Известно, что одним из основных биологически активных факторов горных пород и определенных, естественных или искусственно пройденных, подземных полостей (в частности горных соляных выработок [6]) являются низкие дозы радиоактивных излучений [7]. Для создания уникального микроклимата замкнутых помещений все шире используются специальные комплексы – спелеоклиматические камеры [1], в которых в облицовочных материалах и/или материалах несущих конструкций применяется сильвинитовая или галитовая руда. В силу влияния природных солей воздушная среда в таких комплексах обладает уникальными свойствами [4].
В настоящее время накоплен определенный экспериментальный материал о том, что в качестве одного из параметров качества воздушной среды выступает высокая объемная концентрация легких аэроионов [10]. Вместе с тем пока отсутствуют работы, обобщающие с единых физических позиций разрозненные теоретические и экспериментальные результаты, позволяющие выявить закономерности повышенного ионосодержания воздушной среды в горных соляных выработках. Исследования ограничиваются, как правило, либо выполненными измерениями излучений [9], либо измерениями параметров ионосодержания [8] без рассмотрения пространственных характеристик факторов, обуславливающих формирование аэроионного состава.
Целью настоящей работы является проведение исследований полей радиоактивных излучений, характерных для калийных солей и материалов на их основе, их сопоставление с известными теоретико-эмпирическими закономерностями распространения излучений и на основе проведенного анализа выявление закономерностей реализации механизмов ионообразования, обусловленных естественной природной ионизацией.
Теоретико-эмпирические закономерности распространения излучений калийных солей
Основной вклад в аэроионообразование в горных выработках калийной соли, равно как и в спелеоклиматических камерах, следует ожидать от ионизирующего излучения калия, который входит в химический состав калийно-магниевых солей.
В природе калий состоит из двух стабильных изотопов 39K (93,08 %), 41K (6,91 %) и одного радиоактивного – 40K (0,0117 %), причем изотоп 40K распадается двумя разными путями.
В результате β-распада (89,28 %) 40K превращается в стабильный изотоп 40Ca:
40K19 → 40Са20 + е-.
Эманированные β-частицы (средняя энергия излучения 0,541 МэВ, граничная (максимальная) энергия – 1,322 МэВ) присоединяются к внешним оболочкам атомов и молекул воздуха и образуют отрицательно заряженные аэроионы.
Второй тип распада атомы изотопа 40K претерпевают путем K-захвата (10,72 %) и трансформируются в 40Ar, ядро которого, переходя в стабильное состояние, образует γ-квант с энергией 1,505 МэВ:
40K19 + е- → 40Аr18 + hν.
Как известно β-частицы, проходящие через вещество, испытывают упругие и неупругие взаимодействия с ядрами и электронами окружающей среды. Взаимодействие β-частицы с атомными электронами приводит к передаче им некоторой энергии, следствием чего является либо ионизация, либо возбуждение атома. Оба вида передачи энергии, имеющие общее название «ионизационные потери», реализуются примерно равновероятно.
Связь между плотностью потока j (частиц·см–2·с–1) β-частиц, прошедших через слой поглотителя, и плотностью потока β-частиц φ0, эманируемых из калийной руды, удовлетворительно описывается формулой
φ = φ0exp(–μβh), (1)
где μβ – коэффициент поглощения β-частиц; h – толщина слоя поглотителя, в качестве которого в рассматриваемом случае может выступать либо сама калийная порода, либо воздух. Отметим, что в качестве mb можно использовать массовый коэффициент ослабления, выраженный в см2/г, при этом толщину слоя воздуха h следует выражать в г/см2.
Для граничной (максимальной) энергии Eβ β-частицы в диапазоне 0,5 ≤ Eβ ≤ 6,0 МэВ справедливы приближенные выражения для массового коэффициента ослабления:
см2/г. (2)
Линейные коэффициенты поглощения β-частиц с характерной для изотопа 40K граничной энергией Eb = 1,322 МэВ для воздуха μβвозд, вычисленные по различным эмпирическим формулам (2), соответственно будут равны
(3)
где rвозд = 1,204·10–3 г/см3 – плотность воздуха при температуре +20 °С.
