Stacje ASS-500

Informacje ogólne:
Stacja ASS-500 (Aerosol Sampling Station) jest przeznaczona do kontroli zanieczyszczeń powietrza w sytuacjach: normalnej i zagrożenia radiacyjnego. Pobór aerozoli z objętości powietrza rzędu dziesiątek tysięcy m³ pozwala na wykonywanie precyzyjnych pomiarów spektrometrycznych naturalnych i sztucznych radionuklidów w szerokim zakresie ich stężeń poczynając od 0,5 µBq/m³ dla ¹³⁷Cs. Pobór próbek aerozoli może być prowadzony w zmiennych warunkach atmosferycznych takich jak: temperatura, ciśnienie, wilgotność, zapylenie itd.
Stacja ASS-500 jest wolnostojącym urządzeniem do ciągłego poboru próbek aerozoli z powietrza. Rutynowo do zbierania aerozoli stosowany jest filtr Petrianowa typu FPP-15-1.5 o wysokiej wydajności zbierania. W normalnej sytuacji radiologicznej stosowany jest tygodniowy okres poboru próbki. W tym czasie objętość przepływającego przez filtr powietrza wynosi od 50.000 do 90.000 m3. W przypadku wzrostu radioaktywności powietrza lub zaistnienia przesłanek do intensyfikacji badań, częstotliwość pozyskiwania próbek powinna być odpowiednio zwiększona przez skrócenie czasu ich poboru nawet do kilkunastu minut (np. jak w okresie po awarii czarnobylskiej).

Procedura pomiarowa:
Do pomiarów ilościowych stosuje się spektrometrię promieniowania gamma z użyciem detektora HPGe. Wymagana zdolność rozdzielcza spektrometru, z uwagi na złożony charakter badanych widm promieniowania gamma, powinna być nie gorsza niż 2,5 keV dla ⁶⁰Co (Eg = 1,33 MeV). Zakres energii fotonów badanych radionuklidów zawiera się w granicach: od 40 do 2620 keV. (Energia fotonów linii promieniowania gamma ²¹⁰Pb wynosi 46,5 keV, a energia ²⁰⁸Tl = 2614,5 keV). Pożądanym jest, aby spektrometr umożliwiał pomiar w tym zakresie energetycznym. Detektor umieszcza się w niskotłowym domku osłonowym, który zapewnia zmniejszenie, przynajmniej o dwa rzędy wielkości, zewnętrznego tła promieniowania gamma. Każda próbka jest mierzona dwukrotnie.

Wstępny pomiar próbki trwający 3000 s jest przeprowadzany bezpośrednio po zakończeniu poboru próbki. Celem tego pomiaru jest stwierdzenie ewentualnej obecności radionuklidów pochodzenia sztucznego, przy dolnym limicie detekcji wynoszącym 20 – 50 mBq/m³. Wyniki wstępnego pomiaru są dostępne po około 1,5 godz od momentu zakończenia poboru i zdjęcia filtru. Jeżeli pomiar wstępny nie wykazał podwyższonej aktywności radionuklidów pochodzenia sztucznego, wówczas pomiar drugi (podstawowy – trwający 80.000 s) należy wykonać po 2 dobach licząc od momentu zakończenia poboru. W ciągu tego czasu ulegają rozpadowi osadzone na filtrze krótkożyciowe pochodne radonu, których obecność wpływa niekorzystnie na wartość dolnego progu detekcji pozostałych radionuklidów. Przygotowanie próbki do pomiaru podstawowego polega na sprasowaniu jej do postaci krążka o średnicy 51 mm i grubości od 4 do 8 mm (zależnie od ilości zebranego pyłu).

Wielokanałowy analizator amplitudy impulsów współpracuje z komputerem wyposażonym w oprogramowanie umożliwiające obliczenie stężeń radionuklidów występujących w badanej próbce. Program ten określa również dolne limity detekcji dla zanieczyszczeń radionuklidami naturalnymi i pochodzenia sztucznego. W oparciu o podstawowy pomiar są określane stężenia każdego radionuklidu występującego w badanym powietrzu.

