Количественное определение концентрации радона в воздухе методом гамма-спектрометрии аэрозольных фильтров и измерение потока тепловых нейтронов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.15, кандидат физико-математических наук Савойский, Юрий Владимирович

• Савойский, Юрий Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Савойский, Юрий Владимирович

Введение.

Глава 1. Радон, происхождение и методы измерения.

1.1 Происхождение и свойства радона и его дочерних продуктов распада.

1.2 Методы измерения концентрации радона.

1.3 Сцинтилляторы и их разновидности.

Глава 2. Гамма-спектроскопия на большом сцинтилляционном детекторе.

2.1 Система дифференциальных уравнений цепочки распада радона в воздухе и на фильтре и её решение.

2.2 Экспериментальная установка и проведение измерений.

2.3 Сравнение эксперимента и расчета.

2.4 Непрерывный мониторинг радона методом аэрозольных фильтров.

Глава 3. Регистрация тепловых нейтронов борными и гелиевыми пропорциональными счетчиками.

3.1 Аналитическая модель, взаимодействия потока тепловых нейтронов, с нейтронными счетчиками.

3.1.1 Влияние теплового движения атомов мишени на эффективность регистрации нейтронов.

3.2Нейтронный счетчик в конструктиве нейтронного монитора.

3.3 Совместный мониторинг тепловых нейтронов и радона.

3.4 Хартри-Фоковский расчет энергии двойной ионизации.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Количественное определение концентрации радона в воздухе методом гамма-спектрометрии аэрозольных фильтров и измерение потока тепловых нейтронов»

Актуальность темы

Задачи низкофоновой физики, геофизики и экологии требуют определения концентрации радона в воздухе и скорости его поступления из грунта и почвы. В низкофоновых исследованиях радон является одним из основных источников а, [3, у радиоактивности и нейтронов, генерируемых в (а,п) реакциях. Низкофоновые условия важны для подбора конструкционных материалов наноэлектроники с минимальным содержанием природных радиоактивных изотопов и-238, ТЬ-232, К-40, С-14 и других. В связи с этим необходимо контролировать содержание в воздухе радона и дочерних продуктов его распада. Метод аэрозольных фильтров позволяет определить концентрацию радона и его дочерних продуктов. Низкофоновые условия также необходимы для применения метода меченых атомов, в частности, для определения прозрачности молекулярных сит. Поэтому возникают задачи мониторинга изменения уровня содержания радона в воздухе в низкофоновых лабораториях и оценки вклада радиоактивности радона и его дочерних элементов в результаты экспериментов.

Среди приоритетных экологических проблем важное место отводится радиационным факторам, негативно влияющим на здоровье людей. Природные источники ионизирующего излучения вносят основной вклад (60-90%) в дозу облучения населения. При этом наибольшую опасность представляют радон и продукты его распада.

Принято считать, что методы, основанные на использовании р~ и у-спектрометрии продуктов распада радона, не являются количественными, так как они основаны на непрямых измерениях и подвержены неконтролируемым систематическим ошибкам. Поэтому актуальна модификация метода гамма-спектрометрии аэрозольных фильтров для задачи количественного определения концентрации радона в воздухе.

Важной проблемой также является измерение потоков нейтронов в задаче исследования наноструктур методом малоуглового рассеяния нейтронов. В связи с этим ставилась задача связать темп счета газонаполненных борных и гелий-3 счетчиков с потоком тепловых нейтронов.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является решение в рамках метода аэрозольных фильтров задачи о количественном определении концентрации

222п

Кп в воздухе по гамма спектрам дочерних продуктов распада, определение плотности потока тепловых нейтронов по темпу счета газонаполненных пропорциональных нейтронных счетчиков. Поставлены задачи:

1. Разработать метод количественного определения концентрации радона в воздухе по гамма спектрам продуктов его распада.

2. Рассмотреть и аналитически промоделировать эволюцию содержания радона и его дочерних продуктов распада в воздухе и на фильтре.

3. Выяснить возможности идентификации атомных процессов по форме импульсов в газонаполненных ионизационных детекторах.

4. Вычислить энергию двухэлектронной вакансии в атомах инертных газов.

