Способ криогенного концентрирования радона

Изобретение относится к способам получения радона и может быть использовано в технологических целях и медицине.

Известны способ и устройство для получения водного концентрата радона, содержащее твердый источник радиоактивного излучения, размещенный в закрытой емкости (см. RU №1568782, МПК G21G 4/10, опубл. 10.01.95). В данном устройстве с целью повышения радиационной безопасности в качестве материала-носителя используют легкоплавкие эвтектические смеси солей щелочных или щелочноземельных металлов. Накопление радона производят в твердой фазе материала-носителя, выделение - при нагревании материала-носителя на 130-180°С выше температуры плавления, удаляют радон из металлического контейнера после затвердевания материала-носителя в бак с водой. Для получения водного концентрата радона с помощью насоса вода забирается из нижней части бака и распыляется в его верхней части, одновременно закручивая воду в баке для лучшего перемешивания.

Известные способ и устройство являются сложными как в части технического решения устройства по приготовлению радона, так и по способу приготовления водного концентрата радона.

Известны способ получения радоносодержащего концентрата и устройство для его осуществления (см. RU №2435564, МПК A61J 3/04, A61K 9/06, A61K 9/02, A61K 51/12, опубл. 10.12.2011), в основу которых заложена задача получения масляного радоносодержащего концентрата путем использования источника радона и контактирования масла или жира с радоносодержащим веществом, а в качестве радоносодержащего вещества при этом используют чистый радон или радон с газом-носителем и контакт радона или радоносодержащего газа с маслом или жиром осуществляют в течение времени, необходимого для насыщения, но не менее 20 минут, при этом объем газа-носителя остается постоянным.

При этом общеизвестны недостатки подобных способов получения концентратов радона в масле (жире), такие как образование трудноразделяемых водомасляных (водожировых) эмульсий, что сильно ограничивает номенклатуру применяемых масел (жиров) и влечет за собой ухудшение санитарно-защитной обстановки радоновых лабораторий, создает возможность дополнительного облучения персонала. Кроме того, необходимость применения специального дополнительного оборудования (мешалки, делительной воронки и т.д.) неизбежно повышает трудозатраты, что не может способствовать широкому использованию технического решения.

Способ для получения радона (см. RU №2482559, МПК G21G 4/10, опубл. 27.09.2012), основанный на использовании установки, содержащей контейнер в форме стакана со съемной крышкой, являющийся полостью для материала-накопителя радона, снабженный отверстиями, клапанами, вентилями, нагревателем и фильтром, а также соединенные между собой воздуховодами ловушки для сбора подпочвенного воздуха, выполненные в виде емкостей, установленных вверх дном на глубине 1,0-1,5 м относительно поверхности земли, устройство для осушки подпочвенного воздуха, насос, в целом характеризуется сложностью конструкции установки и малоэффективностью способа для получения радона, обусловленной ограниченностью его использования – только в местах сбора подпочвенного воздуха с природным радоном.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности получения концентрированного радона в стационарных условиях.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в упрощении способа получения концентрированного радона с эманацией при использовании стандартного оборудования, позволяющего проводить процедуры в лабораторных условиях, например непосредственно в лечебных учреждениях.

Для решения поставленной задачи способ криогенного концентрирования радона путем использования твердого радиоактивного эманирующего источника, например урановой руды, и охлаждения выделяемого газообразного радона до отрицательных температур в установке для криогенного концентрирования радона, содержащей теплоизолированную емкость с заливным патрубком, например сосуд (термос) Дьюара, закрываемого теплоизолированной крышкой, причем в заливном патрубке установлен съемный сетчатый контейнер для руды, а емкость заполняется жидким азотом, емкость внутри может быть дополнительно снабжена нагревательным элементом с термодатчиками с внешним пультом управления, включает подготовку радиоактивного источника путем выборки минералов мощностью дозы порядка 280-320 мкР/ч и их измельчения до фракции размерами частиц 1,5-2,0 см, заполнение емкости жидким азотом до верхнего уровня при последующей установке сетчатого контейнера с навеской руды в патрубке емкости и охлаждение выделяемого газообразного радона до отрицательных температур, соответствующей температуре точки кипения жидкого азота, с получением твердого радона на дне емкости и концентрированного газообразного радона при полном испарении жидкого азота в емкости, после чего измеряют концентрацию получаемого радона и выполняют предусмотренные программой криогенного концентрирования перенос в хранилище и использование по назначению. Кроме того, используют внутреннее нагревательное устройство для ускорения процесса испарения жидкого азота.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Совокупность признаков обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно повышение эффективности получения концентрированного радона в стационарных условиях при использовании относительно простого и надежного по конструкции устройства для концентрирования радона.

Признак «выборки минералов мощностью дозы порядка 280-320 мкР/ч» объясняется легкодоступностью камней с подобной активностью и достаточностью скорости эманирования радона из камней данной радиоактивной мощности.

Сущность работы устройства основана на превращении газообразного радона в жидкость и охлаждении газообразного радона в сосуде с жидким азотом.

