СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА РАДОНА С ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТА ПО БЕТА- И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЮ
METHOD OF MEASURING RADON FLUX DENSITY FROM GROUND SURFACE BASED ON BETA- AND GAMMA-RADIATION

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к измерению плотности потока радона с поверхности земли, а также пористых эманирующих материалов, и может быть использовано для оценки радоноопасности территорий и зданий, изучении предвестников землетрясений, электрических свойств и динамики атмосферы, литосферно-атмосферных связей.
Известен способ измерения плотности потока радона с поверхности грунта по гамма-излучению [Jovanovič P. Radon exhalation rate measurements on and abound the premises of a former coal mine. Radon in the Living Environment, 19-23 April 1999, Athens, Greece. P.429-432], основанный на использовании накопительной камеры с активированным углем, которую устанавливают на грунт. В накопительной камере накапливается почвенный радон в течение некоторого времени, обычно несколько часов. Затем активированный уголь пересыпают в измерительную кювету и накопленную активность радона измеряют полупроводниковым гамма-спектрометром по гамма-излучающим продуктам распада радона. Накопленная активность радона пропорциональна плотности потока радона с поверхности грунта.
Недостатками известного способа являются: 1) высокая стоимость, поскольку необходимо использовать дорогостоящее спектрометрическое оборудование; 2) невозможность использования данного способа для длительных непрерывных измерений без участия оператора; 3) длительная и сложная процедура одного измерения, поскольку требуется несколько часов накапливать радон на активированном угле, затем выдерживать уголь перед измерением для установления равновесия между радоном и продуктами его распада.
Известен способ измерения плотности потока радона с поверхности грунта по бета-излучению [Кузнецов Ю.В., Ярына В.П. Проблема достоверности измерений плотности потока радона. АНРИ №4, 2001, С.26-29], выбранный в качестве прототипа, основанный на использовании накопительной камеры и измерительного устройства, заключающийся в том, что внутрь накопительной камеры помещают активированный уголь и устанавливают ее открытым основанием на грунт. В накопительной камере на активированном угле накапливается (адсорбируется) радон, выходящий из грунта, в течение определенного времени, обычно несколько часов. Затем активированный уголь пересыпают в измерительную кювету и накопленную в активированном угле активность радона измеряют радиометром РГБ-20П1 по бета-излучению продуктов распада радона, плотность потока радона рассчитывают по формуле
-2
-1
где q - плотность потока радона с поверхности грунта, Бк м с;
A - суммарная активность радона в активированном угле, Бк;
f - поправочный коэффициент, отн. ед.;
2
S - площадь основания накопительной камеры, м;
t - время накопления радона, с;
-1
λ - постоянная распада радона, с.
Недостатками известного способа-прототипа являются: 1) невозможность использования данного способа для длительных непрерывных измерений без участия оператора; 2) длительная и сложная процедура одного измерения, поскольку требуется несколько часов накапливать радон, выдерживать перед измерением для установления равновесия между радоном и продуктами его распада.
Задачей способа является разработка простого способа измерения плотности потока радона с поверхности грунта по бета- и гамма-излучению, подходящего для использования в проведении длительных непрерывных измерений без участия оператора.
Поставленная задача решена за счет того, что в способе измерения плотности потока радона с поверхности грунта по бета- и гамма-излучению производят так же, как и в прототипе, регистрацию бета-излучения продуктов распада радона, накопленного внутри накопительной камеры, установленной на поверхность грунта.
1
2
1
2
Согласно изобретению производят измерения суммарного количества импульсов от бета- и гамма-излучения продуктов распада радона за промежутки времени t и t установленным внутри накопительной камеры счетчиком бета- и гамма-излучения, чувствительная поверхность которого расположена таким образом, чтобы на нее не попадало бета-излучение почвенных радионуклидов, а основание накопительной камеры закрыто диффузионным фильтром, перед измерением проветривают камеру в течение не менее чем 15 минут, затем при открытой камере проводят фоновые измерения в течение t не менее 5 минут, камеру закрывают и в течение промежутка времени t от 40 до 80 минут производят измерение количества импульсов от бета- и гамма-излучения, а затем плотность протока радона определяют из выражения
,
-2
-1
где q - плотность потока радона с поверхности грунта, Бк м с;
2
N - измеренное суммарное количество импульсов за время t, имп.;
f
1
N - измеренное фоновое значение количества импульсов за время t, имп.;
-1
-1
ε - поправочный коэффициент, имп. с Бк;
2
S - площадь основания накопительной камеры, м;
-1
λ - постоянная распада радона, с.
