способ измерения коэффициента эманирования радона-222 в почвогрунтах

Формула изобретения

Способ измерения коэффициента эманирования радона-222 в почвогрунтах, основанный на измерении объемной активности радона-222, удельной активности радия-226, плотности и пористости грунта, отличающийся тем, что одновременно измеряют объемную активность радона в двух точках, расположенных на расстоянии от 0,2 до 1 м друг от друга, причем измерение в одной точке производят на глубине h₁ от 0,2 до 0,5 м, а в другой - на глубине h₂=2h₁, при этом определяют удельную активность радия-226, плотность и пористость образцов грунта, отобранных в этих же точках, а затем определяют коэффициент эманирования по формуле

где А₁ - объемная активность радона на глубине h₁, Бк/м³;

А₂ - объемная активность радона на глубине 2h₁, Бк/м³;

А_Rа - удельная активность ²²⁶Ra в грунте, Бк/кг;

_s- плотность твердых частиц грунта, кг/м³;

- пористость грунта, отн. ед.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к измерению коэффициента эманирования радона в почвогрунтах в натурных условиях, и может быть использовано для оценки радоноопасности территорий при инженерно-экологических изысканиях, при оценке уровня радона в жилых помещениях, при поиске урановых руд с применением ядерно-физических методов.

В лабораторных условиях для определения коэффициента эманирования (K_эм) порошковых и штуфных проб используют способ [Павлов И.В., Покровский С.С., Камнев Е.Н. Способы обеспечения радиационной безопасности при разведке и добыче урановых руд. - М.: Энергоатомиздат, 1994. 256 с.], заключающийся в измерении гамма-активности предварительно деэманированных проб через различные промежутки времени после помещения в герметично закрытый контейнер [Шашкин В.Л., Пруткина М.И. Эманирование радиоактивных руд и минералов. - М.: Атомиздат, 1979] или после нанесения радоноизолирующего покрытия на штуфные пробы [Шумкова Н.Н. Выделение радона из отдельностей рудного массива и кусков отбитой руды //Технический прогресс в атомной промышленности. Сер. Горно-металлургическое производство. - М.: ЦНИИатоминформ, №3, 1992].

Первое измерение (А₃__часа) проводят не менее чем через 3 ч после герметизации контейнера, когда полностью распадутся дочерние продукты распада радона. Последующие одно или несколько измерений производят через 4-30 сут после герметизации. По соотношению результатов измерений гамма-активности определяют значение коэффициента эманирования (К_эм, отн. ед.)

Для уменьшения влияния сдвига равновесия между ураном и радием в исследуемой породе, а также содержания в ней калия-40, рекомендуют размещать между контейнером и детектором свинцовый экран толщиной 1-2 мм. При толщине свинцовой защиты 10 см и использовании сцинтилляционного кристалла NaI(T1) 160160 мм с колодцем 60100 мм (объем пробы - до 200 г) приемлемая точность определения К_эм обеспечивается при содержании радия в пробе более 100 Бк/кг. Для снижения погрешности производят не одно, а 5-7 измерений гамма-активности в первые 10 сут после герметизации пробы.

Известен способ определения K_эм [Шумкова Н.Н. Выделение радона из отдельностей рудного массива и кусков отбитой руды //Технический прогресс в атомной промышленности. Сер. Горно-металлургическое производство. М.: ЦНИИатоминформ, №3, 1992], используемый при изучении пород с низким К_эм или невысоким содержанием радия.

Порошковую или штуфную пробу после деэманирования помещают в герметичный сосуд и по истечении определенного времени накопления (от нескольких часов до двух недель) измеряют общее количество радона, накопившееся в сосуде, переводя пробу воздуха из сосуда в ионизационную или сцинтилляционную камеру вакуумным или циркуляционным способом. Содержание радия в пробе определяют радиометрическим или радиохимическим методами.

