Pomiar skażeń promieniotwórczych powietrza

Pomiar radioaktywnych skażeń powietrza można prowadzić na dwa sposoby. Najprościej poczekać, aż opadną na ziemię i mierzyć bezpośrednio sondą powierzchniową lub dowolnym radiometrem o odpowiedniej czułości. Prędkość opadania aerozoli promieniotwórczych zależy jednak od bardzo wielu czynników, m.in. średnicy cząstek, wilgotności i temperatury powietrza, prędkości wiatru, obecności opadów itp. Najdrobniejsze cząstki mogą się unosić w atmosferze nawet miesiącami, o czym pisałem przy okazji opadu promieniotwórczego [LINK].

Do stałego monitoringu skażeń powietrza stosuje się więc metodę polegającą na przepompowywaniu powietrza przez filtr o dużej wydajności, a następnie pomiar aktywności zebranych zanieczyszczeń. W Polsce do tego celu stosuje się stacje ASS-500 (aerosol sampling station, 500 m3/h). Stacje te pobierają powietrze z wysokości 1,5 m nad ziemią i przepuszczają przez filtr bibułowy Petrianowa o wymiarach 420x420 mm. 

https://www.umcs.pl/pl/monitoring-radiologiczny,15088.htm

W ciągu godziny przepompowywane jest 500 m3 powietrza, czyli objętość 4 mieszkań o powierzchni 50 m2 i typowej wysokości 2,4 m. Aktywność filtra w warunkach normalnych mierzona jest w odstępach tygodniowych, jednak w razie wystąpienia zagrożenia radiologicznego pomiary mogą być prowadzone nawet co 2 godziny. 

Po zakończeniu ekspozycji filtr wykonuje się 2 pomiary spektrometryczne w odstępie 48 godzin, aby zbadać udział krótkożyciowych pochodnych naturalnego radonu, którego zawartość wykazuje sporą zmienność w zależności od pór roku i warunków atmosferycznych [LINK]. Pierwszy pomiar trwa 3000 s i jest wykonywany od razu po wyjęciu filtra ze stacji, a drugi, tzw. podstawowy, po 48 h i trwa aż 80000 s. Jeśli pierwszy pomiar wykazał obecność sztucznych radionuklidów, drugi, dłuższy, wykonuje się od razu.

Stacje rozmieszczone są równomiernie na terenie Polski, głównie w placówkach naukowych:

Do tej pory stacje ASS-500 zarejestrowały następujące wzrosty aktywności:

• Incydent w hucie Algeciras na południu Hiszpanii (czerwiec 1998), gdzie nastąpiło nieświadome stopienie źródła cezu-137, które spowodowało wzrost aktywności tego radionuklidu w  powietrzu w Polsce do ponad 22,5 μBq/m3 (w Katowicach). Maksymalną wartość zarejestrowano na terenie południowej Francji (ponad 2400 μBq/m3). 
• W 15 tygodniu 2003 roku stacja w Sanoku zmierzyła jodu-131 o stężeniu 43,6  μBq/m3. Jak się okazało przyczyną obecności jodu-131 w powietrzu w Sanoku był incydent 3 stopnia, jaki miał miejsce w elektrowni jądrowej w Paks na Węgrzech w dniu 10 kwietnia 2003 r. 
• W maju i czerwcu 1992 roku zanotowano znaczny wzrost (do maksymalnej wartości 33,5  μBq/m3 zarejestrowanej  przez  stację w CLOR) stężenia cezu-137 w powietrzu spowodowany pożarami lasów w okolicach Czarnobyla. 
• W lipcu i sierpniu 2002 roku zaobserwowano podwyższone stężenia cezu-137 szczególnie  w  Białymstoku i Lublinie. Przyczyną  takiej  sytuacji  była  resuspensja poczarnobylowskiego cezu-137 pochodząca z palących się torfowisk i lasów na terenie Ukrainy,  Białorusi  oraz  na  środkowym  wschodzie  Polski  (np. Biebrzański  Park Narodowy) i towarzyszącą temu przewagę wiatrów z kierunków wschodnich

[cyt. za: M. Fudak, K. Isajenko, B. Piotrowska, Sieć stacji radiologicznego monitoringu powietrza w Polsce (stacje typu ASS-500), https://silo.tips/download/sie-stacji-radiologicznego-monitoringu-powietrza-w-polsce-stacje-typu-ass-500#modals ]. 

