автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Метод определения коэффициента диффузии радона в материалах ограждающих конструкций зданий

На правах рукописи

Цапалов Андрей Анатольевич

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ РАДОНА В МАТЕРИАЛАХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ

05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

* ! Г ' " П <-" -Л

I ^ »"'.Ь

Москва-2008

003458543

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук

Научный руководитель:

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Гулабянц Лорен Арамович

кандидат физико-математических наук, доцент Лившиц Михаил Исаакович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гагарин Владимир Геннадиевич

кандидат геолого-минералогических наук Микляев Петр Сергеевич

Ведущая организация:

ФГУП "Государственный специализированный проектный институт" Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом».

Защита состоится «и - о\ _2009 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 007.001.01 при Научно-исследовательском институте строительной физики РААСН по адресу: 127238, г. Москва, Локомотивный проезд, д. 21, светотехнический корпус. Телефон: (495) 482-40-76, факс (495) 482-40-60.

С диссертацией можно ознакомиться в научном фонде НИИСФ.

Автореферат разослан

- ^ - \г.

2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

к.т.н.

И.Л. Шубин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Согласно Нормам радиационной безопасности РФ (НРБ-99) среднегодовая эквивалентная равновесная объемная активность (концентрация) радона в воздухе помещений жилых и общественных зданий не должна превышать установленного предела. С целью выполнения этого требования, в соответствии с действующими нормативно-методическими документами, в настоящее время при проведении инженерных изысканий для строительства оценивается "потенциальная радоноопасность" площади застройки. Критерием оценки служит величина плотности потока радона (ППР) с поверхности грунта на проектируемой площади застройки, определяемая на основе краткосрочных натурных измерений в группе контрольных точек. Данный критерий был установлен на основе решения уравнения радонового баланса упрощенной модели "эталонного дома" в предположении прямой зависимости концентрации радона в помещениях от некоего значения ППР с поверхности грунта. Однако, такая связь фактически не подтверждается, так как формирование радонового режима помещений здания зависит от многих определяющих факторов. Совместное действие этих факторов можно учесть лишь в том случае, если рассматривать здание как единую систему. Ее основные элементы: грунтовое основание здания (основной источник радона); ограждающие конструкции, которые препятствуют проникновению радона из грунта в здание и одновременно сами являются источниками радона; система вентиляции, работа которой обеспечивает удаление поступившего в помещения радона; другие, менее значимые источники радона.

Разработка метода расчетной оценки концентрации радона в помещениях проектируемых зданий является одной из наиболее актуальных задач проблемы обеспечения радонобезопасности объектов современного строительства. Однако, практическое использование любого метода расчета оказывается невозможным при отсутствии представительных исходных данных, которые должны быть использованы в расчете. Поэтому не менее актуальны исследования, направленные на определение расчетных значений физических характеристик грунтов в основаниях зданий и материалов их ограждающих конструкций. Прежде всего, коэффициентов диффузии радона в этих материалах.

Поскольку проблема обеспечения радонобезопасности зданий актуализирована относительно недавно, диффузионная радонопроницаемость многих строительных материалов и грунтов остается малоисследованной. Имеющиеся литературные данные о коэффициентах диффузии радона в различных материалах весьма малочисленны и противоречивы. Это объясняется, в частности, сложностью и трудоемкостью экспериментального определения коэффициентов диффузии с помощью существующих методов и экспериментального оборудования.

Анализ состояния вопроса показывает, что в большинстве проведенных исследований использовались малопроизводительные стационарные методы, требующие больших затрат времени на получение единичного результата.

Главные недостатки известных методов:

• длительное время эксперимента;

• неизбежное при проведении эксперимента нарушение структуры (следовательно, свойств) исследуемого образца;

• изменение состояния (например, влажности и плотности) исследуемого образца в процессе эксперимента;

• ограничение допустимой толщины исследуемого образца;

• неустановленная точность определения коэффициента диффузии радона.

Целью диссертации является разработка усовершенствованного метода и экспериментальной установки для ускоренного определения коэффициента диффузии радона в материалах ограждающих конструкций зданий и их грунтовых оснований.

Для достижения цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Проведен анализ известных методов экспериментального определения коэффициента диффузии радона и определены их недостатки.

2. Определен наиболее продуктивный метод и пути его усовершенствования в части расширения области применения, сокращения времени эксперимента, повышения точности измерений.

3. Разработана теоретическая основа усовершенствованного метода, основанная на математическом решении краевой задачи нестационарного диффузионного массопереноса радона в образце материала неограниченной толщины со стоками радона при соответствующих условиям эксперимента начальных и граничных условиях.

4. Разработана и изготовлена экспериментальная установка, реализующая усовершенствованный метод измерений.

5. Разработаны методики проведения и обработки результатов измерений.

6. Экспериментально определены коэффициенты диффузии радона в наиболее исследованных материалах, полученные результаты сопоставлены с литературными данными.

Научная новизна работы заключается в разработке теоретической основы усовершенствованного метода определения коэффициента диффузии радона в строительных материалах и грунтах в нестационарном режиме массопереноса.

Положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическая основа метода определения коэффициента диффузии радона в материалах ограждающих конструкций зданий и грунтах.

2. Установленные соотношения геометрических параметров рабочей камеры экспериментальной установки и образцов испытуемых материалов, при которых достигается требуемая точность измерений.

3. Экспериментальная установка и методика экспериментального определения коэффициента диффузии радона в материалах ограждающих конструкций зданий и грунтах.

4. Результаты экспериментальных исследований коэффициента диффузии радона в различных материалах.

Практически значимые результаты работы:

1. Созданы метод и экспериментальное устройство для ускоренного определения коэффициентов диффузии радона в твердых, сыпучих, рулонных, пленочных и иных строительных материалах и грунтах.

2. Разработана методика и получены результаты экспериментального определения коэффициентов диффузии радона в бетоне и рулонном гидроизоляционном материале на битумной основе.

Результаты работы внедрены в виде:

1. Опытного образца экспериментального устройства для определения коэффициента диффузии радона в материалах.

2. Проекта Стандарта НИИСФ РААСН "Метод определения коэффициента диффузии радона в материалах ограждающих конструкций зданий".

3. Пополнения базы данных НИИСФ о расчетных значениях коэффициентов диффузии радона в различных материалах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора. Определение цели работы, разработка теоретической основы усовершенствованного метода и постановка краевой задачи массопереноса осуществлены автором совместно с д.т.н, профессором Л.А.Гулабянцем. Решение краевой задачи получено автором совместно с к.ф.-м.н., доцентом М.И.Лифшицем.

