Пристрій для експресної оцінки радіоактивних аерозолів

Винахід має відношення до вимірювальної техніки і може бути використаний для експресної оцінки об'ємної активності і дисперсних характеристик довгоіснуючих радіоактивних аерозолей техногенного походження (ДІАТП) 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 ДІАТП потрібно знати об'ємну концентрацію ДІАТП у повітрі, яким дихає людина і характеристики розподілу цих аерозолей за розмірами. На практиці застосовують наближення логнормального характеру цього розподілу. Його задають двома параметрами: медіанним діаметром аерозолей (d0) і дисперсією розподілу аерозолей за розміром (σ). У випадку, коли значення параметрів розподілу ДІАТП в повітрі є стале для розрахунку їх надходження, достатньо виміряти ці параметри одного разу, і кожен раз виміряти тільки об'ємну активність аерозолей. Поширений спосіб експресної оцінки об'ємної активності полягає в тому, що через фільтр, який забезпечує повну затримку цих аерозолей прокачують певний об'єм повітря, що аналізується, далі вимірюють величину радіоактивності ДІАТП, що осіли на фільтрі і розраховують їх об'ємну активність, а далі і надходження в дихальну систему. Для одноразового знаходження параметрів розподілу аерозолей 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 значення параметрів розподілу ДІАТП за розмірами невідомі, їх експресну оцінку потрібно проводити одночасно з виміром об’ємної активності аерозолей. Збільшити швидкість виконання аналізів можливо, якщо в вимірах використати модифікований варіант імпактора - віртуальний імпактор (ВІ). Опис простійшого односопельного ВІ подано на сторінках 87-95 книжки Гришмановский В.И. „Дозиметрический и радиационный контроль". М. Атомиздат 1980 т. 1. (такий варіант ВІ носить російську назву центрипитер). Прототипом запропонованому пристою може слугувати двокаскадний багатосопельний ВІ опублікований у роботі Tomas J. Yule "An on-line monitor for alpha-emmitting aerosols" - ІЕЕЕ Transactions on Nuclear Science, vol. NS-25, № 1, 1978, p. 762-766. Він містить у першому каскаді 9 сопел з внутрішнім діаметром 3,05мм, через які зі швидкістю 52м/с прокачується повітря з ДЖАТП, яке підлягає аналізу. Навпроти кожного з сопел на відстані 4мм від них встановлені повітрявідводи першого каскаду, через які з усього потоку, що виходить з сопел цього каскаду відсмоктується 0,275 частина його разом з ДІАТП, мінімальний аеродинамічний діаметр яких складає 1,7мкм. Аерозолі меншого розміру при цьому продовжують рухатись у напрямку другого каскаду разом з більшою частиною потоку. Ця сепарація аерозолів за аеродинамічними розмірами відбувається за рахунок того, що ДІАТП з аеродинамічним діаметром меншим за 1,7мкм після виходу з сопла першого каскаду встигають змінити траєкторію свого руху, таким чином, щоб не бути засмоктаними у повітрявідводи першого каскаду, а більш інерційні ДІАТП з аеродинамічним діаметром більшим за 1,7мкм за цих умов не здатні суттєво змінити траєкторію свого руху і тому разом з зазначеною частиною повітряного потоку засмоктуються у повітрявідводи першого каскаду. Далі засмоктана менша частина потоку проходить з аналогічною швидкістю через 3 аналогічних сопла другого каскаду і в аналогічно розташовані повітрявідводи його відбирається з неї також 0,275 частина. Відібраний повітряній потік є ще більше збагачений ДІАТП, мінімальний аеродинамічний діаметр яких складає 1,7мкм. Ці аерозолі осідають на повітряному фільтрі, встановленому на виході повітрявідводів. Вимірявши радіоактивність ДІАТП, що осіли на цьому фільтрі, при відомому об'ємі прокачаного через ВІ повітря, можна знайти для повітря, що аналізувалося, об'ємну концентрацію аерозолей (АГм ), аеродинамічний діаметр яких більший за 1,7мкм. Якщо окремо для цього ж повітря виміряти і загальну об'ємну концентрацію всіх ДІАТП (АЗа), то за допомогою рівняння: АГм ¥ Аза = ò f (d Гм 0 , s 0 , d )× d d (1) де f(d0, σ0, d) - функція залежності густини логнормального розподілу аерозолів від їх аеродинамічного діаметра (d) при значеннях медианного діаметра d0 і дисперсії σ0, можливо розрахувати параметри логнормального розподілу аерозолей в цьому повітрі. Рішення рівняння (1) мають фізичний зміст тільки у випадку коли аерозолі, що підлягають аналізу, є одномодальні, тобто їх можна характеризувати єдиним набором параметрів d0 і σ0. Тому цей пристрій - прототип не може бути використаний у важливому і найбільш