Aparatura do pomiarów st enia radonu w wodach podziemnych

Pomiary st enia radonu w wodzie prowadzone były w Laboratorium Hydrogeologicznym na Wydziale Geoin ynierii, Górnictwa i Geologii Politechniki Wrocławskiej. St enia radonu mierzone były za pomoc urz dzenia AlphaGUARD, wyprodukowanego przez niemieck firm Genitron Instruments GmbH. System ten w wersji

słu cej do pomiarów st enia radonu w wodzie składa si z elementów przedstawionych na rys. 6.3. Podstaw zestawu pomiarowego stanowi przeno ny monitor radonowy (AlphaGUARD), AlphaPUMP – gazoszczelna pompka o regulowanym przepływie gazu oraz AquaKIT – gazoszczelny zestaw słu cy do odgazowania próbki wody, a zwłaszcza uwolnienia rozpuszczonego w niej radonu.

Rys. 6.3. Stanowisko do pomiarów st enia radonu w wodzie w Laboratorium Hydrogeologicznym na Wydziale Geoin ynierii, Górnictwa i Geologii Politechniki Wrocławskiej.

1 – AlphaGUARD monitor, 2 – pompa AlphaPUMP, 3 – naczynie odgazowuj ce (cz AquaKIT), 4 – naczynie asekuracyjne (cz AquaKIT), 5 – „doker”, 6 – próbka wody, 7 – termometr zanurzeniowy.

Wszystkie elementy poł czone s w hermetycznie zamkni ty obieg. Stanowisko pomiarowe oprócz wy ej wymienionych urz dze dodatkowo wyposa ono w termometr zanurzeniowy oraz „doker” słu cy do wł czenia w system strzykawki z pobran próbk wody oraz w strzykawk o pojemno ci 100 cm³, b d c cz ci zestawu AquaKIT (Przylibski i Adamczyk, 2003).

Podstawowym urz dzeniem wykonuj cym pomiar jest AlphaGUARD monitor. Mierzy on st enie radonu za pomoc wbudowanej komory jonizacyjnej wyposa onej w filtry zatrzymuj ce radioaktywne produkty rozpadu radonu. Radon jest dostarczany do komory jonizacyjnej wraz z powietrzem atmosferycznym poprzez pomp AlphaPUMP z wydajno ci 0,3 dm³/min. Wcze niej powietrze pompowane jest przez naczynie odgazowuj ce próbk wody, zaopatrzone w napowietrzacz, powoduj cy turbulentny przepływ gazu przez próbk wody, a nast pnie przez naczynie asekuracyjne, w którym zatrzymywany jest nadmiar wilgoci. Badan próbk wody umieszcza si bezpo rednio w naczyniu odgazowuj cym poprzez przył czenie do „dokera” wylotu strzykawki i delikatnie wstrzykni cie wody, w taki sposób, aby nie wywoła turbulentnego przepływu, co mogłoby spowodowa cz ciow ucieczk radonu. Natychmiast po wprowadzeniu próbki wody o obj to ci 100 cm³ do naczynia odgazowuj cego zamykane s zawory w tym naczyniu i w naczyniu asekuracyjnym w celu hermetycznego zamkni cia układu pomiarowego.

Po wprowadzeniu próbki wody do układu pomiarowego i jego hermetycznym zamkni ciu oraz wł czeniu AlphaGUARDa w 1. minutowym cyklu pomiarowym nast puje wła ciwy pomiar st enia radonu w próbce wody, a wła ciwie w powietrzu, do którego wyekstrahowano radon z wody. Pompa AlphaPUMP pracuje w układzie przez 10 minut pomiaru z wydajno ci 0,3 dm³/min. Sam pomiar trwa jeszcze 20 minut. Po pół godzinie od rozpocz cia pomiaru wył czany jest monitor AlphaGUARD, co ko czy pomiar. W tym momencie w pami ci zapisanych jest ok. 30 wyników pomiarów st enia radonu w powietrzu komory jonizacyjnej. Wbudowane czujniki w monitorze zapisuj w pami ci tak e dane o temperaturze otoczenia, wilgotno ci wzgl dnej powietrza oraz ci nieniu atmosferycznym dla ka dego z minutowych pomiarów. Wyniki pomiarów st enia radonu w powietrzu komory jonizacyjnej s przeliczane i zapisywane w Bq/dm³, a przy st eniach powy ej 99.000,00 Bq/dm³ w kBq/dm³. Po zako czeniu pomiaru istotne jest przewentylowanie całego systemu w celu usuni cia radonu oraz produktów jego rozpadu, które mogłyby zaburzy kolejny pomiar. Minimalny czas wietrzenia systemu powietrzem atmosferycznym wynosi 3 godziny, co zwi zane jest z okresem półrozpadu krótko yciowych produktów rozpadu radonu (izotopów 218Po, 218At, 218Rn, 214Pb, 214Bi, 214Po, 210Tl). Po tym okresie mo na wykona kolejny pomiar. W pami ci monitora AlphaGUARD mieszcz si 32 wyniki wykonanych pomiarów. Wyniki te przesyłane s do komputera klasy PC, pracuj cego w systemie operacyjnym DOS.

