МОДЕЛИРОВАНИЕ АТМОСФЕРНЫХ ПОЛЕЙ ? И ? ИЗЛУЧЕНИЙ, ФОРМИРУЮЩИХСЯ ПОЧВЕННЫМИ РАДИОНУКЛИДАМИ

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Геофизика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Вестник КРАУНЦ. Физ. -мат. науки. 2011. № 1 (2). C. 66−75
УДК 551. 510:539. 165/166
МОДЕЛИРОВАНИЕ АТМОСФЕРНЫХ ПОЛЕЙ Y — И в — ИЗЛУЧЕНИЙ, ФОРМИРУЮЩИХСЯ ПОЧВЕННЫМИ РАДИОНУКЛИДАМИ*
В. С. Яковлева, В. Д. Каратаев, В.В. Зукау
Томский политехнический университет, 634 050, г. Томск, ул. Ленина, 36 E-mail: jak@interact. phtd. tpu. ru, vsyakovleva@tpu. ru
Представлены результаты моделирования характеристик атмосферных полей y — и в -излучений, обусловленных радиоактивным распадом почвенных радионуклидов. Моделирование проведено с использованием метода Монте-Карло. Учтено вторичное излучение и каскадный характер взаимодействия излучения с воздухом. Детально обсуждаются особенности в вертикальных распределениях поглощенных доз и плотностей потоков Y — и в — излучений в приземной атмосфере.
Ключевые слова: ионизирующее излучение, атмосфера, грунт, радионуклид, метод Монте-Карло
© Яковлева В. С., Каратаев В. Д., Зукау В. В., 2011
MSC 81V35
SIMULATION OF ATMOSPHERIC GAMMA- AND BETA-RADIATIONS FIELDS FORMED BY SOIL
RADIONUCLIDES
V.S. Yakovleva, V.D. Karataev, V.V. Zukau
Tomsk Polytechnic University, 634 050, c. Tomsk, Lenina st., 36, Russia E-mail: jak@interact. phtd. tpu. ru, vsyakovleva@tpu. ru
The results of simulation of characteristics of atmospheric y- and в-radiation fields due to radioactive decay of soil radionuclides are represented. Monte-Carlo method was used for simulation. Secondary radiation and cascade nature of radiation interaction with air were taking into account. Features in vertical profiles of y — and в — radiation absorbed doses and flux densities in ground atmosphere are discussed in detail.
Key words: ionizing radiation, atmosphere, soil, radionuclide, Monte-Carlo method
© Yakovleva V.S., Karataev V.D., Zukau V.V., 2011
*Работа выполнена при поддержке гранта АВЦП «РНПВШ» № 2.1. 1/544.
Введение
Контроль уровней у-фона в приземной атмосфере производят в рамках Закона «О радиационной безопасности населения». Этот вид контроля с 1995 г. осуществляется в рамках единой государственной автоматизированной системы контроля радиационной обстановки и преследует основную цель — выявление техногенных радиоактивных загрязнений атмосферы. Однако радиационный фон приземной атмосферы складывается не только гамма, но и другими видами ионизирующего излучения (ИИ), контролю которых, в настоящее время, не уделяется должного внимания.
Атмосферные поля ИИ представляют особый интерес в таких областях, как радиоэкология и радиобиология — для оценок малых (фоновых) доз облучения населения и окружающей среды, а также физика атмосферы — для оценок плотности ионизации приземной атмосферы. Расшифровка результатов наблюдений за радиационным фоном приземной атмосферы [1−3] является сложной задачей, которую трудно решить без привлечения моделирования переноса ИИ, создаваемого почвенными и атмосферными радионуклидами.
В настоящей работе детально рассмотрены перенос у — и в-излучений почвенных радионуклидов в системе «грунт-атмосфера» и пространственная динамика характеристик создаваемых этим излучением атмосферных полей.
Моделирование у — и в-фона приземной атмосферы за счет почвенных радионуклидов
