Способ измерения плотности потока радона и торона с поверхности грунта по альфа-излучению
Владельцы патента RU 2419817:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к измерению плотности потока радона и торона с поверхности земли, а также пористых эмалирующих материалов. Технический результат - упрощение способа измерения плотности потока радона и торона с поверхности земли по альфа-излучению. В способе измерения плотности потока радона и торона с поверхности грунта по альфа-излучению на поверхность грунта устанавливают накопительную камеру с расположенным внутри нее или полупроводниковым или сцинтилляционным альфа-детектором, причем первое измерение производят в момент времени t1 от 6 до 6,1 минут, после начала накопления, а второе - в момент времени t2 от 40 до 60 минут, а затем плотность протока радона qRn и торона qTn Бк м-2 с-1, определяют из выражений
,
,
где Nt1 - измеренная в момент времени t1, мин, после начала накопления скорость счета импульсов, имп. с-1;
Nt2 - измеренная в момент времени t2, мин, после начала накопления скорость счета импульсов, имп. с-1;
KRn(t2) - вклад радона (222Rn) в суммарный выход альфа-частиц от радона и продуктов его распада внутри накопительной камеры в момент времени t2, зависящий от t2, отн.ед.;
φ - коэффициент счета, который учитывает эффективность регистрации счетчика и геометрический фактор, имп. с-1 Бк-1;
S - площадь основания накопительной камеры, м2;
6,3·10-3 - коэффициент, учитывающий вклад торона (220Rn) 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. 1 ил., 1 табл.
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.
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 (qRn) определяют по формуле
где А - измеренная объемная активность радона, накопившаяся внутри накопительной камеры, Бк м-3;
S - площадь основания накопительной камеры, м2, т.е. поверхности, с которой почвенный радон поступает внутрь накопительной камеры объемом V, м3;
q - плотность потока радона с поверхности грунта, Бк м-2 с-1;
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.
Известен способ измерения плотности потока радона и торона по альфа-излучению [Tuccimei P., Moroni М., Norcia D. Simultaneous determination of 222Rn and 220Rn 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.
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 t1 от 6 до 6,1 минут, после начала накопления, а второе - в момент времени t2 от 40 до 60 минут, а затем плотность протока радона qRn и торона qTn, Бк м-2 с-1, определяют из выражений
где Nt1 - измеренная в момент времени t1, мин, после начала накопления скорость счета импульсов, имп. с-1;
Nf2 - измеренная в момент времени t2, мин, после начала накопления скорость счета импульсов, имп. с-1;
KRn(t2) - вклад радона (222Rn) в суммарный выход альфа-частиц от радона и продуктов его распада внутри накопительной камеры в момент времени t2, зависящий от t2, отн.ед.;
φ - коэффициент счета, который учитывает эффективность регистрации счетчика и геометрический фактор, имп. с-1 Бк-1;
S - площадь основания накопительной камеры, м2;
6,3·10-3 - коэффициент, учитывающий вклад торона (220Rn) 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.
Выбор первого времени измерения t1 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 t2, 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 t2, 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.
Коэффициент КRn(t2) в формуле (2) и коэффициент 6,3·10-3 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 КRn(t2) 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).
В таблице приведены значения коэффициентов КRn(t2) в зависимости от времени второго измерения.
Изобретение иллюстрируется следующим примером.
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=3,14·10-2 м2, внутри которой на верхней крышке вмонтирован полупроводниковый кремниевый альфа-детектор ПДПА-1К2А (ЗАО НПЦ "Аспект", г.Дубна) с площадью чувствительной поверхности 2000 мм2 так, что его чувствительная поверхность расположена на расстоянии 10 см от поверхности грунта. Провели первое измерение скорости счета импульсов (Nt1) в момент времени t1=6,1 мин после начала накопления (установки накопительной камеры на грунт), а второе (Nt2) - в момент времени t2=40 мин. Измеренные значения составили Nt1 - 4,5 имп. с-1, Nt2 - 5,3 имп. с-1. Плотность потока радона с поверхности исследуемой площадки, рассчитанная по формуле (2), составила 17,9 мБк м-2 с-1, а плотность потока торона, рассчитанная по формуле (3), составила 2,58 Бк м-2 с-1. Для расчетов брали следующий коэффициент KRn=0,5013 для t2=40 мин. Коэффициент счета для этого полупроводникового альфа-детектора, определенный опытным способом, составил φ=0,35 имп. с-1 Бк-1. Данные измерений хорошо согласуются с экспериментальными данными других авторов, полученных для грунтов типа суглинок.
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=3,14·10-2 м2. Внутри накопительной камеры на верхней крышке вмонтирован сцинтилляционный альфа-детектор БДА-03 (типа MULTILINE, г.Москва) с чувствительной поверхностью 400 см2 так, что его чувствительная поверхность расположена на расстоянии 10 см от поверхности грунта. Провели первое измерение скорости счета импульсов (Nt1) в момент времени t1=6 мин после начала накопления (установки накопительной камеры на грунт), а второе (Nt2) - в момент времени t2=60 мин. Измеренные значения составили Nt1 - 5,4 имп. с-1, Nt2 - 7,3 имп. с-1. Плотность потока радона с поверхности исследуемой площадки, рассчитанная по формуле (2), составила 16,6 мБк м-2 с-1, а плотность потока торона, рассчитанная по формуле (3), составила 2,04 Бк м-2 с-1. Для расчетов брали следующий коэффициент KRn=0,4700 для t2=60 мин. Коэффициент счета для этого полупроводникового альфа-детектора, определенный опытным способом, составил φ=0,53 имп. с-1 Бк-1. 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 | |||||
| t2, мин. | 40 | 45 | 50 | 55 | 60 |
| KRn, отн.ед. | 0,5013 | 0,4925 | 0,4844 | 0,4770 | 0,4700 |
Способ измерения плотности потока радона и торона с поверхности грунта по альфа-излучению, заключающийся в регистрации альфа-излучения от радона, торона, продуктов их распада, накопленных внутри накопительной камеры, установленной на поверхность грунта, отличающийся тем, что 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 t1 от 6 до 6,1 мин, после начала накопления, а второе - в момент времени t2 от 40 до 60 мин, а затем плотность протока радона qRn и торона qTn, Бк м-2 с-1, определяют из выражений
,
,
где Nt1 - измеренная в момент времени t1, мин, после начала накопления скорость счета импульсов, имп. с-1;
Nt2 - измеренная в момент времени t2, мин, после начала накопления скорость счета импульсов, имп. с-1;
KRn(t2) - вклад радона (222Rn) в суммарный выход альфа-частиц от радона и продуктов его распада внутри накопительной камеры в момент времени t2, зависящий от t2, отн.ед.;
φ - коэффициент счета, который учитывает эффективность регистрации счетчика и геометрический фактор, имп. с-1 Бк-1;
S - площадь основания накопительной камеры, м2;
6,3·10-3 - коэффициент, учитывающий вклад торона (220Rn) в суммарный выход альфа-частиц от торона и продуктов его распада внутри накопительной камеры, а также накопление торона и его радиоактивный распад за 6 мин, с-1.