5. Установить аналитическую зависимость эффективности использования рабочего газа в нейтроном счетчике от его давления. Сравнить чувствительности борных и гелий-3 счетчиков при различных давлениях для решения вопроса как замены борных счетчиков счетчиками гелий-3, так и эквивалентного перезаполнения борных счетчиков рабочим газом гелий-3.

6. Исследовать связь между потоками тепловых нейтронов и темпами счета борных и гелий-3 пропорциональных счетчиков.

Научная новизна работы

1) В рамках метода аэрозольных фильтров разработан метод количественного определения концентрации радона в воздухе по гамма спектрам его продуктов распада, исходя из сравнения активности фильтра с аналитическим расчетом.

2) Разработан метод непрерывного мониторинга концентрации радона в воздухе на основе метода аэрозольных фильтров.

3) Для газонаполненных цилиндрических счётчиков тепловых нейтронов установлена аналитическая связь между эффективностью, чувствительностью и коэффициентом использования рабочего газа и его давлением в счетчике.

4) Рассчитана чувствительность, эффективность и коэффициент использования рабочего изотопа для наиболее распространенных нейтронных счетчиков. Предложена оптимизация рабочего давления для перезаполнения корпуса борного счетчика СНМ-15 гелием-3.

Практическая значимость

Предложенная в работе модификация метода аэрозольных фильтров может быть использована для мониторинга радона в воздухе. Метод не требует дополнительной очистки и осушки воздуха в отличии от методов альфарадонометрии. Проведены расчеты энергий двухэлектронных К-вакансий в атомах методом Хартри-Фока, что способствует выявлению процесса двухэлектронной фотоионизации в рентгено-флуоресцентной спектроскопии. Для газонаполненных нейтронных счетчиков цилиндрической формы установлена связь между темпом счета и потоком тепловых нейтронов. Разработанный подход позволяет оптимизировать параметры счетчиков в плане количества дорогостоящих изотопов, в частности гелий-3. Разработанный подход позволяет оптимизировать количество дорогостоящего изотопа гелий-3.

Личный вклад автора

Автором проведен аналитический расчет временной зависимости содержания продуктов распада радона в воздухе и на фильтре и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными для нахождения концентрации радона.

Автор внес значительный вклад в аналитический расчет эффективности, чувствительности и коэффициента использования рабочего изотопа нейтронных счетчиков.

Постановка задачи, определение методов исследования и обсуждение результатов проведены совместно с научным руководителем.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Использование большого кристалла Nal(Tl) 20x20 см2 4-7Е геометрии и применение аналитического решения уравнений для временной эволюции концентрации дочерних продуктов распада радона в воздухе и на аэрозольном фильтре позволили определить количественно концентрацию радона в воздухе методом аэрозольных фильтров.

2. Систематическая ошибка метода аэрозольных фильтров, связанная с неполным сбором дочерних продуктов распада радона и собственным фоном кристалла Nal не превышает 15-20 %.

3. Определение чувствительности, эффективности и коэффициента использования вещества для борных и гелий-3 пропорциональных счетчиков в зависимости от давления рабочего газа.

4. Установление связи между потоком тепловых нейтронов и темпом счета борных и Не пропорциональных счетчиков

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы обсуждались и докладывались на конференциях: Международная конференция «Частицы и космология», Приэльбрусье 2007г. и Москва, 2011г.; Всероссийская конференция по космическим лучам, Москва, 2010 г.; Баксанская молодёжная школа Экспериментальной и теоретической физики «БМШ ЭТФ» Приэльбрусье, 2005, 2007 и 2009 годы.

Публикации

Основные результаты научных исследований по теме диссертации содержатся в 8 публикациях, в их числе 4 публикации в ведущих научных журналах перечня Высшей аттестационной комиссии Минобрнауки РФ. Структура и объем диссертационной работы

Работа состоит из введения, трех глав, заключения, содержит 77 страниц текста, 31 рисунок, 5 таблиц, список литературы из 60 названий.