Автором осуществлен выбор наиболее продуктивного метода определения коэффициента диффузии радона, на основе полученного решения исследованы закономерности его массопереноса, разработана и создана реализующая метод экспериментальная установка. Проведены теоретические и экспериментальные исследования с целью оптимизации работы элементов установки. Разработаны методики подготовки образцов из материалов различного типа, проведения измерений и обработки полученных результатов. На созданной установке определены коэффициенты диффузии радона в контрольных образцах из материалов различного типа.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы из 83 наименований, четырех приложений. Общий объем - 147 страниц, включая 42 иллюстрации и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе показаны особенности процесса массопереноса радона и измерения его концентрации (объемной активности) в газопроницаемой среде, приведен обзор известных методов определения коэффициента диффузии радона в различных материалах и выполнен их сравнительный анализ.

Основная особенность исследований процесса переноса заключается в том, что из-за чрезвычайно малых массовых концентраций радона в воздухе и испытуемых материалах невозможна инструментальная регистрация его массы

5

современными средствами. Поэтому вместо измерения массовой концентрации радона принято измерять объемную активность (Бк/м3) его короткоживущих дочерних продуктов распада в состоянии радиоактивного равновесия. Эта величина прямо пропорциональна массовой концентрации и представляет собой количество распадов ядер атомов радона в единицу времени (Бк) в единице объема.

Существенная трудность экспериментальных исследований процесса массопереноса радона обусловлена также тем, что современные методы измерений не позволяют производить регистрацию мгновенных значений его объемной активности. Все существующие методы основаны на регистрации статистически достоверного количества актов распада в течение некоторого интервала времени, который должен быть тем больше, чем ниже активность радона в заданном объеме.

Первые отечественные и зарубежные публикации о методах и результатах измерений появились в 30-х годах XX столетия и были связаны с исследованием физико-химических свойств изотопов радона. Последующие исследования процессов диффузионного массопереноса радона в рыхлых, осадочных породах земной коры проводились в связи с попытками создания методов геологической разведки ураноносных месторождений.

Начиная с 50-х годов, с развитием горнодобывающей промышленности, для изучения закономерностей формирования и прогноза радоновой обстановки в горных выработках потребовалось создание более совершенных методов и средств для определения коэффициента диффузии радона в плотных рудных образованиях и горных породах. В эти годы и последующий период продолжалось развитие лабораторных методов, а также были созданы как стационарные, так и первые нестационарные методы приближенного определения коэффициента диффузии радона в натурных условиях. Среди разработчиков этих методов: А.Г.Граммаков, И.Ф.Попретинский, Ю.П.Булашевич, А.С.Сердюкова, Ю.Т.Капитанов, Л.Д.Салтыков, И.М.Хайкович, И.В.Павлов, М.СиЫ, М.Сас1<1 и многие другие отечественные и зарубежные ученые.

Натурные методы отличались большой трудоемкостью, а получаемые с их помощью результаты обладали низкой точностью и воспроизводимостью.

Примерно с 70-х годов XX столетия актуализируется "проблема радона в жилищах". Работы, связанные с исследованием процессов формирования радоновой обстановки в зданиях и разработкой методов их противорадоновой защиты, потребовали создания более точных методов и средств для лабораторных исследований коэффициента диффузии радона уже не только в грунтах, но и в материалах ограждающих конструкций зданий.

Большинство методов определения коэффициента диффузии радона в материалах в стационарном режиме массопереноса основаны на решении уравнения вида

2

Од-Щ-Л-С(х) = 0, (1)

дхг

где С(х) - распределение объемной активности радона в образце, Бк/м3;

О - коэффициент диффузии радона, м2/с;

Я - постоянная распада радона, равная 2,09*10"6 1/с.

Уравнение (1) получено при следующих допущениях:

• перенос радона происходит в одном направлении перпендикулярно сечению образца, при этом влияние краевых эффектов на его боковой поверхности пренебрежимо мало;

• барометрические давления на границах образца в течение эксперимента одинаковы;

• выделения радона в материале образца пренебрежимо малы;

• сорбция радона в материале образца отсутствует.

Во всех методах стационарного режима используется источник радона постоянного действия и требуется длительная выдержка экспериментальной установки (до 4-х недель) для установления в ней стационарного процесса. Источник может находиться как внутри образца, так и снаружи, как, например, показано на рис. 1. Варианты расположения источника, а также способы выдержки установки и пробоотбора воздуха из камер для определения активности накопившегося радона, обуславливают различие методических подходов к проведению исследований.

С,

АО)

с,

X

Рис. 1. Схема проведения измерения с использованием постоянного источника радона. 1 - экспозиционная камера; 2 - образец испытуемого материала; 3 - пробоотборная камера; 4 - источник радона; С\, С3, С^ (х) - объемная активность радона в камерах и образце, соответственно, Бк/м3.

Метод, использованный в работе Н.В.Демина и др., а также Dadong Iskandar и др., можно считать классическим. Его применение уже на ранней стадии исследований позволило определить значения объемных коэффициентов диффузии радона для некоторых наиболее распространенных строительных материалов и грунтов. Метод основан на определении соотношения установившихся объемных активностей радона в экспозиционной (с источником радона неопределенной мощности) и в пробоотборной камерах, между которыми заключен испытуемый образец (рис. 1).

В работе Pedro L.Fernandez и др. представлена теоретическая основа метода измерения объемного коэффициента диффузии в радононепроницаемых мембранах с учетом сорбции радона в материале. Использованная авторами схема измерения аналогична показанной на рис. 1, но применен источник радона известной мощности.

В работе К.Коу1ег и др. приводится математическое обоснование метода определения объемного коэффициента диффузии радона в твердых образцах ограниченной толщины из бетона и гипса. Схема измерения с расположением источника радона известной мощности внутри экспозиционной камеры соответствует рис. 1.

В работе О.КеПег и др. приводятся описание метода, экспериментальной установки, а также результаты определений коэффициента диффузии радона в природных образованиях и строительных материалах. Отличие метода заключается в способе выдержки и проведения измерений.

В работе В.Ь.СоЬеп сформулирована теоретическая основа метода, а \У.В.8Пкег и Б.11.Ка1к\¥агГ разработана экспериментальная установка и определены эффективные коэффициенты диффузии радона в грунтах. Принципиальное отличие метода - отсутствие пробоотборной камеры. Накопление радона и пробоотбор для измерения его активности осуществляются в экспозиционной камере, в которой находится источник радона известной мощности. Метод позволяет определить значение коэффициента диффузии по величине соотношения мощности источника к установившейся объемной активности радона в экспозиционной камере

В работе Т.Со/шЩа и др. представлены два стационарных метода с источником радона внутри образца. В одном - точечный источник известной мощности расположен внутри полого цилиндрического образца с герметизированными торцевыми плоскостями, в другом — источник радона с известной объемной мощностью равномерно распределен внутри образца кубической формы. В результате диффузии образующийся радон проникает через образец и выделяется в окружающее пространство. Скорость выделения радона устанавливается экспериментально.

