Спосіб експресної оцінки радіоактивних аерозолів

Винахід має відношення до вимірювальної техніки і може бути використаний для експресної оцінки об'ємної активності і дисперсних характеристик довгоживучи х радіоактивних аерозолів техногенного походження (ДЖАТП) при розрахунку їх надходження в дихальну систему людини як для цілей оперативного контролю радіаційної обстановки, так і для розрахунку дози інгаляційного опромінення персоналу АЕС і підприємств ядерного технологічного циклу. Для розрахунку надходження ДЖАТП потрібно знати об'ємну концентрацію ДЖАТП у повітрі, яким дихає людина і характеристики розподілу цих аерозолів за розмірами. На практиці застосовують наближення логнормального характеру цього розподілу. Його задають двома параметрами: медіанним діаметром аерозолів (d0) і дисперсією розподілу аерозолів за розміром (s). У випадку, коли значення параметрів розподілу ДЖАТП в повітрі є стале для розрахунку їх надходження, достатньо виміряти ці параметри одного разу, і кожний раз виміряти тільки об'ємну активність аерозолів. Поширений спосіб експресної оцінки об'ємної активності полягає в тому, що через фільтр, який забезпечує повну затримку цих аерозолів прокачують певний об'єм повітря, що аналізується, далі вимірюють величину радіоактивності ДЖАТП, що осіли на фільтрі і розраховують їх об'ємну активність, а далі і надходження в дихальну систему. Для одноразового знаходження параметрів розподілу аерозолів за розміром широко використовують імпактори - прилади, інформація з яких може бути отримана за допомогою трудомістких процедур тільки через значний проміжок часу після закінчення пробовідбору. У випадку, коли характеристики розподілу ДЖАТП за розмірами невідомі, їх експресну оцінку проводять одночасно з виміром об'ємної активності аерозолів за допомогою способу, який є прототипом до заявленого. Опис цього способу можна знайти у роботі: Боголапов Н.В., Константинов К.Е., Огородников Б.И., Скитович В.И. Метод исследования дисперсного состава радиоактивных аэрозолей в приземном слое воздуха / Вопросы защиты от излучений. Вып. 14. М. Атомиздат. 1975. С. 136-139. Зазначений спосіб полягає у тому, що заданий об'єм повітря з ДЖАТП прокачують через пакет з трьох шарів фільтруючого матеріалу, осаджувальні властивості яких відомі і підібрані таким чином, що забезпечують в умовах прокачки осідання на пакеті усіх ДЖАТП. Далі вимірюють активності ДЖАТП, що осіли на кожному з шарів і розраховують об'ємну активність аерозолів, як нормовану на об'єм прокачаного повітря сумарну активність трьох шарів, а для знаходження параметрів логнормального розподілу аерозолів вирішують систему рівнянь: ¥ A1 = e 1(d) × f( d 0 , s 0 , d ) × dd ò (1) 0 ¥ A2 = ò [1 - e (d)] × e 1 2 (d) × f( d0 , s 0 , d) × dd (2) 0 ¥ A3 = ò [1 - e (d)]× [1 - e 1 2 (d)] × e 3 (d) × f( d0 , s 0 , d) × dd (3) 0 A A A де - 1 , 2 , 3 виміряні радіоактивності ДЖАТП, що осіли на трьох шарах фільтра; e (d) e 2 (d) e (d) - 1 , , 3 - відомі функції залежності від аеродинамічного діаметра аерозолів коефіцієнтів їх осідання на відповідному шарі застосованих фільтруючи х матеріалів; f (d 0 , s 0 , d) функція залежності густини логнормального розподілу аерозолів від їх аеродинамічного діаметра d s ( d ) при значеннях медіанного діаметра 0 і дисперсії 0 . Як відмічають самі автори способу - прототипу, запис рівнянь у вигляді 1-3 можна використовува ти лише тільки за умови аналізу аерозолів, що мають одномодальний логнормальний розподіл за розмірами (дивись Скитович В.И., Будыка А.К., Огородников Б.