Parametry techniczne:

• wysokość, z jakiej pobierane jest powietrze: 1,5 m
• powierzchnia filtru: 0,2 m²
• odległość wlot-wylot powietrza: 3.5 m
• nominalny przepływ powietrza: 500 m³/h (z silnikiem o mocy 1,7 kW)
• zasilanie: 3 x 380 V; 50 Hz
• wymiary stacji: 0,855 m x 0,875 m x 1,840 m
• całkowita masa: 120 kg
• układ suszenia filtru: halogenowe promienniki podczerwieni 500 W; 220-230 V
• czujnik temperatury
• przepływomierz VORTEX
• ręczna regulacja wielkości przepływu
• rura wylotu powietrza z tłumikiem
• skrzynka rozdzielcza z zasilaniem
• pokrycie powierzchni specjalną farbą poliuretanową
• 2 szt. ramek do filtru

Sieć stacji w Polsce:

Stężenia radionuklidów są mierzone w sieci laboratoriów wyposażonych w spektrometrię promieniowania gamma (o wysokiej rozdzielczości). Wyniki ze wszystkich stacji są wysyłane w cyklu tygodniowym do Zakładu Dozymetrii Centralnego Laboratorium Ochrony Radiologicznej (CLOR) w Warszawie, gdzie opracowuje się zbiorcze raporty miesięczne i kwartalne przekazywane do Państwowej Agencji Atomistyki.
Detekcja i kontrola on-line:

DETEKCJA I KONTROLA "ON-LINE" ZA POMOCĄ ZESTAWU SPEKTROMETRYCZNEGO AS-01 PROMIENIOTWÓRCZYCH ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA

Stacja ASS-500 w swojej podstawowej wersji wyposażenia jest do poboru próbek nie przystosowanym do pracy w systemie w systemie alarmowym, gdzie wymagane jest automatyczne wykrywanie i sygnalizowanie przekroczenia ustalonych poziomów zanieczyszczeń powietrza przez radionuklidy pochodzenia sztucznego.

W niektórych stacjach ASS-500 nad filtrem był umieszczony zestaw trzech liczników G-M, które przez cały czas pracy stacji w systemie “on-line” mierzyły promieniowanie gamma i beta pyłów zbieranych na filtrze. Rozwiązanie takie, stosunkowo proste i pracujące bezawaryjnie w długich okresach czasu, nie umożliwiał jednak rozróżnienia czy wzrost aktywności filtru spowodowany jest obecnością radionuklidów naturalnych czy też pochodzenia sztucznego. W związku z tym przydatność tego rodzaju podglądu do wykrywania obecności w powietrzu radionuklidów pochodzenia sztucznego jest ograniczona. Dlatego też podjęto badania, których celem było opracowanie, dla potrzeb systemu wczesnego ostrzegania, metody pomiarów i aparatury pozwalających na selektywne wykrywanie i pomiary promieniowania radionuklidów pochodzenia sztucznego w zmieniających się warunkach środowiska naturalnego. Za odpowiednią, z uwagi na ocenę zagrożenia ludności, uznać można dla aparatury pracującej w sposób ciągły w systemach wczesnego ostrzegania wartość progu alarmowego równą stężeniu w powietrzu 10 Bq/m³ radionuklidów pochodzenia sztucznego. W wyniku laboratoryjnych i środowiskowych badań możliwości pomiarowych oraz analizy zalet i wad różnych detektorów promieniowania występujących w czasie długotrwałej ich eksploatacji, uznano, że do pomiaru “on line” aktywności aerozoli zbieranych na filtrze stacji ASS-500 najwłaściwszym będzie detektor scyntylacyjny NaI(Tl) pracujący w zestawie spektrometru AS-01.
Możliwość pracy spektrometru AS-01 w zmieniających się warunkach środowiskowych uzyskano stosując układ stabilizacji widma pracujący na zasadzie utrzymania określonej linii promieniowania w ustalonym przedziale kanałów analizatora amplitudy impulsów. Źródłem odniesienia dla układu stabilizacji jest ²⁴¹Am umieszczony bezpośrednio na krysztale NaI(Tl). W wypadku pojawienia się w powietrzu radionuklidów pochodzenia sztucznego i ich osadzania na filtrze stacji ASS-500 następują zmiany kształtu mierzonego rozkładu impulsów. W pewnych jego przedziałach energetycznych obserwuje się wzrost liczby zliczeń. Odpowiednie dobranie szerokości przedziałów pozwala – na podstawie ciągłych pomiarów częstości zliczeń oraz badania zmian stosunków zliczeń między poszczególnymi przedziałami – na wykrycie obecności w powietrzu radionuklidów pochodzenia sztucznego.