Лабораторные исследования диффузионной радонопроницаемости материалов в нестационарном режиме массопереноса стали проводиться относительно недавно. Пока известны два принципиально отличающихся друг от друга метода - "постоянного" и "мгновенного" источника.

В работе С.7ара1ас представлены теоретическая основа нестационарного метода "постоянного источника", а также схема экспериментальной установки и результаты определения эффективного коэффициента диффузии радона в тонких образцах бетона.

Соответствующая условиям эксперимента математическая формулировка задачи массопереноса радона в испытуемом образце представлена в виде уравнения

дС2(х,т) =пд2С2(х,т) (2)

дт дх2

с начальными и граничными условиями

С2(х,т < 0) = 0, С2(х = 0,т>0) = Си С2(х = /г,г) = 0, (3)

где Т - время, прошедшее с начала эксперимента. При формулировке задачи были приняты допущения: • потери радона в образце за счет радиоактивного распада незначительны, что обеспечивается ограничением толщины образца (не более 3 см);

• мощность внутренних источников радона в материале образца пренебрежимо мала.

Теоретическое исследование в работе T.Sasaki и др. уточняет математический аппарат метода "постоянного источника", который также использовался K.Nielson, V.Rogers и др. для ускоренного определения эффективного коэффициента диффузии радона в твердых и сыпучих материалах, но без ограничения толщины образца.

В работе Quindos Poncela и др. представлен нестационарный метод "мгновенного источника" для определения эффективного коэффициента диффузии радона в тонких мембранах. Метод основан на регистрации изменения во времени заданного начального значения объемной активности радона С(т = 0) = С0 в цилиндрической экспозиционной камере, в торце которой расположен образец испытуемого материала (рис. 2).

1

С(т)

Рис. 2. Схема проведения измерения с использованием "мгновенного" источника радона и тонкого образца.

1 - экспозиционная камера объемом v (10 3 м3); 2 - образец испытуемого материала площадью 5 (1,257*10"3 м2) и толщиной Л; 3 - окружающее пространство.

Начальное значение активности создается путем "мгновенного" ввода порции радона в камеру. Снижение активности радона в камере во времени происходит, частично, вследствие его распада и, частично, вследствие его диффузии через образец в окружающее пространство.

Представленное авторами решение соответствующей краевой задачи массопереноса (ее формулировка, к сожалению, в публикации не приводится) получено относительно величины объемной активности радона в камере и имеет вид

С(г) = С0 -ехр

' D-S 1 + -

Á-V-h

•Я-т

(4)

Авторы отмечают, что решение (4) получено при допущении, что внутренние источники и стоки радона в материале образца отсутствуют. В связи с этим накладывается ограничение на толщину образца, которая должна быть пренебрежимо мала по сравнению с глубиной камеры (V18 » к).

Основные характеристики рассмотренных в первой главе методов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Сравнительные характеристики известных методов_

Характеристики методов Страна, год, автор

Голландия, 2001, ГСогтШа Израиль, 2004, К.Коу1ег Россия, 2005, Н.В.Демин Испания, 2004, Ре<1го Ь.Решапёег США, 1983, О.ХараЫс Испания, 2001, (ЗшЫоэ Ропсе1а

1 2 3 4 5 6 7

Режим процесса стационарный нестационарный

Время действия источника радона постоянное мгновенное

Местоположение источника радона внутри образца в экспозиционной камере

Регистрируемая величина скорость выделения радона ОА радона скорость выделения радона ОА радона

Диапазон измерения, м2/с 10-7-10-'° 10"7-10'9 ю"6 - ю"13 КГ10-КГ14 Ю-7-Ю-9 ю-1о-10-'2

Погрешность измерения не определена

Продолжительность измерения с пробоподготовкой не менее 4-х недель от 1-ой до 3-х недель от 2-х до 4-х недель от 1-ой до 4-х недель не более 24 часов

Ограничение толщины образца да да нет да да да

Сохранение начальной структуры образца да да нет да да да

Сохранение начальной влажности нет нет нет нет да да

Сохранение начальной плотности да да нет да да да

Тип испытуемого материала бетоны бетоны пески, глины, бетоны, пленки пленки бетоны пленки

Из таблицы видно, что нестационарные методы позволяют проводить единичные измерения в существенно более короткое время, чем стационарные. Кроме сокращения временных затрат, повышается достоверность результатов измерений, т.к. при небольшой продолжительности эксперимента проще обеспечить стабильность условий его проведения. Дополнительным преимуществом нестационарных методов является возможность сохранения начального состояния (структуры, влажности, плотности) образца за короткое время испытания.

Недостатки рассмотренных нестационарных методов связаны, в основном, с относительно узким (не более 2-3-х порядков величины) диапазоном значений определяемого коэффициента диффузии радона, а также с жестким ограничением максимальной допустимой толщины испытуемого образца.

В отношении сложности технической реализации, более простым является нестационарный метод "мгновенного источника". Однако, при его теоретическом обосновании авторами были приняты допущения существенно

ограничивающие область применения метода. Возможности метода могут быть значительно расширены путем дальнейшего развития его теоретической основы.

Во второй главе приводятся формулировка и решение нестационарной краевой задачи диффузионного массопереноса радона в образце материала произвольной толщины при воздействии на образец внешнего "мгновенного" источника радона и действии внутренних стоков радона в образце. Показан способ реализации математического решения задачи и исследованы закономерности процесса массопереноса.

Суть рассматриваемого метода заключается в установлении связи между величиной коэффициента диффузии радона в образце материала, размещенного в одном из торцов цилиндрической камеры, и темпом снижения объемной активности радона в камере при условии, когда начальная активность радона в камере задается в виде единичного "мгновенного" импульса (рис. 3).

1 2'

С,(г = 0) = С0 С2(х,т)

С1! (г < 0) = 0

0

С3 = О

->

Рис. 3. Схема проведения измерения с использованием "мгновенного" источника радона и образца произвольной толщины. 1 - камера; 2 - образец испытуемого материала; 3 - окружающее пространство.

Уравнение массопереноса радона в образце, соответствующее описанным выше условиям, имеет вид

дт

дх'

(5)

Решение С2(х,т), 0<х<1г, 0<г<со, удовлетворяет начальному условию

С2(х,0) = 0 (6)

и граничным условиям

_вдСфт) .[с1(т)-с2(0,т)1

ох

ох

Решение С] (г) уравнения

-Л-С1(т)-^-аг[С1(т)-С2(0,т)]

V

(8)

удовлетворяет начальному условию

С](0) = С0.

(9)

В системе уравнений (5) — (9) приняты обозначения: с1(т),с2(х,т,),сз - объемная активность радона в камере, образце и окружающем воздухе, соответственно, Бк/м3; т - время, с; /) - объемный коэффициент диффузии радона в материале, м2/с; Л - постоянная распада радона, с"1; Л - толщина образца, м; £ - площадь поперечного сечения образца, м2; V - объем камеры, м3; а1,а2 - коэффициенты, учитывающие условия газообмена в пограничном слое на границе раздела сред "воздух-образец" у левой и правой поверхностей образца, соответственно, м/с.

