ПОЛЕВОЕ АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОВМЕСТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКОВ РАДОНА И ТОРОНА С ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТА

Черепнев Максим Святославович

аспирант, ТПУ, г. Томск

E-mail: maxcherepnev@mail.ru

Яковлева Валентина Станиславовна

канд. физ.-мат. наук, доцент ТПУ, г. Томск

Вуколов Артем Владимирович

канд. физ.-мат. наук, старший преподаватель ТПУ, г. Томск

Выполнено при поддержке ФЦП ГК № 02.740.11.0738.

Введение

Комплексы для непрерывного измерения плотности потока радона с поверхности земли могут быть полезны при изучении связи динамики поля подпочвенного радона с изменением напряженно-деформированного состояния земной коры, а также литосферно-атмосферных связей. Их использование на станциях мониторинга, совместно с приборами для измерения поровой активности радона в почвенном воздухе, позволит увеличить достоверность прогнозных оценок, а также даст возможность определять или уточнять параметры модели переноса радона в геологической среде и приземной атмосфере. Повышение содержания радона в зонах разлома нашло применение при исследовании тектонических движений в областях повышенной сейсмичности. В период Ташкентского землетрясения 1966 г. было замечено, что концентрация радона в подземных водах начинает возрастать за несколько дней до землетрясения, повышаясь в 5—7 раз непосредственно перед толчком [1]. Сегодня использованием данных физических процессов для мониторинга сейсмической активности зоны наблюдения занимаются в Индии, Израиле, США, Тайване, Турции и других странах. В России, для построения подобных систем мониторинга необходимо создание устройств, которые удовлетворяли бы ряду особенностей характерных для нашей страны, например, аномальных погодные условий в зимние – весенние периоды года. Основной трудностью при создании систем мониторинга является дороговизна подобных устройств, это и явилось заделом к данной работе: необходимость поиска простого, дешевого и надежного метода измерения плотности потока радона (ППР) и торона (ППТ) с использованием накопительной камеры (НК).

Основная часть

1. Описание устройства

В процессе выбора оптимальной накопительной камеры автором было рассмотрено множество вариантов как накопительной камеры, так и способов измерения радиоактивных аэрозолей. В итоге было отдано предпочтение статической накопительной камере с жестко прикрепленным к верхней части камеры детектором.

Камера прототипа полевого устройства представляет из себя отрезок стальной трубы с толщиной стенки 10 мм, диаметром 219 мм и длиной 500 мм. К торцу трубы приварено днище - основание камеры, представляющее из себя железный лист размером 300х300 мм и толщиной 3 мм. Проварка днища осуществлена по всему периметру трубы, для обеспечения герметичности внутреннего объема накопительной камеры. С внешней стороны по образующей трубы приварен шток, служащий направляющей для перемещения детектора в вертикальной плоскости. Фотография устройства представлена на рисунке 1.

Для проветривания внутреннего объема камеры с внешней стороны трубы сбоку смонтирована вентиляционная система, представленная на рисунках 1 и 2, в состав которой входит: 1 – двигатель, 2 – вал двигателя с «гайкой», 3 – «винт», 4 –рельсы, 5 – вибрационные прокладки, 6 – концевые выключатели, 7 – выключатель, 8 – вентиляционный клапан, 9 – уплотнительная прокладка вентиляционного клапана, 10 – ролики.

В качестве детекторов использовались стандартные блоки детектирования БДЗА2–01 и БДПА–01, технические характеристики которых представлены в таблице 1 и таблице 2 соответственно. Регистрация α-частиц в этих детекторах осуществляется посредством люминофора из сернистого цинка активированного серебром ZnS(Ag), нанесенным на органическое стекло, совмещенным с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) и блоком электроники.

Таблица 1

Технические характеристики БДЗА2–01

Таблица 2

Технические характеристики БДПА–01

Прототип устройства после отладки всех блоков использовался как лабораторно-исследовательское устройство. Его камера, с одной стороны, может использоваться как емкость в которую помещается исследуемый грунт, в связи с этим высота накопительной камеры выбиралась такой, чтобы можно было исследовать гумусный слой грунта исследуемого ландшафта порядка 40 см и оставался промежуток грунт-детектор равный 10 см, необходимый для поглощения в воздухе частиц α-излучения с энергией больше 7 МэВ, испускаемых из поверхностного слоя грунта внутри накопительной камеры устройства.

С другой стороны, размеры камеры позволяют поместить внутрь камеры емкость с исследуемым грунтом не прибегая к помещению грунта непосредственно в камеру, что может ускорить поточные измерения. Металлические стенки камеры полностью исключают возможность просачивания аэрозолей в течение периода измерения.

II. Работа устройства

Разработанное устройство позволяет производить непрерывные измерения величин ППР и ППТ, поскольку принцип действия основан на использовании автоматизированной накопительной камеры.

По сигналу с блока управления камера открывается для проветривания атмосферным воздухом для последующего измерения, затем закрывается на период измерения. Длительность времени накопления радона и торона программно можно варьировать в пределах 1—3 ч. Устройство управляется через интерфейс RS-232 посредством ПЭВМ типа IBMPC, сигналы с детектора поступают на АЦП, выполненный в интерфейсе PCIи смонтированный в системном блоке ПЭВМ, управляющей работой всего устройства.

III. Результаты

Эксперименты проводились с разными типами грунтов. Доверительный интервал находился по методу наименьших квадратов. В среднем доверительный интервал составил 25 % с доверительной вероятностью 0,95.

На рисунке 3 приведены экспериментальные данные (динамика скорости счета импульсов альфа-излучения) при измерении манацитового песка. Вертикальными линиями отмечены периоды переключения камеры в режимы накопления (более длинный) и вентиляции (короткий). Поправочные коэффициенты для пересчета скорости счета импульсов в величины ППР и ППТ были определены относительным методом сравнения с результатами измерений аттестованного радиометра радона РРА-01М-03 и расчетными данными по диффузионной модели переноса радона в пористых средах.

По результатам измерений данной камерой были внесены корректировки в разработанный полевой комплекс с автономной накопительной камерой с сцинтилляционным альфа-детектором, работающим в счетном режиме.

Рисунок 4. Динамика скорости счета импульсов

Заключение

Комплекс установлен на экспериментальной площадке ИМКЭС-ТПУ и позволяет производить длительные, непрерывные измерения без присутствия оператора. Его стоимость на порядок ниже зарубежных аналогов, в которых способы разделения радона и торона основаны на применении полупроводниковой альфа-спектрометрии. В России аналогов данному комплексу пока нет.

Список литературы:

1. Титаева Н. А. Ядерная геохимия. М.: Издательство МГУ, 2000. 336 с.