способ измерения эффективного коэффициента диффузии радона и торона в грунте

Формула изобретения

Способ измерения эффективного коэффициента диффузии радона и торона в грунте, основанный на диффузионной модели переноса радона в пористых средах, отличающийся тем, что на исследуемом участке измеряют плотность потока торона с поверхности грунта, объемную активность торона в почвенном воздухе на глубине не менее 10 см, пористость грунта, а затем эффективный коэффициент диффузии радона и торона в грунте определяют из выражения:



где q_Tn - плотность потока торона с поверхности грунта, Бк м^-2 с^-1;

А_Tn - объемная активность торона в почвенном воздухе, Бк м^-3;

De - эффективный (объемный) коэффициент диффузии радона и торона, м² с^-1;

- пористость грунта, отн. ед.;

_Tn - постоянная распада торона, с^-1 .

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к измерению эффективного коэффициента диффузии радона и торона в грунте, и может быть использовано в радиоэкологии, геоэкологии, геохимии, геофизике, в строительстве при инженерно-экологических изысканиях.

Известен способ измерения эффективного коэффициента диффузии радона в грунте в полевых условиях [Булашевич Ю.П., Карташов Н.П. Определение коэффициента диффузии радона в горных породах методом мгновенного источника. // Изв. АН СССР. Сер. физика земли. 1967, № 10, С.71-76], заключающийся во введении мощного мгновенного источника радона на определенную глубину с последующим измерением изменения во времени активности радона в точке детектирования. Затем фиксируют момент времени, в который измерена максимальная активность радона и рассчитывают эффективного коэффициента диффузии радона из выражения

где , м;

h - глубина, на которую вводят мгновенный источник радона, м;

х, у, z - координаты точки детектирования, м;

t_max - промежуток времени, за который активность радона в точке детектирования достигает максимального значения.

Недостатками известного способа являются: 1) необходимость использования достаточно мощного источника радона; 2) использование специального устройства для мгновенного ведения радона на заданную глубину грунта; 3) большая длительность одного измерения (не менее суток); 4) большая погрешность определения коэффициента диффузии, связанная с конечными размерами используемых в опыте источника радона и детектора.

Известен способ определения эффективного коэффициента диффузии радона в почвогрунтах [Патент РФ № 2332687, G01T 1/178, опубл. 27.08.2008], выбранный в качестве прототипа, основанный на диффузионной модели переноса радона в пористых средах и заключающийся в том, что одновременно измеряют объемную активность радона в двух точках, расположенных на расстоянии от 0,2 м до 1 м друг от друга, причем измерение в первой точке производят на глубине h₁ от 0,2 м до 0,5 м, а во второй - на глубине h₂=2h₁, а затем эффективный коэффициент диффузии радона определяют из выражения

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

A₂ - объемная активность радона на глубине h₂ , Бк/м³;

h₁ - глубина, на которой производят первое измерение, м;

D _e - эффективный (объемный) коэффициент диффузии радона, м²/с;

- постоянная распада радона, с^-1.

Недостатками известного способа-прототипа являются: 1) ограниченность условий применения: только при скорости адвективного переноса радона =0 см/с, поскольку используется упрощенная диффузионная модель переноса и игнорируется адвективный процесс переноса, хотя в реальных условиях может достигать 4·10^-4 см/с и более [Яковлева B.C., Рыжакова Н.К. Оценка скорости конвекции радона в грунтах по измеренным значениям поровой активности. // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология, 2003, № 5, с.466-469]; 2) огромная погрешность оценок эффективного коэффициента диффузии радона, например, при наличии адвективных потоков в грунте со скоростью =4·10^-4 см/с оценки D_e по формуле (2) получаются заниженными в ~80 раз, по сравнению с истинным значением.

Задачей изобретения является разработка простого и достоверного способа измерения эффективного коэффициента диффузии радона и торона в грунте.

Поставленная задача решена за счет того, что способ измерения эффективного коэффициента диффузии радона и торона в грунте, также как и в прототипе, основан на диффузионной модели переноса радона в пористых средах.

Согласно изобретению измеряют на исследуемом участке плотность потока торона с поверхности грунта, объемную активность торона в почвенном воздухе на глубине не менее 10 см и пористость грунта, а затем эффективный коэффициент диффузии радона и торона в грунте определяют из выражения:

где q_Tn - плотность потока торона с поверхности грунта, Бк м^-2 с^-1 ;

А_Tn - объемная активность торона в почвенном воздухе, Бк м^-3;

D _e - эффективный (объемный) коэффициент диффузии радона и торона, м² с^-1;

- пористость грунта, отн. ед.;

_Tn - постоянная распада торона, с^-1 .

