СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА РАДОНА И ТОРОНА С ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТА ПО АЛЬФА-ИЗЛУЧЕНИЮ
METHOD OF MEASURING DENSITY OF RADON AND THORON FLOW FROM SOIL SURFACE BY ALPHA-RADIATION

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к измерению плотности потока радона и торона с поверхности земли, а также пористых эманирующих материалов, и может быть использовано для оценки радоноопасности территорий и зданий, изучении предвестников землетрясений, плотности ионизации приземного слоя атмосферы, литосферно-атмосферных связей.
Существующие способы измерения плотности потока радона и торона с поверхности грунта по альфа-излучению основаны на регистрации измерительным устройством альфа-излучения радона, торона и альфа-излучающих продуктов их распада, накопленных внутри накопительной камеры. Накопительная камера, представляющая собой полусферу, или цилиндр с одним открытым основанием, устанавливается открытой частью на поверхность грунта. Внутри накопительной камеры происходит накопление радона и торона, выходящих из грунта.
Rn
Известен способ измерения плотности потока радона по альфа-излучению [Chalupnik S. and Wysocka M. Development of the method for measurement of radon exhalation from the ground. Proceedings of ICGG7. 2003. P.62-64. Copernicus GmbH, 2003] с использованием накопительной камеры и сцинтилляционного альфа-детектора. Способ заключается в том, что радон, накопленный внутри накопительной камеры, через время t переводится в измерительное устройство с расположенным внутри него сцинтилляционным альфа-детектором на основе ZnS, который регистрирует суммарное количество импульсов от альфа-частиц, образующихся при распаде всех накопившихся альфа-излучающих радионуклидов. Измеренное суммарное значение импульсов переводится в объемную активность радона А, используя коэффициент пересчета, определенный опытным путем. Затем плотность потока радона (q) определяют по формуле
-3
где А - измеренная объемная активность радона, накопившаяся внутри накопительной камеры, Бк м;
2
3
S - площадь основания накопительной камеры, м, т.е. поверхности, с которой почвенный радон поступает внутрь накопительной камеры объемом V, м;
-2
-1
q - плотность потока радона с поверхности грунта, Бк м с;
t - время накопления, с.
Недостатком известного способа является то, что измеряется только плотность потока радона с поверхности грунта, а плотность потока торона данным способом измерять невозможно.
Известен способ измерения плотности потока радона и торона по альфа-излучению [Zahorowski W., Whittlestone S. A fast portable emanometer for field measurements of radon and thoron flux. Radiation Protection Dosimetry. 1996. V.67, p.109-120] с использованием накопительной камеры и двух сцинтилляционных альфа-детекторов, расположенных внутри измерительных объемов, соединенных между собой задерживающим торон объемом. Радон и торон, выходящие из грунта, поступают в накопительную камеру, затем внутрь первого измерительного объема, где регистрируется альфа-излучение радона и торона, после этого газовая смесь проходит через задерживающий объем, в котором торон полностью распадается, соответственно во второй измерительный объем попадает только радон. По разности показаний первого (радон + торон) и второго (только радон) сцинтилляционных детекторов определяют количество импульсов, обусловленных тороном, которое переводят в объемные активности и, затем, по формуле (1) пересчитывают в плотности потока радона и торона.
Недостатками известного способа являются: 1) высокая стоимость требуемой аппаратуры, поскольку используют два сцинтилляционных детектора; 2) сложность конструкции для разделения сигналов от радона и торона, т.к. используется большое количество накопительных, измерительных и соединительных объемов; 3) увеличение суммарной неопределенности результата измерения из-за использования двух детекторов.
222
220
Известен способ измерения плотности потока радона и торона по альфа-излучению [Tuccimei P., Moroni М., Norcia D. Simultaneous determination of Rn and Rn exhalation rates from building materials used in Central Italy with accumulation chambers and a continuous solid state alpha detector: Influence of particle size, humidity and precursors concentration. Applied Radiation and Isotopes. 2006. V.64. P.254-263], выбранный в качестве прототипа и заключающийся в использовании накопительной камеры и полупроводникового детектора, расположенного внутри измерительного объема и работающего в спектрометрическом режиме. Способ заключается в том, что полупроводниковым детектором измеряют спектр альфа-излучения и после его обработки определяют объемные активности радона и торона. Пересчет в величину плотности потока радона и торона производят по формуле (1).
