Краткое резюме:
- Дождь почти всегда является причиной небольшого повышения естественного радиационного фона.
- Величина повышения фона во время дождя, как правило, крайне мала и не добавляет дозовой нагрузки для населения.
- Увеличение радиационного фона во время дождя можно зафиксировать бытовыми приборами.
Оглавление
1. Теория
Радиация присутствует повсеместно и на всём протяжении существования нашей вселенной и постоянно незримо сопровождает нас. Даже если рядом с нами нет никаких техногенных источников ионизирующего излучения, рядом всегда присутствуют объекты живой и неживой природы, которые всегда содержат в себе те или иные изотопы, а так же на нас воздействует ионизирующее излучение от объектов ближнего и дальнего космоса.
Ситуация, когда в окружающем пространстве нет явного источника радиации называется естественным радиационным фоном. Естественный радиационный фон, в среде где обитает человек можно условно поделить на две основные составляющие:
- радиация геологического происхождения
- радиация космического происхождения
Космическая радиация — это излучение звёзд и других объектов нашей вселенной, где в недрах и на поверхности происходят различные ядерные реакции и высвобождается большое количество энергии в виде гамма-квантов и порождается поток элементарных частиц, которые обладая колоссальной энергией устремляются во все стороны и достигают других планет.
Достигнув нашей планеты часть космической радиации задерживается атмосферой, взаимодействуя с атомами газов атмосферы, преобразуется в другие виды электромагнитного излучения, например в свет видимого диапазона и «серверное сияние» или порождая различные изотопы. Существенная часть космической радиации легко преодолевает атмосферу и достигает поверхности земли, где может быть зарегистрирована бытовыми и профессиональными приборами и таким образом вносит свой вклад в естественный радиационный фон.
Радиация геологического происхождения обусловлена содержанием радиоактивных элементов в земной коре и их постоянным процессом распада. Так например калий в виде изотопа 40K, уран в виде изотопа 238U и торий в виде изотопа 232Th в незначительных концентрациях присутствуют абсолютно везде в поверхностной толще земной коры. Это естественно не исчерпывающий перечень изотопов которые постоянно и повсеместно вносят свой вклад в естественный радиационный фон непосредственно в нижних слоях атмосферы, но наиболее распространённые.
Чем выше от поверхности земли мы будем подниматься в пределах атмосферы, тем ниже будет влияние геологической составляющей и больший вклад космической составляющей в радиационный фон, который мы можем измерить приборами.
Радиационный фон не постоянен, хотя и довольно стабилен в среднем, тем не менее он может незначительно колебаться в зависимости от разных факторов. При этом геологическая составляющая может испытывать заметно большие колебания, которые даже можно зафиксировать бытовыми приборами.
Наиболее интересными и доступными для регистрации являются колебания естественного фона вызванные радиоактивным газом радоном (222Rn) и в частности повышение радиоактивного фона во время дождя.
222Rn является дочерним продуктом распада изотопа урана 238U, кратко с сокращениями можно описать цепочку распада урана-238 в следующем виде:
238U → … → 226Ra → 222Rn → … → 214Pb → 214Bi → 214Po → … → 210Pb → 210Bi → …
В данной цепочке обозначены только дочерние продукты распада урана-238, имеющие выход гамма-излучения, который можно легко зафиксировать бытовым или профессиональным гамма-спектрометром. Пример гамма-спектра радия-226.
Особенностью радона-222 является то, что он газ. Таким образом тяжёлый металл уран, в процессе распада претерпевает целую цепочку «превращений», одним из промежуточных звеньев которой является газ. Поскольку уран-238 в той или иной концентрации присутствует в малых количествах везде, то появление газообразного радона-222 процесс непрерывный и так же повсеместный. Будучи тяжелее воздуха он способен скапливаться в глубоких низинах и закрытых пространствах ниже уровня земли, но поскольку это газ, он может увлекаться потоками циркулирующего в атмосфере воздуха и вместе с тёплыми потоками подниматься далеко от поверхности земли.
