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

Подождите немного. Документ загружается.

111

сти измерений. Эффективность электроосаждения ионов ДПР радона на

поверхность детектора зависит от влажности и наличия микропримесей

в воздухе [165, 269, 319322]. Расчеты [165, 319] показали, что эффек-

тивность электроосаждения снижается с ростом объема, а относитель-

ная погрешность измерений возрастает, что объясняется увеличением

пути доставки иона ДПР и времени его осаждения на детектор. Предло-

жено для устранения этого эффекта в радиометрах с электроосаждением

либо контролировать влажность и температуру специальными датчика-

ми, с введением соответствующей поправки показаний радиометра, ли-

бо поддерживать заданную влажность в течение периода измерения.

Методика измерения ППР с использование НК и радиометра РРА не

рассчитана на длительные автоматизированные измерения. Здесь требу-

ется постоянное присутствие оператора.

Ионизационный метод. К недостаткам ионизационного метода

следует отнести зависимость показаний от состава и влажности анали-

зируемого воздуха, внешнего γ-фона, атмосферного давления. Аппара-

тура, основанная на ионизационном методе, чувствительна к механиче-

ским воздействиям: ударам, тряске.

Недостатком метода измерения накопленной внутри НК активно-

сти радона радиометром AlphaGUARD, является то, что требуется оп-

ределенное время для восстановления фонового уровня внутри иониза-

ционной камеры после измерений больших концентраций радона [281].

Несмотря на этот недостаток, приборы AlphaGUARD активно исполь-

зуют в измерениях ППР, более того, их успешно совмещают с автомати-

зированной НК [86, 176, 184] для получения длительных временных ря-

дов данных о ППР.

Электретный метод. Перспективность электретных ионизацион-

ных камер определяется их многими достоинствами. Такие детекторы

имеют малые-габариты и массу, достаточно технологичны, устойчивы к

изменению температуры, влажности воздуха и другим дестабилизи-

рующим факторам. Показания с детекторов могут быть сняты достаточ-

но просто и быстро. Измерения осуществляются без потери информа-

ции и возможны повторные считывания данных. К недостаткам элек-

третных детекторов можно отнести чувствительность к фоновому γ-

излучению, влажности и разряду электрета при случайном прикоснове-

нии. Электретные детекторы также являются довольно дорогостоящи-

ми.

Угольные адсорберы. Метод измерения ППР и ППТ с использова-

нием угольных адсорберов позволяет производить одновременное об-

следование больших территорий, либо массовое измерение образцов

строительных материалов, вследствие небольшой стоимости активиро-

112

ванного угля, который позволяет также многоразовое его использование

после регенерации. К недостатку этого метода можно отнести большую

длительность одного измерения с учетом времени экспонирования НК,

а также невозможность автоматизировать процесс измерения в одной

точке в течение длительного периода.

8.4. РЕЗУЛЬТАТЫ СЛИЧИТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

К настоящему времени собран обширный материал по результатам

сличительных экспериментов международного и регионального уровня

[3537, 111, 157, 271, 272, 307316]. Результаты сличительных экспери-

ментов показывают, что, несмотря на столь длительный период приме-

нения разных методов на практике, проблема достоверности измерений

плотности потока радона все еще существует и ждет своего решения.

Сравнение принципиально разных методов и приборов для измерения

ППР пока еще дает неудовлетворительные результаты.

Далее подробно рассмотрены результаты сличительного экспери-

мента в г. Барнаул и г. Томск с использованием трех широко применяе-

мых в РФ методов измерения ППР [314]: 1) метод с применением

угольных адсорберов; 2) метод НК с использованием радиометра Alpha-

GUARD; и 3) косвенный метод по измеренной на 2-х глубинах ОА поч-

венного радона.

