RU2035053C1

RU2035053C1 - Radiometer for measurement of volumetric activity of gaseous nuclides and radio-active aerosols in air

Info

Publication number: RU2035053C1
Application number: RU93003036A
Authority: RU
Inventors: А.С. Кутелев; В.И. Лапшин; Н.Ю. Шаврин
Original assignee: Научно-инженерный центр "СНИИП"
Priority date: 1993-01-19
Filing date: 1993-01-19
Publication date: 1995-05-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: enhanced reliability of radiometer is obtained by elimination of moving mechanical parts in means of forced pumping. Expanded functional capabilities of it are achieved by integration of functions of heating element in means of forced pumping of air with domestic functions, for instance, illumination of rooms. It can also measure radon, both its volumetric activity and concentration of its daughter products in air of examined room. This problem can be solved due to use of heating element installed in channel as means of air pumping. Channel is manufactured for its mounting under measurement mode at angle alpha to horizon, where alpha is chosen from condition: alpha is not equal to zero. EFFECT: enhanced reliability and expanded functional capabilities of radiometer. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к измерению радионуклидов естественного и осколочного происхождения в воздухе, предназначено для дозиметрического, технологического и радиометрического контроля и может быть использовано при постоянном или инспекционном контроле в производственных и жилых помещениях. The invention relates to the measurement of radionuclides of natural and fragmented origin in air, is intended for dosimetric, technological and radiometric monitoring and can be used with constant or inspection monitoring in industrial and residential premises.

Широко известны различные радиометры, предназначенные для измерения как газообразных нуклидов, так и радиоактивных аэрозолей, но наибольшую важность представляют радиометры для измерения естественного газообразного нуклида радон-222 (далее радон), который имеет короткоживущие дочерние продукты распада RaA (²¹⁸Po), RaB (²¹⁴Pb), RaC (²¹⁴Bi) и RaC (²¹⁴Po), представляющие собой мелкодисперсные аэрозоли.Various radiometers are widely known for measuring both gaseous nuclides and radioactive aerosols, but the most important are radiometers for measuring the natural gaseous nuclide radon-222 (hereinafter radon), which has short-lived daughter products of decay RaA ( ²¹⁸ Po), RaB ( ²¹⁴ Pb), RaC ( ²¹⁴ Bi) and RaC ( ²¹⁴ Po), which are fine aerosols.

Известен радиометр для измерения дочерних продуктов радона в воздухе, содержащий проточный канал для отбора аэрозолей дочерних продуктов распада радона, на аэрозольный фильтр, принудительное средство прокачки воздуха насос, детектор ионизирующего излучения полупроводниковый детектор, установленный внутри канала, и электронную схему регистрации. Дочерние продукты распада радона, находящиеся в исследуемом воздухе, за счет принудительной прокачки поступают в проточный канал радиометра и осаждаются на аэрозольном фильтре. Альфа-излучение дочерних продуктов регистрируется детектором, сигнал с которого поступает на электронную схему регистрации радиометра [1]
Недостатком такого радиометра является малая надежность средства принудительной прокачки воздуха мембранного насоса, имеющего в своем составе движущиеся механические части клапана, мембрану и т.д. выход из строя которых полностью парализует работу радиометра. Кроме того, ограничение только измерением дочерних продуктов распада радона снижает функциональные возможности известного радиометра.A known radiometer for measuring daughter products of radon in the air, containing a flow channel for selecting aerosols of daughter products of radon decay, to an aerosol filter, a forced air pump, a detector of ionizing radiation, a semiconductor detector mounted inside the channel, and an electronic registration circuit. The daughter decay products of radon in the test air, due to forced pumping, enter the flow channel of the radiometer and are deposited on an aerosol filter. The alpha radiation of the daughter products is detected by the detector, the signal from which is fed to the electronic registration circuit of the radiometer [1]
The disadvantage of this radiometer is the low reliability of the means of forced air pumping of the membrane pump, which includes moving mechanical parts of the valve, the membrane, etc. failure of which completely paralyzes the operation of the radiometer. In addition, the restriction only to the measurement of daughter decay products of radon reduces the functionality of the known radiometer.

