СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ЭМАНИРОВАНИЯ РАДОНА-222 В ПОЧВОГРУНТАХ Российский патент 2004 года по МПК G01T1/178 G01N23/223 

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) 160×160 мм с колодцем 60×100 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;

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

η - пористость грунта, отн. ед.;

ρ - плотность грунта, г/см³;

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

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 Кγ; 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;

ρ_s - плотность твердых частиц грунта, кг/м³;

η - 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, ρ_s, и η.

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 Кγ 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;

υ - скорость конвекции радона, м/с;

λ - 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 А∞

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 α-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, ρ_s, и η 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.].

Использование: для оценки радоноопасности территорий при инженерно-экологических изысканиях, при поиске урановых руд, при оценке уровня радона в жилых помещениях. Сущность: способ основан на измерении объемной активности радона-222, удельной активности радия-226, плотности и пористости грунта, при этом 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, при этом определяют удельную активность радия-226, плотность и пористость образцов грунта, отобранных в этих же точках, а затем рассчитывают коэффициент эманирования. Технический результат - упрощение способа, повышение достоверности измерений.

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;

ρ_s- плотность твердых частиц грунта, кг/м³;

η - пористость грунта, отн. ед.