Глава 2. Пассивные методы обнаружения радиоактивных

выбросов в атмосферу

Пассивные методы дистанционного обнаружения радиоактивных выбросов в атмосферу, а также экологического мониторинга деятельности ядерно- перерабатывающих предприятий представляют не меньший интерес, чем активные методы. Однако имеют перед ними определённые преимущества, в частности, они не приводят к дополнительному электромагнитному загрязнению среды, менее энергоёмки и более просты при их реализации на практике, поскольку для них не требуется предварительная информация о местонахождении источника радиоактивных выбросов.

Очевидно, что для решения этой задачи пригодна регистрация излучения как радиоактивных изотопов, выбрасываемых в атмосферу, так и вторичного излучения, которое образуется в следствии взаимодействия радиоактивных элементов с атмосферными газами. Излучение первого типа является коротковолновым и принадлежит к оптическому или рентгеновскому диапазонам длин волн. Что касается вторичного излучения, то оно может возникать как оптическом, так и в СВЧ диапазоне длин волн. Поскольку надёжность приёма излучения в СВЧ диапазоне значительно выше, чем в оптическом диапазоне длин волн, то при разработке пассивного метода дистанционного обнаружения радиоактивных выбросов ядерно-перерабатывающих предприятий необходимо учитывать это обстоятельство и среди большого числа атмосферных газов необходимо в качестве индикатора загрязнения выбрать такой, который излучает в СВЧ диапазоне длин волн. Из дальнейшего рассмотрения становится ясным, что такая возможность существует.

2.1. Пассивный дистанционный метод экологического мониторинга

радиоактивного загрязнения окружающей среды Е.Т.Протасевича

В (26( предложен метод регистрации радиоактивного загрязнения среды путем измерения излучения в СВЧ- диапазоне длин волн. Его суть сводится к следующему.

Известно, что в районах радиоактивного загрязнения местности ( на атомных электростанциях, в частности, после аварии на Чернобыльской АЭС; в районах выпадения осадков при испытаниях ядерного оружия в атмосфере; на атомных подводных лодках и пр.) наблюдаются продолжительные свечения воздуха. Анализ этих материалов показывает, что имеется также связь между наблюдаемыми свечениями воздуха и метеоусловиями. Постараемся воспользоваться этим обстоятельством при разработке пассивного метода дистанционного обнаружения радиоактивных выбросов в атмосферу.

Известно [27( 31], что в приземной атмосфере, подвергнутой ионизирующему воздействию, например, электрическому пробою, существуют условия, которые обеспечивают ее длительное послесвечение. Эти условия связаны в первую очередь с содержанием воды в атмосфере как в паровой, так и в аэрозольной или жидкокапельной фазах. Независимо от вида ионизирующего воздействия ( корпускулярное или электромагнитное ) установлены три стадии трансформации воды в атмосфере, обеспечивающие устойчивое длительное послесвечение воздуха:

1) испарение воды, если последняя в жидкокапельной фазе;

2) разложение молекул воды в паровой фазе;

3) протекание целого комплекса физико-химических реакций [31], в результате которых образуется холодная неравновесная плазма с длительным послесвечением.

Хотя в условиях радиоактивного облучения атмосферы роль первой стадии невелика из-за малого энерговклада источника ионизации, можно предполагать, что как причины свечения воздуха, так и связь этого свечения с метеоусловиями обусловлены протеканием второй и третьей стадии, когда водяной пар уже присутствует в атмосфере (например, весной из-за интенсивного испарения влаги с поверхности земли, при восходе Солнца и прогреве земли в утренние часы конца лета, при ясной, жаркой погоде над поверхностью морей и океанов и пр.)

Относительно первой стадии агрегатно-физико-химических превращений
Н2О следует сделать следующее замечание. В атмосфере , хотя и кратковременно , но часто существуют условия пресыщения водяных паров. В процессе ионизации это должно приводить к смене направлений Н2О в первой стадии в противоположную сторону. В связи с этим можно ожидать некоторые изменения свечения атмосферы в такое время ( летом в ночные часы ).

В отличие от плазмохимического способа получения водорода из воды, в нашем случае наиболее важны реакции, в которых получается не молекулярный , а атомарный водород и гидроксил ОН. Происходит это в результате процессов возбуждение и ионизация [26]:

( Н2О+ (а); Н + ОН+ (б); Н( + ОН (в);
Н2О(

(2.1)

( Н2О* Н + ОН (г); Н2 + О (г); а также за счет быстрых ионно-молекулярных реакций
Н2О+ + Н2О ( Н3О+ + ОН (а);
ОН+ + Н2О ( Н3О+ + О2 (б);

(2.2) которые протекают в сочетании с процессом диссоциативной нейтрализации иона оксония

( Н+ +Н2О (а);
Н3О+ + е (

(2.3)

( Н2(2Н) + ОН (б);

Образование свободных атомов водорода идет по каналам реакций
(2.1 б), (2.1 г) и (2.3 а), а гидроксила ОН ( в результате протекания реакций (2.1 б), (2.1 г), (2.2 а), (2.3 б). Атомарный водород и гидроксил
ОН принадлежат к числу компонент, активных в СВЧ ( диапазоне . Образование свободных атомов водорода должно сопровождаться генерацией излучения на частоте 1420 МГц ( длина волны ~ 21,1 см.), которое обусловлено сверхтонким расщеплением основного уровня энергии атома на два близлежащих подуровня. Причиной расщепления является взаимодействие спинов ядра и электрона. В результате слабых соударений атомов водорода в воздухе происходит смена ориентации спина электрона в атоме водорода на противоположную ( с параллельной на антипараллельную, более выгодную в энергетическом отношении). Спонтанное изменение ориентации спина сопровождается возникновением излучения с частотой 1420 МГц.

Кроме частоты 1420 МГц осуществить регистрацию СВЧ ( излучения можно также на частотах 1612, 1665, 1667 и 1721 МГц [26 ]. Эти частоты соответствуют уже сверхтонким переходам в молекуле радикала ОН, который присутствует подобно водороду практически во всех реакциях разложения воды, например, (2.1 б), (2.1 в), (2.1 г), (2.2 а) и (2.3 б).Произведем оценку возможностей регистрации указанного СВЧ ( излучения в случае практической реализации предлагаемого метода. Интенсивность излучения (линии) определяется вероятностью радиационного перехода Аnk и может быть рассчитана по формуле [ 26,33 ]:

S = ( (nk Ank