Наиболее близким по большинству совпадающих признаков к заявляемому техническому решению является радиометр, состоящий из проточного канала электроосадительной камеры, средства принудительной прокачки воздуха механического насоса, детектора ионизирующего излучения полупроводникового детектора, расположенного внутри электроосадительной камеры, и электронной схемы регистрации. The closest in most coinciding features to the claimed technical solution is a radiometer consisting of a flow channel of an electroplating chamber, means for forcing the air of a mechanical pump, an ionizing radiation detector of a semiconductor detector located inside an electroplating chamber, and an electronic registration circuit.

Радиометр работает таким образом, что при его установке в помещение, в котором необходимо определить объемную активность радона, происходит заполнение проточного канала воздухом из этого помещения, поступающим в него за счет естественной диффузии или с помощью встроенного в радиометр механического насоса, применяемого только для быстрого заполнения исследуемым воздухом электроосадительной камеры. Вместе с воздухом в электроосадительную камеру поступает радон. Под действием естественного процесса распада радон в электроосадительной камере превращается в RaA. Поверхность полупроводникового детектора имеет отрицательный потенциал по отношению к стенкам электроосадительной камеры. Атомы RaA, имеющие положительный заряд, за счет притяжения разноименных зарядов осаждаются на поверхности полупроводникового детектора, регистрирующего альфа-излучение дочерних продуктов RaA и RaC, сигнал с которого поступает на электронную схему регистрации радиометра [2]
Недостатком известного радиометра состоит в том, что отсутствие в нем возможности непрерывной прокачки воздуха через электроосадительную камеру снижает чувствительность радиометра, а исключение возможности проведения длительных измерений за счет наличия в радиометре механического насоса, как малонадежного элемента, например, в течение одного месяца для определения усредненной дозовой нагрузки в данном помещении уменьшает его функциональные возможности.The radiometer works in such a way that when it is installed in a room where it is necessary to determine the volumetric activity of radon, the flow channel is filled with air from this room, coming into it due to natural diffusion or using a mechanical pump built into the radiometer, used only for quick filling the studied air electroplating chamber. Together with air, radon enters the electrodeposition chamber. Under the influence of the natural decay process, radon in the electrodeposition chamber turns into RaA. The surface of the semiconductor detector has a negative potential with respect to the walls of the electrodeposition chamber. Positive-charged RaA atoms are deposited on the surface of a semiconductor detector by detecting alpha radiation from the daughter products of RaA and RaC due to the attraction of opposite charges, the signal from which is fed to the electronic registration circuit of the radiometer [2]
A disadvantage of the known radiometer is that the lack of the ability to continuously pump air through the electrodeposition chamber reduces the sensitivity of the radiometer, and the exclusion of the possibility of lengthy measurements due to the presence of a mechanical pump in the radiometer as an unreliable element, for example, for one month to determine the average dose load in this room reduces its functionality.

Радиометр предназначен для проведения только инспекционного контроля, т. е. для измерения объемной активности радона в данном помещении за короткое время максимальное время измерения не превышает 24 ч. Учитывая изложенное, а также тот факт, что объемная активность радона в воздухе контролируемого помещения практически постоянна во времени и зависит только от количества нуклида 226Ra в строительных материалах, грунта и условий эксхаляции радона, а концентрация дочерних продуктов при одной и той же объемной активности радона может изменяться в течение одного дня в несколько раз (2-3 раза), например, только за счет проветривания данного помещения, и что наибольшую радиационную опасность представляют именно дочерние продукты, как наиболее высокоэнергетичные бета- и альфа-излучателя, а не сам радон, то отсутствие возможности измерения известным радиометром дочерних продуктов распада радона снижает его функциональные возможности. The radiometer is intended for conducting only inspection control, i.e., for measuring the volumetric activity of radon in a given room in a short time, the maximum measurement time does not exceed 24 hours. Considering the above, as well as the fact that the volumetric activity of radon in the air of the controlled room is practically constant during time and depends only on the amount of 226Ra nuclide in building materials, soil and radon exhalation conditions, and the concentration of daughter products at the same volumetric activity of radon can vary I within a day several times (2-3 times), for example, only due to the ventilation of this room, and that the greatest radiation hazard is represented by daughter products, as the most high-energy beta and alpha emitters, and not radon itself, then the inability to measure the daughter products of radon decay by a known radiometer reduces its functionality.