Tutaj mała uwaga. Wynik rzędu 2400 µBq/m3 może wydawać się duży, szczególnie wobec innych cytowanych pomiarów na poziomie 22,5-43,6 µBq/m3, nadal jest to jednak wartość skrajnie niska. Przypomnę, że 1 bekerel (Bq) to jeden rozpad promieniotwórczy na sekundę [LINK], zatem 1 mikrobekerel (µBq) to 0,000001 bekerela (jedna milionowa!). Stężenie skażeń jest podawane w odniesieniu do metra sześciennego powietrza (Bq/m3, µBq/m3), czyli, mówiąc obrazowo, sześcianu o boku 1 m. Odpowiada to objętości aż 1000 litrów. Zatem cytowane stężenie 2400 µBq/m3 oznacza, że jeden rozpad promieniotwórczy na sekundę przypada na 416,6 m3 powietrza (prostopadłościan ok. 15x20x1,4 m). Jest to stężenie znacznie większe niż normalne, ale nadal poniżej poziomu zagrożenia dla zdrowia, szczególnie że taki wzrost zawsze jest krótkotrwały. Atmosfera jest w ciągłym ruchu i skażenia szybko rozcieńczają się poniżej progu detekcji. Warto jeszcze wspomnieć, że wspomniana wartość wygląda mniej groźnie, jeśli będzie podana w milibekerelach (mBq/m3), czyli tysięcznych bekerela - z 2400 µBq robi się 2,4 mBq. Uczulam na ten aspekt, gdyż w pogoni za sensacją media lubią wyolbrzymiać podawane przez naukowców wartości, a duże liczby zawsze działają na wyobraźnię. Podobną sytuację można było zaobserwować po ataku Rosji na Ukrainę, kiedy wojska rosyjskie zajęły Strefę - poziom promieniowania podawano w nanosiwertach na godzinę, zamiast w mikrosiwertach [LINK].

***

Pomiar podobny do tego ze stacji ASS-500 możemy przeprowadzić samodzielnie, jeśli chcemy mieć pewność, że akurat w naszej okolicy nie unoszą się radioaktywne aerozole. Pierwszą metodą jest użycie odkurzacza z lejkiem i czymś, co posłuży za filtr. Może to być ręczniczek papierowy, bawełniana tkanina lub kilkukrotnie złożona gaza. Przykładowe rozwiązanie przestawiłem na poniższym zdjęciu, choć odkurzacz samochodowy Zelmer typ 115 o mocy 150 W nie jest przeznaczony do pracy ciągłej (S1), tylko dorywczej S2-30 (30 min pracy i przerwa do ostygnięcia - LINK)

Filtr nie może być zbyt gęsty, gdyż spowoduje przeciążenie silnika odkurzacza i jego przegrzewanie, a w skrajnym przypadku nawet spalenie. Dla zmniejszenia obciążenia można wyjąć worek, gdyż filtr na lejku będzie pełnił jego rolę. Innym rozwiązaniem jest wyjęcie worka i zastąpienie go przez nasz filtr z tkaniny lub bibuły. 

Jeśli odkurzacz ma dużą moc, a filtr jest cienki (np. ręczniczek papierowy), warto umieścić go na sitku kuchennym lub podobnej konstrukcji wsporczej, aby podciśnienie nie spowodowało przerwania filtra. W moim wypadku było to zbędne, ręczniczek papierowy pomimo silnego napięcia wytrzymał trwające 10 minut pompowanie testowe:

Przed rozpoczęciem właściwego pomiaru musimy jeszcze ustalić wydajność naszej pompy. W tym celu na wylot powietrza z odkurzacza mocujemy szczelnie worek od śmieci o znanej pojemności i mierzymy czas, w jakim zostanie napełniony. Pomiar prowadzimy już po założeniu naszego filtra na odkurzacz, gdyż chcemy obliczyć wydajność pompowania odkurzacza obciążonego przez filtr. 

W moim przypadku wspomniany odkurzacz samochodowy napełnił 35 litrowy worek w ok. 4 sekundy, co daje 525 litrów na minutę, czyli 31,5 m3/h. Jeśli planujemy wielogodzinne pobieranie powietrza, pamiętajmy o wybraniu odkurzacza przeznaczonego do pracy ciągłej, z oznaczeniem "praca S1" na tabliczce znamionowej.