Максимальный пробег hmax, см, β-частицы с граничной энергией Eβ, МэВ, при которой все β-частицы поглощаются в среде плотностью r, г/см3, для диапазона граничных энергий Eb = 0,8–3,0 МэВ вычисляется как
(4)
Согласно [2] с погрешностью не более ± 5 % максимальный пробег β-частицы с граничной энергией Eb = 0,5–3 МэВ рассчитывается по формуле
г/см2. (5)
Наибольшее применение для оценки hmax при 0,3 МэВ < Eb < 3 МэВ нашло эмпирическое соотношение Фламерсфельда:
г/см2. (6)
Максимальные пробеги β-частиц с характерной для изотопа 40K граничной энергией Eβ = 1,322 МэВ в воздухе hmax возд, вычисленные по эмпирическим формулам (4)–(6), дают hmax возд ≈ 490 ± 6 см. Отметим, что полученные значения характеризуют именно максимальные значения и представляются завышенными при оценке линейных размеров присутствия продуктов действия радиоактивных излучений. Действительно, полученные выше различными теоретико-эмпирическими подходами значения длины свободного пробега β-частиц в воздухе hmax возд превышают известные данные [5], согласно которым при 
длина пробега β-излучения в воздухе порядка 120 см.
Наиболее полезным на практике представляется использование выражения (1) с учетом (3), которые показывают, что с вероятностью 0,99 поглощение β-излучения в воздухе происходит на расстояниях 300–440 см.
Во всех трех процессах взаимодействия (фотоэффект, Комптон-эффект, эффект образования электрон-позитронных пар) первичного гамма-кванта с воздухом часть энергии преобразуется в кинетические энергии электронов и позитронов, а часть – в энергию вторичного фотонного излучения.
Формирование дозы γ-излучения происходит в два этапа. На первом этапе γ-кванты, взаимодействуя со средой, создают заряженные частицы и вторичное косвенно ионизирующее излучение [3]. На втором этапе заряженные частицы передают энергию веществу. Существенное различие между этими двумя этапами заключается в том, что передача энергии γ-квантами заряженным частицам и передача энергии от заряженных частиц веществу происходит в разных точках среды. Действительно, доза на поверхности раздела «сильвинитовый блок – воздух» определяется заряженными частицами, приходящими только из заднего полупространства. С увеличением глубины к ним добавляются частицы, приходящие из слоя воздуха между поверхностью сильвинитового блока и рассматриваемой точкой; это приводит к возрастанию дозы. Одновременно в этом же слое воздуха идут процессы поглощения и рассеяния γ-квантов, что уменьшает дозу. Таким образом, формирование дозы γ-излучения обусловлено двумя противоположно действующими факторами. До некоторой глубины R0 преобладает первый фактор (приход электронов), после глубины R0 преобладает второй фактор (ослабление первичного излучения). На глубине поглотителя (воздушной среды помещения) R0 доза принимает максимальное значение.
Экспериментальное исследование полей радиоактивных излучений
Поскольку 40K является источником и β-излучения, и γ-излучения, были исследованы пространственные изменения мощности экспозиционной дозы g-излучения, мкР/ч и плотности потока b-излучения, см–2с–1, в помещении размерами 10,0×6,0×3,0 м, стены которого облицованы естественными (природными) блоками калийных солей Верхнекамского месторождения, на полу рассыпаны куски калийной соли.
Измерения уровней ионизирующих излучений проводились комбинированным прибором РКСБ-104, позволяющим регистрировать b- и g-излучение.
Исследования проведены в пространственной сетке с шагом 0,5 м. Статистически обработанные результаты исследований полей ионизирующих излучений, состоящие из серий 10 измерений в каждой точке, представлены в табл. 1 и на рисунке.
Результаты исследования и их обсуждение
Полученные результаты пространственного распределения плотности потока β-частиц (табл. 1) с доверительной вероятностью порядка 0,99 согласуются с теоретическим выражением (1), а результаты аппроксимации представленных экспериментальных данных (табл. 2) показывают, что величина линейного коэффициента поглощения β-частиц μβвозд = 0,013 ± 0,002 см–1, что согласуется с эмпирическими оценками (3).