Недостатками известного способа-прототипа являются: 1) высокая стоимость требуемой аппаратуры, поскольку необходимо использовать дорогостоящее спектрометрическое оборудование для разделения радона и торона; 2) сложная электроника и алгоритм обработки.
Задачей изобретения является разработка простого, дешевого и достоверного способа измерения плотности потока радона и торона с поверхности земли по альфа-излучению.
Поставленная задача решена за счет того, что в способе измерения плотности потока радона и торона с поверхности грунта по альфа-излучению производят, также как и в прототипе, регистрацию альфа-излучения от радона, торона, продуктов их распада, накопленных внутри накопительной камеры, установленной на поверхность грунта.
1
2
Rn
Tn
-2
-1
Согласно изобретению, производят два измерения скорости счета импульсов установленным внутри накопительной камеры или полупроводниковым, или сцинтилляционным альфа-детектором, работающим в счетном режиме, чувствительная поверхность которого расположена не менее чем на 10 см выше поверхности грунта, причем первое измерение производят в момент времени t от 6 до 6,1 минут, после начала накопления, а второе - в момент времени t от 40 до 60 минут, а затем плотность протока радона q и торона q, Бк м с, определяют из выражений
t1
1
-1
где N - измеренная в момент времени t, мин, после начала накопления скорость счета импульсов, имп. с;
f2
2
-1
N - измеренная в момент времени t, мин, после начала накопления скорость счета импульсов, имп. с;
Rn
2
2
2
222
K(t) - вклад радона (Rn) в суммарный выход альфа-частиц от радона и продуктов его распада внутри накопительной камеры в момент времени t, зависящий от t, отн.ед.;
-1
-1
φ - коэффициент счета, который учитывает эффективность регистрации счетчика и геометрический фактор, имп. с Бк;
2
S - площадь основания накопительной камеры, м;
-3
220
-1
6,3·10 - коэффициент, учитывающий вклад торона (Rn) в суммарный выход альфа-частиц от торона и продуктов его распада внутри накопительной камеры, а также накопление торона и его радиоактивный распад за 6 минут, с.
1
2
2
Выбор первого времени измерения t от 6 до 6,1 минут обусловлен особенностями накопления внутри закрытой камеры радона, торона и дочерних продуктов их распада, и основан на анализе динамики выхода альфа-излучения в объеме камеры (Фиг.1). На 6-й минуте кривая роста скорости счета импульсов, обусловленная тороном, выходит на насыщение, и в указанный период суммарная скорость счета практически полностью обусловлена тороном и его альфа-излучающими продуктами распада. Рекомендуемое минимальное время второго измерения t, равное 40 мин, определяется требованием к объему статистики, поскольку при меньшем времени измерения сложно достоверно выделить сигнал от радона из суммарного сигнала. Ограничение на максимальное время второго измерения t, равное 60 мин, связано с возможностью нарушения условия стационарности, т.е. изменением потока радона с поверхности земли, что приведет к увеличению неопределенности результата измерения. Ограничение на расстояние чувствительной поверхности детектора от поверхности грунта, равное 10 см, позволяет избавиться от "фона", который может быть обусловлен регистрацией альфа-частиц, образующихся при распаде радионуклидов, содержащихся в грунте.
Rn
2
Rn
2
-3
Коэффициент К(t) в формуле (2) и коэффициент 6,3·10 в формуле (3) рассчитываются на основе решения системы уравнений баланса объемной активности радона, торона и продуктов их распада внутри накопительной камеры [Яковлева B.C., Зюбин С.А., Каратаев В.Д. Динамика радона и продуктов его распада внутри накопительной камеры для измерения плотности потока с поверхности земли // Становление и развитие научных исследований в высшей школе: Сборник трудов международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора А.А.Воробьева. - Томск: ТПУ, 2009. - T.1. - С.214-221.]. Значения коэффициента К(t) приведены в таблице.
В предлагаемом способе, исходя из анализа динамики выхода альфа-излучения в объеме накопительной камеры (см. чертеж), определяют плотность потока радона и торона всего по двум измерениям скорости счета импульсов. Поэтому не требуется использования сложной спектрометрической аппаратуры, технических приемов и средств для разделения сигналов от торона и радона.