Моделирование вертикальных распределений в приземной атмосфере характеристик полей ИИ, создаваемых почвенными радионуклидами (табл. 1), произведено с помощью метода Монте-Карло с использованием разработанной в ТПУ программы РСЬаЬ [4, 5]. При моделировании произведен учет вторичного излучения и каскадный характер взаимодействия излучения с воздухом, а также учет векового радиоактивного равновесия между родоначальниками рядов и дочерними продуктами их распада. В качестве характеристик полей ИИ рассмотрены поглощенные дозы и плотности потоков у — и в-излучений.
На рис. 1 представлена геометрия расчетов. Источник (грунт) и поглощающую среду (воздух) задавали в цилиндрической геометрии.
500 М «^ООМ 100 М 50 СМ
т
Рис. 1. Геометрия расчетов
Диаметр наружного цилиндра выбран 1 км с учетом проникающей способности фотонов в воздухе. Для избавления от влияния краевых эффектов на конечный результат, расчеты поглощенной дозы и плотности потока ИИ произведены для внутреннего цилиндра диаметром 200 м. Глубина слоя грунта для расчетов выбрана с
учетом результатов моделирования вкладов разных слоев грунта в суммарную дозу в атмосфере (рассмотрено ниже). Все расчеты произведены до высоты 500 м.
С помощью программы РСЬаЬ рассчитывали вертикальные распределения характеристик полей ИИ для каждого из радионуклидов (табл. 1). Для удобства быстрого пересчета на реальную удельную активность радионуклидов в грунте, все результаты получены в расчете на единичную активность радионуклидов (1 Бк/кг) и объединены по 5-ти группам (табл. 1).
Таблица 1
Радионуклиды, использованные в моделировании
Группа 1 Ряд 232Th 232Th, 228 Ra, 228 Ac, 228Th, 224 Ra, 220Rn, 216Po, 212Pb, 212Bi, 208Tl
Группа 2 Ряд 238 U 238U, 234Th, 234mPa, 234Pa, 234U, 230Th, 226 Ra, 222 Rn, 218Po, 214Pb, 214Bi, 214Po, 210Pb, 210Bi, 210Po
Группа 3 Ряд 235 U 235U, 231 Th, 231 Pa, 227Ac, 223Fr, 227Th, 223Ra, 219Rn, 215Po, 211Pb, 211Bi, 207Tl, 211 Po
Группа 4 40 K
Группа 5 s C 7 3
Для расчетов был взят грунт, состав и параметры которого приведены в табл. 2
[4].
Таблица 2
Состав грунта для моделирования
Элемет Атомный номер Ъ Атомная масса, А Весовая доля %
O 8 16 43,2
Si 14 28,09 20,2
Al 13 27 14,4
C 6 12 10,6
Fe 26 55,85 9,2
H 1 1,008 1,5
Ti 22 47,9 0,7
Mg 12 24,31 0,2
Состав атмосферы для моделирования брали следующий, указанный в табл. 3 [6].
Таблица 3
Состав атмосферы для моделирования
Элемент Z A Ш, весовая доля элементов вещества
H 1 1,00 8,0−10−7
N 7 14,00 0,755
O B 16,00 0,232
Ne 10 20,1B 1,40−10−5
Ar 1B 39,95 1,92−10−2
Kr 36 B3, B0 3,00−10−6
Xe 54 131,29 4,00−10−7
Rn B6 222,02 4,50−10−1У
Плотность воздуха 1,29−10 3 г/см3
6B
Расчеты мощности поглощенной дозы Бу и плотности потока у-излучения Ру производили в диапазоне энергий у= 0−2600 кэВ. Поскольку регистрация атмосферного у-фона производится, в основном, приборами, основанными на газоразрядных счетчиках, которые имеют нижний порог регистрации у-излучения — 50 кэВ, расчеты произвели так же и при условии Еу & gt- 50 кэВ. Нижний порог регистрации газоразрядными счетчиками жесткого р-излучения составляет 500 кэВ, поэтому расчеты произвели также для Ер & gt- 500 кэВ. Активность 235 изотопа урана определяли по известному соотношению Аи235 = Аи238/21.
На рис. 2 представлены результаты расчетов характеристик атмосферных полей у- и в-излучений на единичную активность почвенных радионуклидов.
2,0Е-03
1. 8Е-03
1,6Е-03
1,4Е-03
Т 1. 2Е-03 Cl 1_
g 1. 0Е-03 8,0Е-04 б, 0Е-04 4,0Е-04 2. 0Е-04 0,0Е+00

