Яковлева В.С. Методы измерения плотности потока радона и торона с поверхности пористых материалов

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.С. Яковлева

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА

РАДОНА И ТОРОНА С ПОВЕРХНОСТИ

ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Монография

Издательство

Томского политехнического университета

2011

УДК 621.039.564(075.8)

ББК 31.42-5я73

Я26

Яковлева В.С.

Я26 Методы измерения плотности потока радона и торона с по-

верхности пористых материалов: монография / В.С. Яковлева; Том-

ский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского по-

литехнического университета, 2011. – 174 с.

ISBN 978-5-98298-840-9

В монографии систематизированы методы измерения плотности потока

радона и торона с поверхности грунта и других пористых материалов. Приве-

дено подробное описание косвенных методов, основанных на математических

моделях, и прямых методов с использованием накопительной камеры. Деталь-

но рассмотрены особенности разделения изотопов радона при использовании

методов радиометрии, а также особенности альфа-спектрометрического анали-

за в радиометрах радона с электростатическим осаждением. Описаны области

применения величины плотности потока радона.

Предназначена для специалистов в области радиоэкологии, геоэкологии,

ядерной физики и геофизики, а также для широкого круга научных работников,

аспирантов, студентов и магистрантов вузов физико-технических и геофизических

специальностей.

УДК 621.039.564(075.8)

ББК 31.42-5я73

Рецензенты

Доктор физико-математических наук, профессор

заведующий лабораторией ИМКЭС СО РАН

И.И. Ипполитов

Доктор физико-математических наук, профессор

ведущий научный сотрудник ИМКЭС СО РАН

П.М. Нагорский

ISBN 978-5-98298-840-9 © ГОУ ВПО НИ ТПУ, 2011

ПРЕДИСЛОВИЕ

В монографии «Методы измерения плотности потока радона и то-

рона с поверхности пористых материалов» систематизированы методы

измерения плотности потока радона и торона с поверхности грунта и

других пористых материалов. Приведено подробное описание косвен-

ных методов, основанных на математических моделях, и прямых мето-

дов с использованием накопительной камеры. Детально рассмотрены

особенности разделения изотопов радона при использовании методов

радиометрии, а также особенности альфа-спектрометрического анализа

в радиометрах радона с электростатическим осаждением. Описаны об-

ласти применения величины плотности потока радона.

Монография разработана при поддержке Аналитической ведомст-

венной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей

школы" № 2.1.1/544.

Монография предназначена для специалистов в области радиоэколо-

гии, геоэкологии, ядерной физики и геофизики, а также для широкого кру-

га научных работников, аспирантов, студентов и магистрантов вузов фи-

зико-технических и геофизических специальностей.

Идея создания этой монографии возникла во время научной стажи-

ровки автора в Израиле, при ознакомлении с пунктами радонового мо-

ниторинга в целях прогноза землетрясений, расположенными в загадоч-

ных израильских пустынях. Автор выражает глубокую благодарность

профессору Нагорскому П.М. за полезные советы при написании моно-

графии, Кондратьевой А.Г. за помощь в подготовке учебного пособия к

изданию. Автор также бесконечно признательна за помощь, понимание

и заботу своей маме А.А. Будаевой и сыну Г.А. Яковлеву.

В.С. Яковлева

ВВЕДЕНИЕ

В монографии «Методы измерения плотности потока радона и то-

рона с поверхности пористых материалов» рассмотрены прямые и кос-

венные методы измерения плотности потоков радона и торона с по-

верхности грунта и других пористых материалов.

Обмен почвенных газов, в том числе и радиоактивных, с атмосфе-

рой является важным звеном в изучении литосферно-атмосферных свя-

зей, необходимым при решении вопросов газообмена между почвой и

атмосферой. В сейсмичных районах скорость выхода радона, характе-

ризуемая величиной плотности потока радона, может служить хорошим

индикатором изменения сейсмической или вулканической активности, и

может быть использована как самостоятельный или дополнительный

прогностический параметр. Величина плотности потока радона с по-

верхности земли более чувствительна к изменению скорости адвекции

почвенных газов, которая реагирует на изменение погодных условий

или напряженно-деформированного состояния земной коры.

Хорошие индикаторные свойства величины плотности потока ра-

дона были экспериментально подтверждены во время аномалии, пред-

варяющей усиление сейсмичности у берегов полуострова Камчатка в

2008 г. Скорость адвекции почвенных газов, в том числе, радиоактив-

ных, в свою очередь является мало изученной на настоящий момент ве-

личиной.

Еще в середине 90-х гг. плотность потока радона с поверхности

земли было предложено использовать как трассер для исследования по-

токов других нерадиоактивных газов из грунта в атмосферу. Например,

прямой метод измерения плотности потока метана с использованием

статической накопительной камеры и закона Фика давал результат с не-

удовлетворительной погрешностью. Был разработан косвенный метод,

заключающийся в измерении градиента концентрации метана в грунте,

и определении характеристик грунта по радону. Характеристики грунта

определяли по двум величинам – плотности потока радона и градиенту

активности радона с использованием диффузионной модели переноса.

