Способ измерения скорости адвекции почвенных газов



Способ измерения скорости адвекции почвенных газов
Способ измерения скорости адвекции почвенных газов

 


Владельцы патента RU 2470328:

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

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к определению скорости адвекции почвенных газов. Сущность изобретения заключается в том, что на исследуемом участке измеряют плотности потоков радона и торона с поверхности грунта и удельные активности 226Ra и 232Th в поверхностном слое грунта, а затем скорость адвекции определяют из выражения:

где

qTn и qRn - плотности потоков торона и радона соответственно, Бк м-2 с-1;

АRa и ATh - удельные активности радия-226 и тория-232 в грунте, Бк кг-1;

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

λTn и λRn - постоянные распада торона и радона соответственно, с-1. Технический результат - расширение диапазона измерения скорости адвекции почвенных газов. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к определению скорости адвекции почвенных газов, и может быть использовано в радиоэкологии, геохимии, геофизике, в сейсмологии при краткосрочном прогнозировании землетрясений, в строительстве при инженерно-экологических изысканиях.

Известен способ определения скорости адвекции почвенных газов [Van der Spoeel W.H. et al. // Health Phys. 1999, v.77(2), p.163-177], основанный на гидродинамической модели, требующий подробной информации о физико-геологических параметрах грунтов и данных о градиентах температур или давлений в грунтах, и заключающийся в том, что в соответствии с гидродинамической моделью скорость адвекции определяют из выражения

где k - газопроницаемость породы, м2;

µ - динамическая вязкость воздуха (1,83*10-5 Па·с при Т=20°C);

∇Pa - градиент давления почвенного воздуха в грунте, Па;

ρa - плотность воздуха, кг/м3;

g - ускорение силы тяжести, м/с2.

Газопроницаемость породы k и градиент давления почвенного воздуха в грунте ∇Pa для исследуемых грунтов измеряют с помощью стандартных приборов и методик.

Недостатками известного способа являются: 1) скорость адвекции почвенных газов и определяют заведомо с большой погрешностью, т.к. формула (1) не учитывает процессов теплообмена и влагооборота в системе «атмосфера-суша», влияющих на величину υ; 2) газопроницаемости породы и градиента давления почвенного воздуха в грунтах измеряют с соответствующей погрешностью, при этом увеличивается суммарная погрешность определения скорости адвекции почвенных газов.

Известен способ определения скорости адвекции почвенных газов [Патент РФ №2239206, МПК7 G01T 1/178, G01N 23/223, опубл. 27.10.2004], выбранный в качестве прототипа, основанный на диффузионно-адвективной 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 одной точке производят на глубине h1 от 0,2 м до 0,5 м, а в другой - на глубине h2=2h1, а затем скорость адвекции почвенных газов определяют из выражения:

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

А2 - 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.

Недостатком известного способа-прототипа является ограничение на верхнюю границу диапазона оценок скорости адвекции ~10-3 см/с. Это объясняется тем, что при увеличении скорости адвекции до величины ~10-3 см/с, значение объемной активности радона, измеренное на грубине h1, становится равным значению, измеренному на глубине h2. Это иллюстрируется графиками, представленными на фиг.1, где видно, что при скорости адвекции υ=0 см/с (кривая 3) или υ=10-3 см/с (кривая 2) объемная активность радона сильно изменяется на глубинах от 20 до 100 см. А при скорости адвекции υ=10-4 см/с (кривая 1) объемная активность радона на рекомендуемых глубинах измерения от 20 до 100 см одинаковая. Таким образом, при скорости адвекции υ=10-3 см/с и выше значение А1 будет равно значению A2, при этом формула (2) не имеет решения.

Задачей изобретения является разработка способа измерения скорости адвекции почвенных газов в более широком диапазоне значений.

Поставленная задача решена за счет того, что способ измерения скорости адвекции почвенных газов, также как и в прототипе, основан на диффузионно-адвективной модели переноса радона в пористых средах.

Согласно изобретению измеряют на исследуемом участке плотности потоков радона и торона с поверхности грунта, и удельные активности 226Ra и 232Th в поверхностном слое грунта, а затем скорость адвекции определяют из выражения:

где ;

qTn и qRn - плотности потоков торона и радона соответственно, Бк м-2 с-1;

ARa и ATh - удельные активности радия-226 и тория-232 в грунте, Бк кг-1;

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

λTn и λRn - постоянные распада торона и радона соответственно, с-1.