Aby jak najdokładniej obliczyć aktywność izotopów w powietrzu powinniśmy jeszcze znać skuteczność filtrowania naszego filtra: ile cząstek zatrzymuje, a ile przepuszcza. Do potrzeb domowych możemy przyjąć 0,9 (por. artykuł o pomiarze radonu metodą Markova - LINK) lub zupełnie pominąć ten parametr, gdyż bardziej chodzi nam o rząd wielkości niż dokładną analizę ilościową. 

***

Drugą opcją jest użycie dowolnego oczyszczacza powietrza z szerokiej gamy tych urządzeń dostępnych na rynku. Są to urządzenia przystosowane do pracy ciągłej, o znanej wydajności pompowania i skuteczności filtracji, a przy tym ciche. Poniżej dość stary model: Philips Clean Air System 40. W tym oczyszczaczu filtr znajduje się za szarą kratką z boku obudowy.

Włączony oczyszczacz ustawiamy na balkonie lub na podwórku. W zależności od konstrukcji urządzenia możemy mierzyć aktywność zebraną na filtrze po jego wyjęciu lub nawet bezpośrednio w oczyszczaczu, szczególnie jeśli chodzi o wstępny pomiar, mający ustalić, czy w ogóle coś się zebrało. 

Oczyszczacze z filtrem wielostopniowym pozwolą nam wyłapać znacznie drobniejsze zanieczyszczenia, musimy wtedy jednak dokonywać pomiarów na każdym filtrze osobno, a następnie sumować wynik. Pozwoli nam to jednak ustalić, czy skażenia pochodzą od drobnych zawiesin, niesionych z dużej odległości, czy wręcz przeciwnie. Przykładem takiego oczyszczacza może być HL-OP-15 firmy Viessmann:

https://sklep-viessmann.pl/hl-op-15.html

Urządzenie posiada 4 filtry o następującym przeznaczeniu:

• Filtr wstępny - pierwszy etap procesu oczyszczania powietrza z kurzu, alergenów, włosów i sierści.
• Filtr HEPA (H13) - zasadnicza filtracja z kurzu, pyłków, alergenów, zarodników pleśni, dymu.
• Filtr z węglem aktywnym - eliminacja formaldehydu, benzenu, szkodliwych gazów oraz wszelkich niepożądanych zapachów.
• Filtr fotokatalityczny z dwutlenkiem tytanu (TiO₂) - fotokataliza rozkłada różnego rodzaju zabrudzenia organiczne, lotne związki organiczne (LZO) oraz usuwa nieprzyjemne zapachy [specyfikacja ze strony Producenta - LINK].

Dla naszych potrzeb najważniejsze będą pierwsze 3 filtry: wstępny zatrzyma najgrubsze zawiesiny, następnie większość mniejszych pyłków osadzi się na filtrze HEPA, zaś najdrobniejsze zawiesiny, w tym produkty rozpadu radonu, zgromadzą się na węglu aktywnym. Filtr fotokatalityczny w tym przypadku nie będzie miał zastosowania, choć jest przydatny, jeśli używamy oczyszczacza powietrza zgodnie z jego pierwotnym przeznaczeniem. 

***

Jeśli nie mamy informacji o możliwych incydentach radiacyjnych w kraju i za granicą, filtr możemy sprawdzać raz na tydzień, tak samo jak w stacjach ASS-500. W momencie, gdy spodziewamy się skażeń, filtr warto sprawdzać co 12 godzin lub nawet częściej. 

Skuteczność detekcji skażeń powietrza za pomocą obu w/w metod zależy od trzech czynników:

• stężenia skażeń w powietrzu
• wydajności filtra
• czułości detektora

W przypadku bardzo dużych stężeń skażenia będą wykrywalne na wszystkich odsłoniętych powierzchniach, szczególnie na roślinności czy sierści zwierząt, zatem odczyt na filtrze będzie jeszcze wyższy, możliwy do wykrycia nawet prostymi dozymetrami. Mniejsze stężenia możemy mierzyć dwojako:

• małym detektorem o bardzo dużej czułości - dozymetrami z licznikiem okienkowym Beta-1 (RadiaScan 701A, MKS-01SA1M) lub LND-7317 (Inspector Alert, Mazur PRM-9000), ew. SBT-10A (EKO-C) i SI8B (RK-100)
• dużym detektorem o średniej czułości - monitorami na licznikach STS-6/SBM-19/BOI-53 (RKP-1-2, RKP-2) lub sondami na takich detektorach (SGB-1P, SGB-3P)

Licznik okienkowy pozwoli nam wykryć izotopy o znacznie niższych energiach promieniowania beta i gamma w porównaniu z licznikami cylindrycznymi, a dodatkowo jest czuły na promieniowanie alfa, którego licznik cylindryczny nie zarejestruje. Z drugiej strony energia promieniowania jodu-131 czy cezu-137 jest wystarczająca do zarejestrowania nawet licznikami cylindrycznymi, a to te izotopy są najczęściej uwalniane przy awariach radiacyjnych.