Физико-химические свойства радиоактивных газов радона и торона практически не отличаются [Сердюкова А.С., Капитанов Ю.Т. Изотопы радона и короткоживущие продукты их распада в природе. - М.: Атомиздат, 1979. - 294 с.], поэтому коэффициенты диффузии радона и торона являются при одних и тех же условиях одинаковыми.

Из-за различий в ядерно-физических характеристиках радона и торона, а именно в периодах полураспада, торон обладает большим преимуществом для использования его в предлагаемом способе, по сравнению с радоном. Согласно исследованиям [Яковлева B.C. Моделирование влияния состояния атмосферы и литосферы на динамику плотности потока радона и торона с поверхности земли. // Известия ТПУ. 2010, Т. 317, № 2, С.162-166] было получено, что плотность потока торона с поверхности грунта практически не зависит от скорости адвекции почвенных газов (не более 2,6% в широком диапазоне значений 0< <10^-3 см/с) и изменяется только с изменением коэффициента диффузии. Это проиллюстрировано графиками, изображенными на фиг.1, где видно, что плотность потока торона (кривая 1) практически не изменяется при изменении скорости адвекции в широком диапазоне значений, так же как и объемная активность торона на глубине 10 см (кривая 2). Таким образом, для определения D_e можно использовать диффузионную модель переноса изотопов радона в пористых средах и рассчитывать эффективный коэффициент диффузии радона и торона в грунте из простого аналитического выражения (3).

Ограничение на минимальную глубину измерения обусловлено тем, что объемная активность торона в почвенном воздухе на глубине ~10 см достигает своего равновесного значения, при котором торон находится в радиоактивном равновесии с материнским радионуклидом ²²⁴Ra, образующимся в природной цепочке ²³²Th, и далее не изменяется с глубиной и не зависит от скорости адвекции (фиг.1, кривая 2). При измерениях на меньших глубинах увеличивается погрешность оценки эффективного коэффициента диффузии.

Таким образом, предлагаемый способ является: 1) простым, постольку не требует использования мощного источника радона и специального устройства для мгновенного ведения радона на заданную глубину грунта; 2) достоверным, поскольку не содержит погрешностей, связанных с влиянием скорости адвективного переноса почвенных газов на результат измерения.

На фиг.1 представлена зависимость плотности потока торона с поверхности грунта и объемной активности торона в почвенном воздухе на глубине 10 см от скорости адвекции почвенных газов, где кривая 1 соответствует плотности потока торона с поверхности грунта, а кривая 2 соответствует объемной активности торона в почвенном воздухе на глубине 10 см.

Изобретение иллюстрируется следующим примером:

Для измерения эффективного коэффициента диффузии радона и торона в грунте выбрали площадку, расположенную около института мониторинга климатических и экологических систем г.Томска. На грунт установили устройство (патент РФ № 97540), содержащее накопительную камеру объемом 3,14 л, высотой 0,1 м и площадью основания S=3,14·10^-2 м², с расположенным внутри нее сцинтилляционным альфа-детектором БДПА-01 (НТЦ «Радэк»), который регистрирует электрические импульсы от попавшего внутрь него альфа-излучения. Импульсы усиливаются блоком усиления сигнала и передаются в счетчик для подсчета и затем передаются в ЭВМ для программной обработки. ЭВМ содержит программу для перевода количества зарегистрированных импульсов от альфа-излучения в скорость счета импульсов и определения плотности потоков радона и торона по алгоритму, основанному на анализе кривой роста скорости счета импульсов от альфа-излучения внутри накопительной камеры, а также на расчетных данных, полученных при решении 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]. Определенное программой значение плотности потока торона с поверхности исследуемой площадки составило 2,5 Бк м^-2 с^-1. Затем произвели измерение объемной активности торона в почвенном воздухе на глубине 15 см с помощью радиометра радона и торона RTM 2200 (SARAD GmbH, Германия) в соответствии с инструкцией по измерению радона и торона в грунте, прилагаемой к данному радиометру. Измеренное радиометром радона и торона RTM 2200 значение объемной активности торона A_Tn составило 30,7 кБк м^-3. Затем был произведен отбор пробы поверхностного грунта и произведено измерение пористости грунта в лабораторных условиях в соответствии со стандартной методикой [Механика грунтов. / Под общ. ред. проф. Б.И.Далматова. - М.: Изд-во АСВ, СПб.; СПбГАСУ, 2000. 201 с.], при этом измеренное значение пористости грунта составило 0,42. Эффективный коэффициент диффузии радона и торона в грунте D_e, рассчитанный из выражения (3), составил 3,02·10^-6 м^-1.