Метод поверхностных ловушек

Уже через несколько лет после открытия радия было замечено, что изотопы эманации радия (названные позднее радоном) могут формировать устойчивые радиоактивные отложения на некоторых поверхностях, таких как стекло. Физика процесса заключается в том, что при α-распаде осевших на поверхность короткоживущих ДПР радона ядро отдачи получает достаточную энергию для самоимплантации внутрь нее при соответствующем направлении импульса отдачи. В 1988 году было предложено использовать стеклянную поверхность объектов в помещениях в качестве ретроспективного монитора экспозиции по радону с α-излучающим ²¹⁰Po в качестве изотопного индикатора. С помощью импульсной ионизационной камеры был проведен α-спектрометри­ческий анализ различных стекол, находящихся в жилых помещениях. На рис. 5.16 представлены типичные спектры α-излучения на поверхности стекла, обращенной в комнату (рис. 5.16, а), и на обратной поверхности стекла, изолированной от атмосферы помещения (рис. 5.16, б). Энергетические спектры стекол со стороны, имеющей контакт с внешней атмосферой, имели четко выраженный пик, соответствующий энергии излучения ²¹⁰Po (5,3 МэВ).

Рис. 5.16. Спектры α-излучения стекла с портретной рамки (а) – сторона, обращенная в комнату; (б) – сторона, обращенная к фотографии

Выбор стеклянных объектов (главным образом это зеркала, стекла мебели, рамки фотографий и картин) в качестве естественного монитора радона не случаен. Такие предметы являются обычными для любого жилища. Для них, как правило, хорошо известны возраст и история перемещений, и обычно они сопровождают человека при переездах. Со стеклом обращаются с особой осторожностью, поверхность поддерживается чистой и сохранной от повреждений, царапин и прочего. Ровная и гладкая поверхность стекла позволяет с хорошей достоверностью моделировать приграничные процессы и с высокой точностью измерять удельную и поверхностную активность. Все это делает стекло прекрасным материалом для интегрального измерения прошлых уровней содержания дочерних продуктов распада радона в воздухе помещений.

В традиционной практике радоновых обследований для проведения интегрирующих измерений ОА радона широко используются твердотельные ядерные трековые детекторы тяжелых заряженных частиц. Являясь простым и надежным средством измерения, трековые материалы нашли применение и в ретроспективной дозиметрии радона, как детекторы внешнего приповерхностного α-излучения стекол. Основным требованием, предъявляемым в данном случае к детектору, является дискриминация фонового α-излучения стекла, формируемого природными α-излучающими радионуклидами – членами природных радиоактивных цепочек урана и тория. Пространственно-энергетический спектр фона является сплошным и неравномерным во всем диапазоне вплоть до максимальной энергии 8,8 МэВ.

Наиболее простой метод заключается в установке на поверхности стекла трекового детектора CR-39, имеющего широкий диапазон регистрируемых энергий α-частиц (от 0,1 до 60 МэВ). для оценки фонового излучения на «активной» стороне стекла устанавливается второй детектор CR-39, помещаемый на слой лавсанового поглотителя, покрытого тонкой алюминиевой фольгой (общая толщина 1,8 мг/см²). При этом приповерхностное излучение проходит через поглотитель, а фоновое излучение, поглощаясь в объеме стекла и слое поглотителя, регистрируется в гораздо меньшей степени. Оба детектора устанавливаются рядом друг с другом на одной и той же поверхности стекла. Оценки показали, что слой поглотителя снижает количество треков, формируемых за счет излучения от ²¹⁰Po, на 20%, а количество фоновых треков – на 50%. По соотношению треков, зарегистрированных двумя детекторами, оценивается активность ²¹⁰Po.

Во втором методе в паре с детектором CR-39 ставится детектор другого типа – LR-115, имеющий узкий энергетический диапазон (1,2 ¸ 4,8 МэВ). Если детектор CR-39 регистрирует все излучение, то отклик детектора LR-115 целиком определяется фоном стекла.