Е& gt-0 Е& gt-500 кэВ




V
1



4 000
3 500
3 000
— 2 500
U
гм
2
2 000
& gt-
U- 1 500 1 ООО
500
1000 2000 3000 4000
5000 Z, см

Ey& gt-0
\ Еу & gt-50 ЭВ
ч
• *
* л V
*4.
4 '-•& quot-«Пп
& gt-
а

Еу& gt- Еу& gt- Э
50 эВ


V % Ч
'- «

20 000 30 000
6
50 000
2, см
40 000 50 000
Z, см
Рис. 2. Изменение с высотой: а) Бр- б) Рр- в) Ру — г) — рассчитанных на единичную удельную
активность почвенных радионуклидов
Здесь можно сделать вывод о том, что измеренные детекторами ионизирующих излучений характеристики существенно отличаются от истинных значений, особенно в случае в-излучения, причем эти различия зависят от высоты установки детектора. Зависимость величин Бр и Ру от высоты подчиняется экспоненциальному закону.
Следует также отметить, что доза и плотность потока р-излучения в атмосфере складываются из двух компонент: 1) р-излучение почвенных радионуклидов, образо-
ванное непосредственно в грунте- 2) вторичное в-излучение, образованное в воздухе при взаимодействии почвенного у-излучения с атмосферой (рис. 3).
Рис. 3. Разделение поглощенной дозы Брв-излучения на компоненты
Поглощенная доза в-излучения, образованного в грунте, быстро снижается с высотой и на высотах 4−5 м практически равна нулю. Поэтому, зависимость величин и рв от высоты более сложная, чем для у-излучения, и ее можно представить в виде суммы двух экспонент.
Спектрометрический анализ радионуклидного состава грунта
Расчеты вертикальных распределений плотностей потоков и поглощенных доз в — и у-излучений, формирующихся почвенными радионуклидами, производили на основе экспериментальных данных об удельной активности (УА) почвенных радионуклидов для территории г. Томска и Томской обсерватории радиоактивности и ионизирующего излучения (ТОРИИ). На территории г. Томска значения удельной активности 226Ra, 232^, и 137Cs в приповерхностных грунтах составляют 25- 26-
345 и 10 Бк/кг, соответственно [7].
На экспериментальной площадке ТОРИИ было выбрано 2 точки, в которых были детально исследованы 2 глубинных профиля, А и Б для установления пространственного распределения радионуклидов. В каждом профиле пробоотбор производили до глубины 1 м по 5-ти см слоям, по стандартной методике. Затем, производили подготовку проб и спектрометрический анализ с помощью полупроводникового гамма-спектрометра на основе германиевого детектора типа ДГДК-100 В. В состав спектрометра, кроме детектора, входят электронный тракт, состоящий из набора стандартных блоков усилителей и источников питания системы «ВЕКТОР», низкофоновая камера и вычислительный комплекс, сопряженный с платой АЦП-4К-ЦГ на основе PC.
Результаты спектрометрического анализа проб представлены на рис. 4 (а — профиль, А и б — профиль Б). Наблюдается сильная пространственная неоднородность распределения УА радионуклидов. Особенно большие вариации УА наблюдаются на глубинах ниже 20 см для всех природных радионуклидов. На глубине 20−90 см наблюдается повышенное содержание радионуклидов (40К, 226Ка, 232ТИ) в 1,2−1,5 раза. 137Сб на глубинах до 95 см распределен неравномерно. Это свидетельствует о том, что верхний слой грунта до одного метра насыпной. В целинном грунте весь цезий сконцентрирован в поверхностном слое до 0,5 м, что обусловлено его глобальными выпадениями на поверхность земли из атмосферы.
а- Профиль, А б-Профилъ Б
Рис. 4. Вертикальные профили УА почвенных радионуклидов. Ось абсцисс — УА, Бк/кг- ось ординат — глубина, см
Влияние неоднородного распределения радионуклидов по глубине на атмосферный у-фон