поширеному при практичному застосуванні випадку знаходження у повітрі суміші двох гр уп аерозолей, 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 ДІАТП знаходиться у субмікронному діапазоні розмірів, а другої у мікронному, бо величини питомих дозових коефіцієнтів інгаляційного опромінення для аерозолів саме для груп з такими медіанними діаметрами найбільш різняться. Таким чином розглянутий пристрій (прототип) для експресної оцінки розподілу аерозолей за аеродинамічними характеристиками, що складається з двокаскадного набору сопел, через які проходить повітряний потік з аерозолями, повітрявідводів, через які відводиться частина потоку з аерозолями мінімальний аеродинамічний діаметр яких Гм є в мікронному діапазоні розмірів, не може бути використаний для одержання технічного результату: експресної оцінки розподілу аерозолей за аеродинамічними характеристиками у випадку аналізу двомадальної суміші ДІАТП. Технічною задачею, на вирішення якої спрямований запропонований винахід, є створення пристрою для експресної оцінки розподілу аерозолей за аеродинамічними характеристиками саме у випадку аналізу поширеної на практиці двомодальної суміші ДІАТП. Суть винаходу полягає у тому, що в першому каскаді запропонованої двокаскадної багатосопельної системи встановлені повітрявідводи для відбору повітря з ДІАТП, мінімальні аеродинамічні діаметри Гм яких знаходяться в мікронному діапазоні розмірів, а в др угому каскаді встановлені дві групи повітрявідводів, через одну з них відбирається повітря з аерозолями максимальний аеродинамічний діаметр Г с яких знаходяться в субмікронному діапазоні розмірів, а через другу - з аерозолями більшими за Г с, але меншими за Г м і на виходах усі х повітрявідводів встановлені двошарові тканні фільтри з відомими осаджувальними властивостями здатні вилучати з повітряних потоків, що походять через них зі швидкостями меншими за критичні всі аерозолі. Для експресної оцінки розподілу аерозолей за аеродинамічними характеристиками з допомогою запропонованого пристрою потрібно також скористатися розробленим цими ж авторами „Способом експресної оцінки радіоактивних аерозолів". (На цей спосіб авторами подана окрема заявка на винахід, яка прийнята до розгляду Українським Інститутом промислової власності 18 квітня 2003 p.) Суть способу полягає в тому, що після проходження через ВІ заданого об'єму повітря, вимірюють радіоактивність ДЖАТП, що осіли на кожному з шести шарів тканинних фільтрів і розв'язують відносно невідомих К1, К 2, dом , dос, s м , s с систему рівнянь (2) - (9): ¥ ò A11 = K 1V e(d) × f( d0 M , s M , d) × d d + GM ¥ ò e(d) × f( d + K 2V 0M , s C, d )× d d GM (2) ¥ A12 = K 1V e (d) × [1 - e(d)] × f (d 0M , s M , d) × d d + ò GM ¥ + K 2 V e (d) × [1 - e (d)] × f (d0M , s C , d) × d d ò GM (3) GM A 21 + A 22 + A 31 + A 32 = K 1V ò e(d) × f( d 0M , s M , d )× d d + 0 GM ò e(d) × f( d + K2V 0M , s C , d )× d d 0 (4) GM ò e(d) × f( d A 21 = K 1V 0M , s M , d )× d d + GC GM ò e (d) × f( d + K 2V )× d d 0M ,sC , d GC (5) GM A 22 = K1 V ò e(d) × [1 - e(d)] × (d) × f( d )×d d + 0M ,sM , d GC GM + K 2V ò e( d) × [1- e(d)] × (d) × f( d 0M , s C , d GC (6) GC ò A 31 = K 1 V e(d) × f ( d0M , s M, d) × d d + 0 GC + K 2V ò e(d) × f(d 0 )× d d 0 M, s C , d ) × d d (7) GC A 32 = K1 V e(d) × [1 - e(d)]× f (d0M , s M , d) × d d + ò 0 GC ò + K 2 V e( d) × [1 - e( d)] × f ( d0M, s C , d) × d d 0 (8) A 11 + A 12 + A 21 + A 22 + A 31 + A 32 = K1 V + K 2 V (9) де A11, A12, А21, А22, А31 , A32 - виміряні радіоактивності ДІАТП, 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; ε(d) - відома функція залежності від аеродинамічного діаметра аерозолів коефіцієнта їх осідання на окремому шарі застосованого фільтруючого матеріалу; f(di,σi,d) - відома функція залежності густини логнормального розподілу аерозолів від їх аеродинамічного діаметра (d) при значеннях медіанного діаметра d0 і дисперсії σi; dом , dос, σм , σс - розшукувані медіанні діаметри і дисперсії складових розподілів двох груп ДIАТП в їх суміші; К1, К 2 - розшукувані складові результуючої об'ємної активності двох гр уп ДIАТП в їх суміші. Таким чином, запропонований пристрій для експресної оцінки розподілу аерозолей за динамічними характеристиками виявляє нову у порівняний з прототипом властивість - здатність експресної оцінки дисперсних характеристик двомадальної суміші ДІАТП і складових їх об'ємної активності. Зауважимо, що остання властивість