КАСКАДНЫЙ ИМПАКТОР
CASCADE IMPACTOR

Изобретение относится к устройствам для дисперсного анализа радиоактивных аэрозолей, поступающих в организм человека с вдыхаемым воздухом. Устройство может быть использовано для проведения радиационного контроля чистоты воздуха на предприятиях атомной энергетики и промышленности, и в окружающей среде, а также для оценки эффективности средств индивидуальной защиты (СИЗ) по отношению к радиоактивным аэрозолям различной дисперсности.
Основными факторами, формирующими дозу внутреннего облучения при ингаляционном поступлении радиоактивных аэрозолей, являются дисперсный и радионуклидный состав, а также тип химического соединения [1, 2]. С помощью распределения активности нуклида по каскадам импактора получают распределения частиц аэрозолей по диаметрам и параметры этого распределения. Если распределение активности по размерам частиц дисперсной фазы аэрозоля является логарифмически нормальным, то основными параметрами являются значения активностного медианного аэродинамического диаметра (АМАД) и стандартного геометрического отклонения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является каскадный импактор по патенту РФ на изобретение №2239815 [3]. Импактор содержит корпус со вставленной в него корзиной с каскадами. Каскад состоит из сопловой и коллекторных пластин. В каждом каскаде на коллекторной пластине нанесено вязкое вещество, на котором задерживаются частицы анализируемого аэрозоля.
Недостаток этого импактора - неудобство в эксплуатации из-за использования вязкого вещества.
Целью данного изобретения является повышение удобства в эксплуатации импактора и упрощение конструкции.
Эта цель достигается тем, что каскадный импактор содержит каскадные элементы, в качестве сопла первого каскадного элемента используется верхняя крышка, к которой посредством резьбового соединения присоединен штуцер, коллектором первого каскадного элемента является пластина второго каскадного элемента с сопловыми отверстиями, каждый последующий каскадный элемент выполнен в виде пластины с сопловыми отверстиями, с установленными на пластинах фильтрами, имеющими отверстия, соосные с сопловыми отверстиями пластины, в качестве последнего каскадного элемента используется фильтр, установленный на нижней крышке, к которой посредством резьбового соединения присоединен штуцер, и каскадные элементы соединены болтами.
На фиг. 1 представлен общий вид импактора, разрез, на фиг. 2 - фото импактора и фильтров по ТУ 951982-89, в которых выполнены отверстия для установки в соответствующие каскады.
Импактор содержит верхнюю крышку 1 с осевым отверстием, в которое ввернут штуцер 2. К верхней крышке 1 присоединяется коллекторная пластина 3 с расположенным на ней фильтром 4. Они образуют первый каскад. Каскад №2 образуется пластиной 3 и пластиной 5 с лежащим на ней фильтром 6. Каскад №3 - Пластиной 5 и пластиной 7 с лежащим на ней фильтром 8. Каскад №4 - пластины 7, 9 и фильтр 10, каскад №5-пластины 9, 11 и фильтр 12, каскад №6 - пластины 11, 13 и фильтр 14. Каскад №7 образован пластиной 13 и выходной крышкой 15. На крышке установлен фильтр 16. Штуцер 17 ввернут в резьбовое отверстие выходной крышки. Каскадные элементы соединены болтами 18. Для герметизации полостей импактора служат прокладки 19.
В частном случае в каждом каскаде установлены стандартизованные фильтры АФА РМП-20 (ТУ 951982-89) с соответствующими отверстиями. В последнем каскадном элементе используется фильтр АФА РСП-20 (ТУ 951892-89). Применение стандартизованных фильтров удешевляет конструкцию.
Работа устройства.
Подготовка устройства к работе осуществляется в следующем порядке: производят компоновку каскадов в соответствии с таблицей 1, предварительно устанавливая на поверхности каскадов фильтры АФА РМП-20, обеспечивая соосность отверстий в фильтрах с сопловыми отверстиями каскадных пластин, затем соединяют с болтами, для уплотнения используется прокладки. К штуцеру в нижней части корпуса подсоединяется побудитель расхода, снабженный расходомером.
Отбор радиоактивного аэрозоля осуществляется при помощи побудителя расхода, который обеспечивает объемный расход, не выходящий за допустимые пределы (30 л/мин), что соответствует средней скорости дыхания человека в соответствии с «Нормами радиационной безопасности» (НРБ-99/2009) СанПиН 2.6.1.2523-09, п. 4.2 [1].
