CN101393144B

CN101393144B - 多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法

Info

Publication number: CN101393144B
Application number: CN2008100463065A
Authority: CN
Inventors: 丁卫撑; 方方; 闫萍; 刘念聪; 周伟; 阮菊红; 王敏; 刘易; 黄洪全; 龚迪琛; 陈伟; 郑永明; 孙付春; 黄秋; 李丹
Original assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Current assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2028-10-20
Also published as: CN101393144A

Abstract

本发明公开了一种多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法，包括步骤：A、选择测点，将数据采集器埋于测点的土壤中；B、等土壤中的氡气扩散到数据采集器的氡气采集腔中后启动数据采集器；C、数据采集器累积收集测量测点的氡及其子体中的α辐射体，完毕后把测量数据送到现场数据管理模块；D、现场数据管理模块对测量数据进行统计分析，再传送至计算机分析模块；E、计算机分析模块对数据作进一步的分析处理。该方法能克服现有土壤测氡方法的缺陷，能解决土壤氡气测量效率、测量精度、测量准确性、测量可靠性低的问题，可实现对氡及其子体核素的定性测量，从而能够满足目前地质勘查领域和环境评价领域对土壤氡气测量的迫切需求。

Description

多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，具体来讲，针对目前地质勘查领域和环境评价领域的土壤测氡的应用要求，提出一种多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法。

背景技术

土壤测氡广泛应用于地质勘查领域和环境放射性评价领域。在地质勘查领域中，铀矿勘查、基岩地下水勘查、地下煤层自燃现象火灾分布勘探、地震震前氡异常监测、滑坡滑动构造带勘查、地面塌陷与采空区的勘查、建筑地基隐伏断层与地裂缝的勘查等都可以采用土壤测氡方法来实现。在环境放性射评价领域，比如地下商场地基氡浓度指标检测、建筑物地基土壤氡浓度指标检测等，也都需要进行土壤氡气测量。

现有土壤测氡的方法主要包括：抽气法瞬时测氡方法、静电α卡积累法测氡方法、α径迹测氡、Po-210法测氡、α杯累积法测氡方法、天然热释光法测氡方法。这些土壤氡气测量方法在测量工作效率、工作自动化程度、测量数据的可靠性以及测量灵敏度等都存在一些缺陷，同时很少作α能谱测量，而α能谱测量在铀矿勘查中是很重要的一个关键技术。由于地表氡量相对比较微弱，目前的主要氡气测量方法α杯、α卡积累法很难做到能谱测量，抽气瞬时测量法虽然解决α能谱测量问题，但由于环境等因影响使的数分钟内的获得的测氡数据变化很大，难于分析利用，同时由于探测器污染问题，使得实际工作效率很低。多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法便于大量布点，适于大规模地质勘查，在提高工作效率的同时，也能够获得瞬时法和连续测量法无法探测的氡及其子体的信息，特别是多参数测量有利于地质现象的解释。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，如何提供一种多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法，该方法能克服现有土壤测氡方法的缺陷，能解决土壤氡气测量效率、测量精度、测量准确性、测量可靠性低的问题，可实现对氡及其子体核素的定性测量，从而能够满足目前地质勘查领域和环境评价领域对土壤氡气测量的迫切需求。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案：提供一种多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