Wybierając rodzaj detektora dla naszej amatorskiej stacji pomiaru skażeń musimy wziąć pod uwagę przede wszystkim powierzchnię filtra, na której będziemy mierzyć aktywność. Jeżeli stosujemy pomiar za pomocą odkurzacza albo małego oczyszczacza powietrza, wystarczy dozymetr z licznikiem okienkowym. Jeśli okienko licznika nie pokrywa całego filtra, pomiar prowadzimy pośrodku jego powierzchni i kontrolnie również przy jednej z krawędzi. 

Od lewej: EKO-C, Radex RD1008, Inspector Alert, Mazur PRM-900, u góry od lewej:
MKS-01SA1M, RadiaScan 701A

Pomiar aktywności zebranej na filtrze wykonujemy w jednostkach bezwzględnych (cps lub cpm), najlepiej w trybie zliczania impulsów przez określony czas. Niektóre dozymetry, np. RadiaScan 701A, mają specjalny tryb wykrywania skażeń, mierzący różnicę między bieżącym odczytem a uprzednio zapisaną wartością tła [LINK]. W przypadku innych musimy najpierw zmierzyć tło w naszym miejscu pracy oraz dokonać pomiaru aktywności świeżego filtra przed rozpoczęciem pompowania powietrza.  Znając te wartości możemy uruchomić nasz zestaw i po określonym czasie zmierzyć aktywność zebraną na filtrze. Filtr mierzymy w miejscu o niskim tle promieniowania, gdyż zebrane aktywności zwykle są nieznaczne, a niektóre powierzchnie, jak np. granit, mogą znacznie podnieść nam odczyt. 

***

Gdy korzystamy z oczyszczacza powietrza, bardziej przydatne będą sondy powierzchniowe lub monitory skażeń na licznikach STS-6 lub kompatybilnych. Tutaj pojawia się niestety problem bardzo małej podaży tych urządzeń na rynku wtórnym. Stosunkowo często występuje sonda SGB-1P, stanowiąca "podstawowe" wyposażenie radiometrów RUST-2 i RUST-3, gdyż wyprodukowano ją w liczbie 2000 szt. Dwukrotnie większa SGB-3P pojawia się niezwykle rzadko, gdyż powstało tylko 200 szt. Obie sondy wymagają do pracy radiometru uniwersalnego: przenośnego serii RUST, stacjonarnego URL lub URS lub też współczesnych autorskich przyrządów UDR i UDAR. Zwiększa to znacznie koszt całego zestawu. Bardzo rzadkie są też monitory skażeń RKP-1 i RKP-1-2, a RKP-2 ostatnio widziałem w 2018 r.

Od lewej: SGB-1P, SGB-3P, RKP-1-2, RKP-2

Może się więc okazać, że będziemy skazani na taki dozymetr, jaki w danym momencie będzie pod ręką. Szczególnie że od momentu wybuchu wojny na Ukrainie ceny gwałtownie wzrosły i utrzymują się na absurdalnym poziomie, a na rynku pozostały jedynie najgorsze chińskie mierniki. Z drugiej strony zwiększone zainteresowanie dozymetrią spowodowało pojawienie się ofert sprzedaży rzadkich i ciekawych przyrządów, jak choćby wspomniany RK-100.

***

Powyżej przestawiłem jedynie zarys metod, które mogą być stosowane w celu wykrycia radioaktywnych skażeń powietrza i oszacowania ich wielkości. Mają one zastosowanie przede wszystkim przy pomiarach średnich aktywności skażeń: mniejsze pozostawmy stacjom ASS-500 i laboratoriom z wysokoczułą aparaturą, większe zaś wykryjemy dowolnym radiometrem na każdej odsłoniętej powierzchni. Jeżeli stosowaliście którąś z powyższych metod albo próbowaliście zbudować odpowiednik stacji ASS-500, dajcie znać w komentarzach!