Период полураспада 222Rn составляет всего 3.8 суток и претерпевая дальнейший распад он порождает ряд дочерних продуктов в виде радиоактивных изотопов металлов свинца, висмута, полония. Все эти элементы достаточно тяжёлые, но поскольку рождение этих металлов произошло на уровне единичных атомов, то получившиеся частицы находясь в воздухе образуют аэрозольную взвесь и способны длительное время находиться в слое воздушной массы, медленно и постепенно осаждаясь на поверхность планеты. В целом, у дочерних продуктов распада радона-222 период полураспада достаточно короткий и можно сказать что общая радиоактивность по времени в основном обусловлена временем существования самого радона в воздухе. Но при этом активность продуктов распада весьма высока. Чем меньше период полураспада изотопа, тем быстрее он распадается и в результате чаще происходит выброс гамма-квантов или элементарных частиц высокой энергии, т.е. выше собственно радиоактивность.
Во время дождя аэрозольные частицы дочерних продуктов распада радона-222 образуют кластеры и становятся точками конденсации воды и образования капель, и вместе с образовавшимися каплями дождя выпадают на поверхность земли. Таким образом скорость осаждения радиоактивных изотопов, дочерних продуктов радона-222, во время дождя увеличивается в десятки и сотни раз, а так же заметно растёт концентрация этих радиоактивных продуктов в непосредственном приземном слое атмосферы. Рост значения естественного радиационного фона в результате быстрого осаждения продуктов распада радона-222 уже можно измерить бытовыми и профессиональными приборами.
2. Измерение
Ниже представлен замер уровня естественного фона в течении длительного времени на стационарном посту наблюдения а так же колебания фона вызванные дождевыми осадками.
Период измерения (основной части измерения): 2023-09-18 20:00:00 — 2023-10-08 12:00:00
Часовой пояс: GMT+03 (Москва).
При каждом случае выпадения осадков на всём промежутке измерения фиксировалось повышение радиационного фона, всегда пропорциональное интенсивности осадков и продолжалось в течении всего времени выпадения осадков. После прекращения осадков фон возвращался к примерно одинаковым квазистационарным значениям. За всё время измерения стояла пасмурная и дождливая погода, позволившая многократно зафиксировать рост МЭД и достоверно сопоставить её с идущими в этот момент осадками. Так же постоянно сырая погода исключала вариант долговременного накопления радона в почве и «вытеснение» его во время ливневых дождей, т.к. в условиях болотистой местности почти вся поверхность земли была так или иначе покрыта водой или сырой.
На графике 2.1 справочно приведен тренд температуры наружного воздуха. Чёткой и однозначной корреляции с уровнем МЭД температура наружного воздуха в условиях измерения не имеет.
Измерение производилось на стационарном посту непрерывно. Стационарный пост расположен более чем в 100 км от ближайших населённых пунктов в заполярном регионе, в месте где отсутствует промышленность способная образовывать аэрозольные выбросы в атмосферу содержащие какие либо активные изотопы, а так же на значительном удалении от территорий загрязнённых техногенными катастрофами. Сам пост расположен на свайном поле над поверхностью земли, таким образом отсутствует возможность для задержки и скопления радона. Помещение поста выполнено из материалов металл, стекло и минеральный утеплитель. Полностью отсутствует бетон, асфальт, кирпич, керамика и прочие материалы которые могут содержать в себе уран, торий и калий содержащие породы. Таким образом в процесс измерения исключено привнесение радиационной составляющей отличной от естественного природного фона для данной местности. Так же в течении всего периода регистрации производился анализ гамма-спектра фона, на котором не было выявлено никаких отклонений от обычной для данной местности картины. Расстояние от детектора до поверхности земли — 3 метра.
Основные измерения производились прибором Atom Fast производства КБ Радар, с сцинтилляционным детектором CsI(Na) объёмом 50 см3 (Ø40×40мм), дающим в фоне 0.03 мкЗв/ч около 30 импульсов в секунду. Таким образом обеспечивалась высокая чувствительность измерений к незначительным колебаниям измеряемого фона и малая девиация показаний обусловленная чувствительностью детектора.
Дополнительным контрольным средством измерения использовался прибор Atom Fast серии 8850 с объёмом кристалла около 3.2 см3, а так же бытовой дозиметр RadiaCode-101 с объёмом кристалла 1 см3.
