CN102043159B - 一种连续快速跟踪氡浓度变化的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种连续快速跟踪氡浓度变化的测量方法，它包括测量和计算。在测氡仪器内设有两种模式，分别为刻度模式和快速跟踪氡浓度变化模式，其计算方法也分为刻度模式计算方法和快速跟踪氡浓度变化的计算方法。刻度模式与RAD7的sniff模式相同，是传统的测量方法，可以用来刻度仪器，得到刻度因子。快速跟踪氡浓度变化模式与刻度模式的测量原理和方法相同，但是使用了快速跟踪氡浓度变化的计算方法对刻度模式得到的数据进行了重新处理，能够连续快速跟踪氡浓度变化。

Description

一种连续快速跟踪氡浓度变化的测量方法

技术领域

本发明涉及一种核辐射探测技术，特别是连续快速跟踪氡浓度变化的测量方法。 

背景技术

当前对空气环境中氡的测量有多种方法，如闪烁室、电离室、固体径迹、静电收集法等。其中静电收集法测氡仪在现场自动化测量中得到了广泛的应用，其主要优点有：测量方便，成本较低，能连续测量。但是当前采用静电收集法测量氡浓度的变化响应比较慢，例如在使用大干燥管时，静电收集法测氡仪中的RAD7一般需要40分钟后才能测量得到标准氡室的浓度。而采用多个闪烁室抽真空快速采样也可以实时跟踪氡浓度的变化，但是其难以实现自动化测量，而且需要静置3个小时后(母、子体达到平衡)，才能测量得到氡浓度。目前还没有基于静电收集法的能够快速跟踪氡浓度变化的测量方法及装置。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种连续快速跟踪氡浓度变化的测量方法。该测量方法解决了氡浓度变化时，静电收集法测氡仪响应较慢的问题，得到较准确的测量结果。 

本发明的技术方案是：一种连续快速跟踪氡浓度变化的测量方法，它包括测量和计算。 

A、测量过程：开启测氡仪器，外界的空气在抽气泵的作用下通过进气 管道、干燥管和高效过滤器后被连续抽入测量室内，然后通过排气管排出到外界。测量室内的氡衰变产生新的子体218Po在高压模块强电场作用下就被吸附到半导体探测器表面，218Po进一步衰变释放的高能α粒子产生的电信号通过前置放大器放大后，再由计数及显示模块能量识别后计数，就可得到218Po的浓度，运用刻度模式计算方法从而得到氡浓度。 

B、计算方法：本测氡仪器内设有两种模式，分别为刻度模式和快速跟踪氡浓度变化模式，其计算方法也分为刻度模式计算方法和快速跟踪氡浓度变化的计算方法。 

刻度模式与RAD7的sniff模式相同，是传统的测量方法，可以用来刻度仪器，得到刻度因子，刻度模式计算方法如下： 

设外界氡浓度恒定为C₀，测量室内氡浓度为C(t)，测量室内218Po的浓度为C_Po(t)。描叙测量室内氡衰变链的微分方程为： 

$\frac{\mathrm{dC}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-\mathrm{\λC}\left(t\right)---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{dC}}_{\mathrm{Po}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}C\left(t\right)-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}{C}_{\mathrm{Po}}\left(t\right)---\left(2\right)$

λ是氡的衰变常数，λ_Po是218Po的衰变常数。测量室与外界抽气循环到一定时间后，可以认为C(t)＝C₀。式(2)改写为： 

$\frac{{\mathrm{dC}}_{\mathrm{Po}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}{C}_0-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}{C}_{\mathrm{Po}}\left(t\right)---\left(3\right)$

初值条件：C_Po(0)＝0(4) 

式(3)的解为： 

当t足够大时有：C_Po(t)＝C₀(6) 

即，可由218Po的浓度反推得到氡的浓度。 

快速跟踪氡浓度变化模式与刻度模式的测量原理和方法相同，但是使用 了快速跟踪氡浓度变化模式计算方法对刻度模式得到的数据进行了重新处理，能够连续快速跟踪氡浓度变化。快速跟踪氡浓度变化模式计算方法对外界氡浓度变化进行0阶近似，即认为每个测量周期内，外界空气的氡浓度是不变的，提出了体积修正方法和218Po非平衡修正方法，即对测量室的体积对外界氡浓度变化的缓冲效应进行了修正，对218Po浓度与氡浓度非平衡进行修正，因此能够快速跟踪氡浓度的变化。快速跟踪氡浓度变化的计算方法如下： 

设测量周期为T；第n个测量周期，外界氡浓度为常量C_n；测量室内氡浓度为C[(n-1)T+t]；测量室内218Po的浓度为C_Po[(n-1)T+t]。开始测量时测量室内氡浓度及218Po的浓度都为零。 