Для того, чтобы определить степень влияния неоднородного распределения радионуклидов по глубине на вертикальный профиль поглощенных доз у-излучения в приземной атмосфере, были произведены расчеты вкладов каждого 10-ти см слоя грунта в суммарную дозу на разных высотах до 30 м с использованием программы РСЬаЬ. Расчеты произведены для 40К. Результаты представлены на рис. 5.
Получено, что вклад верхнего 10-ти см слоя составляет 62−83% в зависимости от высоты над земной поверхностью. Следующий слой 10−20 см вносит вклад от 13 до 26%. В итоге, первые 20 см грунта формируют ^ 90%у-излучения в воздухе. Таким образом, неоднородность распределения концентрации радионуклидов по глубине ниже 20 см не существенно отразится на оценки вертикальных профилей доз или плотностей потоков у-излучения.
Из-за низкой проникающей способности в-излучение почвенных радионуклидов преодолевает только первые единицы см в грунте, поэтому проблема неоднородного распределения радионуклидов по глубине в данном случае не актуальна.
О 1 ООО 2 ООО 3 ООО
см
Рис. 5. Зависимость вклада разных слоев грунта в поглощенную дозу в воздухе от высоты над земной поверхностью
Вертикальные профили характеристик полей у-излучения в приземной атмосфере
Изменения поглощенных доз и плотностей потоков в — и у-излучения с высотой, рассчитанных на реальную удельную активность почвенных радионуклидов для 2-х участков на площадке ТОРИИ и для средних по г. Томску значений УА радионуклидов, показаны на рис 6. Здесь расчеты произведены с учетом пороговой энергии.
Рис. 6. Изменение с высотой: а) — б) Р7- в)8- г) р, рассчитанных на реальную УА
почвенных радионуклидов
Получено, что поглощенная доза 7-излученния у земной поверхности на высотах до 1 м превышает дозу в-излучения почти в 2 раза, а на высотах от 4 до 130 м —
приблизительно в 4 раза. При этом различие в потоках в — и у-излучений составляет сотни раз. На высотах от 0 до 5 м отношение Ру/р увеличивается с 300 до 800 раз.
Выявлена пропорциональность между дозой в мкГр/ч и плотностью потока в 1/(м2с) для в-излучения, что позволяет делать простой переход от одной характеристики излучения к другой. Коэффициент пропорциональности равен ^ 1000,.
Для того, чтобы определить, какие почвенные радионуклиды вносят наибольший вклад в суммарные характеристики атмосферных в — и у-полей, были произведены расчеты для единичной удельной активности радионуклидов и реальной, в качестве которой взяты средние для территории г. Томска значения. Результаты расчетов приведены на рис. 7 и рис. 8.
Рис. 7. Зависимость от высоты вкладов почвенных радионуклидов в Бу и Ру: а) и б) в расчете на реальную активность- в) и г) на единичную активность
Рис. 8. Зависимость от высоты вкладов почвенных радионуклидов в Бв и Рв: а) в расчете на единичную активность- б) на реальную активность
Вклады различных почвенных радионуклидов в суммарные характеристики атмосферных полей ИИ существенно различаются и изменяются с высотой. В расчетах
на единичную активность, максимальный вклад вносят радионуклиды уранового и ториевого рядов, родоначальниками которых являются 238и и 232ТЬ.
Видно также, что соотношение вкладов разных радионуклидов определяется их удельной активностью. Например, при расчетах на реальную активность, получено, что калий вносит практически одинаковый с ториевым рядом вклад в суммарный у-фон. При этом вклад калия в в-фон существенно больший, чем от уранового и ториевого рядов.