Таким образом, предлагаемый способ измерения плотности потока радона и торона с поверхности грунта по альфа-излучению является: 1) простым, т.к. заключается в проведении всего двух измерений скорости счета импульсов; 2) дешевым, поскольку не требует использования сложной спектрометрической аппаратуры, технических приемов и средств для разделения сигналов от торона и радона; 3) достоверным, т.к. не требуется разделять сигналы от радона, торона и продуктов их распада различными техническими средствами, использование которых приводит к увеличению суммарной погрешности; 4) достоверным, поскольку в заявленном способе статистика увеличивается за счет того, что регистрируется суммарный сигнал от радона, торона и продуктов их распада, который приблизительно в 4-5 раз выше, чем если бы регистрировали только один радионуклид.
На чертеже представлена динамика выхода альфа-частиц внутри накопительной камеры, образующихся при радиоактивном распаде радона и дочерних продуктов его распада (Rn), торона и дочерних продуктов его распада (Тn).
Rn
2
В таблице приведены значения коэффициентов К(t) в зависимости от времени второго измерения.
Изобретение иллюстрируется следующим примером.
-2
2
2
-1
-1
-2
-1
-2
-1
-1
-1
t1
1
t2
2
t1
t2
Rn
2
Для измерений плотности потока радона и торона с поверхности земли выбрали площадку, расположенную в "Лагерном саду" г.Томска. На грунт установили накопительную камеру объемом 3,14 л, высотой 0,1 м и площадью основания S=3,14·10 м, внутри которой на верхней крышке вмонтирован полупроводниковый кремниевый альфа-детектор ПДПА-1К2А (ЗАО НПЦ "Аспект", г.Дубна) с площадью чувствительной поверхности 2000 мм так, что его чувствительная поверхность расположена на расстоянии 10 см от поверхности грунта. Провели первое измерение скорости счета импульсов (N) в момент времени t=6,1 мин после начала накопления (установки накопительной камеры на грунт), а второе (N) - в момент времени t=40 мин. Измеренные значения составили N - 4,5 имп. с, N - 5,3 имп. с. Плотность потока радона с поверхности исследуемой площадки, рассчитанная по формуле (2), составила 17,9 мБк м с, а плотность потока торона, рассчитанная по формуле (3), составила 2,58 Бк м с. Для расчетов брали следующий коэффициент K=0,5013 для t=40 мин. Коэффициент счета для этого полупроводникового альфа-детектора, определенный опытным способом, составил φ=0,35 имп. с Бк. Данные измерений хорошо согласуются с экспериментальными данными других авторов, полученных для грунтов типа суглинок.
-2
2
2
-1
-1
-2
-1
-2
-1
-1
-1
t1
1
t2
2
t1
t2
Rn
2
Второй эксперимент провели со сцинтилляционным альфа-детектором на той же площадке, с накопительной камерой таких же размеров: объем 3,14 л, высота 0,1 м и площадь основания S=3,14·10 м. Внутри накопительной камеры на верхней крышке вмонтирован сцинтилляционный альфа-детектор БДА-03 (типа MULTILINE, г.Москва) с чувствительной поверхностью 400 см так, что его чувствительная поверхность расположена на расстоянии 10 см от поверхности грунта. Провели первое измерение скорости счета импульсов (N) в момент времени t=6 мин после начала накопления (установки накопительной камеры на грунт), а второе (N) - в момент времени t=60 мин. Измеренные значения составили N - 5,4 имп. с, N - 7,3 имп. с. Плотность потока радона с поверхности исследуемой площадки, рассчитанная по формуле (2), составила 16,6 мБк м с, а плотность потока торона, рассчитанная по формуле (3), составила 2,04 Бк м с. Для расчетов брали следующий коэффициент K=0,4700 для t=60 мин. Коэффициент счета для этого полупроводникового альфа-детектора, определенный опытным способом, составил φ=0,53 имп. с Бк. Данные измерений со сцинтилляционным детектором хорошо согласуются с данными, полученными с помощью полупроводникового детектора, а также экспериментальными данными других авторов, полученных для грунтов типа суглинок.
Таблица
t<sub>2</sub>, мин.
40
45
50
55
60
K<sub>Rn</sub>, отн.ед.
0,5013
0,4925
0,4844
0,4770
0,4700