МОДЕЛИРОВАНИЕ АТМОСФЕРНЫХ ПОЛЕЙ γ И β ИЗЛУЧЕНИЙ, ФОРМИРУЮЩИХСЯ ПОЧВЕННЫМИ РАДИОНУКЛИДАМИ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

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, 634050, 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, 634050, 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.

500М « ^ООМ 100М 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 > 50 кэВ. Нижний порог регистрации газоразрядными счетчиками жесткого р-излучения составляет 500 кэВ, поэтому расчеты произвели также для Ер > 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>0 Е>500 кэВ

V

1

4 000

3 500

3 000

— 2 500

U

гм

2

2 000

>

Û- 1 500 1 ООО

500

1000 2000 3000 4000

5000 Z, см

Ey>0

\\ Еу >50 ЭВ

\ч

\ • * \

* л \ V

*4.

4 '•"»Пп

>

а

\ Еу> Еу> Э

\ 50 эВ

\

\

V\ % Ч

' «\

20000 30000

6

50000

2, см

40000 50000

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-100В. 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