И. Наблюдение за размерами радиоактивных аэрозольных частиц в 30-километровой зоне ЧАЭС в 1986-1987 гг. / Охрана окружающей среды, вопросы экологии и контроля качества продукции М. НИИТЭХИ М, 1992 Вып. 1 С. 53-64). У випадку застосування цих рівнянь до суміші, що складається з двох груп аерозолів, які відрізняються параметрами їх логнормальних розподілів, розв'язок системи рівнянь 1-3 неможливий, або дає беззмістовний набір параметрів замість розшукуваних дво х наборів. Тому цей спосіб не може бути застосований у важливому для практичного використання випадку знаходження у повітрі суміші двох груп аерозолів, які відрізняються параметрами їх логнормальних розподілів за розмірами (дивись Быховский А.В. Горячие аэрозольные частицы при техническом использовании атомной энергии. М. Атомиздат 1974, С 372). Як випливає з Норм радіаційної безпеки України (НРБУ-97) - (див. Рис. П.2.1 - П.2.9.), це особливо суттєво у випадку, коли медіанний діаметр однієї з груп ДЖАТП знаходиться у субмікронному діапазоні розмірів, а другої у мікронному, бо величини питомих дозових коефіцієнтів інгаляційного опромінення для аерозолів саме з такими медіанними діаметрами найбільш різняться. Таким чином, розглянутий спосіб (прототип) для експресної оцінки об'ємної активності і дисперсних характеристик ДЖАТП, який полягає у тому, що певний об'єм повітря, що підлягає аналізу, прокачують через пакет із трьох шарів фільтруючого матеріалу з відомими осаджувальними властивостями, що забезпечують повну затримку ДЖАТП, далі вимірюють радіоактивність ДЖАТП, що осіли на кожному з шарів і вирішують систему рівнянь 1-3, не може бути використаний для одержання технічного результату експресної оцінки об'ємної радіоактивності і дисперсних характеристик у випадку аналізу двомодальної суміші ДЖАТП. Зазначимо, що у випадку двомодальної суміші ДЖАТП поняття загальної об'ємної радіоактивності аерозолів вже не повністю характеризує дозу інгаляційного опромінення, і тому використовуються окремі поняття двох складових об'ємної активності. Технічною задачею на вирішення якої спрямований запропонований винахід є створення способу експресної оцінки складових об'ємної активності і характеристик розподілу аерозолів за розмірами у випадку аналізу двомодальної суміші ДЖАТП. Суть винаходу полягає у тому, що заданий об'єм повітря, що підлягає аналізу, прокачують через двокаскадний віртуальний імпактор (ВІ) з границями поділу аерозолів на групи в мікронному (Г М) та субмікронному (Г С) діапазонах, на трьох виходах ВІ, що відводять, відповідно, повітря з аерозолями, більшими за Г М, більшими за Г С, але меншими за Г М, і меншими за Г С, встановлюють двошарові фільтри з відомими осаджувальними властивостями, які повністю затримують ці аерозолі, вимірюють радіоактивність ДЖАТП, що осіли на кожному з шести шарів цих фільтрів і розв'язують систему рівнянь (4) - (11) відносно невідомих К1, К2, dом d oc s м s с , , , . ¥ ò A11 = K 1V e(d × f( d0M , s M, d) × dd + ) ГМ (4) ¥ ò + K 2 V e (d) × f( d 0C , s C , d) × dd ГМ ¥ A12 = K 1V e(d) × [1- e(d)] × f (d0 M, sM , d) × dd + ò ГМ (5) ¥ + K 2 V e (d) × [1 - e (d)] × f (d0C , s C, d) × dd ò ГМ A 21 + A 22 + A 31 + A 32 = ГМ = K 1V ò e (d) × f( d 0M , s M , d 0 ГМ + K 2V ò e (d) × f( d 0 C, s C , d ) × dd + (6) ) × dd 0 ГМ ò A 21 = K 1V e (d) × f( d 0М, sМ , d) × dd + ГС ГМ (7) ò + K 2 V e (d) × f( d0 С , s С , d) × dd ГС ГМ ò А 22 = K1 V e(d) × [1 - e (d)] × f (d0M , s M , d) × dd + ГС ГМ (8) + K 2 V e (d) × [1 - e (d)] × f (d0C , s C, d) × dd ò ГС ГC ò A 31 = K 