CC BY
29
ЭКОЛОГИЯ ПОЧВ
УДК 574 : 631.438.2
К ВОПРОСУ ОБ ИЗУЧЕНИИ ЭКРАНИРОВАНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ
ДЕРНОВО-СРЕДНЕПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВОЙ
В.М. Бадави, С.В. Мамихин
В настоящей работе изложены инновационная методика и результаты исследования способности дерново-среднеподзолистой почвы экранировать у-излучение от искусственного источника. Изучена зависимость интенсивности излучения от толщины слоя почвы между источником и детектором, получено регрессионное уравнение, описывающее эту зависимость, рассчитано значение коэффициента линейного экранирования.
Ключевые слова: экранирующая способность почв, гамма-излучение, дозы облучения.
Введение
Важным фактором, определяющим дозовые нагрузки в наземных экосистемах, является миграция радионуклидов вниз по профилю почвы, которая обладает сильной экранирующей способностью и может стать причиной очень существенного ослабления интенсивности ионизирующего излучения на ее поверхности. Например, было показано, что слой почвы естественного сложения толщиной в 30 см ослабляет интенсивность у-излучения примерно в 10 раз [1]. В опытах по острому у-облучению сосново-березового насаждения в возрасте 23 лет доза облучения снижалась от 7—25 кР в подстилке до 0,1—1 кР в слое почвы, залегающем на глубине 15—20 см [3]. Показано также, что слой грунта толщиной в 5 см снижает мощность дозы в 5 раз, 20 см — в 10, 40 см — в 30—50 раз [6].
Поскольку экранирование у-излучения почвой является значимым фактором снижения дозовой нагрузки, то в радиологических математических моделях постоянно предпринимаются попытки учесть этот фактор [2, 8, 10]. Однако из-за недостатка исходной информации в моделях используется наиболее общая форма описания зависимости снижения интенсивности у-излучения в наземных экосистемах от времени, связанного с нисходящей миграцией радионуклидов по профилю почвы .
В первом приближении ослабление у-излучения при прохождении через почву, согласно закону поглощения, можно описать экспоненциальной формулой, отражающей влияние толщины поглотителя, его свойств и энергии излучения. Однако следует учесть многофазность и неоднородность почв, динамику их увлажнения. Прохождение моноэнергетического луча коллимированных фотонов в почве как частично насыщенной пористой среде можно описать уравнением Ламберта—Бера [9]:
/„ = ехр(-^ ха ра - ^ ^ - ^ х, р, - ^ х рД
где — мощность распада без поглотителя (расп/с); 10 — мощность распада с поглотителем (расп/с); ^ — массовый коэффициент ослабления; х — толщина поглотителя; р — плотность материала; индексы а,
w, , и с соответствуют воздуху, воде, почве и составу контейнера.
Так как воздух незначительно воздействует на передачу фотонов, то величиной (-^а ха ра) можно пренебречь. Если предположить, что х, р,, хс, и рс являются константами в течение периода тестирования, то уравнение Ламберта—Бера можно переписать следующим образом:
Д х^ = ]п(/0]Д,2У^рм-,
где /01 и 102 — скорости счета до и после увлажнения почвы, Д х„ — изменение в длине пути по воде, ^ — экспериментально определяемый параметр, который не должен изменяться, если геометрия системы не изменяется [7].
В связи с недостатком сведений по экранирующим свойствам почв нами в Учебно-опытном почвенно-экологическом центре МГУ им. М.В. Ломоносова «Чашниково» были проведены опыты по отработке методики и измерению ослабления у-излучения дерново-подзолистой почвой.
Объект, оборудование и методы исследования
Объектом исследования была выбрана дерново-среднеподзолистая среднеокультуренная легкосуглинистая почва на моренном суглинке. Средняя влажность почвы на момент проведения эксперимента составляла 15-20%.
Для проведения эксперимента использовали:
• источник у-излучения на основе радионуклида 22№ с активностью 4,5 кБк (погрешность 5%, Р = 0,95), помещенный в корпус из дюралюминия;
• мобильную спектрометрическую установку СКС-99 «Спутник» с блоком детектирования БДФИ-02, который оснащен детектором на основе Ма1(Т1) с диаметром кристалла 45x50 мм; пределы допускаемой основной относительной погрешности измеряемой активности не более ±10% для активности у-излучающих радионуклидов в пробах и для мощности эквивалентной дозы у-излучений не более ±20%.