Для проведения сличительного эксперимента были выбраны 2 уча-

стка (№ 1 и 2) в г. Барнаул и 1 участок (№ 3) в «Лагерном саду» г. Том-

ска, различающиеся по типу поверхностного грунта. Поверхностный

слой почвы участка №1 толщиной около 1 метра представлен чернозе-

мом, ниже – суглинок. Поверхностный слой участка №2 представлен

слоем мелкодисперсного песка достаточно большой мощности (не ме-

нее 3 метров). Участок №3 сложен суглинками. Измерение ППР осуще-

ствляли следующими методами:

1. «мгновенный» метод сорбции почвенного радона на активирован-

ном угле, помещенном внутрь НК, с последующей гамма-

спектрометрией;

2. «мгновенный» метод накопительной камеры с последующим из-

мерением накопленной активности радона радиометром Alpha-

GUARD PQ2000;

3. косвенный «интегральный» метод определения плотности потока

радона по измеренной трековыми детекторами объемной активно-

сти радона в почвенном воздухе на двух глубинах.

113

На каждом участке измерение ППР 1-м и 2-м методами проводили

непосредственно на поверхности грунта (удалялись только раститель-

ность и дерн) в разное время суток (утро, день, вечер) в течение 4-х су-

ток (время экспонирования трековых детекторов), затем рассчитывали

среднее значение.

1-й метод

Измерения плотности потока радона методом угольных адсорберов

проводились в соответствии с утвержденной методикой [23]. Площадь

сбора радона (площадь накопительной камеры) составляла 32 см

, высо-

та рабочего слоя активированного угля – 0,4 см, объем угля – 12,8 см

Время экспонирования накопительных камер с углем составляло 2–4

часа. После накопления продуктов распада радона производилось изме-

рение активности угля на сцинтилляционном гамма-спектрометре с де-

тектором NaI(Tl) 63х63 мм

. Плотность потока радона рассчитывали с

использованием прикладного программного обеспечения. Минимально

измеряемое значение ППР в этом методе равно 10 мБк/(м

с).

2-й метод

Радон, выходящий из грунта собирали в накопительную камеру

объемом 0,35 литра и площадью сбора 0,014 м

. Радиометр радона,

помпу (воздуходувку) и накопительную камеру соединяли между собой

с помощью трубок. Камеру устанавливали на поверхность почвы в мо-

мент начала прокачки. Прокачку осуществляли с помощью помпы в те-

чение 5 минут, после чего оба патрубка радиометра радона закрывали и

регистрировали 5–6 показаний объемной активности радона каждые 10

минут. В г. Барнаул для измерений использовали радиометр радона Al-

pha-GUARD PQ2000, а в г. Томск – РГА-06П (помечено

) и РРА-01М

(

). Величину ППР с поверхности грунта определяли по формуле (6.11)

согласно [24]. Минимально измеряемое значение ППР в этом методе

оценено равным 2 мБк/(м

с).

3-й метод

Для определения ППР использовали выражение (4.23). На площад-

ке №3 в «Лагерном саду» г. Томска бурили два шпура на расстоянии 0,5

м друг от друга специально изготовленным буром. Первый шпур глуби-

ной 35 см, второй глубиной 70 см и оба диаметром 5,5 см. В каждый

шпур вставляли пластмассовые трубки соответствующих размеров для

предотвращения обвала шпуров, затем помещали индивидуальный пас-

сивный радиометр радона (ИПРР) с нитроцеллюлозным трековым де-

тектором α-частиц (Kodak LR-115). Шпуры герметично закрывали свер-

114

ху и выдерживали в течение 3–4 суток. Затем ИПРР вынимали и опре-

деляли объемную активность радона первого и второго трековых детек-

торов согласно инструкции по эксплуатации комплекса АИСТ-ТРАЛ

(Санкт-Петербург). Для расчетов брали коэффициент диффузии D =

0,0144 см

/с.

Результаты измерений ППР с поверхности земли с использованием

трех методов сведены в табл. 8.1. Анализ результатов показал, что дан-

ные, полученные разными методами на одном и том же участке, суще-

ственно различаются, хотя на участке №1 (8–11 августа) данные изме-

рений ППР находятся в хорошем согласии, т.е. входят в доверительный

интервал. С учетом того, что погрешность 1-го метода составляет около

50%, можно сказать, что на участке №1 результаты измерений ППР 1-м

и 3-м методами показали удовлетворительную сходимость, в то время,

как для участка №2 такой вывод можно сделать для 2-го и 3-го методов.

