Способ измерения эффективного коэффициента диффузии радона и торона в грунте



Способ измерения эффективного коэффициента диффузии радона и торона в грунте

 


Владельцы патента RU 2470327:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к измерению эффективного коэффициента диффузии радона и торона в грунте. Сущность изобретения заключается в том, 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 qTn - плотность потока торона с поверхности грунта, Бк м-2 с-1; АTn - объемная активность торона в почвенном воздухе, Бк м-3; De - эффективный (объемный) коэффициент диффузии радона и торона, м2 с-1; η - пористость грунта, отн. ед.; λTn - постоянная распада торона, с-1. Технический результат - повышение достоверности измерения и упрощение способа измерения. 1 ил.

 

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;

tmax - 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;

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

λ - постоянная распада радона, с-1.

Недостатками известного способа-прототипа являются: 1) ограниченность условий применения: только при скорости адвективного переноса радона υ=0 см/с, поскольку используется упрощенная диффузионная модель переноса и игнорируется адвективный процесс переноса, хотя в реальных условиях υ 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 υ=4·10-4 см/с оценки De 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 qTn - плотность потока торона с поверхности грунта, Бк м-2 с-1;

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

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

η - пористость грунта, отн. ед.;

λTn - 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 υ почвенных газов (не более 2,6% в широком диапазоне значений 0<υ<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 De 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 υ (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 ATn 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 η составило 0,42. Эффективный коэффициент диффузии радона и торона в грунте De, рассчитанный из выражения (3), составил 3,02·10-6 м-1.

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 qTn - плотность потока торона с поверхности грунта, Бк м-2 с-1;
АTn - объемная активность торона в почвенном воздухе, Бк м-3;
De - эффективный (объемный) коэффициент диффузии радона и торона, м2 с-1;
η - пористость грунта, отн. ед.;
λTn - постоянная распада торона, с-1.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений и может быть использовано в геохимии, в геофизике, в сейсмологии при краткосрочном прогнозировании землетрясений, в радиоэкологии при инженерно-экологических изысканиях.

Изобретение относится к атмосферному монитору, предназначенному для контролирования присутствия радиоактивных материалов в воздухе. .

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборам для непрерывного определения концентрации радиоактивных веществ в жидких и газообразных средах.

Изобретение относится к измерению ядерных излучений, а именно, определению загрязненности природных объектов стронцием-90 (90Sr). .

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к определению скорости адвекции почвенных газов

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано для оценки и контроля радиационно-экологической обстановки на АЭС и радиохимических производствах в ходе переработки радиоактивных отходов, а также в районах ядерных аварий на суше и на море. В заявленном способе измерения активности пробы водного раствора кубового остатка по Co60 после завершения каждой стадии переработки кубового остатка перед поступлением на следующую стадию предусмотрена проверка остаточного содержания 60Co и, пока оно не установлено, следующая стадия не начинается. Техническим результатом является возможность определения радиоактивности по 60Co при условии его низкого содержания в растворе в процессе химической обработки раствора и его фильтрации, повышение эффективности и скорости измерения, а также ускорение переработки кубового остатка. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способу детектирования in situ альфа-частиц, содержащихся в жидкой среде, с использованием системы, включающей противоэлектрод (7) и детектор (1) альфа-частиц, содержащий подложку, полученную из материала собственного полупроводника, который расположен в качестве слоя между двумя электрическими контактами, где контакт, предназначенный для контактирования с жидкой средой, выполнен из алмаза, легированного бором. За счет формирования особого электролита (8) и за счет протекания тока между противоэлектродом (7) и алмазным контактом, легированным бором, находящимся в контакте с жидкой средой, находящиеся в жидкой среде актиниды или полоний можно сконцентрировать на легированном бором алмазном контакте и тем самым можно снизить предел обнаружения источников альфа-излучения. 8 з.п. ф-лы, 8 ил., 2 табл.
Наверх