Po przesłaniu i zapisaniu wyników pomiarów, odczyt oraz ich wst pna obróbka mo liwa jest w programie AlphaEXPERT doł czonym przez producenta do monitora AlphaGUARD. Oprócz odczytu wyników mo liwe jest równie odczytanie bł du pomiaru (rys. 6.4). Ostateczn warto st enia ²²²Rn oraz bł du jego oznaczenia stanowi rednie warto ci z ok. 25 wyników pomiarów wykonanych przez AlphaGUARD monitor. S to warto ci zmierzone w komorze jonizacyjnej przeliczone na st enia w obj to ci 1 m³.

Rys. 6.4. Widok ekranu monitora przy uruchomionym programie AlphaEXPERT w czasie przegl dania wyników pomiarów st enia 222Rn w próbce wody z uj cia Górne nr 3 (zbiorcze) w wieradowie Zdroju. W oknie A widoczne s warto ci st enia ²²²Rn w powietrzu komory jonizacyjnej mierzone co 1 minut .

W oknie B widoczne s odpowiadaj ce im warto ci bł dów.

St enie radonu w mierzonej próbce wody nale y obliczy stosuj c równanie podane przez producenta zestawu:

1000 0 C k V V V C C P P S P w − + − × = (1) gdzie:

C_w – st enie radonu w badanej próbie wody [Bq/dm³] (w czasie pomiaru);

C_P – st enie radonu [Bq/m³] zmierzone w powietrzu komory jonizacyjnej, rednia warto z 24–25 pomiarów;

C₀ – pocz tkowe st enie radonu w powietrzu systemu pomiarowego (przed rozpocz ciem pomiaru); przy dokładnym przewietrzeniu systemu po poprzednim pomiarze równe st eniu radonu w powietrzu laboratorium [Bq/m³];

V_S – obj to całego systemu pomiarowego [cm³]; w przypadku mniejszego naczynia odgazowuj cego, stosowanego dla próbki wody o obj to ci 100 cm³ V_S wynosi 1122 cm³;

V_P – obj to próbki wody [cm³]; najcz ciej 100, rzadziej 500 cm³; k – współczynnik rozpuszczalno ci radonu w wodzie [-].

Powy sze równanie zapisano w postaci algorytmów w arkuszu kalkulacyjnym Excel w celu przyspieszenia oblicze .

W celu ostatecznego obliczenia wyniku, tj. warto st enia ²²²Rn w wodzie w momencie pobrania próbki, nale y skorzysta z prawa rozpadu promieniotwórczego:

t e N

N = 0× −λ (2)

gdzie:

N – ilo j der izotopu promieniotwórczego po czasie t; w tym konkretnym przypadku najwygodniej jest wyrazi j jako st enie obj to ciowe po czasie t - C_w [Bq/dm³]; N₀ – pocz tkowa liczba j der izotopu promieniotwórczego; w tym konkretnym wypadku

najwygodniej jest wyrazi j jako pocz tkowe st enie obj to ciowe C₁ [Bq/dm³]; – stała rozpadu promieniotwórczego ²²²Rn; jest ona równa 1,259×10^-4 [min.^-1];

t – czas pomi dzy N₀ i N (C₁ i C_w) [min.];

e – podstawa logarytmu naturalnego. Powy sze równanie zapisano w postaci algorytmów w arkuszu kalkulacyjnym Excel, przy czym zamiast stałej rozpadu skorzystano z okresu półrozpadu (T1/2) dla 222Rn, który ze stał rozpadu jest zwi zany zale no ci :

[min] 2,592 5504,256 = 693 , 0 2 ln = T1/2 = ± λ λ ⁽³⁾

i wynosi według najnowszych pomiarów 5504,256±2,592 [min] (Collé, 1995 a, b). Czas t liczony jest od chwili pobrania próbki wody do połowy czasu pomiaru, tj. ł cznie z pierwszymi 15. minutami pomiaru. Warto Cw wynika z rozwi zania równania (1).

