Средства воспроизведения единиц объемной и эквивалентной равновесной объемной активности радона : диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук : 01.04.01

Радиоактивный газ радон – постоянный природный спутник человече- ства. Проблема облучения персонала и населения за счет природных источ- ников ионизирующего излучения представляет значительный интерес в связи с тем, что данные источники излучения вносят основной вклад в формирова- ние суммарной эффективной дозы облучения населения [1, 2]. За счет инга- ляционного поступления радона и продуктов его распада создается более по- ловины общей дозы облучения населения от природных источников излуче- ния [3]. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) признала, что радон является второй после курения причиной возникновения рака легкого [4]. Анализ оценки риска здоровью при облучении радоном, проведенный НКДАР ООН, показал, что от 10 до 14 % случаев рака легкого обусловлены облучением населения дочерними продуктами распада радона в жилищах [2]. Облучение радоном является следующей после курения основной причиной возникновения этого тяжелого заболевания.
Традиционно считается, что основной источник поступления радона в атмосферу помещений – грунт под зданиями [1, 5, 6], но в современных энер- гоэффективных зданиях значимым источником поступления радона может быть и его диффузионное выделение из ограждающих конструкций [7–9].
Поскольку основное радиационное воздействие на человека обуслов- лено не столько инертным газом радоном, сколько его дочерними продукта- ми распада, откладывающимися в респираторном тракте, не менее важной задачей является измерение эквивалентной равновесной объемной активно- сти (ЭРОА) радона, служащей мерой интенсивности радиационного воздей- ствия на человека.
Значимость проблемы обеспечения радиационной защиты персонала и населения привела к необходимости разработать различные методы и сред-
4
5
ства измерения ОА и ЭРОА радона в воздухе. Принципы работы средств из- мерения ОА радона весьма различны в зависимости от поставленных задач.
Для обеспечения единства измерений и повышения их точности в лю- бой технической области необходимо создать систему, обеспечивающую пе- редачу размера единицы измерения от первичного эталона к эталонным, а далее к рабочим средствам [10–12]. Измерения ОА и ЭРОА радона не состав- ляют исключение. Для обеспечения качества измерений ОА радона в ряде стран были разработаны первичные эталоны активности или объемной ак- тивности радона, позволяющие воспроизвести с высокой точностью единицу измерения, не прибегая к эталону той же природы. Необходимо отметить, что официально утвержденный специальный эталон объемной активности радона в России отсутствует до настоящего времени. Эталоны активности или ОА радона, а также ЭРОА радона отсутствуют во многих странах, не имеющих официальных соглашений о признании эталонов с Европейским союзом или США. В связи с этим разработка простых в эксплуатации, имеющих прием- лемую стоимость и обеспечивающих достаточную точность первичных эта- лонов ОА и ЭРОА радона представляет собой актуальную задачу.
Степень разработанности темы исследования.
Анализ методов и средств воспроизведения ОА радона, основанных на использовании эманирующих источников 226Ra, показал, что в них, как пра- вило, не контролируется коэффициент эманирования радона в процессе рабо- ты. В первичных эталонах объемной активности ДПР радона производятся измерения объемной активности всех короткоживущих продуктов распада 218Po, 214Pb, 214Bi (214Po) путем одновременного измерения удельных активно- стей всех этих изотопов при помощи α- и γ-спектрометров. Конструкция та- ких средств и процедуры их практического применения весьма сложны и не всегда оправдана. Влияние самопоглощения α-частиц в фильтре может вно- сить заметные погрешности в измерения активности 218Po и 214Po. Необходи- мость одновременного использования α- и γ-спектрометров существенно усложняет конструкцию экспериментальной установки и увеличивает ее сто-