1V e(d) × f( d0M , s M, d) × dd + 0 ГC (9) ò + K 2 V e(d) × f( d0C , s C , d) × dd 0 ГC ò A 32 = K1 V e (d) × [1 - e(d)]× f (d0M, s M, d) × dd + 0 ГМ (10) + K 2 V e (d) × [1 - e (d)] × f (d0C , s C, d) × dd ò 0 A 11 + A 12 + A 21 + A 22 + A 31 + A 32 = K1 V + K 2 V (11) A A A A A A де - 11 , 12 , 21 , 22 , 31 , 32 виміряні радіоактивності ДЖАТП, що осіли на перших і других шарах фільтрів повітрявідводів ВІ відповідно для аерозолів з розмірами більшими за Г М, більшими за Г С, але меншими за Г М, і меншими за ГС; - V - відомий об'єм прокачаного через ВІ повітря; - e (d) - відома функція залежності від аеродинамічного діаметра аерозолів коефіцієнта їх осідання на окремому шарі застосованого фільтруючого матеріалу; f (d 0i , s i , d) - відома функція залежності густини логнормального розподілу аерозолів від їх аеродинамічного діаметра (d) при значеннях медіанного діаметра d0i і дисперсії si; - dом , dос, sм , sс - розшук увані медіанні діаметри і дисперсії складових розподілів двох гр уп ДЖАТП в їх суміші; - К1, К 2 - розшукувані складові результуючої об'ємної активності двох груп ДЖАТП в їх суміші. Таким чином, запропонований спосіб експресної оцінки об'ємної активності і дисперсних характеристик ДЖАТП виявляє нову у порівнянні з прототипом властивість - здатність експресної оцінки складових об'ємної активності і дисперсних характеристик двомодальної суміші ДЖАТП. Ще одним технічним результатом, який забезпечує використання запропонованого винаходу у випадку аналізу одномодальної групи аерозолів є можливість підвищення (у порівнянні з прототипом) точності визначення дисперсних параметрів розподілу аерозолів, за рахунок того, що в запропонованому способі використовується фільтруючий матеріал одного типу, а не трьох як у прототипі, і можлива невизначеність осаджувальних властивостей фільтра є відповідно меншою. Здійснення запропонованого способу стало можливим завдяки розробленому авторами цієї заявки пристрою для розділення аерозолів за розмірами. (На цей пристрій подається окрема заявка на винахід). На рис. 1 зображено використаний для реалізації запропонованого способу пристрій, що являє собою спеціалізований віртуальний імпактор (ВІ). Потік повітря, що підлягає аналізу, засмоктується через набір сопел - 1 першого каскаду ВІ в якому в повітрявідводні канали - 2 разом з малою частиною вихідного потоку відводяться і аерозолі з аеродинамічним діаметром, більшим за вибрану величину границі відбору мікронного діапазону (Г М). Значення Г М при певному діаметрі сопел 1 задається підбором швидкості повітря на виході з них і контролюється за допомогою прокачування через ВІ повітря з аерозолями каліброваних розмірів отриманого в стандартному генераторі масляного аерозолю. На виході з каналів 2 встановлено двошаровий фільтр 3 з тканини Петрянова типу ФІПП70-0,5 на який з частини повітря, що через нього проходить зі швидкістю біля 0,5 м/с, осідають присутні аерозолі з аеродинамічним діаметром більшим за Г М. Основна частина повітря - 4, що вийшла з сопел 1 першого каскаду ВІ за рахунок явища імпакції відхиляється від свого початкового напрямку руху і засмоктується через набір сопел 5 другого каскаду ВІ. Містить вона в своєму складі тільки аерозолі з аеродинамічним діаметром меншим за Г М. В повітрявідводні канали 6 другого каскаду ВІ разом з малою частиною повітря, що виходить з сопел 5, відводяться і аерозолі з аеродинамічним діаметром, більшим за встановлену величину границі відбору субмікронного діапазону (Г С). Значення Г С задається і контролюється