Адсорбционные детекторы радона с использованием диффузионного барьера

Эффективным способом улучшения интегрирующих характеристик детектора и увеличения реального времени накопления радона является установка диффузионного барьера между исследуемой атмосферой и активированным углем. Основная задача данного барьера – замедлить скорость поступления радона из атмосферы в слой активированного угля.

Диффузионные барьеры могут иметь различную конструкцию. Они могут быть выполнены в виде тонкой мембраны, слоя пористого материала либо в виде трубки длиной и поперечным сечением (рис. 5.9).

При использовании диффузионного барьера имеется значительный градиент объемной активности Rn между внутренним объемом сосуда и наружной атмосферой. В этом случае активированный уголь в детекторе можно рассматривать как эквивалентный объем . Т.е. поступление радона через диффузионный барьер в небольшой по объему патрон с активированным углем рассматривается аналогичным диффузии радона в большую пустую емкость с эквивалентным объемом через тонкий капилляр или диффузионную мембрану. При этом фактически пренебрегается диффузионным характером миграции радона в объеме детектора и считается, что радон в детекторе распределен равномерно. Это допущение справедливо, если время установления равновесия в объеме угля много меньше постоянной времени детектора .

Рис. 5.9. Принципиальная схема пассивного адсорбционного детектора на активированном угле с использованием диффузионного барьера

Изменение активности , накапливаемой детектором, зависит от параметров диффузионного барьера, разности объемной активности радона снаружи и гипотетической объемной активности внутри детектора и описывается следующим дифференциальным уравнением:

(5.34),

где — коэффициент диффузии радона через диффузионный барьер; – площадь барьера; — длина диффузионного барьера. Данное уравнение можно переписать в другом виде, сделав подстановку

(5.35).

Решением уравнения (4.26) для начальных условий = 0 и = 0 является

(5.36)

,

где величина определяется из уравнения

(5.37).

По сути – постоянная времени интегрирования детектора с диффузионным барьером. Она может быть определена экспериментально. Если в момент = 0, = 0 и , то решением уравнения (5.31) будет классическое уравнение радиоактивного распада

(5.38).

Таким образом, для экспериментального определения величины необходимо экспонировать детектор при высокой объемной активности радона, выдержать его примерно в течение суток в загерметизированном состоянии, чтобы радон равномерно распределился по слою активированного угля, а затем поместить детектор в атмосферу с низкой объемной активностью радона и исследовать затухание скорости счета γ-излучения от детектора.

Увеличение постоянной времени интегрирования детектора приводит к уменьшению его чувствительности. На рис. 5.10 представлена зависимость от и времени интегрирования.

Рис. 5.10. Динамика накопления активности Rn в адсорбционном детекторе с диффузионным барьером в зависимости от времени экспозиции и постоянной времени детектора t, ч

Здесь – активность, накопленная в детекторе, а – активность, которая могла быть накоплена в детекторе при диффузионном барьере бесконечной эффективности (). Видно, что максимальное время экспозиции для детектора с диффузионным барьером составляет около 3.

Были рассчитаны отклики системы с диффузионным барьером на различные зависимости объемной активности радона от времени (общее время экспозиции 24 ч):

А. , = 0–1 ч; =0, = 1–24 ч;

В. , = 12–13 ч; =0, = 1–12 и 13–14 ч;

С. , = 23–24 ч; =0, = 0–23 ч;

D. = , = 0–24 ч.

Приведем погрешность регистрации средней концентрации радона в зависимости от постоянной времени диффузионного барьера (относительная чувствительность для варианта экспозиции была принята за единицу):

Видно, что использование детекторов с диффузионным барьером обеспечивает приемлемую для практических целей точность даже при очень резких колебаниях объемной активности радона за период измерения.