1
t - время измерения фона, с;
2
t - время накопления радона, с.
Учет фонового гамма-излучения от почвенных радионуклидов и окружающей среды в предлагаемом способе необходим, поскольку пропорциональный счетчик чувствителен к гамма-излучению. Поправочный коэффициент ε включает эффективность регистрации счетчика, геометрический фактор и коэффициент перевода скорости счета импульсов в единицы активности, который определяется опытным путем.
1
2
2
Период времени t составляет не менее 5 минут, поскольку при меньшем времени повышается погрешность определения фоновой скорости счета импульсов. Период времени t составляет от 40 до 80 минут, поскольку при времени, меньшем 40 минут, скорость счета импульсов от накопленных внутри камеры бета- и гамма-излучающих продуктов распада радона ненамного превышает фоновую, соответственно увеличивается погрешность определения плотности потока радона. При времени накопления t более 80 минут увеличивается вероятность значительного изменения плотности потока радона с поверхности грунта, что может привести к увеличению неопределенности результата измерения.
Таким образом, предлагаемый способ измерения плотности потока радона с поверхности грунта по бета- и гамма-излучению является: 1) простым, поскольку для его осуществления не требуется длительно производить одно измерение плотности потока радона; 2) подходящим для использования в проведении длительных непрерывных измерений без участия оператора, поскольку в предлагаемом способе можно автоматизировать процесс накопления и измерения; 3) дешевым, поскольку не требует использования сложной спектрометрической аппаратуры.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства для измерения плотности потока радона с поверхности грунта по бета- и гамма-излучению.
На фиг.2 и 3 представлен сборочный чертеж накопительной камеры.
На фиг.4 представлены результаты измерения плотности потока радона с поверхности грунта с 6 по 11 октября 2009 г.
Для осуществления заявляемого способа использовали устройство для измерения плотности потока радона с поверхности грунта по бета- и гамма-излучению (фиг.1), которое состоит из накопительной камеры 1, с расположенным внутри торцевым счетчиком бета-излучения 2 (фиг.2), соединенным с блоком питания 3 (фиг.1). Накопительная камера 1 соединена с блоком управления электроприводом 4. Торцевой счетчик бета-излучения 2 соединен со счетчиком импульсов 5, который связан с ЭВМ 6.
-2
2
Накопительная камера 1 объемом 3,14 л, высотой 0,1 м, площадью открытого основания S=3,14·10 м и ограничительным кольцом изготовлена из непроницаемого для радона материала, например, из поливинилхлорида (фиг.2, 3). Внизу накопительной камеры 1 закреплен диффузионный целлюлозный фильтр 7 (фиг.2), например Whatman 41 filter paper. В центре над основанием камеры расположен вентилятор 8, закрепленный четырьмя болтами. Сверху камера снабжена крышкой 9 с уплотнительным резиновым кольцом 10. Крышка 9 снабжена запорным механизмом 11, выполненным в виде коромысла из металла. Запорный механизм 11 снабжен уплотнительной резиновой прокладкой 12 для предотвращения выхода воздуха из камеры в момент накопления радона. Электропривод 13 запорного механизма 11 закреплен зажимом 14, встроенным в крышку 9 накопительной камеры 1. Вентилятор 8 камеры 1 через разъем 15 соединен со своим источником питания (на фиг.2 не показан). В центре накопительной камеры 1 расположен торцевой счетчик бета-излучения 2, например СБТ-10, закрепленный на горизонтальной подложке клеем таким образом, чтобы на его чувствительную поверхность не попадало бета-излучение почвенных радионуклидов, т.е. чувствительной поверхностью вверх от поверхности грунта. Торцевой счетчик бета-излучения 2 через проводник из тонкого коаксиального кабеля соединен с разъемом 16 для соединения с блоком питания 3 и счетчиком импульсов 5.
