Метрологическое обеспечение измерений радона при полевых геоэкологических и геофизических исследованиях

В последние годы большое внимание уделялось проблемам радона, как гигиеническому фактору, где нормируемой величиной является эквивалентная равновесная объемная активность радона (ЭРОА). В связи с этим разработка новых методик и средств измерения (СИ) объемной активности радона и их метрологическое обеспечение были направлены в основном на измерения дочерних продуктов распада радона (ДПР), которые и определяют значение ЭРОА (методы Кузнеца, Маркова, Томсона).

Однако для решения геоэкологических и геодинамических задач применяют методы прямых измерений объемной активности радона в почвенном и атмосферном воздухе. Для этого используют экспрессные и обладающие достаточно высокой чувствительностью методы «мгновенного» измерения активности радона (эманационная съемка) с использованием радиометров (эманометров) радона. Вместе с тем метрологическое обеспечение этих методов остается на уровне начала двадцатого века, когда в 1910 г. Международным конгрессом по электричеству и радиологии была установлена единица Кюри, определенная как «количество радона, находящегося в равновесном состоянии с одним граммом радия» и количество радона измерялось с помощью ионизационных камер.

Эманационная съемка решает задачи по выявлению глубокозалегающего оруденения естественных радиоактивных элементов по связанным с ним газовым ореолам радонаона используется в научных целях для изучения процесса миграции радона и для подтверждения математических моделей переноса эманации. Эманационная съемка позволяет исследовать процесс подготовки горных ударов и тектонических землетрясений и решить задачи по разработке системы их прогнозов. Результаты эманационной съемки используют для выявления тектонических разломов, контроля объектов захоронения радиоактивных отходов, исследований загрязнения бурового оборудования на объектах добычи нефти и газа, а также применяемых для их транспортировки трубопроводов. При всех этих исследованиях, для принятия оперативных административных решений необходимы достоверные, высокочувствительные и «мгновенные» методы измерений, точность и достоверность которых может быть легко проконтролирована в точках наблюдений непосредственно в полевых условиях. Недостоверность информации и отсутствие гарантии качества результатов измерений влияет на решение экологических и социальных вопросов и приводит к потере здоровья людей, а также, к нерациональным затратам средств.

Актуальность метрологического обеспечения эманационных съемок определяется необходимостью получения экспрессной, объективной и достоверной измерительной информации непосредственно в полевых условиях, а также требованиями корректности методологии обеспечения сопоставимости информации, полученной при решении геоэкологических и геодинамических задач.

Диссертационная работа посвящена решению проблем обеспечения единства и требуемой точности измерения объемной активности радона при решении геоэкологических и геодинамических задач. Работа содержит научное обоснование, описание методики изготовления и методики метрологической аттестации комплекта стандартных образцов объемной активности радона с использованием естественных радиоактивных материалов для экспрессного и экологически безопасного проведения калибровочных работ в полевых условиях, а также обоснование целесообразности создания системы передачи размера единицы объемной активности радона на основе разработанных стандартных образцов (СО). Таким образом, в итоге создается экологически безопасная, корректная и экономически выгодная система передачи.

Основной целью диссертационной работы является создание системы метрологического обеспечения эманационных съемок при решении геоэкологических и геодинамических задач, основанной на разработке комплекта стандартных образцов объемной активности радона, используемых для проведения калибровочных работ в полевых условиях.

Основные задачи, решаемые в работе:

1. Анализ состояния метрологического обеспечения для измерения радона в почвенном и атмосферном воздухе.

2. Выбор материала для изготовления комплекта СО объемной активности радона для проведения калибровочных работ в полевых условиях.

3. Выбор оптимальной конструкции СО для проведения калибровки радиометров непосредственно в полевых условиях.

4. Обоснование выбора метода аттестации СО объемной активности радона и методики оценки его метрологических характеристик.

5. Разработка методики калибровки радиометров радона в полевых условиях с применением специально изготовленного комплекта СО объемной активности радона.

Научная новизна:

1. Разработана локальная поверочная схема для передачи размера единицы объемной активности радона на основе анализа и сопоставления измерительных задач при проведении геоэкологических и геодинамических исследований.

2. Установлены и оценены факторы, влияющие на стабильность физических свойств радийсодержащих горных пород малой активности.

3. Оптимизированы параметры конструкции СО и впервые изготовлен комплект СО объемной активности радона малой активности.

4. Разработана методика передачи размера единицы объемной активности радона от растворенных солей радия к СО объемной активности, основанная на проведении измерений в любой точке кривой накопления, в условиях контролируемого сдвига равновесия во времени и возможности представления результатов измерения в единицах равновесного радона Кпцпр.