Заключение диссертации по теме «Молекулярная физика», Савойский, Юрий Владимирович

Выводы

В настоящей диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Рассмотрение, экспериментально полученных гамма-спектров продуктов распада радона-222 и их временной эволюции в течение нескольких периодов полураспада, и сравнение их с проделанными в работе теоретическими расчетами, показывают их соответствие протекающим процессам и применимость теоретической модели для нахождения концентрации радона по гамма-спектрам его продуктов распада.

2. Применение сравнительно большого кристалла Nal(Tl) 20x20 см2, 4-ти геометрии и аналитического решения уравнений для временной эволюции концентрации дочерних продуктов распада радона в воздухе и на аэрозольном фильтре позволяет контролировать точность метода на уровне 20-30%.

3. Величина систематической ошибки метода аэрозольных фильтров, связанная с неполным сбором ДПР радона, собственным фоном кристалла Nal и т.д., не превышает 15-20 %.

4. Исследована чувствительность, эффективность и коэффициент j использования вещества для борных и Не пропорциональных счетчиков в зависимости от давления рабочего газа; установлена связь между потоком тепловых нейтронов и темпом счета борных и Не3 пропорциональных счетчиков.

5. Показано, что нейтронный мониторинг концентрации радона может служить для идентификации кратковременных радоновых выбросов, предшествующих сейсмическим и тектоническим активностям.

6. Методом Хартри-Фока выполнен расчет энергий К и 2К-вакансий атомов криптона и ксенона.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Савойский, Юрий Владимирович, 2011 год

1. Уткин В.И., Юрков А.К. Динамика выделения радона из массива горных пород как краткосрочный предвестник землятресения// Докл. РАН. 1998. Т. 358(5). С. 675-680.

2. Бекман И. Н., Хасков М.А., Пасека В.И., Панаркина JI. Е., Рязанцев Г.Б. Вариации радиационного поля в северной части Азовского моря// Вестник МГУ. Серия 2: Химия. Т.44, №2 (2003) С. 140-148.

3. Y Takeuchi, К. Okumura, Т. Kajita, S. Tasaka, H. Hori, M. Nemoto, H. Okazawa Development of high sensitivity radon detectors //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 421 (1999) P. 334-341.

4. Kuzminov V.Y. Ion-pulse chamber for direct measurement of a radon concentration in the air.//Ядерная физика. 2003. Том 66, №3. С. 490-493.

5. Афонин A.A., Котляров A.A., Максимов А.Ю. Установка для изучения процессов нейтрализации радиоактивных ионов в воздухе //Приборы и техника эксперимента. 2003. Т.46, №1 С. 119-122.

6. Сердюкова A.C., Капитанов Ю.Т. Изотопы радона и продукты их распада в природе. Изд. 2-е. М.: Атомиздатю 1975

7. Пермяков В.М. Радиоактивные эманации. — M.-JL: Изд-во АН СССР. 1963.-175с.

8. Гусев Н.Г. Справочник по радиоактивным излучениям и защите. М.: Медгиз. 1956.

9. Баранов В.И. Радиометрия. М1.: Изд-во АН СССР. 1956

10. Яковлева B.C., Schmidt Y., Hamel Р. и др. Осаждение короткоживущих продуктов распада радона-222 на твердые поверхности // Оптика атмосферы и океана. 2005. - Т.18, N 5/6.- С.520-524

11. Бреслер С.Е. Радиоактивные элементы М.: Гостехиздат. 1952.

12. Радиометрические методы поисков и разведки урановых руд// Под ред. Алексеева B.B. М., 1957.

13. Рузер JI.C. Радиоактивные аэрозоли. М.: Энергоатомиздат. 2001.232 с.

14. Быховский A.B., Чесноков Н.И., Покровский С.С., Хореев Г.Н., Югов П. И. Опыт борьбы с радоном при ведении горных работ М.: Атомиздат. 1969.

15. Спицын В.И. и др. Труды по изучению радия и радиоактивных руд, 2 264(1962)

16. Войткевич Г.В. Проблемы радиогеологии. М., 1961.

17. Граммаков А.Г., Попретинский И.Ф. Распределение радона в рыхлых отложениях при наличии ореолов рассеяния радия. // Изв. АН СССР. Сер. Геофиз., 1957. №6. С. 783.