В качестве блока питания 3 использовали модуль БНВ-30 в стандарте ВЕКТОР. Счетчик импульсов 5 представляет собой модуль КС-005 в стандарте КАМАК. Блок управления электроприводом 4 представляет собой модуль управления низковольтной нагрузкой серии BASIC KIT BM9317.
2
1
f
1
2
1
f
2
-1
-1
-2
-1
-2
-1
-2
-1
Измерение плотности потока радона с поверхности грунта проводили на экспериментальной площадке, расположенной около здания ИМКЭС СО РАН в г.Томске. Устройство работает следующим образом. Накопительную камеру 1 со встроенным внутри торцевым счетчиком бета-излучения 2 устанавливают на грунт, при этом вдавливая края накопительной камеры 1 до ограничительных колец, для лучшего контакта с грунтом и устранения утечек газа. Открытое основание накопительной камеры 1 закрывают фильтром 7 для того, чтобы почвенный газ торон за время диффундирования через фильтр 7 полностью распадался и не попадал внутрь накопительной камеры 1. После монтажа камеры и электрического соединения всех блоков, устанавливают с помощью блока управления электроприводом 4 время периодов «проветривания» t=20 минут и «накопления» t=40 минут. С помощью ЭВМ 6 устанавливают время измерения фона t=5 минут, которое начинается через 15 минут после начала периода «проветривания». Включают вентилятор 8, который работает постоянно для перемешивания воздуха и выравнивания концентрации продуктов распада радона по всему объему накопительной камеры 1 до выключения устройства. В режиме «проветривание» по сигналу с блока управления электроприводом 4 при помощи запорного механизма 11 открывают крышку 9 и камеру проветривают атмосферным воздухом. Через 15 минут после начала режима «проветривание» по сигналу с ЭВМ 6 торцевым счетчиком бета-излучения 2 начинают измерение фонового значения количества импульсов от бета- и гамма-излучающих продуктов распада радона, а также других гамма-излучающих почвенных и атмосферных радионуклидов N в течение t=5 минут, импульсы считают счетчиком импульсов 5 и записывают в память ЭВМ 6, при этом программа обработки присваивает данному значению текущую дату и время. По команде с блока управления электроприводом 4 при помощи запорного механизма 11 закрывают крышку 9 и начинают накопление радона, выходящего с поверхности грунта и проходящего через фильтр 7 внутрь накопительной камеры 1, при этом происходит радиоактивный распад радона и накопление продуктов его распада. С момента закрытия крышки 9 в течение времени t=40 минут торцевым счетчиком бета-излучения 2 производят измерение количества импульсов, образованных внутри накопительной камеры от бета- и гамма-излучения продуктов распада радона N, импульсы считают счетчиком импульсов 5 и записывают в память ЭВМ 6, при этом программа обработки присваивает данному значению текущую дату и время. Далее цикл «проветривание» и «накопление» многократно повторяли в течение 5 суток с 6 по 11 октября 2009 г. Измеренное за время t=5 минут фоновое значение количества импульсов N составило 775 имп. Измеренное за время t=40 минут суммарное количество импульсов N составило 6820 имп. Поправочный коэффициент ε определяли по стандартной методике, описанной в [Лукьянов В.Б. Измерение и идентификация бета-радиоактивных препаратов. Госатомиздат, 1963], который составил 0,26 имп. с Бк. Рассчитанное из выражения (2) значение плотности протока радона с поверхности грунта составило q=13,1 мБк м с. Измеренные в течение 5 суток с 6 по 11 октября 2009 г. значения плотности потока радона с поверхности грунта представлены на фиг.4. Среднее за указанный период значение составило q=13,3 мБк м с, с диапазоном изменения от 11,5 до 15,6 мБк м с.