A talajgáz és a talajvíz radontartalmának meghatározására szolgáló eszközök

Átírás

1 SUGÁRZÁSOK 5.1 A talajgáz és a talajvíz radontartalmának meghatározására szolgáló eszközök Tárgyszavak: radon; talajgáz; talajvíz; földrengés-előrejelzés. A talajgáz-kibocsátás és a talajvíz radontartalma az áradás, a víz hőmérséklete, a Föld mágneses tere és az alapkőzet elektromos ellenállása mellett egyike a földrengés legfontosabb előrejelzési lehetőségének. A rövid távú előrejelzők élettartama néhány nap több hónap, a középtávúaké néhány év tíz vagy több év, a hosszú távúé néhány év-néhány évtized a földrengés bekövetkezése előtt. A radon és bomlástermékeinek mérésére szolgáló eszközök az alfarészecskék detektálásán alapulnak, amelynek energiája a 222 Rn esetében 5,5 MeV, a 218 Po esetében 6, MeV, a 214 Po esetében 7,7 MeV. Az időtartamot tekintve a mérések lehetnek pillanatnyi, integráló vagy folyamatos mérések. A mintavevő eszközök aktív (a mintavételhez elektromos áramot használó) vagy passzív (elektromos áramot fel nem használó) eszközök, amelyeknek egyébként terepen alkalmazhatónak, hordozhatónak, kényelmesnek, megbízhatónak és kedvező költségűnek kell lenniük. A radon és bomlástermékei által kibocsátott alfa-részecskék detektálására használt eszközök és eljárások az alábbiak: ezüsttel aktivált, cink-szulfid-foszfor alfa-szcintillációs detektorok (ZnS(Ag)), alfa nyomjelző (ATD) vagy szilárd nukleáris nyomjelző (SSNT) detektorok, szilíciumdiódás alfa-sugárzást mérő spektrométerek. A talajgáz és a talajvíz radontartalmának mérésére alkalmazott berendezések paramétereit az 1. táblázat foglalja össze. A radon mérése szcintillációs detektorral A szcintillációs cella egyike a legrégebbi és legelterjedtebben alkalmazott eszközöknek a radon és bomlástermékei alfa-sugárzásának a helyszíni mérése során. A cellák vagy a palackok a belsejükben ezüsttel aktivált ZnS(Ag) porral borított fém-, üveg- vagy műanyag tartályból készülnek. A tartály alja

2 henger alakú és átlátszó, a szcintillátorban keletkező fényfotonok detektálása érdekében. Ha a belső borítás nagyon vékony, a tartály alja is beborítható jelentős fényfotonveszteség nélkül. A fotonok számlálására a szcintillációs cellához elektronsokszorozó csatlakozik. 1. táblázat A radon mérésére szolgáló eszközök jellemző paraméterei Módszer Típus Alkalmazási terület Alfa-szcintillációs detektorok Térfogat Érzékenység A besugárzás időtartama pillanatnyi gáz/víz,1 3, l,8 16 cph/bq/m perc ATD-detektor integrált gáz 456 ml,3,9 nyom/ cm 2 /kbq/m 3 EIC-detektor integrált gáz 5 96 ml 3 Bq/m 3 /h 1,5 kbq/m 3 /h 1 2 hét 2 4 nap Barasol-detektor folyamatos gáz 59 ml,2 impulzus/h/bq/m perc Clipperton-detektor folyamatos víz 59 ml 1 cph/362 Bq/m 3 1 perc 48 h Radon/toron monitor folyamatos gáz/víz,27 l,1 cph/bq/m 3 1 perc 24 h A detektálás a radon és bomlástermékeiből származó alfa-részecskék kölcsönhatásából származó fényfotonok megszámlálásán alapul. A ZnS(Ag) 45 nm hullámhosszon (látható spektrum) emittál fényt, így ezen hullámhossz közelében érzékeny elektronsokszorozó csövet alkalmaznak. A szcintillációs cellák alkalmazásának előnye, hogy a mintát a számlálás előtt nem kell szállítani. Nagyobb tartályokból vagy a környezetben (pl. talajgáz) található radont összegyűjtő rendszerekből a mintát kriogén állapotban kell a számláláshoz szállítani. Mérési hibát okoz a rendszer nem megfelelő kalibrálása, a cellák szivárgása, illetve az elektronsokszorozó cső hibás működése vagy nem megfelelő kalibrálása. A kalibrálás 2 ml 222 Rn gázzal történik. A névleges forrásaktivitás 3 18 kbq. Nitrogéngázzal történő tisztítás után a cellák évekig felhasználhatók. A talajgázt 7 1 cm mélyre lefúrt lyukból szívják ki. A talajvíz mintavételnél háromállású csappal és buborékoltatóval ellátott gázmentesítőt alkalmaznak, a radon környezetből a mintavevőbe történő bekerülésének a megakadályozása érdekében. A vizsgálatok során a mintavevő tartályokból a gázvagy a vízminta a szcintillációs cellába került, ahol megtörtént az alfarészecskék megszámlálása. Az egységhez hordozható radonmonitor, nyomjelző detektor és adatgyűjtő egység kapcsolódott. A radonmonitor háttérsugárzása,4-24 cph szám/h, a maximális számlálási sebesség 1 6 szám/min volt.