Этот метод был назван «калибровка по ППР». Он пригоден для измере-

ния плотности потоков метана, CO

и N

Величина скорости адвективного потока радона из грунта в атмо-

сферу является экспериментально определяемым параметром в уравне-

ниях переноса радиоактивных газов в пористых средах, а величина

плотности потока радона (торона) с поверхности грунта является одним

из краевых условий при моделировании переноса изотопов радона и аэ-

розольных продуктов распада в приземной атмосфере.

Плотности потоков радона и торона с поверхности грунта опреде-

ляют концентрацию изотопов радона и аэрозольных продуктов распада

в приземной атмосфере, которые формируют естественную атмосфер-

ную радиацию – поля ионизирующего излучения, и, таким образом, оп-

ределяют объемную концентрацию атмосферных ионов. Постановка ис-

следований по анализу влияния метеорологических процессов внутри-

суточного, суточного и синоптического масштабов на скорость обмена

почвенных радиоактивных газов с приземной атмосферой в сейсмиче-

ски неактивном регионе позволит оценить диапазон "фоновых" вариа-

ций исследуемой величины, границы которого могут служить "репера-

ми" для сейсмоактивных регионов, выход за которые может быть рас-

ценен как "аномалия", сигнализирующая об изменении состояния лито-

сферы. Закономерности в динамике выхода почвенных газов в атмосфе-

ру, выявленные в сейсмически спокойном регионе на различных вре-

менных интервалах, будут полезны при решении многих научных и

практических задач в разных областях знаний и, в первую очередь, в

сейсмологии. Следует отметить, что промышленно выпускаемые при-

боры для непрерывного мониторинга плотности потоков радона и торо-

на отсутствуют на отечественном и зарубежном рынках. Требуется раз-

работка новых надежных способов и устройств измерения этих вели-

чин.

Помимо трассера почвенных газов, радон издавна используют в ка-

честве трассера траекторий воздушных масс в вертикальном и горизон-

тальном (трансконтинентальный масштаб) направлении. Кроме радона,

для исследования различных динамических атмосферных процессов и

уточнения глобальной химической модели переноса, применяют его

изотоп – торон, а также продукты распада

212

Pb,

210

Pb. Продукты распа-

да, которые присоединяются к нерадиоактивным атмосферным аэрозо-

лям, являются полезными при изучении процессов осаждения за счет

дождевых и снежных осадков. Крупномасштабные мониторинговые из-

мерения этих природных радионуклидов необходимы для исследования

и прогнозирования глобального изменения климата. Кроме того, радон

является необходимым инструментом при определении вертикальный

коэффициентов диффузии газов и аэрозолей в приземной атмосфере.

Ещѐ одно применение радон нашел в качестве индикатора вертикальной

устойчивости нижней атмосферы и толщины слоя конвективного пере-

мешивания. Характеристики радонового поля, а именно, плотность по-

тока радона с поверхности грунта, используют в качестве входного па-

раметра химической модели переноса воздушных масс.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ДПР – дочерние продукты радона

НРБ-99 – нормы радиационной безопасности

НК – накопительная камера

ОА – объемная активность радионуклида

ОСПОРБ-99 – основные санитарные правила обеспечения

радиационной безопасности

ППР – плотность потока радона

ППТ – плотность потока торона

ЭРОА – эквивалентная равновесная объемная активность

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

1/2

–

период полураспада радионуклида;

–

постоянная радиоактивного распада

-го нуклида;

–

эффективная постоянная радионуклида;

b,l

–

постоянная удаления радона из объема НК за счет про-

цессов обратной диффузии «b» и утечки «l»;

–

скорость воздухообмена в накопительном объеме;

–

количество атомов радиоактивного изотопа (концентра-

ция атомов);

–

активность i-го радионуклида;

–

коэффициент равновесия между радоном (тороном) и

дочерними продуктами распада;

–

плотность потока радона (торона) с поверхности порис-

того материала;

–

скорость выхода радона (поток радона) из пористого ма-

териала;

–

интенсивность поступления радона с поверхности грун-

та внутрь накопительной камеры;

–

площадь поверхности основания НК;

–

объем НК;

–

скорость адвективного переноса радона в грунте;

–

эффективный коэффициент диффузии радона в грунте;

–

коэффициент молекулярной диффузии радона в воздухе;

–

коэффициента турбулентности атмосферы;



–

пористость грунта;



–

плотность твердых частиц грунта;



–

удельный вес грунта;

–

коэффициент эманирования радона (торона);

–

газопроницаемость породы (грунта);

–

массовое содержание воды в грунте;

–

коэффициент водонасыщения;

–

среднее значение диаметра частиц грунта;

–

плотность ионизации воздуха излучением j-го вида;

–

выход энергии j-го излучения на 1 распад i-го радионук-

лида;

–

средняя энергия, затрачиваемая на образование излуче-

нием j-го вида одной пары ионов в воздухе;

–

выход частиц j-го вида на 1 распад ядра i-го радионук-

лида.