测量室内与外界的氡浓度关系为： 

$\frac{\mathrm{dC}[(n-1)T+t]}{\mathrm{dt}}=\frac{L}{V}(C_n-C[(n-1)T+t\left]\right)---\left(7\right)$

L为泵的流率，V为测量室的体积。式(7)的解为： 

$C[(n-1)T+t]=C_n(1-e^{-\frac{L}{V}t})+C\left[(n-1)T\right]e^{-\frac{L}{V}t}---\left(8\right)$

测量室内218Po的浓度为： 

$\frac{d{C}_{\mathrm{Po}}[(n-1)T+t]}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}C[(n-1)T+t]-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}{C}_{\mathrm{Po}}[(n-1)T+t]---\left(9\right)$

将式(8)带入式(9)得： 

$\frac{d{C}_{\mathrm{Po}}[(n-1)T+t]}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}{C}_n(1-e^{-\frac{L}{V}t})+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}C\left[(n-1)T\right]e^{-\frac{L}{V}\text{t}}-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}{C}_{\mathrm{Po}}[(n-1)T+t]---\left(10\right)$

式(10)的解为： 

$C_{\mathrm{Po}}[(n-1)T+t]=C_n+C_{\mathrm{Po}}\left[(n-1)T\right]e^{-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}t}+\frac{\frac{L}{V}{C}_n-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}C\left[(n-1)T\right]}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}-\frac{L}{V}}{e}^{-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}t}---\left(11\right)$

$+\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}C\left[(n-1)T\right]-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}{C}_n}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}-\frac{L}{V}}{e}^{-\frac{L}{V}t}$

当t＝T，式(11)变化为： 

$C_{\mathrm{Po}}\left(\mathrm{nT}\right)=C_n(1+\frac{\frac{L}{V}{e}^{-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}T}-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}{e}^{-\frac{L}{V}T}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}-\frac{L}{V}})+C_{\mathrm{Po}}\left[(n-1)T\right]e^{-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}T}---\left(12\right)$

$\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}C\left[(n-1)T\right]}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}-\frac{L}{V}}(e^{-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}T}-e^{-\frac{L}{V}T})$

对式(10)在0-T区间积分得： 

$C_{\mathrm{Po}}\left(\mathrm{nT}\right)-C_{\mathrm{Po}}\left[(n-1)T\right]={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}{C}_{n}T+\frac{V}{L}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}{C}_n(e^{-\frac{L}{V}T}-1)---\left(13\right)$

$-\frac{L}{V}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}C\left[(n-1)T\right](e^{-\frac{L}{V}T}-1)-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}{\∫}_0^T{C}_{\mathrm{Po}}[(n-1)T+t]\mathrm{dt}$

根据静电收集法测量原理式有： 

$C^n=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{C}_{\mathrm{Po}}[(n-1)T+t]\mathrm{dt}---\left(14\right)$

Cⁿ为测氡仪器在刻度模式下第n个测量周期的读数。式(13)改写为： 

$C_{\mathrm{Po}}\left(\mathrm{nT}\right)-C_{\mathrm{Po}}\left[(n-1)T\right]={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}{C}_{n}T+\frac{V}{L}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}{C}_n(e^{-\frac{L}{V}T}-1)---\left(15\right)$

$\frac{V}{L}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}C\left[(n-1)T\right](e^{-\frac{L}{V}T}-1)-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}T{C}^n$

比较式(12)、(15)得： 

$C_n=\left\{C_{\mathrm{Po}}\right[(n-1)T](1-e^{-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}T})-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}T{C}^n-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}C[(n-1)T\left]\right[\frac{V}{L}(e^{-\frac{L}{V}T}-1)$

$-\frac{e^{-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}T}-e^{-\frac{L}{V}T}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}-\frac{L}{V}}\left]\right\}/[1+\frac{\frac{L}{V}{e}^{-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}T}-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}{e}^{-\frac{L}{V}T}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}-\frac{L}{V}}-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}T-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Po}}\frac{V}{L}(e^{-\frac{L}{V}T}-1)---\left(16\right)$

C_Po(nT)可由式(12)得到。 

由式(8)可得： 

由初始条件及式(12)、(16)、(17)就可递推得到任意测量周期的实际氡浓度。 

本发明与现有技术相比具有如下特点： 

1、能够连续快速跟踪氡浓度变化。 

2、与闪烁室相比，装置简单、操作方便，适合现场实时测量，同时缩短了测量时间。 

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。 

附图说明

附图1为本发明的测量原理示意图，图中箭头P1表示进气方向，箭头P2表示出气方向。 

具体实施方式

氡测量装置工作于刻度模式下，在标准氡室中利用较长时间的218Po峰的计数运用刻度模式算法反推氡浓度，得到刻度系数，这样其相当于一台工作于sniff模式的RAD7测氡仪。将氡测量装置切换到快速跟踪模式，设置好测量周期和循环次数。开启测氡仪器，外界的空气在抽气泵4的作用下通过进气管道1、干燥管2和高效过滤器3后被连续抽入测量室7内，然后通过排气管8排出到外界。测量室7内的氡衰变产生新的子体218Po在高压模块5强电场作用下就被吸附到半导体探测器6表面，218Po进一步衰变释放的高能α粒子产生的电信号通过前置放大器10放大后，再由计数及显示模块9能量识别后计数，就可得到218Po的浓度，运用刻度模式计算方法从而得到氡浓度。测量 得到的氡浓度数据，再运用快速跟踪氡浓度变化的计算方法，就能快速跟踪氡浓度变化。由初始条件及式(12)、(16)、(17)就可递推得到任意测量周期的实际氡浓度。 