A、根据测量需要选择测量点，将数据采集器埋于各个测量点的土壤下；

B、等待土壤中的氡气扩散到数据采集器的氡气采集腔中，然后启动数据采集器；

C、数据采集器通过设置在电路板上的探测器累积收集测量各个测点的氡及其子体中的α辐射体，测量完毕后把测量到的数据发送到现场数据管理模块；

D、现场数据管理模块对来自各个数据采集器的测量数据进行统计分析，再将测量数据和统计分析数据传送至计算机分析模块；

E、计算机分析模块对接收到的数据作进一步的分析处理，并生成图像进行输出。

按照本发明所提供的多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法，其特征在于，所述步骤A中的所述数据采集器包括保护腔体和固定连接在保护腔体下方的氡气扩散腔；所述保护腔体内设置有一电路封装腔体；所述电路封装腔体内的上部设置有电路板，电路封装腔体内的下部设置有氡气采集腔；所述电路板和氡气采集腔之间设有绝缘材料；所述电路板上设置有调理放大电路、多道脉冲幅度分析器、微处理器、无线通信模块、温湿度测量模块和用于探测氡及其子体信号的探测器；所述氡气采集腔通过固定螺丝连接在电路封装腔体底部，保护腔体的底部上设置有用于氡气进入氡气采集腔的通孔；所述氡气扩散腔为下方大上方小的中空圆柱体结构，氡气扩散腔的腔壁上设置有若干氡气扩散网孔，氡气扩散腔的顶部设置有扩散孔加滤膜；所述电路封装腔体和保护腔体之间、绝缘材料和电路板之间均设置有用于电路系统防潮的O形密封圈。

按照本发明所提供的多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法，其特征在于，所述温湿度测量模块用于测量各个测点的温度和湿度，并将所测得的数据发送至现场数据管理模块，用于修正温湿度对测量值的影响。

按照本发明所提供的多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法，其特征在于，所述数据采集器上还设置有低功耗电源管理模块。

按照本发明所提供的多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法，其特征在于，所述步骤C中探测器探测到的氡及其子体信号通过调理放大电路进行放大后，再经过多道脉冲幅度分析器转换成能谱信号进入微处理器通过无线通信网络发送到现场数据管理模块。

按照本发明所提供的多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法，其特征在于，所述现场数据管理模块和计算机分析模块之间采用USB口进行连接。

按照本发明所提供的多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法，其特征在于，氡气扩散腔的腔壁为采用不锈钢材料制作的高压腔体。

综上所述，本发明所提供的多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法具有如下优点：

1、在系统设计上，采用数据采集器跟数据管理分开设计，这便于进行多测点同时异步测量；

2、在测量方法上，采用了扩散式积累法α能谱测氡方式，扩散式积累法可提高数据的可靠性和可信性，α能谱测氡可提供氡及其子体定量分析，可区分铀系和钍系α衰变子体；

3、在测量方式上，采用多测点同时异步工作，可无线通信，同时测点数量可根据需要配置，符合实际应用需求及提高测量的工作效率；

4、在测量性能上，可设计绝对测量(把测量值转换成浓度值，主要应用于环境评价测量领域)，也可设计成相对测量(各个测点在同一个条件下进行测量，数据作相对测量比较，主要应用于地质勘查领域)。

附图说明

图1为多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法的原理简图；

图2为数据采集器的功能模块连接图；

图3为数据采集器的结构简图；

图4为数据采集器中的电场分布图。

其中，1、保护腔体；2、电路封装腔体；3、绝缘材料；4、氡气采集腔；5、O形密封圈；6、氡气扩散腔；7、氡气扩散网孔；8、扩散孔加滤膜；9、通孔；10、固定螺丝；11、探测器；12、温湿度测量模块；13、电路板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细的描述。

本发明所提供的多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：A、根据测量需要选择测量点，将数据采集器埋于各个测量点的土壤下；B、等待土壤中的氡气扩散到数据采集器的氡气采集腔4中，然后启动数据采集器；C、数据采集器通过设置在电路板13上的探测器11累积收集测量各个测点的氡及其子体中的α辐射体，测量完毕后把测量到的数据发送到现场数据管理模块；D、现场数据管理模块对来自各个数据采集器的测量数据进行统计分析，再将测量数据和统计分析数据传送至计算机分析模块；E、计算机分析模块对接收到的数据作进一步的分析处理，并生成图像进行输出。

如图1所示，整个测量系统包括若干个数据采集器、现场数据管理模块、ZigBee无线星状通信网络以及计算机软件分析模块4部分构成。所述现场数据管理模块和计算机分析模块之间采用USB口进行连接；各个测点设置数据采集器，数据采集器通过ZigBee无线星状通信网络