таким же чином, як і у випадку Г М. Аналогічно фільтру 3 першого каскаду, на виходах каналів 6 встановлено двошаровий фільтр 7 другого каскаду, на який з повітря, що проходить зі швидкістю біля 2 м/с, осідають аерозолі з аеродинамічним діаметром більшим за Г С, (але меншим за Г М, бо аерозолі, розмір яких більший за Г М, як відмічалося, уже були відібрані у першому каскаді ВІ). Основна частина повітря - 8, що вийшла з сопел 5 другого каскаду ВІ- містить в своєму складі тільки аерозолі з аеродинамічним діаметром меншим за Г С. Вона відхиляється від свого початкового напрямку руху і аерозолі з неї осідають на аналогічних 3 і 7 фільтрах 9 при проходженні їх зі швидкістю біля 4 м/с. Вимоги до вибору границі відбору аерозолів в каскадах ВІ не є жорсткими: у мікронному діапазоні вона тільки не повинна перевищува ти граничних розмірів аерозолів, що здатні проходити у внутрішні відділи дихальної системи людини (не більше 7-10 мкм), а у субмікронному - забезпечувати збереження умов ламінарності повітряного потоку в соплах др угого каскаду (при вибраній геометрії 2-го каскаду це біля 0,5 мкм). Швидкості повітря при проходженні шарів фільтрів 3, 7 і 9 підібрані з одночасним урахуванням наступних вимог: вони повинні бути настільки великими, щоб, згідно з прототипом, домінуючим механізмом утримання аерозолів волокнами фільтрів був механізм інерційного захвату, е фективність якого пропорційна квадрату аеродинамічного діаметра аерозолів і швидкості їх руху, але вони не повинні бути надто великими, щоб виконувалась умова мінімального прояву явища відскоку цих аерозолів від поверхні волокон фільтрів, яку у випадку зазначеної тканини, згідно з роботою Будыка А.К., Огородников Б.И., Скитович В.Н., Петрянов И.В. Влияние размера частиц на эффективность высокоскоростного отбора проб. / Охрана окружающей среды, вопросы экологии и контроля качества продукции. М НИИТЭХИМ, 1992. Вып. 3 С. 35-40, можна записати як Vкрит . = 0,78d-0, 7 . Після завершення просмоктування через ВІ заданого об'єму повітря (V) сумарна радіоактивність ДЖАТП з цього повітря є розподіленою між 6 шарами фільтруючої тканини фільтрів 3, 7, 9. Для вимірювання її складових використовують відповідні промислові радіометри. Виміряні значення радіоактивності кожного з 6 шарів фільтрів, аналогічно випадку прототипу, пов'язані аналітичною залежністю з відомими фільтруючими властивостями використаного матеріалу є (d) і параметрами логнормальних розподілів аерозолів, що розшукуються. Крім того, у системі рівнянь 4-11 заявленого способу присутні складові K1 і K2 об'ємної активності двомодальної суміші аерозолів, що також підлягають знаходженню. При загальному числі невідомих 6 вони пов'язані 8-мома незалежними рівняннями системи. Ця перевизначеність невідомих є суттєво необхідною для усунення невизначеностей при розв'язанні інтегральних рівнянь. Зазначимо, що у випадку прототипу для знаходження двох невідомих використовується система трьох інтегральних рівнянь 1-3. Запропонований спосіб реалізовано в 2003 році в умовах об'єкту "Укриття" Чорнобильської АЕС. Для деяких його приміщень підтверджено існування в них двомодальної суміші ДЖАТП з внеском субмікронної компоненти на рівні 20-30% від загальної об'ємної активності. Це може свідчити про протікання в об'єкті "Укриття" процесів інтенсивного диспергування поверхні існуючих там паливомістких мас. Таким чином запропонований спосіб є новим, має рівень винахідництва і може знайти промислове застосування, тобто винахід відповідає необхідним умовам патентоздатності.