В УГТУ-УПИ в 2004 году был разработан оригинальный ретроспективный детектор для определения экспозиции по ОА радона, позволяющий учитывать неоднозначность фонового радионуклидного состава стекла. Конструктивно разработанный детектор представлял собой сборку из трех или четырех слоев пленки LR-115, установленных на поверхность исследуемого объекта и изолированную от воздействия внешней атмосферы. При этом слои нитроцеллюлозы играют роль как регистрирующего материала, так и поглотителя, уменьшающего энергию проходящих через нег α-частиц. Было рассчитано прохождение α-частиц через слои нитроцеллюлозы под различными углам и была рассчитана эффективность регистрации частиц различными слоями. Энергия α-излучения от ²¹⁰Po не попадает в рабочий диапазон материала LR-115, поэтому отклик первого слоя пренебрежимо мал и будет определяться фоновым излучением. После прохождения первого слоя энергия α-частиц снижается до значений не выше 3,7 МэВ, и они с высокой эффективностью регистрируются вторым слоем. Энергия излучения после второго слоя составляет менее 1,3 МэВ, и отклик третьего слоя на два порядка меньше предыдущего и также будет определяться фоном.

Многослойная конфигурация детектора на основе трекового материала LR-115 позволяет провести совместную оценку как приповерхностного содержания долгоживущего продукта распада радона ²¹⁰Po, так и удельного содержания природных радионуклидов. Система уравнений для трех слоев относительно поверхностной активности ²¹⁰Po и равновесных удельных активностей уранового и ториевого рядов имеет вид:

(5.42),

,

,

где – поверхностная активность ²¹⁰Po (мБк/см²), и – удельная активность стекла по суммарному содержанию a-излучающих радионуклидов уранового и ториевого рядов (Бк/г), - – количество треков зарегистрированных соответствующим детектором, – длительность экспозиции детектора (сут), – площадь рабочей поверхности детектора (см²).

При решении задач ретроспективной дозиметрии радона недостаточно произвести точное определение поверхностной активности ²¹⁰Ро, имплантированного в стеклянные объекты. Необходимо построение модели, связывающей поверхностную активность ²¹⁰Ро со средними значениями ОА или ЭРОА радона в помещении.

В 1972 году W. Jacobi предложил модель, которая стала основой большинства используемых сегодня моделей. В модели рассматривалось относительное распределение нуклидов цепочки распада по всем выделяемым состояниям и их взаимодействие с учетом всевозможных процессов. Изначально в ней анализировалось поведение лишь короткоживущих ДПР радона, но логическое продолжение модели на долгоживущую часть цепочки распада радона позволяет применить ее в анализе поставленной задачи.

Все возможные переходы между состояниями модели и превращения радионуклидов схематически представлены на рис. 5.17. Сплошные стрелки соответствуют переходам, сопровождающим процессы радиоактивного распада, пунктирные стрелки относятся к процессам оседания на аэрозоли и поверхности, штрихпунктирная линия символизирует то, что часть осевшей активности удаляется со стекла во время очистки.

Для средних значений коэффициентов модели, связь средней объемной активности радона (Бк/м³) в помещении за время существования стеклянного объекта с измеренной поверхностной активностью полония в стекле (мБк/см²) имеет вид:

(5.43).

При экспонировании объекта в течение 20 лет при среднем значении ОА радона 100 Бк/м³ поверхностная активность ²¹⁰Pb (²¹⁰Po) составит 0,19 мБк/см². Данное уравнение справедливо для периодов времени, значительно превышающих период полураспада ²¹⁰Po (138 сут). Поскольку для ретроспективной оценки экспозиции по радону целесообразно использовать объекты с возрастом не менее 10 лет, для них это условие всегда выполняется.

Рис. 5.17. Модель поведения продуктов распада радона в воздухе помещений