18. Микляев П.С., Петрова Т.Б., Власов В.К. и др. Влияние свойств глинистых пород на эманирование радона // Вестн. Моск. ун-та. Сер.2. Химия. 2009. - Т.50, N 5. - С.392-395.

19. Израэль X. Естественная и искусственная радиоактивность атмосферы. В кн.: Ядерная физика. Пер. с англ. М., 1964. С. 125.

20. Лукутцова Н.П. Естественные радионуклиды в строительных-материалах // Строит, материалы. 2002. - N 1(565). - С.20-22.

21. Широкова Е.К., Козлов Ю.Д., Рыков C.B. и др. Естественные радионуклиды в строительных материалах и радиационный фон помещений: учеб. пособие / М.: МИКХиС, 1999. - 47 с

22. Антонов О.Ф., Розанов А.Д., Хвастунов С.А. К вопросу о методике определения скорости выделения радона и воздухообмена в помещениях // АНРИ. 1998. -N3(14). - С.31-33.

23. Семинский К.Ж., Бобров A.A. Радоновая активность разнотипных разломов земной коры (на примере Западного Прибайкалья и Южного Приангарья) // Геология и геофизика. 2009. - Т.50, N 8. - С.881-896.

24. Автушко М.И., Жукова Л.В. О содержании ДПР радона в дождевой воде // АНРИ. 2007. - N 4(51). - С. 14-16.

25. Барабась С. Концентрация радона в газах и воде рудного месторождения и ее связь с угрозой горных ударов // Ддерногеофизические исследования / Сб. науч. трудов АН СССР. Урал, отд-ние. -Свердловск: УрО АН СССР, 1991. С.65-70.

26. Чаславскы М., Данихелка П., Кржиж JI. и др. Радон в подземных водах как источник риска для здоровья населения // Геоэкол. Инж. геол. Гидрогеол. Геокриол. 2010. - N 3. - С.270-275.

27. Спивак A.A., Сухоруков М.В., Харламов В.А. Особенности эманации радона 220Rn с глубиной // Докл. РАН. 2008. - Т.420, N 6. - С.825-828.

28. Павленко В.И., Ветрова Ю.В., Матюхин П.В. Эманирующая способность радона минерального сырья, используемого при изготовлении строительных бетонов // Изв. вузов. Стр-во. 2007. — N9(585).-С.39-43.

29. Крампит И.А. Об измерении коэффициентов эманирования грунтов // АНРИ. 2004. - N 3(38). - С.51-52.

30. Лукутцова Н.П. Структурные факторы, определяющие эманирование радона из бетонов и растворов // Строит, материалы, оборудование и технологии XXI века. 2003. - N 10(57). - С.14-15.

31. Гулабянц JI.A., Цапалов A.A. Определение коэффициента диффузии радона в бетоне и изоляционных материалах // АНРИ. 2008. - N 2(53). -С.44-48.

32. Павленко В.И., Шаптала В.Г., Ветрова Ю.В. Моделирование выделения радона сыпучим минеральным сырьем // Изв. вузов. Физика. 2007. - Т. 50, N 7. - С.34-36.

33. Назиров P.A., Пересыпкин Е.В., Тарасов И.В., Кургуз С.А. Естественная радиоактивность и эманирование строительных материалов // Технологии бетонов. 2009. - N 5(34). - С.74-75.

34. Пауэлл С., Фаулер П., Перкинс Д., Исследование элементарных частиц фотографическим методом, пер. с англ., М.: 1962

35. Прайс В. Регистрация ядерного излучения // Изд-во ин. литературы, Москва, 1960 г., с. 264-267

36. Goldschmidt-Clermont Y., Ann. Rev. Nucl. Sei., 3, 141 (1953)

37. G.F. Birchard and W. F. Libby Soil Radon Concentration Changes Preceding and Following Four Magnitude // 4.2-4.7 Earthquakes on the San Jasinto Fault in Southern California, Journal of geophysical research. Vol. 85, NO. B6, Pages 3100-3106, 1998

38. Маренный A.M. Диэлектрические трековые детекторы в радиационно-физическом и радиобиологическом эксперименте. М.: Энергоатомиздат, 1987.