Методика проведения эксперимента была следующей. Подготавливали почвенный разрез необхо-
димой для удобной работы глубины. На поверхности почвы измеряли фоновый уровень излучения без источника и с источником. Затем на глубине 40 см ножом вырезали углубление, достаточное для размещения источника у-излучения, закладывали его туда и вновь на поверхности почвы измеряли интенсивность излучения. После этого такое же углубление вырезали на 5 см ближе к поверхности почвы и вновь проводили измерение. Затем данная операция повторялась. Измерения в каждой позиции длились в течение 600 с.
В качестве оценочного параметра экранирования у-излучения почвой нами был принят коэффициент линейного ослабления, входящий в следующее математическое уравнение:
I = Io
Расстояние от источника, см Скорость счета, расп/с*
0 1434
5 108,3
10 49,49
15 28,75
20 20,81
25 17,98
30 16,35
35 15,96
40 15,19
где I — интенсивность у-излучения после прохождения поглотителя, расп/с; 10 — интенсивность у-излучения до прохождения поглотителя, расп/с, х — толщина слоя почвы, см; ^ — коэффициент линейного ослабления у-излучения поглотителем, расп/см.
Для увеличения выборки проводили экстраполяцию данных (ручную — на миллиметровой бумаге, численную — с помощью специализированного пакета статистических программ).
Результаты исследований и их обсуждение В результате проведенных измерений были получены данные, представленные в таблице.
Результаты измерений и расчетные значения коэффициента линейного ослабления у-излучения
* Скорость счета после вычитания фона.
Полученная нами в ходе эксперимента зависимость интенсивности у-излучения I (расп/с) от толщины слоя почвы x (см) с помощью специализированного пакета статистических программ была представлена в виде следующего регрессионного уравнения:
y = 7,5 + 1412 • е"°'55 • x.
Поскольку формула данного уравнения отличается от формулы закона поглощения наличием свободного члена, нами дополнительно была разработана и реализована в среде программирования Visual Basic собственная программа, которая позволяет находить параметры предлагаемых уравнений зависимости
Зависимость скорости счета (расп/с) от толщины слоя почвы (см) между источником излучения и детектором: 1 — экспериментальные данные; 2 — кривая, построенная по регрессионному уравнению; 3 — кривая, построенная по формуле закона поглощения с использованием коэффициента, найденного методом минимизации
методом минимизации (наименьших квадратов). В данном случае для расчетов использовали формулу закона поглощения. Определенная таким образом величина коэффициента линейного ослабления составила 0,49 см-1.
На рисунке отображена зависимость интенсивности излучения от толщины слоя почвы, представлены экспериментальные данные и расчетные кривые. Очевидно, что расчетные кривые хорошо согласуются с экспериментальными данными, т.е. предложенные формулы достаточно корректно описывают зависимость изменения интенсивности у-излучения от толщины слоя почвы в том состоянии, в каком она находилась на момент проведения эксперимента. Полученные результаты в целом согласуются с немногочисленными данными, которые нам удалось найти в литературе по вопросу экранирования у-излучения почвами [1, 3, 6]. К тому же следует отметить, что значение коэффициента линейного ослабления зависит как от свойств поглотителя, так и от энергии у-излучения. В реальных ситуациях радиоактивного излучения приходится иметь дело со смесью радионуклидов, обладающих разной энергией у-излучения.
В целом анализ литературных источников показал, что почва как поглотитель у-излучения обладает спецификой, существенно отличающей ее от других сред и материалов. Фактором, оказывающим сильнейшее влияние на поглотительные свойства почвы в естественных условиях, может являться ее увлажнение. Величина коэффициента линейного ослабления у-излучения водой примерно в 1000 раз больше, чем этот параметр для воздуха вне зависимости от энергии излучения [4, 5]. Увлажнение почвы — характеристика динамическая. Она может существенно изменяться как в пространстве, так и во времени. Это же относится и к не менее важным факторам, влияющим на ослабление у-излучения почвой, — плотности почвы и ее химическому составу.
e
Тем не менее очень важно иметь хотя бы приближенное представление об экранирующих свойствах почвы. В данных условиях наиболее практичным шагом в этом направлении, по нашему мнению, будет получение усредненной характеристики ослабления у-излучения, а именно — коэффициента линейного ослабления хотя бы для основных типов почв.