Ниже рассмотрим несколько графиков с более детальными данными. На графиках в виде серой зоны отображены сырые данные измерения полученные непосредственно с прибора с периодом обновления данных каждые 2-3 секунды и усреднением в 200 импульсов (режим работы Medium). Жёлтым показаны усреднённые данные оконной функцией скользящего среднего (SMA), ширина окна усреднения указана на графике.
Несколько участков демонстрирующих, что нарастание и спад фона могут иметь различную тенденцию
3. Корреляция данных с разных приборов
Корреляция показаний двух разных приборов Atom Fast «Fat» Ø40×40мм и 8850 за весь период наблюдения (Atom Fast 8850 был подключен к регистрации данных несколько позднее по техническим причинам) и более детально в некоторые периоды времени:
Наблюдается очень высокая корреляция показаний, динамики изменения и тенденций изменения фона. Как видно из графиков 2.8-2.10 размах и девиация показаний напрямую зависит от физической чувствительности детектора, обусловленной размером кристалла.
При этом даже уменьшение размера кристалла в 15 раз позволяет в данных условиях измерения получить картину близкую к объективной.
Регистрация изменений фона на прибор RadiaCode-101 с детектором 1 см3 так же возможна, правда только если оперировать каналом измерений CPS (импульсы в секунду), а не МЭД. Родное приложение этого прибора не позволяет регистрировать сырые данные или данные после первоначального усреднения с заданным интервалом времени, хотя и ограниченно отображает такие данные на экране телефона. Сохраняется же в лог уже сильно отфильтрованный набор данных, как по постоянной времени, так и по дельте изменения. Это сильно ограничивает применение данного прибора в аналитических целях. Однако используя оконную функцию усреднения к архиву данных сохранённых с прибора, можно получить график весьма сопоставимый по тенденциям изменений с приборами Atom Fast:
Таким образом можно констатировать, что рассматривая канал измерения CPS данным прибором так же можно отследить колебания радиационного фона в таких незначительных пределах, хотя и с визуально заметной потерей точности.
Чем больше размер кристалла — тем стабильнее показания при неизменном фоне, за счёт большего усреднения на этапе подсчёта самим детектором в одинаковый промежуток времени. Так детектор объёмом в 50 см3 имеет чувствительность при фоне 0.03 мкЗв/ч около 30 имп/с и ширину окна усреднения в 200 импульсов; детектор объёмом 3.2 см3 при том же фоне имеет около 5 имп/с и ширину окна усреднения 35 импульсов, а детектор с объёмом кристалла 1 см3 при том же фоне будет иметь физическую чувствительность около 1.75 имп/с.
4. Аномалии измерений
На графиках 2.1 и 3.1 обзорно, и на графике 2.7 более детально видно кратковременное снижение фона, ниже всех остальных значений за обозначенный период наблюдения.
За пределами периода времени измерения, рассматриваемого в пункте 2 наблюдалось повторное снижение МЭД. Рассмотрим оба случая более детально.
Анализ зарегистрированных данных показал, что снижение в обоих случаях было зарегистрировано по всем детекторам и коррелировало по времени и интенсивности.
Проведя анализ метеоусловий в эти периоды времени никакой связи с погодой не обнаружено. В первый период времени стояла полностью ясная погода и на чистое от облаков небо и отсутствие осадков в период времени с 8 утра и до 11 часов дня. Во время второго случая было пасмурно, видимость неба 0%, периодический шёл очень слабый снег (мелкая крупа), не создающий снежного слоя на поверхности.
Причина обоих случаев снижения была достоверно обнаружена — человеческий фактор. Благодаря средствам объективного контроля выяснилось, что именно в это время к зданию, в котором производилось измерение, подъезжал грузовой автомобиль — цистерна с водой, для заправки системы водоснабжения собственных нужд здания. Цистерна в течении 1,5-2 часов стояла в нескольких метрах от здания, чего оказалось достаточно, для экранирования части фонового излучения.
5. Исходные данные
Архив исходных измерений с детекторов
6. Сокращения
ДПР — дочерние продукты распада (изотопа)
МЭД — мощность эквивалентной дозы рентгеновского и гамма-излучения, интенсивность радиационного (ионизирующего) излучения
CPS — Counts per Second, количество импульсов в секунду (имп/с)
SMA — simple moving average, скользящее среднее — функция усреднения данных
RAW — сырые данные, данные не подвергавшиеся обработке, либо обработанные на этапе аппаратной части