39. Ляпидевский» В.К., Маренный A.M. Диэлектрические трековые детекторы: физические процессы и применение / Научная сессия МИФИ-1998. Ч.З Ядерная- физика. Физика ускорителей заряженных частиц. Физика плазмы , 1998 С. 38-40

40. Кузнецов Ю.В., Таиров В.Н., Рудской А.И., Коренков И.П. Измерение объемной активности радона с помощью электретных детекторов // АНРИ. 1995. - N-2. - С.62-64.

41. P.Kotrappa et al. Electret system, a new approach in measuring radon and thoron in dwelling. Presentation at second special symposium on natural radiation environment to be held in Bombay, Jan. 19-23, 1981

42. Сцинтилляционные методы спектрометрии гамма-излучения и электронов / Под ред. В.Т. Самосадного. М.: МИФИ, 2003. - 64 с.

43. В.И. Абрамов, Ю.А. Казанский, Е.С. Матусевич Основы экспериментальных методов ядерной физики. М.: Атомиздат. 1970.»

44. G. Colombo et al. Mesurements of Radon concentration in the water from the Gran Sasso fault, INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, April 2004.

45. Шрам Э. Ломбер H. Органические сцинтилляционные счетчики. М.: Атомиздат. 1967. -183 с.

46. Глобус М.Е., Гринев Б.В. Неорганические сцинтилляторы. Новые и традиционные материалы. Харьков: Акта, 2001. 408 с.

47. Савойский, Ю. В. О количественном определении концентрации радона методом гамма-спектрометрии аэрозольных фильтров. / А. X.

48. Хоконов, М.Б. Масаев, Ю.В. Савойский. // Приборы и техника экспериментов. 2009. №1. С. 142-144

49. Pomansky A. A.,Severny S. A.,Trifonov Е. P. Radium and radon content indifferent materials. // Atomnaya Energiya 1969. 27, C. 36-38

50. Савойский, Ю. В. Мониторинг радона методом радиоспектрометрии аэрозольных фильтров. / А.Х. Хоконов, М.Б. Масаев, Ю.В. Савойский, М.А. Сижажев. // Вестник КБГУ. Серия Физические науки.2009. В.12. С.75-76

51. Афонин А.А., Котляров А.А., Максимов А.Ю.// Установка для изучения процессов нейтрализации радиоактивных ионов в воздухе //Приборы и техника эксперимента 2003 т.46, №1 с. 119-122

52. Лактионов А.Г. Равновесная гетерогенная конденсация. — Л.: Гидрометиздат, 1988

53. Савойский, Ю. В. Установка для мониторинга радона в воздухе методом аэрозольных фильтров. / А. X. Хоконов, М.Б. Масаев, Ю.В. Савойский. // Приборы и техника экспериментов. 2010. №3. С. 123-126

54. Дорман Л.И. // УФН160,403 (1985).

55. Савойский, Ю. В. Чувствительность и эффективность регистрации нейтронов Не-3 и 10ВР3-счетчиками. / А. X. Хоконов, Ю. В. Савойский, А. В. Камарзаев. //Ядерная физика. 2010. Том 73, №9. С. 1528-1532

56. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С., Основы экспериментальных методов ядерной физики. М.: Атомиздат. 1970.

57. Бейтман Г., Эрдейи А. Высшие трансцендентные функции. Том 1 М.: Наука. 1965.

58. National nuclear data center, www,nndc.bnl.gov.

59. Савойский, Ю. В. Первые результаты нейтронного мониторинга на пике Терскол. / А.Х. Хоконов, Х.М. Хамирзов, Ю.В. Савойский // Известия РАН. Серия физическая. 2011. Том 75, № 6. С. 934-935

60. Хартри Д. Расчёты атомных структур. — М.: ИИЛ, 1960. — 256 с.

61. Барц Б. И., Болотин Ю. Л., Инопин Е. В., Гончар В. Ю. Метод Хартри — Фока в теории ядра. — Киев: Наукова думка/ 1982.