Описанные способы определения коэффициента эманирования в лабораторных условиях имеют общие недостатки:

1) необходимо обеспечить полное деэманирование пробы, что практически невозможно, а также сложно учесть распад радона за время его диффузии в образце;

2) измельчение проб перед измерениями изменяет физические условия эманирования (структуру и естественную влажность пробы), что приводит к увеличению погрешности определения К_эм;

3) измерения являются дорогостоящими и трудоемкими, т.к. проводятся в течение длительного времени.

Известен способ измерения коэффициента эманирования радона-222 в натурных условиях, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в измерении объемной активности радона и мощности экспозиционной дозы гамма-излучения в шпурах и вычислении коэффициента эманирования по формуле [Булашевич Ю.П. Метод определения коэффициента эманирования горных пород в естественном залегании //Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1958. №11. С.1383]:

где А_Rn - объемная активность радона в почвенном воздухе, Бк/см³;

J - мощность экспозиционной дозы гамма-излучения, мкР/ч;

- пористость грунта, отн. ед.;

- плотность грунта, г/см³;

К - коэффициент пропорциональности между содержанием радия-226 в грунте (С_Ra, г/г) и мощностью экспозиционной дозы: С_Ra=KJ.

Существующий способ имеет следующие недостатки: 1) измерения ОА радона необходимо проводить на большой глубине (для рыхлых почвогрунтов эта глубина составляет несколько метров), чтобы свести к минимуму влияние конвективного переноса радона в грунтах на результат измерений; 2) необходимо произвести модельные измерения для определения коэффициента пропорциональности К; 3) суммарная погрешность метода может быть достаточно большой, т.к. конвективный перенос радона полностью исключить невозможно.

Задачей изобретения является разработка дешевого, простого и достоверного способа измерения коэффициента эманирования радона в почвогрунтах в натурных условиях.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе измерения коэффициента эманирования радона-222 в почвогрунтах, так же как и в прототипе, измеряют объемную активность радона, плотность и пористость грунта, но, согласно изобретению, объемную активность радона измеряют одновременно в двух точках, расположенных на расстоянии от 0,2 м до 1 м друг от друга, причем измерение в одной точке производят на глубине h₁ от 0,2 м до 0,5 м, а в другой - на глубине h₂=2h₁, измеряют удельную активность радия-226 в грунте, отобранном в этих же точках, а затем коэффициент эманирования определяют по формуле

где A₁ - объемная активность радона на глубине h₁, Бк/м³;

A₂ - объемная активность радона на глубине 2h₁, Бк/м³;

А_Rа - удельная активность ²²⁶Ra в грунте, Бк/кг;

_s - плотность твердых частиц грунта, кг/м³;

- пористость грунта, отн. ед.

Погрешность измерения коэффициента эманирования не содержит систематической ошибки, обусловленной невозможностью полностью исключить конвективный перенос радона, и определяется погрешностями измерения величин А_Ra, А₁, А₂, _s, и .

Ограничение на максимальное расстояние между двумя точками измерения, равное 1 м, обусловлено тем, что свойства грунтов при измерениях должны быть одинаковыми. Минимальное расстояние, равное 0,2 м, связано с техническими сложностями проведения измерений на меньших расстояниях.

Рекомендуемые глубины измерений от 0,2 м до 1 м обусловлены следующими причинами: 1) на таких глубинах объемная активность радона изменяется достаточно быстро, что позволяет снизить погрешность определения K_эм; 2) глубина h₁, на которой производится первое измерение, не должна быть меньше 0,2 м, т.к. на меньших глубинах велико влияние атмосферных условий, что приводит к снижению достоверности полученных результатов; 3) с увеличением глубины измерений больше 1 м повышается их стоимость.

Таким образом, предлагаемый способ определения коэффициента эманирования радона-222 является простым и дешевым, т.к. не требует проведения модельных измерений для определения коэффициента К и проведения измерений на больших глубинах. Предлагаемый способ является достоверным, т.к. найденные из выражения (2) значения коэффициента эманирования не содержат погрешности, обусловленной конвективным переносом радона.