Таблица 8.1. Результаты измерений ППР, мБк/(м

с)

№ уча-

стка

Дата измере-

ний

Метод измерения

(длительность одного

измерения или отбора пробы)

1-й

(2-4 часа)

2-й

(5 минут)

3-й

(3-4 суток)

30 июля – 2 ав-

густа 2004

31  19

62  25

9  3

2–5 августа

2004

21  13

36  13

9  3

8–11 августа

2004

7  4

15  5

10  3

30 июля – 2 ав-

густа 2004

31  19

6  2

2–5 августа

2004

30  18

4  2

6  2

5–8 августа

2004

23  14

3  1

23–27 октября

2004

10  8

20  16

120  43

59  15

Результаты представлены с учетом методической погрешности измерений.

Сравнение данных существенно затрудняется из-за различий в дли-

тельности отбора пробы (измерения). Для сравнения результатов изме-

рений интегральным (3–4 суток) и мгновенным (5 мин.–4 ч) методами

115

требуется проведение ряда последовательных мгновенных измерений

через равные промежутки времени в течение периода усреднения. Од-

нако, не всегда на практике такая возможность существует. Например, в

работе [314] измерения ППР в ночное время не производили. В итоге,

соответственно, увеличилась суммарная неопределенность результата.

Здесь следует также упомянуть тот факт, что измерения 2-м методом

можно производить не чаще, чем один раз за 2–3 часа (время одного из-

мерения ОА радона), хотя длительность отбора пробы (перевод нако-

пившегося почвенного радона из НК внутрь измерительной камеры ра-

диометра) составляет всего 5 минут. Все эти нюансы добавляют допол-

нительную погрешность к результатам измерений.

Кроме этого, в ряде работ отмечены недостатки различных методов

измерения ППР, которые влияют на методическую погрешность. На-

пример, экспериментально [172] показано, что концентрация радона

внутри НК, установленной на грунт, изменяется нелинейно, с выходом

на некоторое равновесное значение. Такая ситуация обусловлена влия-

нием замкнутого объема камеры на поток радона с поверхности грунта.

По измеренной кривой накопления ОА радона внутри НК видно, что

нелинейность начинает проявляться через 2 часа. Не учет нелинейности

поступления радона внутрь НК может привести к заниженным значени-

ям ППР [315]. В таких случаях необходимо корректировать результат

измерений [172]. Более того, в работе [315] подвергнута сомнению сама

расчетная формула для величины ППР. Это аргументировано тем, что

процесс переноса радона в почве сложный и зависит от множества фак-

торов, не всегда поддающихся адекватному учету и описанию.

В сравнительных экспериментах [36], которые также показали не-

удовлетворительный результат, были выявлены недостатки разных ме-

тодов и рекомендации по их устранению: 1) в методе с накоплением ра-

дона в воздухе НК, необходимо подбирать время накопления отдельно

для каждого типа грунта в зависимости от его влажности; 2) в методе

накопления радона на активированном угле необходимо избегать нагре-

ва накопительных камер с сорбционными колонками прямыми солнеч-

ными лучами, поскольку это может привести к значительным искаже-

ниям результатов измерений.

Анализ результатов представленных в литературе сличительных

экспериментов позволил сделать следующие выводы:

1. Наблюдаются большие различия в результатах измерения ППР с по-

верхности земли, по сравнению с результатами измерений ППР с по-

верхности стройматериалов. По-видимому, это обусловлено разли-

чиями в проявлении влияния внешних факторов (погодных условий

и пр.) на перенос радона в грунте и строительной конструкции.

116

2. Сравнение принципиально разных методов и приборов для измере-

ния ППР следует производить для установления их взаимосвязи и

целей калибровки.