6
имость. При этом точность данных эталонов, определяемая суммарной не- определенностью ∼2 % во многих случаях является избыточной для прибо- ров, используемых в практических измерениях. Поскольку при измерениях основной интерес представляет ЭРОА радона, а не объемная активность от- дельных ДПР радона, то для целей поверки достаточно разработать эталон, воспроизводящий именно эту величину.
Объектом исследования является газо-воздушная смесь, содержащая газ 222Rn и короткоживущие продукты его распада 218Po, 214Pb, 214Bi (214Po).
Предметом исследования являются средства воспроизведения ОА и ЭРОА радона с заданной точностью, не использующие при своей работе эта- лонные меры или измерительные приборы для контроля этих величин, отгра- дуированные в данных единицах измерений.
Формулировка цели работы
Цель исследования состоит в научном обосновании и усовершенство- вании косвенных методов измерений ОА и ЭРОА радона и разработки на этой основе макетных образцов прототипов специальных эталонов воспроиз- ведения этих величин с допустимой неопределённостью, не превышающей 3 %, а также методик передачи размера этих величин образцовым и рабочим средствам измерений.
Задачи исследования
1. Обоснование косвенного метода воспроизведения ОА радона и разра- ботка путей его реализации для метрологического обеспечения средств кон- троля этой величины с использованием в качестве источника радона специ- ального эманирующего источника 226Ra, а в качестве основного измеритель- ного средства гамма-спектрометра на базе HPGe-детектора.
2. Обоснование косвенного метода воспроизведения ЭРОА радона и раз- работка его реализации для метрологического обеспечения средств контроля этой величины путём измерения активности аэрозолей, осаждённых на филь- тре, по активности ДПР радона изотопа 214Bi c использованием в качестве ос-

7
новного измерительного средства гамма-спектрометра на базе HPGe- детектора.
3. Создание и экспериментальное исследование макетных образцов про- тотипов специальных эталонов ОА и ЭРОА радона с определением источни- ков и численных значений неопределенностей воспроизведения и передачи единиц ОА и ЭРОА радона образцовым и рабочим средствам контроля дан- ных величин в природной среде.
4. Определение путей снижения наиболее значимых неопределённостей воспроизведения единиц ОА и ЭРОА радона при создании специальных эта- лонов этих величин на основе предложенных прототипов.
Научная новизна:
1. Предложен, научно обоснован и исследован косвенный метод воспро- изведения единиц ОА радона для метрологического обеспечения средств контроля этой величины с использованием в качестве источника радона спе- циального эманирующего источника 226Ra, а в качестве основного измери- тельного средства гамма-спектрометра на базе HPGe-детектора.
2. Предложен, научно обоснован и исследован косвенный метод воспро- изведения единиц ЭРОА радона для метрологического обеспечения средств контроля этой величины путём измерения активности аэрозолей, осаждённых на фильтре, по активности ДПР радона изотопа 214Bi c использованием в ка- честве основного измерительного средства – гамма-спектрометра на базе HPGe-детектора с определением сдвига равновесия в цепочке распада ДПР радона 218Po→214Pb→214Bi.
3. Определены основные источники неопределенностей разработанных средств воспроизведения единиц ОА и ЭРОА радона и обоснованы пути снижения суммарной неопределенности воспроизведения этих величин до практически приемлемого уровня, не превышающего 3 %
4. Определены основные источники неопределенностей при передаче единиц ОА и ЭРОА радона от средств воспроизведения размера единиц к ра- бочим средствам контроля ОА и ЭРОА радона.

Теоретическая и практическая значимость исследования:
1. Теоретически и экспериментально обоснована возможность создания специальных эталонов единиц ОА и ЭРОА радона на основе единого сред- ства измерений – γ-спектрометра высокого разрешения на основе детектора из особо чистого германия.
2. Предложены и экспериментально исследованы две возможные схемы установки для воспроизведения единиц ОА радона: проточная и непрерывная с использованием в качестве источника радона специального эманирующего источника 226Ra, а в качестве основного измерительного средства гамма- спектрометра на базе HPGe-детектора.
3. Впервые в России разработаны макетные образцы прототипов специ- альных эталонов единиц ОА и ЭРОА радона с непрерывным контролем ко- эффициента эманирования источника 226Ra, позволяющие создать государ- ственные специальные эталоны этих величин с обеспечением суммарной стандартной неопределенности значений этих величин не более 3 %.
4. На основе предложенных прототипов специальных эталонов единиц ОА и ЭРОА предложены процедуры передачи размера единиц от эталонов к образцовым и рабочим средствам контроля этих величин, которые могут служить основой для разработки методик поверки этих средств с использо- ванием данных эталонов
Методы исследований
Используются теоретические и экспериментальные методы исследова- ния. В качестве основного экспериментального метода исследования в дис- сертационной работе использовано измерение активности эманирующего ис- точника и аэрозольных фильтров при помощи гамма-спектрометрии с ис- пользованием детектора из особо чистого германия. При помощи данного метода проводится как контроль коэффициента эманирования источника 226Ra, служащего источником радона, так и активность ДПР радона, отобран- ных на аэрозольный фильтр.
8