Принятые допущения:

• радон внутри камеры распределен равномерно;

• объемная активность радона внутри образца, обусловленная его эманированием из содержащегося в образце природного радия-226, пренебрежимо мала по сравнению с начальным значением объемной активности радона внутри камеры;

• влияние краевых эффектов на боковой поверхности образца на процесс массопереноса радона пренебрежимо мало;

• сорбционная способность материала образца по отношению к радону и содержание радона в окружающем пространстве пренебрежимо малы;

• баро- и термодиффузия радона в образце отсутствуют.

Решение уравнения (8) получено в виде

Входящие в (10) параметры и функции определяются с использованием пакета математических программ "МАРЬЕ" в следующей последовательности.

1. Задаются исходные данные:

Сд, т, О, V, И, ¿/ (диаметр образца, м), Я, (Х\, а2(при значениях более 0,001 м/с последние два параметра практически не влияют на результат расчета),

Л7, 8к (количество вычисляемых членов ряда по I и к, соответственно; при выполнении условия (16) 57 = хк = 8).

2. Вычисляются параметры:

(10)

.0

1 ~

Я,Я, Я,СЙЯ, + Н

-1—1-, --—-1--—.

ЪН1Н2 +Я; +н2 ин,н2 + н,+н2

3. Находятся корни уравнения

, (н1+н2)щ

= -1 = 1,2,...,31.

т -Н,н2

4. Определяются последовательности чисел

Чг^В^! 1 = 1,2,...,81,

_ - ЦЦ/, )соф^) - + + ^/,/7,+ (у/,-у/2Н,).

6 /_ 1 '

А

. _ + +ин22 +н, + н2) + н,н2(н1 +н2 + ин¡н2) ф0 = -(1 + у/2), 1 = 1,2,

^ г

5. Решается интегральное уравнение

о

г,. > 5 р/ » 5 "V

где к(ит) = -а1 £ ф ге , р( т ) = -а, ^ фi ■ е 1 ,

" /'=0 " /=0 для чего строится последовательность функций

р0(т) = р(х), рк(т)=\к(1,т)рк_10)с11, к = 1,2.....

о

к=$к

Решение интегрального уравнения получаем в виде Р(т)= ^ ^к (т)-

к=0

6. По найденной функции г,) определяется искомая функция (10).

Поскольку по условиям эксперимента рабочие измерения объемной активности радона в камере могут выполняться только по истечении некоторого времени Т\ после ввода радона в камеру, начальное значение объемной активности радона в камере остается неизвестным. Из анализа поведения решения (10), представленного в виде

С(т) = С0-/(т,О,Х,У,8,к), (11)

следует, что при определенном, произвольно заданном значении величины £) и различных начальных значениях объемной активности радона в камере С\ (т = 0) = Со1 и С2 (г = 0) = Со2, функции С\ (г) и С2 (г), при прочих равных условиях, имеют один и тот же темп убывания. Т.е. при любых, произвольно заданных значениях Г в области определенности этих функций (0 < г < оо) выполняется тождество

с, (г) С2(г)

г (12)

Равно, как и тождество

С,(г2) = С2(г2)

С! (ГО С2(Г1)' '

при любых произвольных значениях ^ и г2 (Г) < Г2).

Таким образом, значение коэффициента диффузии радона при известных геометрических размерах образца и объема камеры может быть определено при неизвестной начальной объемной активности радона в камере. При этом задача эксперимента сводится к регистрации значений отношения

= „4,

определяющих в безразмерном виде темп снижения активности радона в камере в интервале времени [Г],^]-

Величина коэффициента диффузии радона в материале образца определяется итерационным расчетом путем подбора такого его значения, при котором расчетный темп снижения активности радона в камере в интервале [Г[,Г2], вычисленный по формуле (10), соответствует зарегистрированному в процессе эксперимента с заданной точностью.

С момента "импульсного" ввода порции радона в камеру в ней происходит постепенное снижение объемной активности радона. Очевидно, что темп снижения активности определяется величиной коэффициента диффузии радона в материале образца, его геометрическими размерами и объемом камеры. Для надежной регистрации результатов эксперимента величина определяемого темпа снижения активности радона в камере должна находиться в некотором целесообразном диапазоне (рис.4).

С одной стороны, минимальный измеряемый темп снижения активности радона в камере должен статистически достоверно отличаться от темпа снижения его активности только в результате радиоактивного распада (О = 0). Критерием такого отличия может служить величина относительной разницы соответствующих концентраций радона, составляющая не менее 2% за 24 часа испытания и выражаемая условием

С(г = 24,)-С„.<.-"' цт-г*,) (15)

п -А-24 п

С другой стороны, максимальный темп снижения активности радона должен тоже ограничиваться некоторым установленным соотношением концентраций радона в начальный момент времени и в момент времени т = 24ч. В противном случае, как видно на рис.4, начальная активность радона в камере может снизиться более чем на порядок (практически, до нулевых значений) еще до начала рабочих измерений.

£> = 0

Диапазон целесообразных

темп 0В СИ иже! ия а> стивн эсти

Неприемлемый темп снижения активности

время

Рис. 4. Иллюстрация возможных темпов снижения активности радона в камере

Для определения величины максимального допустимого темпа снижения активности радона в камере по формуле (10) проведено расчетное исследование зависимости отношения С(г) / С0 от перечисленных выше влияющих факторов. Установлено, что снижение активности радона в камере за 24 часа, не более чем в 4 раза, служит надежным условием для достоверной регистрации этой величины в процессе эксперимента. Поэтому, с учетом (15), в качестве критерия целесообразного темпа снижения активности радона в камере принято условие

0,25 <С(Г;24ч)< 0,82 (16)

Таким образом, диапазон целесообразных темпов снижения активности радона в камере может быть достигнут за счет определенного соответствия геометрических размеров образца и объема камеры ожидаемой величине коэффициента диффузии радона в материале образца.

В третьей главе на основе проведенных расчетных исследований определены целесообразные геометрические параметры рабочей камеры установки и испытуемых образцов различных материалов. Сформулированы технические требования к экспериментальной установке, дано описание конструкции и принципа действия ее функциональных элементов. Проведены теоретические и экспериментальные исследования с целью оптимизации работы элементов установки.

Испытуемые материалы по характерным диапазонам коэффициента диффузии можно разделить на высоко-, умеренно- и низкопроницаемые, а по

типу материала - на сыпучие, твердые и пленочные. Очевидно, что свойства, характерные для каждого типа материала, определяют целесообразные соотношения геометрических размеров образца и объема камеры.