Защищаемые научные положения:

1. Обоснована целесообразность разработки и использования полевого экологически безопасного комплекта СО объемной активности радона для метрологического обеспечения эманационных съемок при решении геоэкологических и геодинамических задач.

2. Методика изготовления комплекта СО объемной активности радона для калибровки радиометров радона в полевых условиях, отличающихся тем, что в качестве генератора радона используются не растворенные соли радия, а специально подобранные материалы малой активности природного происхождения.

3. Методика аттестации СО объемной активности радона, основанная на оценке погрешности его метрологических характеристик методом сравнения с мерой при проведении совместных измерений и на оценке случайной составляющей погрешности методом многократных измерений, и внедрение комплекта СО в практику полевых работ.

Практическая значимость работы:

1. Разработанный комплект СО обеспечивает возможность проведения калибровочных работ в полевых условиях непосредственно на месте эксплуатации средств измерений.

2. Исключается необходимость в создании специальных условий для обеспечения радиационной безопасности при проведении калибровочных работ.

3. Разработанный и изготовленный комплект СО обладает высокой универсальностью, и применим для калибровки различных средств измерений, используемых для определения объемной активности радона в почвенном и атмосферном воздухе.

Реализация и внедрение результатов работы:

Разработанный комплект СО объемной активности радона является основой документа, прошедшего экспертизу в Госстандарте России для получения аттестата аккредитации метрологической службы на право проведения метрологических работ (АТТЕСТАТ аккредитации № 01.76 от 19.11.99) и основой методического материала — «Методические указания. Разработка стандартных образцов в УрО РАН» .

Разработанный комплект СО объемной активности радона прошел полевые испытания в комплексной геолого-экологической экспедиции № 1, являющейся базовой организацией при проведении радиоэкологических работ на территории Узбекистана (Отчет о проведенных испытаниях от 12.03.98). В аккредитованной поверочной лаборатории УГТУ-УПИ, г. Екатеринбург были проведены сличения комплекта СО ОАР с рабочим эталоном лаборатории — радиометром Alpha-Guard, а также проведены работы по поверке рабочих СИ с использованием комплекта.

По результатам работ были составлены протоколы — Протокол № 03/2001 сличения рабочих эталонов, утвержденный Уральским центром стандартизации, метрологии и сертификации «УРАЛТЕСТ» — Протоколы поверки № 03-а/2002 и № 28-а/2001 рабочих радиометров измерения активности радона.

По аналогии с разработанным комплектом СО ОАР, радиационной лаборатории УГТУ-УПИ была изготовлена партия СО предприятия (СОП) активности радона. Партия СОП активности радона была утверждена Центром сертификации и метрологии «Сертимет» УрО РАН (Паспорт № 19 на партию СОП АР от 10.02.2002) и согласована с «УРАЛТЕСТ». Комплект СО ОАР и партия СОП активности радона предназначена для применения в геологии, горном надзоре, санэпиднадзоре и при контроле радиационной безопасности.

Апробация работы:

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались: на Всероссийской научно — практической конференции «Радиационная безопасность Урала и Сибири.» — Екатеринбург, 18−20 сентября 1997 г.- на VI Уральской научно — практической конференции по метрологии (Екатеринбург, 23 — 27 ноября 1998 г.) — на Международном симпозиуме «Метрология геофизических исследований» (Уфа 25−27 апреля 2000 г.) — на координационном Научном Совете Метрологической Академии «Проблемы метрологии в геофизике», секция «Метрология в ядерной геофизике и радиологии» — на Научно — методическом совете по геолого — геофизическим технологиям поиска и разведки полезных ископаемых МПР РФ секция «Экология» (Санкт-Петербург 18 апреля 2001 г.).

Личное участие автора: состоит в анализе метрологического обеспечения измерений радона и обобщении методов измерения радона при геоэкологических и геодинамических исследованияхпостановке и решении теоретических задач по разработке СО ОАР, в разработке программы планирования эксперимента и выборе средств измерения для проведения экспериментаразработке алгоритма обработки экспериментальных данных и проведении обработки экспериментальных данныхпроведение сличений и поверки с использованием СО ОАРобработке результатов измерения при проведении внедрения комплекта СО в практику полевых работ.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 9 работ. Объем работы:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложена на 127 страницах и сопровождается списком литературы из 79 наименований. Текст содержит 27 рисунков и 20 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ и обобщение исследований, выполненных автором, позволяют сделать следующие выводы:

1. Показано, что существующие методики измерения объемной активности радона непригодны для целей геоэкологических и геодинамических исследований, осуществляемых в полевых условиях.