Наличие современной компактной измерительной аппаратуры делает возможным проведение экспериментов по изучению экранирующих свойств почвы в полевых условиях, без нарушения ее естественного сложения. Это в свою очередь позволяет давать на основе полученных в ходе подобных исследований данных более надежные прогностические оценки дозовых нагрузок в наземных экосистемах.
Очевидно, что при проведении подобных экспериментов наиболее существенными факторами являются физико-химические свойства почвы (плотность, химический состав и т.д.) и степень ее увлажненности. Возможными проблемами при проведении работ в полевых условиях могут быть сыпучесть почв
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ковэн Д.Д., Плэтт Р.Б. Дозы облучения вокруг ядерного реактора без защиты // Вопросы радиоэкологии. М., 1968.
2. Константинов И.Е., Скотникова О.Г., Солдаева Л.О. Модель вертикальной миграции С8-137 в почвах и прогнозирование экспозиционной дозы. М., 1979.
3. Криволуцкий Д.А. Почвенная фауна — биоиндикатор радиоактивных загрязнений // Радиоэкология почвенных животных. М., 1985.
4. Кухлинг Х. Справочник по физике. М., 1982.
5. Перцев Л.А. Ионизирующие излучения биосферы. М., 1973.
6. Романов Т.Н. Ликвидация последствий радиационных аварий: Справ. рук-во. М., 1993.
легкого гранулометрического состава и варьирование ее плотности и увлажненности по профилю.
Выводы
Разработана и апробирована инновационная методика изучения экранирования у-излучения почвой с применением современной приборной базы, которая может быть успешно применена для проведения масштабных исследований в полевых и лабораторных условиях.
Для исследованной дерново-среднеподзолистой почвы со средней влажностью 15-20% коэффициент
линейного ослабления у-излучения от источника
22
№ с энергией излучения 1,274 МэВ, найденный по экспериментальным данным с помощью метода наименьших квадратов, равен 0,49 см-1.
Зависимость интенсивности у-излучения от толщины слоя почвы х (см), разделяющего источник и детектор, определенная с помощью специализированного пакета статистических программ, представляет собой следующее регрессионное уравнение:
У = 7,5 + 1412 ■ е-0'55' х.
7. Ferraz E.S.B., Mansell R..S. Determining water content and bulk density of soil by gamma-ray attenuation technique // Technical Bull. Florida, 1979.
8. Muller H, Prohl G ECOSYS-87: A dynamic model for assessing radiological consequences of nuclear accidents // Health Phys. 1993. Vol. 64. N 3.
9. Oostrom M, Dane J.H. Calibration and automation of a dual-energy gamma system for applications in soil science. Dept. of Agronomy and Soils Dept. N.Y., 1990.
10. Taranenko V., Prohl G., Gomez-Ros J.M. Absorbed dose rate conversion coefficients for reference terrestrial biota for external photon and internal exposures // J. Radiol. Prot. 2004. Vol. 24.
Поступила в редакцию 27.11.2009
ON THE QUESTION OF STUDYING OF ATTENUATION OF MIDDLE SODDY PODZOLIC SOILS FOR GAMMA RADIATIONS
W.M. Badawy, S.V. Mamikhin
Innovative research method and the results of studying the ability of middle soddy podzolic soils to attenuate gamma radiations from man made radiation source stated in this work. We studied the dependence of radiation intensity on the thickness of the soil layer between the source and the detector. We got the regression equation which described this dependence and the linear attenuation coefficient.
Key words: attenuation ability of soil, gamma radiations, exposure dose.
Сведения об авторах. Бадави Ваэл Махмуд, аспирант каф. радиоэкологии и экотоксико-логии; тел.: 8 (495) 939-50-09, e-mail: waelaea@yahoo.com. Мамихин Сергей Витальевич, докт. биол. наук, вед. науч. сотр. каф. радиоэкологии и экотоксикологии; тел.: 8 (495) 939-50-09, e-mail: svmamikhin@mail.ru