Задачей указанного технического решения является повышение надежности радиометра путем исключения движущихся механических частей в средстве принудительной прокачки воздуха и расширение функциональных возможностей путем совмещения функций нагревательного элемента в средстве принудительной прокачки воздуха в заявляемом радиометре с бытовыми функциями, например, с освещением помещения, а также для радиометров, измеряющих радон путем измерения как объемной активности радона, так и концентрации его дочерних продуктов в воздухе исследуемого помещения, которая может быть решена за счет того, что в качестве средства прокачки воздуха использован нагревательный элемент, установленный внутри канала, причем канал в режиме работы устанавливается под углом α к горизонту, где α выбрано из условия α ≠0. The objective of this technical solution is to increase the reliability of the radiometer by eliminating moving mechanical parts in the forced air pump and expand the functionality by combining the functions of the heating element in the forced air pump in the inventive radiometer with household functions, for example, with room lighting, as well as for radiometers, measuring radon by measuring both the volumetric activity of radon and the concentration of its daughter products in the air uemogo premises, which can be solved due to the fact that as the air pumping means used in a heating element mounted inside the channel, the channel mode is set at an angle α to the horizontal, where α is selected from the condition of α ≠ 0.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием нового средства принудительной прокачки воздуха через проточный канал радиометра. Comparative analysis with the prototype shows that the inventive device is characterized by the presence of a new means of forced pumping of air through the flow channel of the radiometer.

Сравнение заявляемого устройства с другими техническими решениями показывает, что применение нового средства принудительной прокачки воздуха, основанного на нагревательном элементе, через проточный канал радиометра повышает надежность средства прокачки и, следовательно, всего радиометра в целом. Исключение из состава средства прокачки трущихся механических частей, например, клапанов в сравнении с мембранным насосом, приведенном в аналоге [1] позволяет использовать радиометр в любых временных режимах работы часы, дни, недели, месяц и т.д. что, в свою очередь, позволяет расширить функциональные возможности радиометра применять его как для инспекционного контроля, так и для долговременных измерений, т.е. для дозиметрического, радиометрического и технологического контроля объемных активностей газообразных нуклидов и радиоактивных аэрозолей. Так, непосредственно для контроля радона в воздухе производственных и жилых помещений заявляемый радиометр дает возможность измерять не только объемную активность радона в воздухе, но и собирать его дочерние продукты распада из окружающего радиометр воздуха и, следовательно, повысить чувствительность заявляемого радиометра в 2-2,5 раза по сравнению с прототипом [2] при одних и тех же габаритах электроосадительной камеры при условии равновесного состояния радона и его дочерних продуктов в исследуемом воздухе. Кроме того, отсутствие трущихся механических частей повышает ремонтопригодность радиометра и полностью исключает шумовые эффекты, что очень важно при длительных измерениях малых объемных активностей радона в жилых помещениях. Использование нагревательного элемента, как возмущающего фактора, для осуществления прокачки воздуха исключает возможность возникновения турбулентности воздушного потока, проходящего через проточный канал радиометра, и создает наиболее благоприятные условия для измерения осаждение на поверхность детектора, аэрозольного фильтра и т.д. Использование нагревательного элемента в заявляемом радиометре позволяет осушать исследуемый воздух, поступающий для измерения в проточный канал радиометра путем простой перестановки детектора ионизирующего излучения со входа средства принудительной прокачки воздуха на его выход. Кроме того, в качестве нагревательного элемента в заявляемом радиометре можно использовать как просто нагревательный элемент, так и нагревательный элемент, несущий дополнительную полезную бытовую нагрузку лампу накаливания, в зимний период отопительную батарею, трубу с горячей водой и т.д. что очень важно при проведении длительных измерений в жилых помещениях и подвалах домов, снижая до минимума пожарную опасность и позволяя изменять объемный расход воздуха, проходящего через проточный канал радиометра, в большом диапазоне, как путем изменения угла наклона к горизонту его проточного канала, так и путем установки в качестве нагревательного элемента ламп накаливания различной мощности 20, 40, 200 Вт. Использование в качестве средства прокачки нагревательного элемента повышает стабильность объемного расхода исследуемого воздуха через проточный канал радиометра, так как в этом случае работает разность температур, которая и определяет производительность средства прокачки воздуха, причем разность температур остается неизменной при любом изменении температуры окружающего воздуха, что повышает точность проводимых измерений при проведении длительных циклов. Comparison of the claimed device with other technical solutions shows that the use of a new means of forced pumping of air, based on a heating element, through the flow channel of the radiometer increases the reliability of the pumping means and, therefore, the entire radiometer as a whole. The exclusion from the composition of the pumping means of rubbing mechanical parts, for example, valves, in comparison with the diaphragm pump shown in the analogue [1] allows the radiometer to be used in any time modes of operation for hours, days, weeks, months, etc. which, in turn, allows you to expand the functionality of the radiometer to use it both for inspection control and for long-term measurements, i.e. for dosimetric, radiometric and technological control of volumetric activities of gaseous nuclides and radioactive aerosols. So, directly for monitoring radon in the air of industrial and residential premises, the inventive radiometer makes it possible to measure not only the volumetric activity of radon in air, but also to collect its daughter decay products from the air surrounding the radiometer and, therefore, increase the sensitivity of the inventive radiometer by 2-2.5 times compared with the prototype [2] with the same dimensions of the electrodeposition chamber, provided the equilibrium state of radon and its daughter products in the test air. In addition, the absence of rubbing mechanical parts increases the maintainability of the radiometer and completely eliminates noise effects, which is very important for long-term measurements of small volumetric activity of radon in residential premises. The use of a heating element as a disturbing factor for pumping air eliminates the possibility of turbulence in the air flow passing through the flow channel of the radiometer and creates the most favorable conditions for measuring deposition on the surface of a detector, aerosol filter, etc. The use of a heating element in the inventive radiometer allows you to drain the test air, which is received for measurement in the flow channel of the radiometer by simply moving the ionizing radiation detector from the input of the forced air pump to its output. In addition, as a heating element in the inventive radiometer, you can use both a simple heating element and a heating element that carries an additional useful payload incandescent lamp, in winter, a heating battery, a pipe with hot water, etc. which is very important during long-term measurements in residential premises and basements of houses, minimizing fire danger and allowing you to change the volumetric flow rate of air passing through the flow channel of the radiometer over a wide range, both by changing the angle of inclination to the horizon of its flow channel, and by installation as a heating element of incandescent lamps of various power 20, 40, 200 watts. The use of a heating element as a means of pumping increases the stability of the volumetric flow rate of the test air through the flow channel of the radiometer, since in this case the temperature difference works, which determines the productivity of the air pumping means, and the temperature difference remains unchanged for any change in ambient temperature, which increases the accuracy measurements taken during long cycles.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого радиометра. The drawing shows a block diagram of the proposed radiometer.