Импактор устанавливается по месту отбора пробы, затем включается побудитель расхода. Воздух, содержащий аэрозольные частицы, поступает в устройство через верхний штуцер 1 и формируется в поток с заданными пространственно-скоростными параметрами. Попадая внутрь устройства, частицы аэрозоля движутся вместе с воздушным потоком с линейной скоростью, задаваемой размерами и количеством отверстий каскадов. Резкое изменение направления движения потока после прохождения потоком отверстий первого каскада приводит к тому, что в силу своей инерции наиболее массивные частицы не успевают изменить направление своего движения и осаждаются на поверхности фильтра АФА РМП-20, расположенным на первом каскаде. Далее воздушные потоки через отверстия первого каскада поступают на второй каскад, где они вновь изменяют направление и происходит инерционное осаждение следующей размерной фракции аэрозолей. И так шесть каскадов, после шестого каскада воздушный поток направляется к фильтру АФА РСП-20, оставшиеся в воздушном потоке аэрозольные частицы оседают на фильтре, после этого воздушный поток выходит через штуцер 17 в нижней части корпуса устройства. Отбор пробы производится в зависимости от характера решаемой задачи в течение 0,5-120 часов, после чего побудитель расхода отключается. Импактор разбирается: верхняя часть корпуса отсоединяется, с каскадов снимаются фильтры АФА РМП-20 с осевшими аэрозолями. Измерение активности, накопленной на фильтрах АФА РМП-20 с каскадов импактора и конечном фильтре АФА РСП-20 производится с помощью спектрометрических и радиометрических приборов.
Алгоритм расчета АМАД и геометрического стандартного отклонения Определение характеристик распределения (АМАД и βg,) радиоактивного аэрозоля по размерам проводится по этапам:
а) проверка соответствия вида распределения логнормальному закону с помощью построения графика на логарифмически вероятностной сетке;
б) определение параметров ЛНР АМАД и βg, если распределение является логнормальным;
в) построение гистограммы распределения активности по аэродинамическим диаметрам частиц, если распределение не является логнормальным.
Проверка соответствия вида распределения логнормальному закону.
На основании измерений активности радионуклида на фильтрах каскадов импактора находят значение интегральной функции распределения f(dn) в процентах по формуле:
Зная значение f(dn), находят значение нормированной нормально распределенной величины u. Значения u, отвечающие заданным значениям функции f(dn), могут быть найдены с помощью функции НОРМСТОБР(f(dn)) в программе Microsoft Excel™ (или NORMSINV(f(dn)) в английской версии программы), либо из справочника.
Результаты заносят в таблицу 2.
Логнормальное распределение удобно изображать графически на логарифмически вероятностной координатной сетке. То есть в такой прямоугольной системе координат, по оси ординат которой откладываются логарифмы эффективных аэродинамических диаметров разделения каскадных элементов (d50)i, (а проставляются значения диаметров), а по оси абсцисс откладываются значения величины u (а проставляются значения функции f(dn) в процентах) [4]. При этом точка, соответствующая первому каскаду исключается. Если рассматриваемое распределение является логнормальным, то через полученные точки можно провести прямую линию. В этом случае значение диаметра D50, при котором f(D50)=50%, равно АМАД, а отношение диаметров D84/D50 будет равно βg, где f(D84)=84% [4].
Если вид распределения не соответствует логнормальному закону, необходимо построить гистограмму плотности распределения [4], где активность частиц A_i, собранных на i-ой ступени, относятся к интервалу размеров частиц от (d50)i+1 до (d50)i. Высота каждого прямоугольника гистограммы есть доля вещества в данном интервале размеров, а ширина - сам интервал.
Источники информации
1. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009): Гигиенические нормативы. - М.: Центр санитарно-эпидемиологического нормирования гигиенической сертификации и экспертизы Минздрава России, 2009. - 73 с.
2. International Commission on Radiological Protection. Human respiratory tract model for radiological protection. ICRP Publication 66 // Ann. ICRP, - 1994. - Vol.24, Nos. 1-3. - 300 p.
3. Патент РФ №2239815.
4. Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. - М.: Мир, 1987. - 278 с.