Коэффициент эманирования радона-222 зависит от минералогического состава и размеров частиц грунта, от температуры и влажности [Павлов И.В., Покровский С.С., Камнев Е.Н. Способы обеспечения радиационной безопасности при разведке и добыче урановых руд. - М.: Энергоатомиздат, 1994, 256 с.], и является важнейшим параметром, используемым для прогнозирования уровней радона в жилых помещениях [Источники, эффекты и опасность ионизирующей радиации: Доклад Научного комитета ООН по действию атомной радиации Генеральной Ассамблее за 1988 г., с приложениями: В 2-х т. - М.: Мир, 1992], для решения задач переноса радона в пористых средах [Новиков Г.Ф. Радиометрическая разведка: Учебник для вузов. - Л.: Недра, 1989. 407 с.]. В эманационных методах поиска урановых руд [Новиков Г.Ф. Радиометрическая разведка: Учебник для вузов. - Л.: Недра, 1989. 407 с.] широко используется значение установившейся равновесной объемной активности радона А, при определении которой также необходимо знать коэффициент эманирования

Выражение (3) можно использовать для определения коэффициента эманирования, если известны значения установившейся равновесной объемной активности радона, удельной активности радия в грунтах, плотности и пористости грунтов

Величина А определяется на основе диффузионно-конвективной модели переноса радона в пористых средах и измерений объемной активности радона на двух отличающихся в два раза глубинах. В соответствии с моделью, распределение объемной активности радона по глубине описывается выражением

где z - глубина, м;

A - установившаяся равновесная объемная активность радона, Бк/м³;

D_e - эффективный коэффициент диффузии радона, м²/с;

- скорость конвекции радона, м/с;

- постоянная распада радона, с^-1.

Если известны значения объемной активности радона (А₁ и А₂) на двух, различающихся в 2 раза глубинах, то, используя выражение (5), можно получить формулу для расчета величины

После подстановки формулы (6) в (4) получим выражение (2) для величины коэффициента эманирования радона-222, позволяющее по измеренным значениям объемной активности радона на двух глубинах, удельной активности радия, плотности и пористости грунта определять К_эм в натурных условиях.

Изобретение иллюстрируется следующим примером:

Для измерения коэффициента эманирования радона-222 в почвогрунтах выбрали площадку, расположенную в “Лагерном саду” г.Томска, на которой пробурили два шпура на расстоянии 0,5 м друг от друга специально изготовленным буром. Первый шпур глубиной 35 см (h₁), второй глубиной 70 см (2h₁) и оба диаметром 5,5 см. В каждый шпур помещали индивидуальный пассивный радиометр радона (ИПРР) с нитроцеллюлозным трековым детектором -частиц, входящий в комплекс средств измерений интегральной объемной активности ²²²Rn в воздухе трековым методом (АИСТ-ТРАЛ), (Санкт-Петербург). Шпуры герметично закрывали сверху и выдерживали в течение 3 суток. Затем ИПРР вынимали и определяли объемную активность радона первого (А₁) и второго (А₂) трековых детекторов согласно инструкции по эксплуатации комплекса АИСТ-ТРАЛ. Измеренное значение А₁ составило 6,8 кБк/м³, А₂ - 11,4 кБк/м³. Удельную активность радия-226 измеряли гамма-спектрометрическим методом на полупроводниковом гамма-спектрометре. Плотность и пористость образцов грунта, отобранных в точках измерения объемной активности радона, измеряли стандартным способом [Ломтадзе В.Д. Методы лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород. Изд-во “Недра”, Ленинград, 1972]. Измеренные значения A_Ra, _s, и составили 30 Бк/кг, 2,7 г/см³ и 45%, соответственно.

Коэффициент эманирования, рассчитанный по формуле (2), составил 20%, что согласуется с данными, полученными для данного типа грунта другими способами, в т.ч. и лабораторными [Павлов И.В., Покровский С.С., Камнев Е.Н. Способы обеспечения радиационной безопасности при разведке и добыче урановых руд. - М.: Энергоатомиздат, 1994. 256 с.].