Таблица 1
Поле бета-излучения
|
Расстояние от пола, см |
Плотность потока b-излучения, см–2с–1 |
|||||
|
Расстояние от стены, см |
||||||
|
0 |
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
|
|
250 |
0,37 ± 0,04 |
0,18 ± 0,07 |
0,09 ± 0,006 |
0,04 ± 0,003 |
0,02 ± 0,001 |
0,008 ± 0,001 |
|
200 |
0,37 ± 0,03 |
0,19 ± 0,08 |
0,10 ± 0,007 |
0,05 ± 0,002 |
0,03 ± 0,002 |
0,010 ± 0,001 |
|
150 |
0,38 ± 0,02 |
0,21 ± 0,06 |
0,12 ± 0,005 |
0,06 ± 0,003 |
0,03 ± 0,001 |
0,010 ± 0,001 |
|
100 |
0,39 ± 0,03 |
0,22 ± 0,07 |
0,14 ± 0,006 |
0,09 ± 0,004 |
0,04 ± 0,002 |
0,025 ± 0,001 |
|
50 |
0,44 ± 0,04 |
0,23 ± 0,08 |
0,15 ± 0,007 |
0,08 ± 0,005 |
0,05 ± 0,003 |
0,030 ± 0,002 |
|
0 |
0,48 ± 0,05 |
0,26 ± 0,09 |
0,16 ± 0,009 |
0,09 ± 0,003 |
0,05 ± 0,003 |
0,035 ± 0,002 |
Поле гамма-излучения
Таблица 2
Результаты аппроксимации плотности потока бета-излучений
|
Расстояние от пола, см |
Аппроксимация по уравнению (1) |
|
250 |
φ = 0,3875exp(–0,0152h) |
|
200 |
φ = 0,3929exp(–0,0142h) |
|
150 |
φ = 0,4322exp(–0,0141h) |
|
100 |
φ = 0,3986exp(–0,0107h) |
|
50 |
φ = 0,4197exp(–0,0109h) |
|
0 |
φ = 0,4725exp(–0,0111h) |
Как известно, при прохождении β-частиц через вещество происходит их упругое (на ядрах атомах и свободных электронах) и неупругое рассеяние (на связанных электронах атомов), при этом кинетическая энергия β-частиц уменьшается. По мере уменьшения энергии β-частиц и уширения углового распределения относительно первоначального направления вероятность упругих столкновений и, как следствие, ионизации атомов плавно возрастает (пик Брэгга), а вероятность возбуждения атомов плавно убывает. Исходя из вышеизложенного, максимальную линейную плотность ионизации следует ожидать на расстояниях от источника порядка средней длины свободного пробега излучения. Таким образом, оцененные ранее величины длины свободного пробега β-частиц излучения 40K в воздухе hmax возд характеризуют оптимальные линейные размеры спелеоклиматических камер с точки зрения обеспечения в воздушной среде максимально возможной концентрации легких аэроионов.
При исследовании пространственного распределения дозы γ-излучения (рисунок) на расстояниях R0 ~ 0,5–1,0 м наблюдается выраженный максимум дозы, обусловленный ее накоплением по мере продвижения γ-излучения в воздушной среде, вызванным действием вторичных излучений.
Заключение
Результаты исследований наглядно демонстрируют возможность применения сильвинитовых блоков и панелей для формирования в современных помещениях не только качественной, но и даже оздоровительной ионизированной воздушной среды.
Безусловно важным является не только количество ионов, образованных в воздушной среде в силу влияния излучений, но и то, как распределены эти ионы по длине пути излучений, т.е. как осуществлена линейная плотность ионизации.
Полученные зависимости и характерные оценки позволяют обоснованно определить требования и оптимальные параметры пространственного проектирования сильвинитовых спелеоклиматических камер. Для получения максимального (с точки зрения аэроионизации) эффекта следует линейные размеры спелеокамер выбирать исходя из длины свободного пробега β-частиц (порядка трех-четырех метров), а места размещения посетителей или пациентов во время сеансов спелеотерапии располагать на расстояниях порядка метра от стен, облицованных блоками калийных солей.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность профессору Г.З. Файнбургу (Пермский национальный исследовательский политехнический университет) за ценные замечания и советы, нашедшие отражение в настоящей работе.