Целесообразные соотношения геометрических размеров образца и объема камеры, при которых обеспечивается заданная точность измерений, определены для диапазона измерения значений коэффициента диффузии радона в материале образца от 10'11 до 10'5м2/с и показаны в табл. 2.

Таблица 2.

Геометрические размеры образца и объем камеры, обеспечивающие

определение коэффициента диффузии радона в указанных диапазонах.

Тип материала Диапазон определяемых значений коэффициента диффузии радона, м2/с Объем камеры, л Диаметр образца, мм Толщина образца, мм

Газообразный 5,0*10"7- 5,0*10"5 2,05 16,5 400

Сыпучий 2,5*10"8- 7,5*10~6 2,05 35,0 от 100 до 300

1,0*10"9- 1,0*10"6 1,05 63,5

Твердый 1,0*10"Ш-2,5*10"7 1,05 от ВО до 87 от 5 до 100

Жидкий 1,0*10"10-5,0*Ю"8 0,53 117 94

Пленочный 1,0*10"и-2,5*10"9 0,53 от 120 до 123 от 0,1 до 5,0

Расчет целесообразных геометрических параметров элементов установки, а также принятые при постановке краевой задачи условия, позволили сформулировать следующие требования к экспериментальной установке.

1. Для каждого типоразмера образца (табл.2) необходимы специальные держатели, герметично соединяемые с камерой (допустимая утечка радона не должна превышать 1% за 24 часа);

2. Конструкции камеры и держателей должны обеспечивать условие одномерности диффузионного массопереноса радона в образце;

3. Камера установки должна трансформироваться, принимая рабочий объем около двух, одного и полулитра, что может быть достигнуто путем присоединения к камере удлинителя или размещения инертного вкладыша внутри;

4. Камера должна быть оборудована герметичным клапаном, позволяющим производить "мгновенный" (в течение нескольких секунд) ввод радона, что может быть выполнено с помощью шприца.

5. Для отбора радона в шприц необходим генератор радона, позволяющий создавать в камере начальную объемную активность радона, не менее чем в 30 раз превышающую естественную объемную активность радона в испытуемом образце;

6. Детектирующая часть устройства для измерения темпа снижения объемной активности радона в камере должна размещаться непосредственно в

самой камере, а регистрация показаний - выполняться через заданные интервалы времени в режиме мониторинга;

7. Необходимая точность определения темпа снижения объемной активности радона в камере обеспечивается при выполнении следующих условий:

а) величина статистической составляющей погрешности измерения темпа снижения скорости счета регистрируемых импульсов должна составлять не более 1% (при доверительной вероятности 0,99);

б) величина нестабильности чувствительности измерительного тракта установки за 24 часа испытаний должна составлять не более 1 %, в том числе при испытаниях влажных образцов;

8. Определение допустимых перепадов температуры и атмосферного давления воздуха во время испытания и, при необходимости, выполнение инструментального контроля этих параметров в процессе эксперимента.

Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рис.5, общий вид-на рис.6.

Рис. 5. Принципиальная схема экспериментальной установки

гис. э. принципиальная

1 - образец испытуемого материала;

2 - держатель образца;

3 - камера;

4 - вкладыш для уменьшения объема камеры;

5 — шприц для отбора радона из генератора;

6 - генератор радона;

7 - клапан для ввода радона в камеру;

8 - вентилятор;

9 - сцинтилляционная пластина;

10 - блок фотоэлектронного умножителя;

11 — компьютер с ПО;

12 — тепловыделяющий элемент;

13 - электронный термометр с памятью;

14 - блок питания вентилятора;

15 - блок питания тепловыделяющего

элемента.

Образец 1 герметично фиксируется в соответствующем ему по типоразмеру держателе 2, который, затем, герметично соединяется с камерой 3. При необходимости, с целью уменьшения рабочего объема камеры, в нее предварительно устанавливается вкладыш 4. Порция радона с помощью шприца 5 переводится из генератора 6 через клапан 7 в камеру.

Равномерность распределения радона в объеме камеры обеспечивается вентилятором 8.

В результате естественного распада радона в камере происходит накопление до состояния

радиоактивного равновесия его короткоживущих дочерних продуктов, которые из воздуха осаждаются на внутренние поверхности камеры и, в том числе, на сцинтилляционную пластину 9 детектора. Альфа-излучение радона в воздухе камеры вблизи сцинтилляционной пластины и его дочерних продуктов на самой сцинтилляционной пластине,

взаимодействуя с ее чувствительным слоем, вызывает световые импульсы (сцинтилляции), которые

преобразуются фотоэлектронным умножителем 10 в электрические импульсы. Компьютер 11 со специальным программным обеспечением "ПРОГРЕСС" регистрирует среднюю за одинаковые периоды скорость счета импульсов. В состоянии радиоактивного равновесия между радоном и его дочерними продуктами, которое (более чем на 99 %) наступает через 4-5 часов после ввода радона в камеру, скорость счета импульсов пропорциональна объемной активности радона в камере с некоторой временной задержкой, величина которой определяется темпом снижения активности радона.

Повышенная влажность в камере, способствующая конденсации водяных паров на ее внутренних стенках и сцинтилляционной пластине, может оказывать существенное влияние на чувствительность измерительного тракта установки. Поэтому для предотвращения образования конденсата на сцинтилляционной пластине, предусмотрен ее подогрев тепловыделяющим элементом 12. Величина чувствительности измерительного тракта установки также в значительной степени зависит от интенсивности циркуляции воздуха в камере, а ее постоянство - от скорости вращения оси вентилятора.

Устройство 13 используется в установке для контроля температуры окружающего воздуха в течение испытаний.

В данной главе приведена формула для расчета требуемой активности Ка-226 в генераторе, величина которой определяется его емкостью, а также объемом газообразной порции с заданной активностью радона, отбираемой в шприц.

Определено расчетом, что регистрируемая установкой скорость счета импульсов пропорциональна снижающейся, согласно условию (16), активности

Рис. 6. Общий вид экспериментальной установки

радона в камере с временной задержкой т3=25 мин, но не ранее чем через Г[ =260 мин после ввода радона в камеру (время начала рабочих измерений).

Также расчетом установлено, что естественные колебания атмосферного давления не оказывают существенного влияния на результаты испытаний, в тоже время необходим инструментальный контроль температуры окружающего воздуха, изменение которой за время испытаний не должно превышать 3 °С.

Опытный образец экспериментальной установки, а также комплектующие ее вспомогательные элементы и устройства, удовлетворяют выше установленным требованиям и имеют следующие характеристики:

• диапазон определяемого коэффициента диффузии радона -от 10"" до 10"5м2/с;

• продолжительность испытания - не более 24 ч;

• толщина и влагосодержание образца - не ограничены;

• трансформируемый объем камеры: 0.53, 1.05 и 2.05 литра;

• продолжительность периода регистрации - 600 с;

• максимальная скорость счета регистрируемых в процессе эксперимента импульсов - не менее 105 с"1 (одновременно обеспечивается достаточный уровень начальной объемной активности, а также точность определения темпа снижения активности радона в камере);

• напряжение питания вентилятора - (1,8+0,1) В.

В четвертой главе приводится методика подготовки образцов, проведения измерений и обработки полученных результатов. Представлены результаты испытаний контрольных образцов материалов, которые сопоставлены с литературными данными.

Для подготовки к проведению измерений определен способ подбора целесообразного соотношения размеров образца и объема камеры в соответствии с табл.2, а также процедура подготовки образца и его герметичной фиксации в держателе, соответствующем типу испытуемого материала.

Описан процесс выполнения измерений продолжительностью 18 часов, в течение которого фиксируются:

1. Номер периода регистрации;

2. Дата и время начала периода регистрации;

3. Средняя за период регистрации скорость счета импульсов;

4. Температура окружающего воздуха.

Сформированный на компьютере перед запуском измерений "файл пробы" в течение испытания периодически обновляет результаты измерений в табличном и графическом виде (рис.7). В "файле пробы" также фиксируется информация о материале образца и данные о геометрических параметрах измерения, в дальнейшем необходимые для расчета коэффициента диффузии радона в пробе.

Обработка результатов измерений выполняется на компьютере с использованием пакета программ "MAPLE" и приложения MS "EXCEL". Для сокращения временных затрат алгоритм обработки допускает периодическую

ГА.....I_В__1__I

впрыск 22 08 07 16:56 2 т! Сочшег|_

Ра1еМ I 5сЬе*

Шифр Материал Объем, мЗ Диаметр, м [Толщина, м

2 50 1 бетон 0.00105 0.081_0.05 '

_Ц22Л8Л7 16:57

2 : 22.08 07 17:07

3 22 08.07 17:17

4 22 08 07 17:27

5 22 08.07 17:37

6 22 08^07 17:47 7:22 08 07 17:57' 8! 22 08 07 18.07' 9 22 08.07 18:17:

10 22 08.07 18:27 11! 22 08.07 18:37

12 22 08.07 18:47

13 22 08.07 1 8:58

14 22 08 07 19 ГО 15! 22 08 07 1 9:18 1ё 22 08 07 1 9:28

17 22 08 07 19 38

18 22 08 07 1 9:48

19 22 08.07 1 9:58

20 22 08 07 20:08

21 22 08 07 20:1В

22 22 08 07 20:28

23 22 08 07 20:38 24' 22.08 07 20:48

25 22.08 07 20:58

26 220В 07 21:08 27. 22.08 07 21:1В

28 22 08 07 21:2В

29 22 08 07 21:38

30 22 08 07 21:48

31 22.08 07 21:58

32 22 08 07 22:09

33 22.08 07 22:19

94,43137849 115,0830339 121,7944456 127,0629098 135,1187497 140,6076229 145,4553168 149,2474799 153.3674066 156,2125645 159,2565292 161.0953438 161,6112459 162,9422571 162.8504086 162.В45428 162,7869543 161,9556181 162,2160196 160.0932306 160,6696645 160Л9а265 159,1249508 157,5285045 156,9692718 156,3093854 155,1040777 154,4859231 152,6026131 151,9796552 150,9092222 151,0008996 149.0270892

Минимальный темп снижения скорости счета импульсов

Контрольный уровень минимальной скорости счета импульсов

Максимальный темп снижения скорости счета импульсов

23.08.0715:00 22.08.071800 22080721:00 23 08 07 000 23.Св.07 3:00 23.08.078:00 23.08.079:00

N___.....о:

1 22.0 8.07 16:57: 25.7

2 221 307 17:07: 25.7

3 221 3 07 17:17 25.7

4 22.08.07 1 7:27. 25.7

5 22 0 8 07 1 7:37 25.7

6 22.1 3.07 17:47: 25.7

7 221 5.07 1 7:57: 25,7

8 22.С 3 .07 18 07 25.7

9 22 С 3.07 18:17 25,7

10 221 307 1 8:27. 25,7

11 22.08.07 18:37 25,7

12 221 3.07 18:47. 25,7

13 221 8 0718:58 25.7

14 220 0.07 19:08 25,6

15 22.1 3.07 19:18 25.6

16 2208 07 19:26 25,6

17 221 3.07 19:38 25,6

18 22.С 3.0719:48 25.6

19 22.08.07 19:58 25,6

20 22.0 8.07 20:08 25.6

22.08.07 15:00 2203 071000 22.080721:00 2308.070:00 23 08.07 3 00 23.08.07600 23.08.07 800

Рис. 7. Фрагмент содержимого "файла пробы"

корректировку пользователем текущих параметров обработки в процессе вычисления.

В течение испытания результаты измерений средней за период регистрации скорости счета импульсов п (с-1) фиксируются в "файле пробы" в виде массива

g = \,2,Ъ,...,G, (17)

где <■ - дата и время начала §-го периода (начало первого периода

соответствует моменту ввода радона в камеру); в - количество зарегистрированных периодов за время испытания, равное 100.

Г|=1 =/г=41-/в-г,+ —= 40-Аг-га+ —, (19)

В "файле пробы" М^, преобразуется в массив /<} = первая запись

которого соответствует началу области рабочих измерений (или окончанию 40-го периода регистрации)

«^/[г, =г/=1+Аг-(/-1)] = ий[^], Я = 40 + 1, / = 1,2,3,..., ./V, (18)

ИЛ А

— = 40- Дг-г, + — 2 3 2

где - дата и время ввода радона в камеру; Т3 — время задержки, с; Д г -продолжительность периода регистрации импульсов, с, N - количество зарегистрированных периодов в области рабочих измерений, равное 60.

Массив данных, соответствующий экспериментально зарегистрированному темпу снижения активности радона, в соответствии с (14), рассчитывается по формуле

С* Ф

= ¿ = 1,2,3,...,ЛГ,ЛГ = 60, (20)

^ -гг

где п^ - уровень собственного фона установки, с"1;

_ 1 8=43

(21)

Для увеличения точности расчета по формуле (21) определяется среднее значение скорости счета импульсов в первом периоде из области рабочих измерений.

По формуле (10) выполняется итерационный расчет соответствующих условиям эксперимента частных значений функции

i = h2X..,N,N = 60,j = l,2,..J,J = 5, (22)

при значениях коэффициента диффузии

Д,- = Вмш + АОр ■ и -1), 7 = 1,2,...7,7 = 5, (23)

где Омш - задаваемая минимальная величина коэффициента диффузии в диапазоне вероятных значений (табл.2), м2/с; АОр - шаг изменения величины Dj (точность расчета), м2/с, определяемый по формуле

ЬПр=\-фмакс-Омип), (24)

где Вмакс - задаваемая максимальная величина коэффициента диффузии в диапазоне вероятных значений (табл.2), м2/с.

Затем вычисляется соответствующая значению усредненная разность экспериментальных и расчетных значений по формуле

1

N к

ж.

ЯР.

''V

-1

, г = \,2,Ъ,...,И = 60, у = 1,2,...У, 7-5. (25)

Искомым значением величины И является значение П], при котором

величина /у принимает наименьшее по модулю значение и хотя бы у одного из

5-и членов множества {гу} происходит смена знака. В противном случае, в

зависимости от полученных значений Гу следует изменить положения границ

диапазона вероятных значений коэффициента диффузии и повторно выполнить вычисления по формулам (22)-(25).

Результатом расчета коэффициента диффузии радона в единичной пробе является интервал значений (Опр + АОр 12).

Значение объемного коэффициента диффузии радона в материале О, м2/с, определяется по формуле

1 *

0 = -^Ппр>к = \,2Х..,К,

К

(26)

к=1

где ИПр - значение объемного коэффициента диффузии радона в к - ой

пробе; К - количество испытанных проб материала. Погрешность определения коэффициента диффузии радона в материале ДО, м2/с, рассчитывается с доверительной вероятностью 0,95 по формуле

А£> = £■

Я2

к

/ К

£г "Р |

V

Б

+

>м

иоо.

* = 1,2,3,...,К

(27)

где 6М — погрешность метода измерения, связанная с утечкой радона и нестабильностью чувствительности измерительного тракта установки (определяется по графику на рис.8), %.

Л - квантиль распределения Стьюдента для доверительной вероятности 0,95 и числа степеней свободы (К — 1). Следует отметить, что статистическая составляющая погрешности определения коэффициента диффузии радона в пробе, связанная с флуктуацией регистрируемых значений скорости счета импульсов не превышает 1 % и в расчетах не учитывается. Также в оценке (27) не учитывается погрешность итерационного расчета, вклад которой не превышает 5 %.

Для проверки точности определения коэффициентов диффузии радона в материалах различного типа в диапазоне от 10"1 до 10"5 м2/с, помимо воздуха, воды и радонозащитной мембраны (коэффициент диффузии в которых установлен по литературным источникам, на наш взгляд, с наибольшей достоверностью) в число контрольных образцов материалов также были включены: из сыпучих - калиброванный кварцевый песок, из твердых - бетон,

1.0Е-12 1.0Е-11

1.0Е-10

1.0Е-09

1.0Е-08

1.0Е-07

1.0Е-06

коэффициент диффузии радона в материале, м /с

1.0Е-05

Рис.8. Зависимость значения методической погрешности определения коэффициента диффузии радона в пробе от его величины и типа испытуемого материала

из пленочных - рулонный материал гидрогазоизоляционный наплавляемый на битумной основе "Техноэласт".

С целью проверки воспроизводимости результатов измерения, а также справедливости допущений, принятых при математической постановке краевой задачи массопереноса, испытание каждого типа материала выполнялось многократно при различных значениях:

• начальной активности радона в камере;

• геометрических размеров образца и объема камеры;

• длительности испытания пробы.

Подготовка контрольных образцов, выполнение измерений и обработка результатов с расчетом коэффициента диффузии радона для каждой пробы выполнялись по разработанной методике. Полученные результаты представлены в табл.3.

Результаты испытаний, проводившихся при различных вариантах сочетания размеров образца и объема камеры, имеют хорошую воспроизводимость по каждому из исследовавшихся материалов. Из табл.3 видно, что для одного и того же материала величина отклонения от среднего частных значений коэффициентов диффузии радона в образцах изменяется, примерно, от 5 до 20% с уменьшением диффузионной радонопроницаемости материала.

Сопоставление полученных на экспериментальной установке значений объемного коэффициента диффузии с литературными данными,

23

представленными в табл. 3, указывает на хорошее совпадение результатов определения коэффициента диффузии радона в воздухе, т.е. при максимальном значении диффузионной радонопроницаемости материалов в измеряемом диапазоне.

Таблица 3.

Сопоставление полученных значений объемного коэффициента диффузии _радона в образцах с литературными данными_

Наименование материала, его характеристики, температура воздуха при испытаниях Геометрические параметры Коэффициент диффузии радона, м2/с

Объем камеры, л Диаметр образца, мм Толщина образца, мм Результат испытания* (отклонение от среднего значения в материале, %) Литературные данные

Воздух температура от 16 до 27 "С 0,53 16,5 400 (1,07±0,01)*10"5 (-7) 1,0*10"5 [А.С.Сердюкова], 1,1 *10"5 [У.Яосеге]

1,05 16,5 400 (1,14±0,01)*10"5 (0)

2,05 16,5 400 (1,23 + 0,01)*10~5 (+7)

2,05 35,0 300 (1,14 + 0,01)*10"5 (0)

Песок кварцевый, фракция 0,5-1,2 мм, плотность (1,46 + 0,04) г/см3, пористость (0,40+0,02), температура от 17 до 25 "С 1,05 35,0 300 (3,25 + 0,05)*10_6 (+2) (ио-з^ю"* [А.С.Сердюкова], 4,5*10"6 [справочник геофизика], (1,0-6,5)* 10"6 [В.В.Алексеев], 6.5* 10^[Л.Г.Грачм;1кон]

1,05 35,0 300 (3,05 + 0,05)*10"6 (-5)

1,05 35,0 300 (3,10± 0,05)» 10"6 (-3)

2,05 35,0 300 (3,30 ± 0,05)» 10"6 (+3)

2,05 63,5 300 (3,30 ± 0,05)» 10"4 (+3)

Бетон Производства КЗЖБК (г.Москва), класс В22.5, плотность 2200 кг/м3, влажность 1,8%, температура от 19 до 27 "С 0,53 81 50 (1,05 ± 0,05)» 10"7 (+6) (0,07-13)*10 7 [С.КеИег], (0,2-4,6)* 10"7 [У.^еге], (0,3-0,6)* 10 7 [С.гара1ас],

1,05 81 50 (0,97 + 0,05)» 10"7 (-2)

1,05 81 50 (0,97 ±0,05)4 О"7 (-2)

1,05 81 50 (1,02 +0,05)» 10"7 (+3)

1,05 81 73 (0,95 + 0,05)» 10"7 И)

2,05 81 50 (0,98 + 0,05)» 10"7 (-1)

Вода дистиллированная, температура от 18 до 20 °С 0,53 117 94 (1,9 ±0,1)» 10"' (-17) 1,13*10~9 [Е.Яопа]**, 1,6*10"9 [Н.ТуггеИ], (35-68)* 10 9 [Н.БрЭД

0,53 117 94 (2,4±0,1)*10"9 (+4)

1,05 117 94 (2,6 + 0,1)*10"9 (+13)

Рулонный материал "Техноэласт" ТУ 5774-041-17925162-2006, ООО «Завод Технофлекс» 0,53 117 4,0 (1,44±0,02)»10"'° (+9) -