Предлагаемый радиометр состоит из нагревательного элемента 1, проточного канала 2, детектора 3 ионизирующего излучения, находящегося в электроосадительной камере 4, и электронной схемы 5 регистрации. The proposed radiometer consists of a heating element 1, a flow channel 2, an ionizing radiation detector 3 located in the electrodeposition chamber 4, and an electronic registration circuit 5.

Предлагаемый радиометр работает следующим образом. The proposed radiometer works as follows.

При включении радиометра за счет нагрева нагревательного элемент а 1 происходит нагрев воздуха, который под действием конвенционных сил поднимается выше, освобождая место более холодному воздуху, т.е. возникает перепад давления между слоями воздуха, расположенными в вертикальной плоскости проточного канала 2 радиометра, и тем самым создаются условия для прокачки воздуха. Поступающий воздух несет в себе радон и его дочерние продукты распада, которые потоком воздуха приближаются к поверхности детектора ионизирующего излучения 3 (полупроводникового детектора), атомы RaA и частично RaB, образовавшиеся внутри электроосадительной камеры 4 и в воздухе, окружающем радиометр, имеющие положительный заряд, осаждаются на поверхности детектора 3 ионизирующего излучения, заряженной отрицательно по отношению к стенкам электроосадительной камеры 4. Детектор 3, регистрируя альфа-излучение дочерних продуктов RaA и RaC, посылает электрические сигналы на вход электронной схемы 5 регистрации, осуществляющей обработку и вывод полезной информации. When the radiometer is turned on by heating the heating element a 1, air is heated, which rises above under the action of conventional forces, freeing up space for colder air, i.e. a pressure differential occurs between the air layers located in the vertical plane of the flow channel 2 of the radiometer, and thereby conditions are created for pumping air. The incoming air carries radon and its daughter decay products, which approach the surface of the ionizing radiation detector 3 (semiconductor detector) with air flow, the RaA and partially RaB atoms formed inside the electrodeposition chamber 4 and are deposited in the air surrounding the radiometer with a positive charge on the surface of the ionizing radiation detector 3, which is negatively charged with respect to the walls of the electrodeposition chamber 4. Detector 3, by registering the alpha radiation of the daughter products RaA and RaC, sends t electrical signals to the input of the electronic registration circuit 5, which processes and outputs useful information.