W tabeli poniżej podano szerokości przedziałów energii fotonów, dla których za pomocą aparatury spektrometrycznego “podglądu” AS-01 zliczane są liczby impulsów. Dolny poziom dyskryminacji dla spektrometru AS-01 wynosi 40 keV.

Przedziały energii fotonów promieniowania gamma przyjęte dla spektrometru AS-01

Przyjęcie wymogu uruchomienia sygnalizacji alarmowej – gdy stężenie w powietrzu radionuklidów pochodzenia sztucznego wzrośnie do 10 Bq/m³ – powoduje, że dla zapewnienia w odpowiedzi właściwego funkcjonowania stacji w systemie alarmowym dolny próg wykrywania obecności w powietrzu radionuklidów pochodzenia sztucznego powinien być mniejszy od tej wartości. Warunek ten był między innymi przedmiotem długotrwałych badań zestawu AS-01 (zainstalowanego w stacji ASS-500) prowadzonych początkowo w CLOR w Warszawie.

Badania prowadzono we wszystkich porach roku i bardzo różniących się warunkach meteorologicznych, a także w warunkach laboratoryjnych. Wzorcowanie spektrometru AS-01 dla radionuklidów pochodzenia sztucznego zebranych na filtrze stacji ASS-500 przeprowadzono za pomocą powierzchniowych źródeł ¹³³Ba (o energii zbliżonej do energii fotonów promieniowania gamma ¹³¹I) i ¹³⁷Cs o aktywnościach, odpowiednio 3000 Bq i 1000 Bq.

Powierzchnia źródeł była równa powierzchni filtru stosowanego w stacji ASS-500 (44 cm x 44 cm). Pomiary kalibracyjne wykazały, że analizując zmiany częstości zliczeń w przedziałach “jodowym” i “cezowym” oraz stosunki liczb zliczeń dla par przedziałów, wymienionych w Tabeli 2, można na poziomie ufności 0,95 wykryć obecność na filtrze ¹³¹I i ¹³⁷Cs, gdy aktywności ich wynoszą odpowiednio 220 Bq i 395 Bq. Przyjmując jednogodzinny czas pomiaru oraz objętość powietrza, które przepływa w tym czasie przez filtr, wynoszącą 500 m³ otrzymuje się dolną granicę wartości 131I wykrywanego przez stację pracującą w systemie “on-line” równą 0,44 Bq/m³. Wydłużając czas pomiaru do 2 godzin, a tym samym zwiększając do 1000 m³ objętość powietrza, z którego aerozole pobierane są na filtr, uzyskuje się obniżenie dolnej granicy wartości wykrywanych stężeń o około 30%. Na rysunku 3 przedstawiono schemat blokowy zestawu AS-01. Sonda scyntylacyjna wyposażona jest w kryształ NaI(Tl) o wymiarach 22 x 22 . Bezpośrednio na krysztale pod jego osłoną aluminiową znajduje się źródło ²⁴¹Am układu stabilizacji pracy spektrometru. Zdolność rozdzielcza spektrometru dla promieniowania ¹³⁷Cs o energii 661,6 keV wynosi 9,5%. Liczba kanałów analizatora amplitudy impulsów wynosi 2048.

Spektrometr AS-01 jest połączony z komputerem co pozwala na zbieranie i obróbkę danych pomiarowych. Komputer terenowej stacji ASS-500 może być połączony z centralnym serwerem przy użyciu modemu GPRS lub sieci internet. Zainstalowanie w stacji ASS-500 podglądu AS-01 w niczym nie ogranicza jej dotychczasowych możliwości prowadzenia badań promieniotwórczych zanieczyszczeń powietrza. Korzystając ze spektrometrów HPGe można wykrywać i oznaczać ilościowo radionuklidy naturalne i pochodzenia sztucznego na poziomie ich stężeń w powietrzu rzędu 1 m Bq/m³, co pozwala na prowadzenie szczegółowych badań n p. dla potrzeb systemu kontroli przestrzegania Układu o Całkowitym Zakazie Prób Jądrowych (CTBT).