3 A radon mérése passzív integráló eljárással, SSNT-detektor alkalmazásával A radon SSNT-detektorral történő detektálásának elve a szilárd anyagban (cellulóz-nitrát filmen, allil-diglikol-karbonát műanyag filmen) keletkező alfarészecskenyomok meghatározásán alapul. A műanyag detektort egy cső tetején helyezték el, majd a csövet egy nagyobb csőbe rakták. A két cső közötti teret hőszigetelő, granulált polisztirolhabbal töltötték ki. A nedvesség alfarészecskék detektálását zavaró hatásának kizárása érdekében üvegszál szűrőt helyeztek a műanyag detektor elé, ami megakadályozta a radon bomlástermékeiből származó alfa-részecskéknek a detektor felszínére jutását. A radonból a belső csőben keletkező alfa-részecskék a műanyag detektort besugározva, azon nyomot hagynak. 7 9 napos besugárzás után a nyomok kémiai vagy elektrokémiai maratással megjeleníthetők. Az elektrokémiai maratás kedvezőbb, mert nagyobb átmérőjű nyomok keletkeznek, ami egyszerűsíti a számlálást. A nyomsűrűséget manuális pásztázással és számlálással vagy automatizált optikai rendszerrel határozzák meg. Hagyományos környezeti viszonyok között a besugárzási periódus a fúrt lyukakban 1 2 hét, ezért az alfa nyomkövető detektorokat inkább a rövid távú integrált eszközökkel végzett mérések eredményeinek megerősítésére használják. Az ATD-detektorokkal való alsó kimutathatósági határ a detektor által átfogott terület függvényében 2 8 Bq/m 3. Ezen típusú detektorok teljesítménye befolyásolja a válasz pontosságát, ezért az SSNT-detektorok esetében minőség-ellenőrzési és minőségbiztosítási mérések szükségesek (gyakori kalibrálás, kétszeres besugárzás) decembere és 2 júniusa között Észak-Görögország két pontján (E és Z pontok) SSNT-detektorral felvett radonspektrum az 1. ábrán látható. SSNT-detektorokat használó rendszerek az elektrét ionkamrák (a talajból származó radonsugárzás mérésére szolgáló passzív környezeti radonmérők). A berendezés ionizáló kamrát tartalmaz, ahol az elektrét (egy állandóan feltöltött teflonlemez) elektrosztatikus térként és érzékelőként egyaránt szerepel. A vezető műanyagból készült kamrában keletkező ionok összegyűlnek az elektréten, csökkentve annak felületi töltését. A töltéscsökkenés mértéke jelzi a radongáz bomlási folyamatában és a bomlástermékei által kibocsátott alfarészecskék mennyiségét. Folyamatos radonmérési eljárások A folyamatos radonmérési eljárások során a mintavétel és a minták elemzése párhuzamosan történik, valós idejű mérési eredményeket biztosítva. Ez különösen fontos a földrengésveszélyes zónában végrehajtandó helyszíni vizsgálatok során, ahol a radonkoncentrációk jelentős mértékben és gyorsan

4 változhatnak. Ezeket az eszközöket kutatási, kalibrálási és szabványosítási mérések során alkalmazzák. A mérések időtartama 1 15 perc 48 óra. A módszer előnye a valós idejű radonkoncentrációk ismerete. 1 9 radonregisztráció mértéke, nyom/cm 2 h Z hely E idő (év hónap) E hely Z hely 1. ábra A talajgáz radonkoncentrációja integrált radonmonitorral és SSNT-vel felvéve Észak-Görögország két pontján A Barasol detektor A Barasol-detektorokkal statikus radongázmérések hajthatók végre. A rendszer szilíciumdetektort tartalmaz, amely mérőkamrában rögzíti és percenként összegzi a radon alfa-részecske emisszióját. A mért értékeket mikroprocesszor tárolja, az adatok kiolvasása a helyszínen, kiolvasó egységgel vagy számítógéppel történik. A detektort a fény ellen alumíniumréteggel védik, a mechanikai védelmét cellulózborítás biztosítja. Hasznos felszíne 45 mm 2, az elnyelési mélység 1 µm. Levegőben elhelyezve a felbontóképessége 6 kev, kimutathatósági határa radonra 5 Bq/m 3.