3. Пока еще невозможно выделить наилучший метод измерения ППР,

который можно было бы использовать как стандарт.

В итоге можно высказать пожелание о дальнейшей доработке ис-

пользуемых методик измерения, а также введении дополнительных ог-

раничений по использованию методик в определенных условиях.

117

ГЛАВА 9. ЗАКОНОМЕРНОСТИ В ДИНАМИКЕ ПЛОТНОСТИ

ПОТОКОВ РАДОНА И ТОРОНА. ВЛИЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ

Более половины опубликованных о ППР работ посвящено исследо-

ванию динамики ППР и/или ППТ, и влиянию различных факторов.

Анализ опубликованных экспериментальных данных по ППР по-

зволил выявить:

1. Изменчивость:

a. в пределах большой территории с один типом грунта – на 1 по-

рядок величины [124, 125, 281];

b. в пределах города – более чем на 2 порядка величины [124,

125];

c. в одной точке с течением времени – в пределах 1-го порядка

величины [26, 34, 314, 323].

2. Закономерности:

a. суточные вариации [281] (в 1,5–2 раза) с максимумом – ночью

и минимумом – до заката, иногда наблюдаются 2 максимума –

в полдень и ночью [18];

b. сильные отклонения от среднего значения в период резкой

смены погоды [18, 142];

c. аномальное поведение за несколько суток до возникновения

сейсмического случая [4143, 77, 324, 325].

3. Влияющие факторы:

a. метеорологические условия: скорость [18, 281] и направление

ветра; температура почвы и воздуха (градиент) [18, 142, 281,

326]; атмосферное давление (градиент) [18, 142, 281]; прохож-

дение циклонов [18, 142]; осадки [18, 281];

b. геологическая структура и физико-геологические характери-

стики грунтов, особенно в приповерхностном слое [18, 114,

147, 163, 195].

c. сейсмичность (вибровоздействие) [4143, 77, 324, 325].

9.1. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПЛОТНОСТИ

ПОТОКОВ РАДОНА И ТОРОНА

К настоящему времени для отдельных регионов за рубежом и в РФ

накоплен солидный банк данных по измеренным значениям плотности

потока радона. Как показали результаты различных исследований [26,

37, 65, 106, 113, 126, 147, 155, 158], ППР с поверхности земли изменяет-

118

ся в широком диапазоне даже в пределах одного региона. Например,

значения ППР в пределах территории крупного города (г. Санкт-

Петербург [37], г. Москва [147]) могут изменяться на 1–2 порядка вели-

чины. Причем, такие изменения возможны даже в пределах небольшого

участка с одинаковыми геолгическими и гидрогеологическими усло-

виями [147]. Средние по участкам значения ППР в пределах г. Москва

изменяются от 4 до 264 мБк м

–2

–1

На территории г. Томска величина ППР также испытывает значи-

тельные пространственные вариации, более 1 порядка величины (табл.

9.1). Среднее значение плотности потока радона с поверхности грунта

для территории г. Томска составляет 41 мБк м

–2

–1

, а диапазон от 8,5 до

151 мБк м

–2

–1

[65].

Сравнение средних значений ППР, полученных в разных точках

мира представлено на рис. 9.1. [106].

Рис. 9.1. Изменение средних значений ППР по странам

Измерения ППР на 41 участке, которые расположенны на острове

King George недалеко от антарктического полуострова, были произве-

дены в работе [106] с использованием трековых детекторов (интеграль-

ный метод). Среднее значение составило 1,53 мБк м

–2

–1

, с диапазоном

0,0437–5,73 мБк м

–2

–1

. В единицах концентрации среднее значение со-

ставляет 0,0734 атом см

-2

-1

. Пространственная изменчивость ППР до-

ходит до 130 раз.