图2所示为数据采集器的功能模块连接图。如图所示，数据采集器包括有调理放大电路、多道脉冲幅度分析器、微处理器、ZigBee无线通信模块、温湿度测量模块12和用于探测氡及其子体信号的探测器11；探测器探测到氡及其子体信号，通过调理放大电路放大到所需要大小的信号，再通过多道脉冲幅度分析器把该信号转换成α能谱信号，再进入微处理器通过ZigBee无线通信网络发送到现场数据管理模块。温湿度测量模块主要是为了修正温湿度对测量的影响，温湿度数据连同多道能谱数据一通打包发送。为了节省电源，整个探测器采用了低功耗电源管理模块设计方案。

如图3所示，数据采集器包括保护腔体1和固定连接在保护腔体1下方的氡气扩散腔6；所述保护腔体1内设置有一电路封装腔体2；所述电路封装腔体2内的上部设置有电路板13，电路封装腔体2内的下部设置有氡气采集腔4；所述电路板13和氡气采集腔4之间设有绝缘材料3；所述电路板13上设置有调理放大电路、多道脉冲幅度分析器、微处理器、无线通信模块、温湿度测量模块12和用于探测氡及其子体信号的探测器11；所述氡气采集腔4通过固定螺丝10连接在电路封装腔体2的底部，保护腔体1的底部上设置有用于氡气进入氡气采集腔4的通孔9；所述氡气扩散腔6为下方大上方小的中空圆柱体结构，氡气扩散腔6的腔壁上设置有若干氡气扩散网孔7，氡气扩散腔6的顶部设置有扩散孔加滤膜8；所述电路封装腔体2和保护腔体1之间、绝缘材料3和电路板13之间均设置有用于电路系统防潮的O形密封圈5；氡气扩散腔6的腔壁为采用不锈钢材料制作的高压腔体。

在结构设计上主要考虑电子电路防潮密封问题，保护腔体1的设置主要是考虑数据采集器跟土壤隔离。

本发明提出了扩散式累积法α能谱土壤氡气测量方法，下面先介绍一下扩散式累积法原理。氡气的累积扩散主要依靠本发明所提供的数据采集器实现的，其原理是：整个数据采集器在一个保护腔体的保护下，直接埋入土壤中，在数据采集器与土壤平面之间有一个一定高度空间扩散腔。由于氡气具有较长的半衰期(3.82天)，又是一种惰性不带电的气体，它具有较强的扩散能力。所以，土壤中的氡气在压力差、浓度差、温度差等一些外部因素作用下，慢慢扩散到扩散腔体中，氡气继续在这些外部因素作用下，通过扩散孔扩散到氡气采集腔中。而钍气半衰期很短(55.6秒)，在空气中的扩散具体很短，所以钍气不会扩散到采集腔中。

氡气采集腔壁为杯状不锈钢材料，在杯状底部有扩散网孔。当在腔体上外加一个正高压时，在腔体与探测器以及腔体与大地之间形成一个电场，电场分布如图4所示。氡气本身不带电，扩散的时候基本上不受外加电场的影响，氡气进入氡气采集器腔体后，按固有的衰变规律进行衰变放出α射线，α射线带正电，在高压电场的作用下，α粒子被吸附到金硅面探测器表面并进行射线轰击(这个粒子可能有能量损失，我们能谱测量时不是测量这种类型的α粒子)，而它的子体²¹⁸Po具有气溶胶性质，带正电，同样在正高压电场的作用下被吸附到金硅面探测器表面。这些子体同样经过衰变放射出α粒子，这些α粒子轰击探测器产生相应的电离电荷，通过电子学电路把这个电荷信号转换成脉冲信号进行记录，从而实现测量的目的。

