регистрация треков производится при помощи получения фотографий, которые затем обрабатываются, что очень неудобно из-за того, что измерение производится не в режиме реального времени.
К недостаткам вышеперечисленных методов относится периодичность действия реализующих их устройств. Устранение этого недостатка в устройстве непрерывного действия представляющего собой диффузионную камеру [Ляпидевский В.К. Диффузионная камера // Успехи физических наук. 1958. Т. 66. Вып. 1.]. Эта камера состоит из двух плоских пластин, которые выдерживаются при постоянной температуре - одна при высокой (как правило, верхняя), другая (нижняя) - при низкой. Пространство между пластинами насыщается парами (как правило, воды или спиртов). За счет градиента температуры между этими пластинами создается слой, где возникает пересыщение, необходимое для возникновения частиц. Если в область этого слоя попадает ионизирующая частица, она создает след в виде частиц из молекул сконденсированного пара, и они могут быть зарегистрированы различными фоторегистраторами.
В патенте RU2035734 описано детектирование примесей в потоке газа по образованию аэрозолей и измерение их концентрации при контроле герметичности изделий. Техническое решение предусматривает создание аэрозольных частиц путем конденсации пара высококипящих веществ на молекулярных ядрах конденсации, полученных конверсией молекул примеси. Для этого поток газа облучают электроразрядом или ионизирующим излучением. В этом изобретении повышается эффективность конверсии для большинства примесей в газах.
Подобные вышеописаным условия возникают в камере смешения диффузионного аэрозольного спектрометра (ДАС), где происходит образование аэрозольных частиц на ядрах конденсации, которыми могут быть и ионы, возникшие при радиоактивном распаде. Таким образом, если ионы, возникшие при радиоактивных распадах, попадают в камеру смешения, они могут выявить эту активность. Это означает, что ДАС может служить индикатором ионизирующего излучения.
Известно изобретение по патенту №2340885 (прототип), в котором предложен диффузионный аэрозольный спектрометр, предназначенный для измерения концентрации и распределения по размерам аэрозольных частиц в газовой среде. Если в камере смешения пересыщенных паров с холодным газом окажется распадающаяся частица, в результате чего возникнут ионы, которые представляют собой ядра конденсации, то это приведет к вспышке концентрации частиц. Поэтому событие распада определяется импульсом вспышки концентрации, при этом эти вспышки определяются импульсами над фоном концентрации частиц окружающего воздуха. Однако, эта вспышка может быть обусловлена случайной флуктуацией концентрации, а не актом распада радиоактивных частиц. Чтобы идентифицировать это, как радиоактивный распад, необходимо внести дополнительный узел в известное устройство, позволяющий фиксировать увеличение доли заряженных частиц.
Техническая задача полезной модели - это определение уровня активности (мощности источника излучения) радиоактивных примесей в газовом потоке в непрерывном режиме измерений.
Технический результат достигается реализацией в устройстве непрерывного измерения концентрации образующихся аэрозольных частиц с одновременным фиксированием концентрационных вспышек с периодическим включением электрического поля на входе газового потока для определения доли заряженных частиц в потоке, которые возникают благодаря ионизации газовых молекул радиоактивными примесями.
На фигуре 1 изображена блок-схема устройства, на которой позиции:
1 - укрупнитель ядер конденсации; 2 - счетчик субмикронных частиц; 3 - система прокачки воздушной среды через измерительную аппаратуру; 4 - конденсатор, предназначенный для удаления заряженных частиц из потока; 5 - регулируемый источник высокого напряжения, 6 - вход в измерительную систему, в том числе и для радиоактивных изотопов.
На фигуре 2 изображена деталировка устройства: 6 - вход в систему; 7 - блок диффузионных батарей; 8 - переключатели воздушных потоков; 9 - камера смешения укрупнителя; 10 - источник пересыщенных паров; 11 - ротаметры; 12 - нагревательный элемент; 13 - источник разбавляющего воздуха, 14 - блок фильтрации; 2 - счетчик субмикронных частиц; 3 -система прокачки воздуха; 15 - термопары для контроля нагрева и уровня испаряемой жидкости; также присутствуют датчики температуры, давления и влажности (на схеме не отмечены).