119

Исследования пространственных вариаций ППР и ППТ с помощью

мгновенного метода были произведены в Тасмании, Австралия [113,

155, 158]. Измерения производили методом статической НК с использо-

ванием двух сцинтилляционных детекторов. Для разделения радона и

торона использовали способ задерживающего объема. Средневзвешен-

ное по территории Автралии значение ППР составило 22 мБк м

–2

–1

, а

ППТ – 1,7 Бк м

–2

–1

[113]. Измеренные в одном месяце (февраль) но на

разных участках значения ППР варьировали от 2 до 190 мБк м

–2

–1

, а

ППТ – от 20 до 7000 мБк м

–2

–1

[158].

Средние значения и диапазон изменения ППР для разных стран

приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1. Диапазон изменений величин ППР и ППТ в зависимости от

скорости адвекции и физико-геологических характеристик грунтов

Страна (регион)

ППР/ППТ, мБк м

–2

–1

Ссылка на лите-

ратурный источ-

ник

среднее

диапазон

Австралия

22/

1700

2–190/

20–7000

[113, 155, 158]

Австрия

9–19

[126]

Франция

– // –

Германия

17–19

– // –

Ирландия

– // –

Япония

– // –

Новая

Зеландия

– // –

Филиппины

– // –

Польша

– // –

Антарктический

полуостров

1,53/

12,45

0,044–5,73

[106]

США

5–53

[126]

Россия

4–264

[147, 249]

9.2. ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПЛОТНОСТИ ПОТОКОВ

РАДОНА И ТОРОНА

Экспериментально получено, что величина ППР подвержена силь-

ной временной изменчивости. Анализ данных выявил суточные и се-

120

зонные вариации этой величины, связанные с воздействием внешних

факторов.

В России в 1963–1966 гг. были проведены детальные исследования

временной динамики величины ППР с последующей оценкой влияния

метеорологических и физико-геологических характеристик (температу-

ра почвы до глубины 40 см; содержание радия; влажность и объемный

вес почвы) [18]. Были выявлены колебания величины ППР с суточным

периодом и сильные отклонения от среднего в период резкой смены ме-

теоусловий.

В условиях хорошей погоды в динамике ППР наблюдаются макси-

мум – в ночные часы и минимум – в послеполуденное время [18, 257].

Иногда наблюдают 2 максимума – в полдень и ночью. Различие между

ночными и дневными значениями доходит до 1,5–2 раз [18].

Замечено, что момент достижения максимума величины ППР сов-

падает с наибольшим значением инверсионного градиента температуры

почвы в ночные часы [18]. Такое поведение было спрогнозировано еще

в 1926 г. [326], объясняя его тем, что плотность потока радона увеличи-

вается в ночные часы из-за объемного движения почвенного воздуха,

возникающего за счет охлаждения поверхностного слоя почвы.

В работах [155, 158] были исследованы сезонные вариации ППР и

ППТ в Тасмании (Tasmania), Австралия. Среднегодовые значения ППР

от года к году изменяются незначительно, а сезонные изменения суще-

ственны, июльские значения ППР (15 мБк м

–2

–1

) ниже на ~50 %, чем

февральские (31 мБк м

–2

–1

). Сезонные вариации величины ППТ гораз-

до сильнее, зимние значения (1,4 Бк м

–2

–1

) в 3 раза превышают летние

(0,4 Бк м

–2

–1

Временная изменчивость величины ППР зависит от типа грунта,

слагающего поверхностный слой территории. К такому заключению

пришли авторы работы [117], которые определили, что суточные вариа-

ции ППР с поверхности песчано-гравийных грунтов (gravely sandy loam)

достигают не более 2 раз, а изменение усредненных за сутки значений

ППР очень мало для этого типа грунта.

После утверждения в РФ величины ППР в качестве критерия радо-

ноопасности территорий, резко возросло количество эксперименталь-

ных исследований этой величины. Первые систематические исследова-

ния временной изменчивости ППР с поверхности грунта были проведе-

ны в период 1998–2000 гг. [273]. Авторами были отмечены корреляции

с метеорологическими величинами. В сезонной изменчивости мини-

мальные значения ППР наблюдались в зимний период.

Трехлетние исследования временной динамики ППР на специально

оборудованной экспериментальной площадке показали, что величина