Положения, выносимые на защиту:
1. Конструкция средства воспроизведения размера единиц ОА радона с непрерывным контролем коэффициента эманирования по отношению актив- ностей 214Pb/226Ra и 214Bi/226Ra, в источнике позволяет получить контролиру- емую ОА радона в диапазоне 0,3–30 кБк/м3 с неопределенностью, не превы- шающей 3 %.
2. Конструкция средства воспроизведения размера единиц ЭРОА радона, с определением измеряемой величины единичным измерением активности 214Bi при контроле сдвига равновесия в цепочке 218Po→214Pb→214Bi, позволяет получить контролируемую ЭРОА радона с неопределенностью, не превыша- ющей 3 %.
3. Основными источниками неопределенности воспроизведения единиц ОА и ЭРОА радона являются неопределенность измерения активности 226Ra в эманирующем источнике (ОА) и пуассоновская неопределенность скорости счета в пике полного поглощения.
4. При передаче размера единицы измерения ОА радона основными ис- точниками суммарной неопределенности являются неопределенности сред- ства воспроизведения, пуассоновская неопределенность количества зареги- стрированных импульсов и, для трековых детекторов, неопределенности свя- занные с процессом обработки материала детектора. При передаче размера единицы измерения ЭРОА радона доминирующие источники суммарной не- определенности обусловлены конструктивными особенностями поверяемого прибора.
Достоверность полученных результатов
Достоверность полученных результатов обеспечивается научной обоснованностью исходных положений, лежащих в основе методов опреде- ления ОА и ЭРОА радона, их соответствием законам радиоактивного распа- да, использованием прецизионных средств измерений, эталонных мер, атте- стация которых прослеживается до ведущих метрологических центров, хо- рошей воспроизводимостью данных измерений и использованием современ-
9

10
ных методов статистической обработки результатов экспериментальных ис- следований.
Рекомендации по использованию полученных результатов
Разработанные средства воспроизведения размера единиц ОА и ЭРОА радона позволяют создать эталоны с характеристиками, удовлетворяющими требованиям к первичным государственным эталонам данных единиц. По- добные средства востребованы как в Российской Федерации, где в настоящее время отсутствует Государственный специальный эталон ОА радона, так и национальными метрологическими службами других стран, где метрологи- ческое обеспечение единства измерений ОА и ЭРОА радона отсутствует полностью.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Первая международная молодежная научная конференция, посвященная 65-летию основания Физико- технологического института, Екатеринбург, 2014; 8-th International Conference on High Levels of Natural Radiation and Radon Areas. Prague, Czech Republic, 2014; 2nd International Conference «Radon in the Environment 2015, Kraków (Po- land); 8-th International Conference on Protection against Radon at Home and at Work, Prague, 2016; Fourth International Conference on Radiation and Applica- tions in Various Fields of Research (RAD 2016), Niš, Serbia, Конференция «Био- сферная совместимость атомной энергетики», Екатеринбург, 2017.
Публикации
По теме диссертационной работы имеется 10 публикаций, из них 3 входят в систему индексирования Web of Science.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка со- кращений, списка использованных источников из 109 наименований. Работа изложена на 145 страницах, содержит 19 таблиц и 42 рисунка.