ГЛАВА 1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И СВОЙСТВА РАДОНА

1.1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ РАДОНА И ЕГО ИЗОТОПОВ

Радон – радиоактивный газ, без цвета, без запаха,

самый тяжелый элемент нулевой группы периодической

системы, единственный из благородных газов, не имею-

щий стабильных и долгоживущих изотопов. За способ-

ность люминесцировать в конденсированном состоянии

радон предполагали назвать нитоном (от лат. nitens -

сияющий) [1–7].

В 1900 г. Ф. Дорном было показано, что это явле-

ние вызывается газообразным веществом, выделяю-

щимся из радия (эманацией). Изучение эманации

226

показало, что она по своим свойствам аналогична ксе-

нону и другим благородным газам. Средняя атомная

масса эманации оказалась равной 222. Все это опреде-

лило положение в периодической системе нового эле-

мента, названного радоном [1, 2].

Фридрих Э. Дорн

немецкий химик

Радон открывали неоднократно, и в отличие от других подобных историй каж-

дое новое открытие не опровергало, а лишь дополняло предыдущие…

Ф. Дорн открыл радон

раньше У. Рамзая и Ф. Содди,

тем не менее имена последних

помещены в список первоот-

крывателей элемента №86 за-

служенно. Именно У.Рамзай

первым исследовал свой ни-

тон как химический элемент,

выяснил характерные для него

спектральные линии, опреде-

лил атомную массу, объяснил

химическую индифферент-

ность и нашел место для этого

элемента в периодической

системе [1–3].

Фредерик Содди

английский радиохимик

Уильям Рамзай

шотландский

химик и физик

Э. Резерфорд и Р. Оуэнс, У. Рамзай и Ф. Содди, Ф. Дорн, А.-Л.

Дебьерн и Ф. Гизель независимо друг от друга и практически одновре-

менно (1900–1904 гг.) находили изотопы одного и того же элемента –

элемента № 86. Все эти открытия были продолжением пионерских ра-

бот супругов Кюри в области радиоактивности. В каждом из этих ис-

следований, как считали их авторы, был обнаружен свой, новый радио-

активный газ, новый элемент. Да и не могли они считать иначе: проис-

хождение вновь открытых газов, их главная радиоактивная характери-

стика – период полураспада – были далеко не одинаковыми. Резерфор-

довскую эманацию порождал торий. Дебьерновский актинон получался

из актиния. Дорновский радон и рамзаевский нитон были дочерним

продуктом радия.

Изотопы радона

Торон

220

Эманация тория (торон), открытая в 1900

году Э. Резерфордом и Р. Оуэнсом [1, 2], член

другого естественного радиоактивного семей-

ства – семейства тория. Это изотоп с массовым

числом 220 и периодом полураспада Т

1/2

=54,5

секунды.

Чистый торон представляет собой газ с

плотностью 9,816 кг/м

(при нормальных усло-

виях).

Актинон

219

Открыт в 1903 году Андре-Луи Дебьерном

(французский физик и химик) и Ф. Гизелем [1,

2], является продуктом распада AcX(

223

Ra). Это

третий природный изотоп радона, и из природ-

ных – самый короткоживущий, с периодом по-

лураспада Т

1/2

=3,92 секунды и массовым чис-

лом 219.

В чистом виде при нормальных условиях

представляет собой газ с плотностью 9,771

кг/м³.

Эрнест Резерфорд

английский физик

Известен как «отец»

ядерной физики

Радоном назван наиболее долгоживущий изотоп эманации, которая

известна в 19 изотопных формах с атомным номером 86 и массовыми

числами от 204 до 224 [1]. Вместе с тем под названием «радон» объе-

диняют всю плеяду эманаций, поскольку все они являются инертными

газами и происходят от изотопов радия. Название «радон» указывает на

положение этого изотопического семейства в периодической системе

элементов под ксеноном.

1.2. ПРОИСХОЖДЕНИЕ РАДОНА.

РАДИОАКТИВНЫЕ СЕМЕЙСТВА

Радон не имеет стабильных изотопов. Наиболее устойчив

222

1/2

=3,8235 дня), входящий в природное радиоактивное семейство ура-

на

238

U (T

1/2

=4,51·10

лет) и являющийся непосредственным продуктом

распада радия

226

Ra. Обычно название «радон» относят именно к этому

изотопу.

На рис. 1.1 представлены ряды природных радиоактивных се-

мейств урана и тория до момента образования радиоактивного газа –

радона.

Рис. 1.1. Ряды природных радиоактивных семейств до образования радона

В семейство тория

232

Th (T

1/2

=1,41·10

лет) входит

220

Rn (T

1/2

=55,6

с), который называют тороном (Tn). В семейство урана

235

1/2

=7,13·10

лет) входит

219

Rn (T

1/2

=3,96 с), его называют актиноном

(An). Конечным продуктом распада у всех трех семейств является один

из стабильных изотопов свинца с атомным номером 82, для семейства

урана –

206

Pb, для семейства тория –

208

Pb, а для семейства актиния –