Известно, что жидкий азот имеет точку кипения (-195,75)ºС, а газообразный радон превращается в жидкость при (-62)ºС, а при (-70)ºС переходит в твердое состояние. Таким образом, низкая температура жидкого азота существенно превышает температуру сжижения и отвердевания радона. Следовательно, если поместить радиоактивный эманирующий источник, например куски урановой руды в виде кусков метасоматита с прожилками браннерита, в теплоизолированную емкость, например термос или сосуд Дьюара, в который налит жидкий азот, то радон будет накапливаться на дне емкости в твердом состоянии. По мере испарения жидкого азота внутри емкости будет концентрирован газообразный радон.

Экспериментально установлено, что при использовании в качестве емкости концентратора радона термоса объемом в 2 л, в течение двух суток после помещения руды в сосуд с жидким азотом, закрытый теплоизолированной крышкой, азот испаряется полностью, а концентрация радона внутри термоса составляет в среднем 12324±1848 Бк/м³. А при использовании 40-литрового сосуда жидкий азот испаряется за 14 суток без использования функции ускорения нагревом.

Для измерений используется прибор радиометр радона, например, типа РРА-01М-03, а определение уровня жидкого азота в процессе испарения проводится известными способами (измерительный щуп и др.).

Условия концентрирования радона в емкости не требуют поддержания стабильной температуры жидкого азота, поскольку радон превращается в жидкость при (-62)ºС. В целях ускорения испарения жидкого азота устройство внутри емкости дополнительно содержит маломощный нагревательный элемент, например, на основе вольфрамовой проволоки.

Заявленное техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фигуре 1 схематично показано устройство криогенного концентратора радона, фигуре 2 – схема измерения содержания радона с помощью радиометра.

Установка представляет собой теплоизолированную емкость 1, например, по аналогии с сосудом (термосом) Дьюара - двойной теплоизолированной стенкой, с широким заливным патрубком (горловиной) 2, закрываемую теплоизолированной крышкой 3. Во внутренней стенке емкости 1 установлен нагревательный элемент 6 с термодатчиками, подключаемый к электросети. При этом крышка 3 изготовлена из радонопроницаемого материала и может иметь дополнительные отверстия для свободного испарения жидкого азота. В патрубок 2 в подвешенном состоянии устанавливается съемный сетчатый контейнер 4, например металлический, предназначенный для размещения радиоактивного эманирующего источника 5 (см. фигуру 1).

Способ криогенного концентрирования радона с использованием заявленного устройства, которое позволяет охлаждать эманирующий газообразный радон отрицательными температурами, характерными для жидкого азота, осуществляется следующим образом.

На начальном этапе подбираются куски радиоактивного источника (например, минерала метасоматит с прожилками браннерита) мощностью дозы в среднем 300 мкР/ч, которая определяется посредством измерения мощности экспозиционной дозы дозиметром, например, типа ДРГ-01-Т.

Отобранная руда источника измельчается до фракции размерами частиц около 1,5-2,0 см, далее готовая навеска руды 5 размещается в сетчатый контейнер 4 устройства. При этом экспериментально установлено, что оптимальный вес руды, например, для емкости с объемом 40 л составляет около 2 кг.

Теплоизолированная емкость 1 наполняется жидким азотом, после чего с некоторой осторожностью в заливной патрубок 2 устанавливается сетчатый контейнер 4 с рудой 5.

Контейнер 4 представляет собой сетчатый цилиндр с диаметром, немного меньшим внутреннего диаметра заливного патрубка 2, что позволяет контейнер 4 свободно устанавливать и извлекать из него, и с широким краем (фланцем) в верхней части, за которое подвешивается в патрубке 2.

После загрузки контейнера 4 через патрубок 2 емкость 1 закрывается крышкой 3. При этом не исключается непосредственный контакт жидкого азота с рудой 5 в контейнере 4.

Таким образом, начинается процесс криогенного концентрирования радона из эманирующего источника. Эффект концентрирования радона основан на использовании механизма сжижения радона при температуре (-62)ºС, при этом радон скапливается на дне емкости 1. Контроль содержания радона в концентраторе выполняется посредством измерений объемных содержаний радона при помощи радиометра радона, например, типа РРА-01М-03, Alpha GUARD.

При необходимости ускорения испарения жидкого азота (например, для емкостей большего объема) подключается маломощное нагревательное устройство 6 с термодатчиками, управляемое через внешний пульт управления 7. Обогрев производится до достижения температуры в камере до (-100)ºС. Экспериментально показано, что путем дополнительного обогрева достигается сокращение процесса испарения жидкого азота до 2 суток в емкости с объемом 40 л.

С течением времени в донной части образуется твердый радон 8 (см. фигуру 1). Т.к. в жидком состоянии измерять радон невозможно, измерения производятся после полного испарения жидкого азота. При этом используется следующая схема: частично снимается крышка 3, через образуемую щель через патрубок 2 в емкость 1 помещается трубка 9 радиометра радона, изготовленная, например, из силиконового материала, соединенная другим концом с измерительной камерой радиометра 10 для забора анализируемого воздуха. Измерения ведут в трех положениях трубки 9 внутри емкости 1: на донной (а), серединной (б) и верхней (в) частях емкости (см. фигуру 2), в которых определяют концентрацию получаемого радона.

Таким образом, экспериментально доказано, что с помощью жидкого азота и радиоактивного эманирующего источника можно сконцентрировать радон до высоких содержаний, а предлагаемое простейшее устройство позволяет выполнить предварительное концентрирование радона при температуре жидкого азота. Получаемый радон может быть перенесен известными способами в хранилище для последующего использования по назначению.