Это связано с тем, что методы, разработанные для санитарно-гигиенических целей, регламентируют проведение измерений дочерних продуктов распада радона в исследуемом воздухе, в котором радон и его ДПР находятся в неравновесном состоянии. Для перехода к объемной активности радона в этих методах используется условный коэффициент равновесия равный F= 0,5. Специфика измерений объемной активности радона при геоэкологических и геодинамических исследованиях заключается в прямых измерениях радона непосредственно в воздухе при равновесном состоянии радона и его ДПР.

2. Выполнено теоретическое обоснование создания СО объемной активности радона на основе использования радий содержащих горных пород.

Показано, что применяемые рабочие эталоны в виде растворов.

226Ra являются радиационно-опасными ввиду их высокой концентрации и жидкого агрегатного состояния. В полевых условиях такие эталоны имеют ограничения по используемым значениям активности радона для передачи размера единицы объемной активности радона от эталонов к рабочим средствам измерения. По этим причинам такие эталоны являются неприемлемыми для метрологических работ проводимых в полевых условиях.

Проведенный в работе анализ радиоактивных природных материалов показал, что создание системы МО объемной активности радона является возможным. Для изготовления комплекта стандартных образцов ОАР предложено использовать специально подобранные горные породы и минералы, являющиеся природными генераторами радона.

Доказано, что для создания конкретных значений объемной активности радона, воспроизводимой стандартными образцами, должна быть применена индивидуальная технология изготовления радийсодержащего материала.

3. Разработан и изготовлен комплект стандартных образцов ОАР, предназначенный для калибровки радиометров, применяемых при геоэкологических и геодинамических исследованиях.

Установлена неидентичность методов измерений при поверке и при применении радиометров объемной активности радона. Это несоответствие приводит к необходимости введения корректирующей поправки в результаты измерений, учитывающей условия применения.

Введение

указанной поправки может вызывать дополнительные погрешности.

Разработанный комплект СО и предложенная методика измерения, основанная на использовании законов накопления и равновесия радона и его продуктов распада (ДПР), предполагают проведение измерений в интервале времени, который соответствует начальной стадии кривой накопления и представление результатов измерений в единицах равновесного радона^Идпр в условиях контролируемого сдвига равновесия во времени. Это позволяет обеспечить метрологически обоснованное применение СИ, максимально приблизив поверку и калибровку СИ к методике выполнения измерений в полевых условиях.

4. Проведена экспертная оценка разработанного комплекта СО объемной активности радона и доказана оптимальность выбора метода оценки погрешности его метрологических характеристик с применением метода сравнения с мерой при проведении совместных измерений и метода многократных измерений для оценки случайной составляющей погрешности.

5. Доказана устойчивость значений объемной активности радона, воспроизводимых СО при различных внешних воздействиях.

6. Выявлены и исследованы факторы, влияющие на эманирующую способность горных пород. К таким факторам относятся: плотность, пористость пород, размер частиц, составляющих породу, степени развития в ней капиллярной сети и её адсорбционных свойств, наличия рассеянных радиоактивных элементов, а также состояние внешней среды, (влажность, температура и др.).

7. Показано, что разработанный СО применим для калибровки радиометров радона в полевых условиях на примере анализа данных, полученных Институтом геофизики УрО РАН на исследованных территориях.

Применение СО ОАР позволяет надежно выделять радоноопасную зону с ОАР, превышающую 2000 Бк/м (при максимальных фоновых значениях, л характерных для данной территории 500 — 600 Бк/м).

Калибровка приборов СЭР-1 по СО ОАР, определение действительных значений и оценка погрешностей измерений позволили выделить прогнозируемый эффект в сложной картине суточных вариаций ОАР.

Таким образом, в результате выполненных исследований создана система метрологического обеспечения эманационных съемок при решении геоэкологических и геодинамических задач. Система основана на применении впервые разработанного комплекта стандартных образцов объемной активности радона, методики измерений, результаты измерений в которой представляются в единицах равновесного радона Лпщр в условиях контролируемого сдвига равновесия во времени, а также локальной.

120 поверочной схемы, осуществляющей передачу размера единицы объемной активности радона при проведении калибровочных работ.

Проведенные исследования показали возможность использования широкого класса материалов для создания специальных СО объемной активности радона и привели к разработке методов, основанных на новых принципах, обеспечивающих корректную калибровку радиометрической аппаратуры, используемую при решении геоэкологических и геодинамических задач.