не була притаманна прототипу навіть у відношенні до одномодальної аерозольної системи. На рис.1 зображено запропонований пристрій, що являє собою спеціалізований вальний імпактор (ВІ). Потік повітря, що підлягає аналізу, засмоктується через набір круглих 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 (Гм ). Значення Г м при певному діаметрі (D) сопел 1 задається підбором швидкості повітря (v) на ви ході з них у відповідності з рівнянням 7.16 книжки П. Райст „Аэрозоли". М. Мир 1987: Γ Μ = stk × 9μμD/c , (10) де stk - число Стокса, що складає для круглого сопла величину 0,207; o μ - коефіцієнт в'язкості повітря, що при температурі 20 C дорівнює 0,000183 Пу; D - діаметр сопла; с - поправка Каннингейма; v - швидкість повітря на виході з сопла. Воно 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 ФПП-70-0,5 на який з повітря, що через нього проходить зі швидкістю біля 0,5м/с, осідають присутні аерозолі з аеродинамічним діаметром більшим за Г м . Швидкість повітря при проходженні шарів фільтра 3 підібрана з одночасним урахуванням наступних вимог: вона повинна бути настільки великою, щоб домінуючим механізмом утримання аерозолей волокнами фільтрів був механізм інерційного захвату, ефективність якого пропорційна квадрату аеродинамічного діаметра аерозолей і швидкості їх руху, але вона не повинна бути надто великою, щоб виконувалася умова мінімального прояву явища відскоку цих аерозолей від поверхні волокон фільтруючої тканини, 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. 3540, можна записати у вигляді v крит = 0,78d-0, 7 (11) 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 Гм . 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 2м/с, яка відповідає зазначеній вище умові (11), 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 ГС. За рахунок явища імпакції 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 4м/с, що також відповідає записаній в (11) умові. Вимоги до вибору границі відбору аерозолей в каскадах ВІ не є жорсткими: у мікронному діапазоні вона не повинна тільки перевищувати граничних розмірів аерозолей, що здатні проходити у внутрішні відділи дихальної системи людини (не більше 7-10мкм), а у субмікронному - забезпечувати збереження умов ламінарності повітряного потоку в соплах др угого каскаду (при вибраній геометрії 2-го каскаду це біля 0,5мкм). 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, пов'язані аналітичною залежністю з відомими фільтруючими властивостями використаного матеріалу e( d) і параметрами логнормальних розподілів аерозолів, що розшук уються. Крім того, в систему рівнянь 2-9 заявленого використання пристрою входять і складові об'ємної активності двомодальної суміші аерозолів К1 і К2, 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 знаходженні розв'язків інтегральних рівнянь. Запропонований пристрій реалізовано в 2003 році в Міжгалузевому науково-технічному центрі „Укриття" НАН України. В обох каскадах ВІ встановлено по 256 сопел з такою ж кількістю повітрявідводних каналів. Діаметри сопел в першому каскаді 3,6мм в другому - 1,2мм, повітрявідводів: 4,5мм і 1,5мм, відповідно, при відстані між ними і виходами сопел 6мм і 2мм. Прокачування повітря через сопла відбувається за рахунок розрядження створеного двома турбінами відцентрового типу і становить 2,2м 3 за хвилину. Значення Гм і Гс в цих умовах складають 4,2мкм і 0,6мкм. До повітрявідводних каналів кожного з каскадів відводиться аналогічно прототипу по 27,5% від об'єму повітря, що ви ходить з їх сопел. Для отримання у фільтрах на ви ходах з повітрявідповідних каналів зазначених вище швидкостей руху повітря робоча площа фільтрів становить 5,2дм 2 і 1,3дм 2 відповідно для відбору аерозолей більших за 4,2мкм і 0,6мкм. Аерозолі з аеродинамічним діаметром меншим за 0,6мкм осідають на фільтр площею 1,5дм 2. Запропонований пристрій використано для оцінки концентрації і дисперсного складу ДЖАТП в приміщеннях об'єкту „Укриття" Чорнобильської АЕС. Для деяких з них підтверджено існування двомадальної суміші ДЖАТП з внеском субмікронної компоненти на рівні 20-30% від загальної об'ємної радіоактивності. Це може свідчити про протікання в об'єкті "Укриття" процесів інтенсивного диспергування поверхні існуючих там паливомістких мас. Таким чином запропонований пристрій є новим, має рівень винахідництва і може знайти промислове застосування, тобто винахід відповідає необхідним умовам патентоздатності.