Otrzymanie ostatecznego wyniku, st enia ²²²Rn w badanej próbce wody w chwili jej pobrania jest równoznaczne z wyznaczeniem warto ci C1 (N0) z równania (3). Obliczanie

bł dów pomiaru wymaga zastosowania analogicznej procedury oblicze , z t ró nic , e do równania (1) podstawiana jest rednia warto bł du oznaczenia st enia radonu CP, któr tak e odczytuje si w programie AlphaEXPERT, gdy jest ona automatycznie liczona przez monitor AlphaGUARD w czasie pomiaru (rys. 6.4). Dla tej warto ci Cp, uzyskana warto Cw jest nast pnie podstawiona (jako N) do równania (3). Po rozwi zaniu równania (3) ze wzgl du na C1 (N0) otrzymujemy bł d oznaczenia st enia ²²²Rn w badanej wodzie w chwili pobrania próbki.

Opisane powy ej stanowisko pomiarowe umo liwia wykonywanie pomiarów st enia 222Rn w dowolnej próbve wody – podziemnej, powierzchniowej, wodoci gowej, o wysokiej lub niskiej mineralizacji, o wysokiej lub niskiej zawarto ci innych rozpuszczonych gazów. Jedynymi utrudnieniami w pomiarach mog by wysokie (rz du 10 i wi cej g/dm³) st enia trudno rozpuszczalnych soli, które wytr caj c si w czasie pomiaru w naczyniu odgazowuj cym mog doprowadzi do kolmatacji (zatkania) napowietrzacza, powoduj cego turbulentny przepływ powietrza przez próbk wody. Wówczas nale y wymieni napowietrzacz. Jedynym gazem, który mo e sprawia trudno ci w pomiarach jest inny izotop radonu – toron (²²⁰Rn). Jednak e jego krótki okres półrozpadu (T_1/2 = 54,5 s) powoduje, e wystarczy odczeka około 10 minut (10·T_1/2) od chwili pobrania próbki wody, aby praktycznie cała jego ilo uległa rozpadowi promieniotwórczemu.

Dolny próg detekcji wynosi około 0,05 Bq/dm³, przy niepewno ci wyniku rz du 100%, co wynika z dokładno ci oznaczenia st enia radonu w powietrzu komory jonizacyjnej monitora AlphaGUARD, która wynosi 2 Bq/m³. Wi ksze st enia, mierzone np. w wodach wodoci gowych i powierzchniowych, rz du kilku Bq/dm3 mierzone s z niepewno ci około 5–25%. Przy jeszcze wi kszych mierzonych st eniach ²²²Rn, głównie w wodach podziemnych, bł d oznaczenia wynika z dokładno ci kalibracji urz dzenia oraz niepewno ci w oznaczeniu aktywno ci ródła kalibracyjnego i mie ci si w granicach 3–6%.

Dokładno oznacze mo na zwi kszy poprzez zastosowanie filtra z w glem aktywnym, wł czanego do obiegu powietrza pomi dzy naczyniem odgazowuj cym a asekuracyjnym przed przyst pieniem do wła ciwego pomiaru. Po kilkunastominutowym okresie przepompowywania powietrza w układzie zamkni tym: AlphaPUMP – AlphaGUARD – AquaKIT z filtrem w glowym, mo na spowodowa obni enie warto ci tła (st enia C0) do poziomu poni ej 1–2 Bq/m³. Jak wynika jednak z wy ej opisanych

zale no ci warto ta mo e wpływa na ostateczny wynik pomiarów jedynie dla bardzo małych warto ci st enia radonu w wodzie – poni ej 1 Bq/dm³.

Próbka wody pobierana jest do trzech naczy aby wyeliminowa mo liwo odgazowania podczas pobierania, transportu lub w trakcie wykonywania pomiarów. Je eli uzyskane wyniki trzech niezale nych pomiarów mieszcz si w granicach zmierzonych bł dów, wówczas ostateczny wynik jest ich redni wa on . W przypadku uzyskania wyniku odbiegaj cego od pozostałych nie bierze si go pod uwag , a rednia obliczana jest z dwóch pozostałych. Je eli ka dy z trzech wyników pomiarów danej próbki wody znacznie ró ni si od pozostałych (o warto ci przekraczaj ce obliczone bł dy), wówczas nale ało powtórzy opróbowanie.