Фигура 3 - фото устройства в рабочем состоянии. Фото без внешнего кожуха с вышеприведенной спецификацией 1-6 (выделена красным цветом);
фигура 4 - вид спереди (позиции 1, 3, 4) и фигура 5 - вид сзади (позиции 2, 5, 6). Устройство состоит из шести связанных между собой блоков. Устройство работает следующим образом: газовый поток, содержащий радиоактивные примеси, попадает в систему через блок 6 и проходит через конденсатор 4, на который может подаваться высокое напряжение. С его помощью из потока выводятся все заряженные частицы, размер которых превышают 0,5 мкм. Далее поток попадает в блок укрупнения частиц 1 и его камеру смешения 9, где благодаря смешению потока с радиоактивной примесью и горячих паров укрупняющего вещества создается пересыщение паров, которые укрупняют ядра конденсации в виде ионов, образующихся в результате радиоактивных распадов. Когда в камере 9 происходит распад радиоактивного изотопа, происходит ионизация окружающего газа и в то же время на них растут аэрозольные частицы. При этом происходит вспышка концентрации частиц. Эта вспышка фиксируется счетчиком субмикронных частиц 2, который работает в непрерывном режиме, и каждую секунду на табло ДАСа появляется индикация концентрации. Кроме этого, периодическое включение источника питания 5 конденсатора 4, позволяет оценить долю заряженных частиц, что свидетельствует о процессах распада.
В качестве индикатора ионизирующего излучения предлагается диффузионный аэрозольный спектрометр (ДАС) с дополнительным устройством, установленном на входе и представляющим собой конденсатор, отсекающий заряженные частицы. Поток газа, содержащий ядра конденсации, подается в систему, изображенную на фигуре 2, и попадает в камеру смешения, в которую подаются и пересыщенные пары. Если в это время происходит радиоактивный распад, то образующиеся при этом ионы, которые одновременно служат ядрами конденсации для пересыщенных паров, превращаются в частицы, которые одновременно регистрируются счетчиком частиц. При этом ДАС работает в режиме непрерывного измерения концентрации аэрозольных частиц. Пока распадов не наблюдается, ДАС измеряет фоновую концентрацию частиц в окружающем воздухе. При возникновении распадов на этом фоне возникают всплески концентрации, продолжительность которых составляет время, соответствующее прохождению потока через камеру смешения, как это происходит в камере Вильсона. После прохождения всплеска концентрация возвращается к прежнему уровню. По частоте этих всплесков можно судить об активности радиоактивного источника. Ниже приводится пример расчета активности радиоактивного источника.
При этом могут наблюдаться три режима, соответствующие трем уровням активности: 1 - при низкой активности в камеру смешения попадает не более одной частицы. Активность может быть рассчитана количеством зарегистрированных вспышек и использованием нижеприведенной формулы; 2 - при более высокой концентрации радиоактивных изотопов в камеру смешения могут попадать более одной частицы с высокой вероятностью. Это приводит к заниженной оценке активности. Об этом может свидетельствовать повышенная доля заряженных частиц; 3 - при очень высокой концентрации радиоактивных изотопов в камере постоянно будут присутствовать радиоактивные распады. При этом следует применять иные средства определения активности потока.
Пример реализации устройства.
Параметры пластинчатого конденсатора составляют:
-3
d - расстояние между пластинами (конденсатора) =3⋅10 м,
l - длина канала (конденсатора) =0,2 м,
s - ширина канала =0.02 м, на пластины подают постоянное напряжение:
3
ΔU - разность потенциалов на пластинах (конденсатора) =3000(3⋅10) В,
при условиях:
-1
Q - скорость входящего потока =0,5 л⋅мин (штатная величина потока воздуха), при этом τ - время проскока аэрозольных частиц через конденсатор составляло около 1,44 с,
0
-6
конденсатором задерживаются все частицы, размер которых в пределах измерений (ошибки опыта) составляет r=0,25-0,5⋅10 м (менее 0,5 мкм), которые и представляют собой предмет исследования. Частицы большего размера, чем 0,5 мкм будут представлять собой ядра конденсации из-за своего размера, а не за счет заряда.
При этом следует учитывать, что в таком режиме измерений оценивается скорость распада в проходящем потоке, а не осажденного источника, т.е. в режиме реального времени можно измерить активность потока. Это можно использовать для исследования герметичности емкостей, хранящих радиоактивные отходы, или активность потока воздуха, который был до этого отфильтрован от радиоактивных частиц.
Применяя закон радиоактивного распада: , скорость распада (мощность излучения в потоке газа) - , число частиц в зоне смешения, где происходит укрупнение частиц , таким образом, измерив число распадов за единицу времени, можно получить активность (мощность источников в потоке газа) распадающихся частиц - , разделив это число на объем зоны смешения ΔV, можно найти активность единицы объема исследуемой воздушной среды. Если известна постоянная распада γ, то, разделив на нее, можно найти и концентрацию радиоактивной примеси. Если имеется смесь радиоактивных изотопов, то можно найти усредненную радиоактивность единицы объема газовой среды.