Экспериментальные исследования заявляемого радиометра были проведены на электроосадительных камерах, имеющих разные объемы, и при различных режимах работы радиометра. Время измерения во всех опытах составляло 3 ч. Измерялись различные объемные активности радона от 88 до 2100 Бк/м³. Для сравнения с известным радиометром на вход электроосадительной камеры устанавливался очистной фильтр. Объемный расход воздуха, создаваемый средством принудительной прокачки воздуха, определялся с помощью анемометра и составлял для наибольшей потребляемой мощности нагревательного элемента, т.е. при наибольшем его нагреве. В качестве нагревательного элемента для проведения опытов использовался электронагреватель, выполненный из нихромовой проволоки диаметром 0,25 мм и длиной 90 см.Experimental studies of the inventive radiometer were conducted on electroplating chambers having different volumes, and with different modes of operation of the radiometer. The measurement time in all experiments was 3 hours. Various volumetric radon activities were measured from 88 to 2100 Bq / m ³ . For comparison with a known radiometer, a cleaning filter was installed at the input of the electrodeposition chamber. The volumetric air flow created by the forced air pumping means was determined using an anemometer and amounted to the heating element for the greatest power consumption, i.e. at its greatest heating. An electric heater made of nichrome wire with a diameter of 0.25 mm and a length of 90 cm was used as a heating element for conducting experiments.

Полученные результаты приведены в таблице. The results are shown in the table.

Также в качестве нагревательного элемента использовалась лампа накаливания мощностью 20 Вт, при этом сравнивались условия создаваемого объемного расхода воздуха с нагревательным элементом, выполненным из нихромовой проволоки. Лампа накаливания в 20 Вт создавала такой же объемный расход воздуха через проточный канал, как и нагревательный элемент при потребляемой мощности в 13.5 Вт (см.таблицу). An incandescent lamp with a power of 20 W was also used as a heating element, while the conditions of the created volumetric air flow were compared with a heating element made of nichrome wire. An incandescent lamp of 20 W created the same volumetric air flow through the flow channel as a heating element with a power consumption of 13.5 W (see table).

Использование предлагаемого радиометра обеспечивает по сравнению с существующими радиометрами следующие преимущества: повышает надежность радиометра за счет исключения из состава воздухопрокачивающего устройства механических движущихся частей; расширяет функциональные возможности за счет измерения, как объемной активности радона при инспекционном контроле, так и его дочерних продуктов при длительных циклах измерения; повышает чувствительность не менее, чем в 2 раза; расширяет функции радиометра при проведении измерений радона в жилых помещениях за счет использования в нем бытовых элементов, которые используются людьми, проживающими в этом помещении, каждый день; полностью исключает шумовые эффекты; позволяет уменьшать объем детектора ионизирующего излучения. The use of the proposed radiometer provides the following advantages compared to existing radiometers: it increases the reliability of the radiometer by eliminating mechanical moving parts from the composition of the air pumping device; expands functional capabilities by measuring both the volumetric activity of radon during inspection control and its daughter products during long measurement cycles; increases sensitivity by at least 2 times; expands the functions of the radiometer when measuring radon in residential premises through the use of household elements in it, which are used by people living in this room every day; completely eliminates noise effects; allows you to reduce the volume of the ionizing radiation detector.

Claims

RADIOMETER FOR MEASURING VOLUME ACTIVITY OF GAS NUCLIDES AND RADIOACTIVE AEROSOLS IN AIR, consisting of a flow channel with forced air pumping means, an ionizing radiation detector installed inside the channel, and an electronic recording circuit, characterized in that a heating element is used as an air pumping element inside the flow channel, the channel being configured to be installed at an angle α to the horizontal, where a is selected from the condition a ≠ 0.