0,53 117 4,0 (1,26 +0,02)* Ю"10 (-5)

0,53 117 4,0 (1,28±0,02)*10"Ю (-4)

Рулонный материал "Техноэласт М" ТУ 5774-041 -17925162-2006, ООО «Завод Технофлекс» 0,53 117 4,0 (1,04 + 0,02)»10"'° (+14) -

0,53 117 4,0 (0,84 + 0,02)» 10"'° (-8)

0,53 117 4,0 (0,86±0,02)*10"'° (-6)

Радонозащитная мембрана "МопагПех ЯМБ 400" (Дания), армированный 2-х слойный полиэтилен низкой плотности, температура от 18 до 23 °С 0,53 117 0,4 (11±1)»10"12 (18) (5-8)*10"12 [monarflex.com ]

0,53 117 0,4 (8±1)*10"12 (-14)

0,53 117 0,4 (9+1)*10"'2 (-4)

выделенный результат получен при увеличенной продолжительности испытания образца (рис.9); **' теоретический расчет.

В противоположной области диапазона результаты испытаний радонозащитной мембраны "МопагПех ЯМВ 400" расходятся с литературными данными на 40-50 %. Однако, величина расхождения при этом не превышает расчетную погрешность измерения, которая в рассматриваемой области

1,0

а s о ч я а

о

5 0,5

я

R S S и

5

с S и ь

0,0

6 12 18 24 30 36 42 48

время, час

Рис.9. Изменение во времени расчетного (сплошные линии) и измеренного (точки) темпов снижения активности радона в камере при увеличенной продолжительности испытания контрольных образцов материалов (см. табл.3): 1 - мембрана; 2 - вода; 3 - бетон; 4 - кварцевый песок; 5 - воздух, определяется значением методической погрешности (рис.8). Поэтому данный результат, тем более полученный на пределе чувствительности установки, можно считать вполне удовлетворительным.

Результаты измерений при продолжительности испытания контрольных образцов более 18 ч приводятся на рис.9.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Нестационарные лабораторные методы определения коэффициента диффузии радона в строительных материалах и грунтах обладают рядом существенных преимуществ по сравнению со стационарными. Из числа нестационарных наиболее перспективным является представленный Quindos Poncela и др. метод "мгновенного источника". Однако, теоретическая основа этого метода была разработана только для тонких пленочных материалов в

25

предположении отсутствия в них стоков радона, что существенно ограничивает область применения метода.

2. Представленные в диссертации математическая формулировка и решение краевой задачи нестационарного диффузионного массопереноса радона в слое материала неограниченной толщины со стоками радона при воздействии на него "мгновенного" источника и соответствующих эксперименту начальных и граничных условиях представляет собой усовершенствованную теоретическую основу упомянутого выше метода.

3. Проведенные с помощью полученного математического решения задачи расчетные исследования показывают, что при использовании данного метода достаточно достоверное определение коэффициента диффузии радона в материалах с различной радонопроницаемостью возможно лишь при определенных, представленных в диссертации соотношениях геометрических параметров испытуемых образцов материалов и объема камеры экспериментальной установки.

4. При создании реализующей рассматриваемый метод экспериментальной установки решен ряд специфических задач, возникших в связи с необходимостью обеспечить:

• герметичность разъемных соединений элементов установки, в т.ч. образцов испытуемых материалов с их держателями;

• трансформацию рабочего объема камеры;

• "мгновенный" ввод и требуемый уровень начальной активности радона в камере;

• равномерное распределение радона в объеме камеры и необходимую интенсивность газообмена в пограничном слое на границе раздела сред "воздух в камере - образец";

• высокую стабильность чувствительности измерительного тракта установки;

• защиту детектора от образования на нем конденсата.

5. С помощью созданной экспериментальной установки определены коэффициенты диффузии радона в воздухе, воде, песке, бетоне, рулонном гидроизоляционном материале и радонозащитной мембране. Полученные результаты хорошо согласуются с данными из литературных источников.

6. Основные технические характеристики экспериментальной установки:

• диапазон определяемого значения объемного коэффициента диффузии

11 -5 2

радона- от 10 до 10 м /с;

• время испытания - 18 час;

• толщина и влагосодержание образца - не ограничены;

• погрешность определения коэффициента диффузии радона составляет:

о для высокопроницаемых материалов в диапазоне

-7 -5 2 от 10 до 10 м/с - не более 10%;

о для умереннопроницаемых материалов в диапазоне

от Ю"10до 10"7м2/с - не более 20%; о для слабопроницаемых материалов в диапазоне от 10"Пдо Ю"10м2/с- не более 40%.

• допустимое изменение температуры окружающего воздуха во время испытаний не более 3 °С.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Цапалов A.A. Мониторинг радона с использованием активированного угля. Научно-информационный журнал по радиационной безопасности «АНРИ», 1994, № 1, С. 40-43.

2. Гулабянц Л.А., Лившиц М.И., Цапалов A.A. Теоретическая основа нестационарного метода измерения коэффициента диффузии радона в пористой среде. Научно-информационный журнал по радиационной безопасности «АНРИ», 2006, № 2, С. 43-45.

3. Цапалов A.A. Нестационарный метод измерения коэффициента диффузии радона в пористой среде. Строительная физика в XXI веке: Материалы научно-технической конференции. - М.: НИИСФ РААСН, 2006, С. 486-489.

4. Гулабянц Л.А., Цапалов A.A. Экспериментальное устройство для измерения коэффициента диффузии радона в материалах. Научно-информационный журнал по радиационной безопасности «АНРИ», 2006, № 4, С. 35-37.

5. Гулабянц Л.А., Цапалов A.A. Метод и устройство для ускоренного измерения объемного коэффициента диффузии радона в различных материалах. Тезисы научно-практического семинара «Радон в геологоразведке и экологии». - М.: ГНЦ ВНИИгеосистем, 2007.

6. Гулабянц Л.А., Цапалов A.A. Определение коэффициента диффузии радона в бетоне и изоляционных материалах. Научно-информационный журнал по радиационной безопасности «АНРИ», 2008, № 2, С. 44-48.

7. Гулабянц Л.А., Цапалов A.A. Радонопроницаемость рулонного материала Техноэласт. Научно-технический и производственный журнал «Строительные материалы», 2008, № 10, С. 69-71.

8. Микляев П.С., Петрова Т.Б., Цапалов A.A. Принципы оценки потенциальной радоноопасности территорий. Научно-информационный журнал по радиационной безопасности «АНРИ», 2008, № 4, С. 14-19.

Подписано в печать 8.12.08 Печать лазерная цифровая Тираж 100 экз.

Типография Aegis-Print 115230, Москва, Варшавское шоссе, д. 42 Тел. (495) 785-00-38 www.autoref.webstolica.ru