5 A berendezéssel a fenti paramétereken túlmenően a levegő hőmérséklete, nyomása és a csapadék mennyisége is mérhető. Lehetőséget nyújt továbbá a radon valós idejű mérésére az egész világon modem vagy műholdas átviteli rendszer segítségével. A detektor felépítését a 2. ábra mutatja. kommunikáció személyi számítógéppel RS232 a kommunikáció lehetőségei: modem rádiómodem műhold csatlakozó csapadékgyűjtő első választható radonszonda 57 cm B A R A S O L - d e t e k t o r második választható radonszonda 6 cm 2. ábra A talajgáz radonaktivitásának mérésére szolgáló Barasol-detektor felépítése

6 Clipperton-detektor A talajvíz radonkoncentrációjának folyamatos mérése elektronikus automata szondával (Clipperton-detektor) valósítható meg. A szilíciumdiódát tartalmazó detektorhoz elektronikus adatfeldolgozó és tárolóegység kapcsolódik, felépítése a 3. ábrán látható. A dióda és az elektronika nedvesség ellen védett. A szondában diffúziós membránt helyeznek el a toron (radioaktív tóriumemanáció) rendszerbe kerülése és a víz diódán történő kondenzációjának a megelőzése érdekében. A mérés idejét a felhasználó állíthatja be az 1 perc 48 óra időtartományban. Az adatfeldolgozás a helyszínen lap-top segítségével hajtható végre. kemény műanyag támasz kábelcsatlakozó jel/áramellátó kábel számítógép O-gyűrű elektromos áramkör koaxiális kábel kemény műanyag támasz O-gyűrű elemek áramellátás kábelcsatlakozó fénydióda bronzhenger üvegszálas cső 3 cm levegő diffundáló radon radonbetáplálás 5 cm víz 3. ábra Talajvíz radontartalmának meghatározására szolgáló Clipperton-szonda

7 Radon/toron monitor Radon/toron monitorral meghatározható a talajvíz és a talajgáz radon- és torontartalma. A rendszer a radon/toron bomlástermékeket egy elektrosztatikus érzékelőn összegyűjtő mérőkamrát tartalmaz és 1 perc 24 óra időbeni felbontással folyamatosan üzemel. A talajgázt,4 3 l/min sebességgel átvezetik a monitoron, a radon és a toron bomlástermékei összegyűlnek a szilíciumdetektor felett elhelyezett fólián. Meghatározták a radon és a toron bomlástermékeinek a koncentrációját. A rendszerrel folyamatosan és/vagy félig folyamatosan mérhető a talajgázban a 222 Rn és a 22 Rn fajlagos aktivitása. A kevert radon/toron forrás spektruma a 4. ábrán látható. szám , MeV 218 Po (Rn) 6,78 MeV 216 Po (Tn) 7,69 MeV 214 Po (Rn) 8,78 MeV 212 Po (Tn) csatornák 4. ábra Radon/toron monitorral felvett kevert radon/toron forrás alfa-spektruma

8 Az aktív földrengésveszélyes zónák geofizikai és környezeti mérései során 1 Bq/m 3 -nél kisebb 222 Rn/ 22 Rn fajlagos aktivitásértékeket mértek, 1 óra mintavételi idő alatt. Az üzemelés ideje 1 nap volt. A kimutathatósági határ 1 Bq/m 3, a szenzor holt idejéből adódó veszteségek 1%-nál kisebbek, 1 6 alfa-részecske/s, cm 2 esetén. Ekkor max. 1 MBq/m 3 radonkoncentráció mérhető. A monitorban nyolc további érzékelő helyezhető el fizikai paraméterek (légnyomás, hőmérséklet, nedvességtartalom, CO 2 -koncentráció) mérésére. A rendszer legfontosabb alkalmazási területei a terepi geológiai mérések minősítése és a földrengésveszélyes területeken a radonvándorlás útvonalainak meghatározása. A földrengések előrejelzésére a radonkoncentráción túlmenően egyéb (geokémiai, geofizikai, hidrológiai) paraméterek ismerete is szükséges. Ezek meghatározására szolgál az EPOS1 földrengés-előrejelző rendszer, amely automatikusan és folyamatosan regisztrálja és rögzíti a mért adatokat. A geokémiai, geofizikai és a hidrológiai mérések az alábbi 17 paraméterre terjednek ki: 1. a gázfázis Rn-, CO 2 -, N 2 -, CH 4 -koncentrációja, 2. a víz Eh értéke, elektromos vezetőképessége, ph értéke, Rn koncentrációja, 3. vízhőmérséklet, a kiömlések megfigyelése, a vízszint változása, 4. a forrás/kút kibocsátási sebessége, 5. potenciáljelek, mikro földmozgások. Mérik továbbá a meteorológiai paramétereket (a levegő hőmérséklete, a légnyomás és a relatív páratartalom). (Regősné Knoska Judit) Papastefanou, C.: An overview of instrumentation for measuring radon in soil gas and groundwaters. = Journal of Environmental Radioactivity, 63. k. 3. sz. 22. p Nikolopoulos, D.; Louizi, A. stb.: Radon survey in Greece risk assessment. = Journal of Environmental Radioactivity, 63. k. 2. sz. 22. p