由于氡气以及钍射气的子体是具备气溶胶性质的带正电的粒子，所以在外加电场作用下，不会经过扩散孔进入氡气采集腔。所以被探测器探测到的子体α辐射体是全部由扩散到氡气采集腔的氡气衰变产生的子体。

当核素A半衰期(这里指²²²Rn)比核素B(这里指²¹⁸Po)长的多的情况下，两个子体达到平衡的时间为10倍核素B半衰期，²²²Rn半衰期为3.82天，²¹⁸Po半衰期为3分钟，可以认为是满足这一衰变规律的，所以基本上可以认为30分钟氡气跟其主要子体Po-218已经达到理论平衡。

由于探测器探测的是附在探测器表面的氡的衰变子体来间接的测量土壤中氡的浓度的，当前一次测量完毕后，由于子体具有一定的残留效应，所以必需等待残留效应消除后才能进行下一次测量，而消除残留效应的唯一办法自由(只有)等待其自由衰变。根据衰变规律，一般认为一个核素经过10倍半衰期(核素数量减少到原来0.1％)就可认为其已经衰变完。氡(指²²²Rn)的衰变子体主要α辐射体为²¹⁸Po，²¹⁴Po，²¹⁸Po的半衰期为3分钟，而²¹⁸Po是紧接着氡的一个衰变子体，不受中间其它子体放射性衰变的影响。所以我们这里可指考虑²¹⁸Po残留问题，也就是说30分钟后，²¹⁸Po将衰变完毕，通过能谱测量的方式，只测量²¹⁸Po的计数，根据放射性衰变平衡理论，在母体核素与子体核素衰变达到动态平衡的时候，可认为母体与子体之间浓度存在线性关系，从而可以通过²¹⁸Po的计数获得氡的浓度。

还有一种情况是刚测量完毕从土壤中挖出，那么氡气采集腔中可能残留以扩散进去的氡气，如果这个氡气不排除，而直接埋入下一个测点，那么同样会影响下一个测量数据，由于氡的半衰期为3.82天，所以不可能采用衰变的放射清除氡气残留效应。可采用在空气中放置5分钟作用，通过空气扩散的方式清洗氡气采集腔。理论上，空气中的氡浓度与土壤中氡浓度至少差两个数量级以上，所以可认为空气是一种干净的清洁气。

同时，由于在埋探测器的时候，地表氡气聚集环境被临时破坏，恢复氡气场需要一定的时间。实验表明，当重新覆盖浮土超过30分钟后，氡气场基本上可以恢复到原来80％以上水平，我们认为这一状态为氡气场的准重新平衡。

本发明设计的数据采集器工作时放置在带有扩散气腔的保护装置内，连同保护装置一同埋于土壤中50cm左右处，埋30分钟左右一段时间等待土壤中的氡气扩散到数据采集器的氡气采集腔中，然后自动启动数据采集器工作，采集器的氡气采集器气腔壁加了一个正+1000V高压，由于探测器表面是地电平，所以会在氡气采集器腔壁与探测器表面之间形成一个强电场，同时由于氡的衰变子体带正电，在高压电场的作用下，很快被吸附到探测器表面，氡的子体在探测器表面发送α衰变放出α射线粒子，探测器探测到这个α粒子，并通过电子电路转换成多道能谱数据。探测到信号的幅度大小能反应相应的核素特性，探测到的粒子多少能反应相应核素的浓度，通过探测氡的衰变子体从而确定氡的浓度。

本发明具有如下特点：

1、在系统结构设计上，采用数据采集器跟数据管理分开设计，这便于进行多测点组网测量。

2、在测量方法上，采用了扩散式积累法α能谱测氡方式，扩散式积累法可提高数据的可靠性和可信性，α能谱测氡可提供氡及其子体定量分析，可区分铀系和钍系α衰变子体。

3、在测量方式上，采用多测点同时异步工作，并可无线通信，同时测点数量可根据需要配置，符合实际应用需求及提高测量的工作效率。

4、在性能上，可设计绝对测量(把测量值转换成浓度值，主要应用于环境评价测量领域)，也可设计成相对测量(各个测点在同一个条件下进行测量，数据作相对测量比较，主要应用于地质勘查领域)。