Вклады калия и ториевого ряда в у-фон увеличиваются с ростом высоты рис. 7(а и б), а вклад уранового ряда — снижается. На высотах 200−300 м, вклады 40К и рядов 238и, 232ТЬ в Бу сравниваются, а для Ру это возможно только на больших высотах «0,5.
При анализе рис. 7 и рис. 8 отмечается еще одна интересная особенность — почвенные радионуклиды существенно различным образом влияют на дозу и плотность потока у-излучения, но одинаково — на дозу и плотность потока в-излучения. Это объясняется различиями в спектральных характеристиках у- и в-излучений радионуклидов, а именно, тем, что спектр энергий в-излучения является непрерывным, а у-излучения — дискретным. Выявленная особенность вскрывает потенциальные проблемы с калибровкой детекторов гамма-излучений, работающих в счетном режиме, в дозовую величину.
Заключение
Анализ результатов моделирования вертикальных распределений характеристик атмосферных полей ионизирующих излучений, обусловленных радиоактивным распадом почвенных радионуклидов, позволил сделать следующие выводы:
1) Для оценок поглощенной дозы у-излучения в атмосфере за счет почвенных радионуклидов достаточно знать радионуклидный состав верхнего 20-ти см слоя грунта, и удельную активность радионуклидов, поскольку именно этот слой формирует ~ 90%. у-излучения от высоты над земной поверхностью описывается экспоненциальным законом, в отличие от в-излучения, для которого подобную зависимость можно представить в виде суммы двух экспонент. При этом, коэффициент при экспоненте и ее показатель будут зависеть как от радионуклидного состава, так и от соотношения удельных активностей почвенных радионуклидов, и их необходимо подбирать для каждой конкретной территории.
32) Выявлена пропорциональность между дозой и плотностью потока для в-излучения, что позволяет делать простой пересчет одной характеристики в другую.
4) Для получения истинных значений характеристик полей у- и в-излучений необходимо производить корректировку результатов измерений с учетом энергетического порога детектора и высоты его установки.
Литература
1. Соболев А. И. и др. Актуальные проблемы анализа результатов радиационно — экологического мониторинга Москвы / А. И. Соболев, В. А. Тихомиров, Л. Ф. Вербова, Ю. Н. Митронова, И. К. Жунов // Фундаментальные исследования. — 2005. — № 6. — С. 74−75.
2. Нагорский П. М. и др. Влияние направления воздушного потока на динамику атмосферных полей гамма- и бета-излучений / П. М. Нагорский, И. И. Ипполитов, С. В. Смирнов, В. С. Яковлева, В. Д. Каратаев, А. В. Вуколов, Я. В. Лужанчук, А. В. Манаков // Изв. вузов. Физика. — 2010. — Т. 53. -№ 11/2. — С. 51−54.
3. Силантьев К. А. Автоматизированные спектрометрические системы контроля радиационной обстановки. http: //www. atom. nw. ru/atc/obninsk/spektrpost. html (дата обращения: 07. 05. 2011).
4. Беспалов В. И. Пакет программ ЕРНСА для статистического моделирования поля излучения фотонов и заряженных частиц // Изв. вузов. Физика. — 2000. — Т. 43. — № 4. — С. 159−165.
5. Беспалов В. И. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом — Томск: Изд-во ТПУ, 2007. — 369 с.
6. Атмосфера. Справочник / под ред. Ю. С. Седунова — Л.: Гидрометеоиздат, 1991. — 511 с.
7. Каратаев В. Д., Яковлева В. С., Эргашев Д. Э. Исследование радиоактивности объектов окружающей среды на территории Томской области // Изв. вузов. Физика. — 2000. — Т. 43. — № 4.- С. 105−109.
Поступила в редакцию / Original article submitted: 25. 01. 11 В окончательном варианте / Revision submitted: 17. 05. 11

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой