Pomiar ekshalacji radonu

Radon jest radioaktywnym gazem szlachetnym, stanowiącym produkt rozpadu radu-226, który z kolei jest kolejnym etapem rozpadu uranu-238, zaczynającego uranowo-radowy szereg promieniotwórczy. Radon jest  stale obecny w powietrzu, dyfundując przez glebę z podłoża skalnego, które zwykle zawiera pewną ilość związków uranu.

https://brightsidehomeinspections.com/radon-gas-testing/

Zawartość ta zależy od budowy geologicznej podłoża, zatem wykazuje dużą zmienność na terenie kraju - większa jest na południu, szczególnie na Dolnym Śląsku, gdzie występują minerały uranu. Innym źródłem radonu są radowe farby świecące, stosowane aż do lat 60. XX w. w zegarkach, kompasach, przełącznikach i wskaźnikach lotniczych oraz innych elementach, które musiały być widoczne w ciemności.

Bezpośredni pomiar aktywności radonu jest trudny z uwagi na jego gazowy stan skupienia, emitowanie cząstek alfa, które z natury mają mały zasięg i przenikliwość, a także niewielkie stężenie w powietrzu. Oczywiście można dokonać pomiaru bezpośredniego np. za pomocą komór Lucasa, które omawiałem przy okazji radiometru RGR-11. Zwykle jednak mierzy się aktywność produktów rozpadu, które mają stały stan skupienia i w postaci aerozoli stopniowo osiadają na powierzchniach. Należy tylko je zebrać na odpowiednim absorbencie, co wymaga pewnego czasu dla ustalenia się równowagi promieniotwórczej pomiędzy radonem i produktami rozpadu. Czas ten wynosi zwykle 48 godzin. Na tej zasadzie działają detektory Pico-RAD w postaci plastikowych fiolek z węglem aktywnym. Po ekspozycji w badanym miejscu detektory są zalewane w laboratorium ciekłym scyntylatorem, a fotopowielacz rejestruje i wzmacnia powstające błyski światła (scyntylacje), tak jak odbywa się to w typowym liczniku scyntylacyjnym.

Podobny pomiar aktywności produktów rozpadu radonu możemy przeprowadzić samodzielnie, choć oczywiście nie zmierzymy w ten sposób typowych stężeń radonu w powietrzu w budynkach. Za to możemy sprawdzić, czy nasz zegarek ze wskazówkami pokrytymi farbą radową jest szczelny i nie emituje radonu do otoczenia, albo czy woreczek strunowy jest wystarczającym zabezpieczeniem dla tarcz i wskazówek od takich zegarków. Poniżej użyczone mi przykładowe obiekty badań.

Testowane przedmioty wystarczy umieścić w osobnych słoiczkach z warstwą węgla aktywnego na dnie. Najlepszy do tego celu jest węgiel z łupin orzechów kokosowych, używany do celów gorzelniczych (copyright by Zuzanna). Badany obiekt stawiamy słoiczku na sztorc, by jak najmniejszą powierzchnią przykrywał węgiel i zamykamy zakrętkę.

Po dwóch dobach wyjmujemy go, a węgiel zsypujemy do kuwetki i mierzymy aktywność dowolnym radiometrem beta-gamma lub - jeśli mamy możliwość - scyntylatorem alfa. Oba detektory znajdą zastosowanie, gdyż wśród produktów rozpadu radonu występują wszystkie trzy rodzaje emisji - alfa, beta i gamma, a ich energia jest wystarczająca do zarejestrowania przez typowy licznik G-M.

http://www.if.pw.edu.pl/~pluta/pl/dyd/mtj/MTJ-W-wa/Radon-1a.pdf

Dlatego też do pomiarów wystarczy nawet stary radziecki radiometr ANRI Sosna z fabryczną kuwetką przewidzianą do pomiaru aktywności cezu-137 w produktach żywnościowych.

Kuwetkę napełniamy równomiernie i mierzymy moc dawki jak przy każdym innym pomiarze. Pamiętajmy tylko o dobrym przyleganiu kuwetki do okienka pomiarowego radiometru.

Przykładowy pomiar aktywności produktów rozpadu radonu wydzielającego się z bardzo starego zegarka możemy zobaczyć na tym filmiku. W dalszej jego części widzimy pomiar mocy dawki gamma i beta od tegoż zegarka, jak widać, jest ona dość spora:

Kolejny pomiar możemy przeprowadzić monitorem skażeń EKO-C, ustawionym na pomiar w cps. Jego cienkie okienko mikowe jest przepuszczalne dla cząstek alfa i niskoenergetycznego promieniowania beta, zaś błąd pomiarowy znacznie mniejszy niż w ANRI Sosna.

Teraz tylko trzeba zważyć węgiel z każdego pojemnika oraz zmierzyć ich objętości. Jak widać, do całkowitego pokrycia denka słoiczka o pojemności 150-250 ml wystarczy 5-10 g węgla, zatem opakowanie 1 kg starczy na bardzo wiele pomiarów.

Zerknijmy teraz na wyniki. Jak widać, nawet zegarek "Delbana", wodoszczelny według producenta, nie jest w 100% szczelny. Ekshalacja z niego jest na zbliżonym poziomie jak w "gołych" tarczach trzymanych w woreczkach strunowych. Wyniki są dość zbliżone:

Zadziwia niewielka emisja z amerykańskiej tarczy od budzika firmy "Waterbury", która ma cyfry dość grubo pokryte farbą świecącą. Podejrzewam, że jest to kwestia innych składników farby, ograniczających ekshalację, bądź też pokrycia cyfr jakimś lakierem.

Absolutnym faworytem jest jednak ten oto radziecki przełącznik lotniczy z 1959 r., choć farba świecąca jest jedynie małym punktem zamkniętym w plastikowej kapsułce:

Aby sprawdzić skuteczność woreczków strunowych jako izolacji dla tego typu obiektów, powtórzyłem test po zapakowaniu tarczy i przełącznika we wspomniane woreczki. Wyniki były zaskakujące - zerknijcie na powyższą tabelę - wyższe lub co najmniej takie same! Wydawać by się mogło, że folia nie jest żadną przeszkodą dla radonu, nawet pomimo szczelnego zamknięcia. Wchodzi tu jednak dodatkowy czynnik - otóż folia najpierw pochłania radon, a potem... go oddaje. Dlatego też używanych do detekcji radonu detektorów CR39 nie należy zawijać w folię po ekspozycji.

Dla porządku sprawdziłem również szkiełko od paliwomierza lotniczego, które pomimo wielokrotnego zmywania różnymi rozpuszczalnikami nadal wykazuje lekką aktywność alfa, mierzalną scyntylatorem, jak również beta i gamma, możliwą do zmierzenia Sosną:

Niestety ekshalacja, nawet jeśli występowała, to tak niewielka, że na węglu ani Sosna, ani EKO-C nie wykazały wzrostu wskazań ponad tło.

***

Nie są to jedyne testowane obiekty. Otrzymałem od Alka do przebadania kilka minerałów, które zawierały naturalny uran i prawdopodobnie również tor.

Plastikowe pojemniki na żywność są bardzo wygodne do tych badań, w poniższym przypadku musiałem dodatkowo uszczelnić taśmą klejącą miejsce, gdzie minerał wypycha brzeg:

Do tej pory zajmowaliśmy się radonem-222, jednak nie jest to jedyny izotop tego pierwiastka. Istnieje jeszcze radon-220, zwany kiedyś toronem i radon-219, nazywany aktynonem. Zwyczajowe nazwy powstały od pierwiastków, których produktem rozpadu jest dany izotop (vide tablica wyżej).
Dla nas praktyczne znaczenie ma Rn-220 (toron), powstający na skutek rozpadu toru-232. Jego ekshalacja następuje zarówno z minerałów toru, jak i z siateczek żarowych Auera, a w mniejszym stopniu również z obiektywów z torowanego szkła. Czas półrozpadu Rn-220 jest znacznie krótszy niż Rn-222 i wynosi zaledwie 55,6 s. Jego produkty rozpadu też są krótkożyciowe (najdłuższy - Pb-212 - 10,64 h), zatem szereg torowy szybciej się kończy. W radowym mamy długożyciowy Pb-210 (22,3 lat), który znacznie spowalnia zanikanie radonu.
Spróbujmy zatem zmierzyć ekshalację toronu. Do dyspozycji mamy siatkę żarową Auera od lamp gazowych i obiektyw z torowego szkła.
Siatka żarowa została umieszczona na specjalnym podwyższeniu z pustych ramek od slajdów, aby umożliwić swobodne krążenie toronu przy jednoczesnym odizolowaniu węgla od siateczki.

Ekshalacja z siatki okazała się bardzo nieznaczna, ale możliwa do zmierzenia. Sosna pokazała 0,04 mR/h, zaś EKO-C 6 cps, po następnych dwóch dobach wynik wzrósł do 0,06 mR/h i 8 cps. Przebadałem również obiektyw od rzutnika ze szkła z dodatkiem toru, ale nie wykazał dającej się zmierzyć emisji.  Nic dziwnego, silne związanie toru z masą szklaną w procesie produkcji skutecznie ogranicza emisję toronu. Wyższy wynik w przypadku siateczek Auera wywołany był z racji ich włóknistej struktury, ułatwiającej wydostawanie się gazu.

Nie omieszkałem oczywiście sprawdzić szkła i ceramiki barwionych uranem. W przypadku szkła nasypałem węgla do masywnego XIX-wiecznego kielicha z Mariańskich Łaźni, który wykazywał największą aktywność spośród testowanych wyrobów szklanych (0,9 mR/h). Po napełnieniu przykryłem go spodeczkiem i zaczekałem 48 h. Odczyt na poziomie tła mnie nie zdziwił. W przypadku ceramiki wynik przedstawiał się podobnie, niezależnie od tego, jak "gorący" by nie był dany obiekt. Przyczyna jest prosta - ilość związków uranu użytych do barwienia jest niska, zatem jeszcze niższa będzie zawartość radu, z którego powstaje radon. A nawet jeśli trochę go powstaje, to nie wydostaje się w mierzalnych ilościach przez spoistą masę szkła czy glazury. 

***

Pomiary prowadziłem również sondą scyntylacyjną SSU-3-2 ze scyntylatorem ZnS(Ag). Niestety w większości przypadków wynik wahał się między 0,33 a 0,67 cps, jedynie najbardziej aktywne wyroby osiągały 2-3. Składa się na to niewielki zasięg cząstek alfa oraz mała powierzchnia scyntylatora (fi 40 mm), w porównaniu np. z sondą powierzchniową SSA-1P (fi 125 mm). 

Scyntylator w SSU-3 jest też bardziej oddalony od ochronnej kratki niż w SSA-1P, a przy pomiarze aktywności alfa każdy milimetr ma znaczenie.

Powtórzyłem więc eksperyment, tym razem stosując 10 siateczek zapakowanych w fabryczne koperty oraz puszkę o objętości 2 litrów. Po dwóch dobach zmierzyłem aktywność za pomocą wspomnianej sondy SSA-1P, rozsypując węgiel tak, by pokrył całą powierzchnię detektora.

Pomiar prowadziłem za każdym razem przez 1 minutę, uzyskując odczyty pomiędzy 90 a 110 impulsów. Mniejszą aktywność zmierzyłem też na kartonowym opakowaniu od turystycznej lampy gazowej, mającej zamontowaną jedną siatkę Auera.

 

***

Kolejną metodą pomiaru zawartości radonu w powietrzu jest zasysanie odkurzaczem przez filtr bibułowy w określonym czasie, a następnie pomiar sondą scyntylacyjną w określonych odstępach czasowych (tzw. metoda Markova), której poświęciłem osobny wpis [LINK].

https://www.fuw.edu.pl/wo/data/prac-fiz-radon.pdf

Jednak jak wykazałem, scyntylator nie jest niezbędny do wykrycia produktów rozpadu radonu osadzonych na węglu aktywnym, nawet jeśli ich stężenie nie jest duże. Nie musimy zatem inwestować w drogi sprzęt, wystarczy zwykły radiometr z odsłoniętymi licznikami GM. Lepiej, by nie był to miernik, który uśrednia pomiar (Polaron), tylko taki, który wyświetla wynik po określonym czasie (Sosna, RKSB-104, RKGB-01, RKB-20.01 Beta, MS-04B Expert). Szczególnie przydatne do pomiarów małych stężeń są mierniki mogące wydłużać czas pomiaru, co zwiększa jego dokładność. Funkcję tę mają radiometry RKSB-104 i RKGB-01 (z 18 do 180 s) oraz bardzo udany, choć rzadki RKB-20.01 Beta (10, 100, 500, 1000 i 2000 s). Ma on też większą czułość dzięki zastosowaniu licznika SBT-10A z okienkiem mikowym, niestety rzadko występuje w Polsce.

Czas pomiaru można wydłużyć też w ANRI Sosna, wystarczy przełączyć go w tryb "T", w którym miernik zlicza impulsy bez ograniczenia czasowego, sygnalizując dźwiękiem co dziesiąty impuls. Potrzebny jest tylko stoper albo minutnik do kontroli czasu pomiaru.

Oczywiście tego typu pomiary mają jedynie wartość orientacyjną i porównawczą, gdyż nieznana jest aktywność promieniotwórcza źródła oraz jego wydajność pod kątem ekshalacji. Pozwalają jednak zorientować się, czy dany przedmiot jest hermetyczny, a jeśli nie, to ile przepuszcza. Mając taką wiedzę można podejmować działania zaradcze - od uszczelnienia przez zmianę sposobu przechowywania aż do pozbycia się danego przedmiotu (nie, nie do śmieci, tylko do Centrum Unieszkodliwiania Odpadów Promieniotwórczych).

I jeszcze jedno. Prowadząc tego typu badania pamiętajmy o zakrywaniu pojemników z węglem po dokonaniu pomiarów i wietrzeniu pomieszczenia, w którym trwa pomiar. Same pojemniki na czas gromadzenia  radonu lepiej trzymać na balkonie lub w innym tego typu miejscu, szczególnie jeśli podejrzewamy obiekt o silniejszą ekshalację. Artefakty najlepiej trzymać w hermetycznych słoikach lub blaszanych puszkach, umieszczonych w metalowej skrzyni. Warto nasypać na dno warstwę węgla aktywnego i regularnie go wymieniać. 

Wyniki pomiaru radonu mogą być zachętą do zakupu którejś z czujek do stałego monitorowania pomieszczenia - Airthings Corentium Home lub Airthings Wave. W sprawie profesjonalnych pomiarów stężenia radonu warto zwrócić się do specjalistów - w Polsce niedawno otworzyła swój oddział doświadczona firma Radonova - LINK. I na koniec - nie lekceważmy radonu. Gaz ten jest pierwszą przyczyną raka płuc u osób niepalących, a jego ekshalacja z różnych starych wyrobów z farbami świecącymi może być bardzo silna, o czym przekonałem się podczas wizyty w CLOR, gdzie m.in. mogłem obejrzeć komorę radonową do kalibracji detektorów. Dlatego, jeśli coś wykazuje silną emisję, lepiej się tego pozbyć, dla dobra własnego i otoczenia. 

Jeśli prowadziliście własne pomiary emisji radonu lub macie uwagi co do metodyki pomiaru, dajcie znać w komentarzach.