5、在电路功能上主要完成土壤中氡及其子体α能谱测量。在α射线粒子探测方面，由于α射线跟物质作用时具有很强的电离能力，根据这一特性，核辐射探测器能将不同能量的α射线粒子转换成相应大小的微弱电讯号，然后通过后续电路，对这个微弱的电讯号进行整形放大，使之成为一个电脉冲信号后进入多道脉冲幅度分析器。通过控制电路控制多道脉冲幅度进行工作，把不同幅度的模拟信号转换成对应的数字信号，这个数字代表一个道地址，以道地址作为存储器的地址码记录脉冲数，各道地址的记数就可以把脉冲幅度的分布情况表现出来。而幅度信号大小为各元素辐射能量不同的表现，相应道址的计数代表相应能量的辐射强度。氡及其子体的α射线的能量是固定的，通过多道能谱的方式可测量氡及其子体相关信息数据。

6、在结构上，主要完成了利用扩散式累积法的土壤α能谱测氡数据采集器结构设计。为了保证电子电路的工作稳定性以及使用寿命，采用了专门防潮设计。为了实现扩散式累积法的工作方法，专门设计了带高压电场的氡气数据采集气腔。

7、在系统构架上，采用了多测点同时异步测量的可无线通信的测量工作网络，大大提高了测量工作效率。

Claims

1.一种多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

B、等待土壤中的氡气扩散到数据采集器的氡气采集腔(4)中，然后启动数据采集器；

C、数据采集器通过设置在电路板(13)上的探测器(11)累积收集测量各个测点的氡及其子体中的α辐射体，测量完毕后把测量到的数据发送到现场数据管理模块；

E、计算机分析模块对接收到的数据作进一步的分析处理，并生成图像进行输出；

所述步骤A中的所述数据采集器包括保护腔体(1)和固定连接在保护腔体(1)下方的氡气扩散腔(6)；所述保护腔体(1)内设置有一电路封装腔体(2)；所述电路封装腔体(2)内的上部设置有电路板(13)，电路封装腔体(2)内的下部设置有氡气采集腔(4)；所述电路板(13)和氡气采集腔(4)之间设有绝缘材料(3)；所述电路板(13)上设置有调理放大电路、多道脉冲幅度分析器、微处理器、无线通信模块、温湿度测量模块(12)和用于探测氡及其子体信号的探测器(11)；所述氡气采集腔(4)通过固定螺丝(10)连接在电路封装腔体(2)的底部，保护腔体(1)的底部上设置有用于氡气进入氡气采集腔(4)的通孔(9)；所述氡气扩散腔(6)为下方大上方小的中空圆台结构，氡气扩散腔(6)的腔壁上设置有若干氡气扩散网孔(7)，氡气扩散腔(6)的顶部设置有扩散孔加滤膜(8)；所述电路封装腔体(2)和保护腔体(1)之间、绝缘材料(3)和电路板(13)之间均设置有用于防潮的O形密封圈(5)。

2.根据权利要求1所述的多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法，其特征在于，所述温湿度测量模块(12)用于测量各个测点的温度和湿度，并将所测得的数据发送至现场数据管理模块，用于修正温湿度对测量值的影响。

3.根据权利要求1所述的多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法，其特征在于，所述数据采集器上还设置有低功耗电源管理模块。

4.根据权利要求1所述的多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法，其特征在于，所述步骤C中探测器(11)探测到的氡及其子体信号通过调理放大电路进行放大后，再经过多道脉冲幅度分析器转换成能谱信号进入微处理器通过无线通信模块发送到现场数据管理模块。

5.根据权利要求1所述的多测点扩散式累积α能谱土壤测氡方法，其特征在于，氡气扩散腔(6)的腔壁为采用不锈钢材料制作的高压腔体。