Измеряемые значения плотностей потоков радона и торона автоматически учитывают адвективный перенос почвенных газов в реальных климатических и погодных условиях и физико-геологические свойства грунтов. Использование в данном способе величин плотностей потоков радона и торона позволяет избавиться от ограничений на верхнюю границу диапазона оценок скорости адвекции. Для реализации способа параметр B должен удовлетворять условию 1<B<λTnRn=5937. На практике это условие всегда выполняется для всего многообразия пород и грунтов. Предлагаемый способ позволяет измерять скорость адвекции почвенных газов в более широком диапазоне значений от 0 см/с и вплоть до 1,5 см/с, если таковые существуют на практике.

Термин "адвекция", активно используемый за рубежом [Mosley R.В., Menetrez M.Y., Snoddy R., Brubaker S.A. The influence of diffusion and advective flow on the distribution of radon activity within USEPA's soil chamber // Environmental International. 1996. V.22. (Suppl.l) P.521-533], был введен для обозначения перемещения радона под воздействием внешних сил, таких как градиент давления, температуры, теплообмен и влагооборот в системе «литосфера-атмосфера» и других, имеющих место в рассматриваемой ситуации, кроме молекулярной диффузии. В России был введен условный термин "конвекция" [Новиков Г.Ф. Радиометрическая разведка. Л., 1975. 406 с.] для обозначения перемещения радона под действием тех же перечисленных выше внешних воздействий, который на некоторое время прижился в России и за рубежом среди ученых, занимающихся радоновой тематикой. Однако, чтобы избежать путаницы в подразумеваемых под условным термином "конвекция" процессах переноса радона, здесь используется термин "адвекция".

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.

Почвенные газы всегда содержат радиоактивные газы радон и торон, которые являются продуктами распада содержащихся в земной коре радионуклидов радия-226 и тория-232. В предлагаемом способе измерения скорости адвекции почвенных газов радон и торон являются удобными для измерений индикаторами, а их совместное использование с привлечением диффузионно-адвективной модели переноса позволяет определять скорость адвекции из простого аналитического выражения (3).

На фиг.1. представлена зависимость объемной активности радона в почвенном воздухе от глубины при различных значениях скорости адвекции, где кривая 1 соответствует скорости адвекции υ=10-3 см/с, кривая 2-υ=10-4 см/с, кривая 3-υ=0 см/с.

Изобретение иллюстрируется следующим примером:

Для измерений скорости адвекции почвенных газов 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 - Т.1. - С.214-221]. Определенные программой значения плотностей потоков радона и торона с поверхности исследуемой площадки составили qRn=98,5 мБк м-2 с-1 и qTn=1980 мБк м-2 с-1. Затем произвели отбор пробы грунта по стандартной методике [ГОСТ 28168-89 Почвы. Отбор проб] и произвели спектрометрический анализ грунта с помощью полупроводникового гамма-спектрометра на основе германиевого детектора ДГДК-100B согласно инструкции по эксплуатации спектрометра. Измеренная удельная активность 226Ra составила ARa=58,6 Бк кг-1, а удельная активность 232Th-ATh=42,1 Бк кг-1. Рассчитанный параметр В составил 14,44. Скорость адвекции почвенных газов, рассчитанная из выражения (3), составила 1,34·10-3 см/с при эффективном коэффициенте диффузии радона De=0,03 см2 с-1.

Способ измерения скорости адвекции почвенных газов, основанный на диффузионно-адвективной модели переноса радона в пористых средах, отличающийся тем, что на исследуемом участке измеряют плотности потоков радона и торона с поверхности грунта и удельные активности 226Ra и 232Th в поверхностном слое грунта, а затем скорость адвекции определяют из выражения:

где
qTn и qRn - плотности потоков торона и радона соответственно, Бк м-2 c-1;
А и ATh - удельные активности радия-226 и тория-232 в грунте, Бк кг-1;
De - эффективный (объемный) коэффициент диффузии радона/торона, м2 с-1;
λTn и λRn - постоянные распада торона и радона соответственно, c-1.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к измерению эффективного коэффициента диффузии радона и торона в грунте. .

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 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