实施例：测量时使用一个参考值为23652Bq/m³小氡室，λ_Po＝0.0037s^-1。使用一台刻度因子为1.08的RAD7测氡仪，测量室内的体积为0.7升，通过一个小干燥管来干燥空气，工作于sniff模式来测量氡的浓度，同时用流量计测量抽气泵的流速，流速为550毫升/分钟。测量周期为4分钟，循环次数为8。将相关参数带入式(12)、(16)、(17)得到： 

C_n＝-2.25654{0.588522C_Po[(n-1)T]-0.888Cⁿ-0.124548C[(n-1)T]} 

C_Po(nT)＝0.444814C_n+0.411478C_Po[(n-1)T]+0.143708C[(n-1)T] 

C(nT)＝0.958056C_n+0.0419436C[(n-1)T] 

测量数据及修正后的数据见表1。 

表1氡浓度测量数据(已含刻度系数)及修正后的数据单位：Bq/m³

周期	测量1	测量2	测量3	修正测量1	修正测量2	修正测量3
							1	4147.2	4471.2	5022	8310.19	8959.42	10063.12
2	14040	11772	14148	25462.03	20708.69	25114.94
							3	18576	19116	18360	25592.04	27932.94	24544
4	20520	21060	23112	20817.99	22999.9	26172.86
							5	19548	22356	21384	16593.73	21366.61	18916.72
6	23112	22464	20628	25494.18	21668.66	17712.64
							7	21816	21816	22572	22008.61	20824.06	24152.39
8	23652	21492	22140	23981.83	20569.44	22688.62

由表1可以看出，修正后的测量数据第二个周期就接近参考值。第一个周期修正后的测量数据还是远低与参考值，这是由于进气管道和小干燥管空隙体积的延迟造成的。如果测氡仪不采用干燥管，而使用温、湿度曲线修正，可以减少延迟，可能第一个测量周期修正后的测量数据就接近参考值。表1的数据表明了该修正方法的可靠性。 

Claims (1)

1.一种连续快速跟踪氡浓度变化的测量方法，它包括测量过程和计算方法：

A、测量过程：开启测氡仪器，外界的空气在抽气泵的作用下通过进气管道、干燥管和高效过滤器后被连续抽入测量室内，然后通过排气管排出到外界，测量室内的氡衰变产生新的子体218Po在高压模块强电场作用下就被吸附到半导体探测器表面，218Po进一步衰变释放的高能α粒子产生的电信号通过前置放大器放大后，再由计数及显示模块能量识别后计数，就可得到218Po的浓度，运用刻度模式计算方法从而得到氡浓度；

B、计算方法：本测氡仪器内设有两种模式，分别为刻度模式和快速跟踪氡浓度变化模式，其计算方法也分为刻度模式计算方法和快速跟踪氡浓度变化的计算方法，刻度模式算法如下：

设外界氡浓度恒定为C₀，测量室内氡浓度为C(t)，测量室内218Po的浓度为C_po(t)，描叙测量室内氡衰变链的微分方程为：

λ是氡的衰变常数，λ_po是218Po的衰变常数，测量室与外界抽气循环到一定时间后，可以认为C(t)＝C₀，式(2)改写为：

初值条件：C_po(0)＝0                             (4)

式(3)的解为：

当t足够大时有：C_po(t)＝C₀                       (6)

即，可由218Po的浓度反推得到氡的浓度，其特征是：快速跟踪氡浓度变化的计算方法如下：

设测量周期为T，第n个测量周期，外界氡浓度为常量C_n，测量室内氡浓度为C[(n-1)T+t]，测量室内218Po的浓度为C_Po[(n-1)T+t]，开始测量时测量室内氡浓度及218Po的浓度都为零，

测量室内与外界的氡浓度关系为：

L为泵的流率，V为测量室的体积，式(7)的解为：

测量室内218Po的浓度为：

将式(8)带入式(9)得：

式(10)的解为：

当t＝T，式(11)变化为： 

对式(10)在0-T区间积分得：

根据静电收集法测量原理式有：

Cⁿ为测氡仪器在刻度模式下第n个测量周期的读数，式(13)改写为：

比较式(12)、(15)得：

C_po(nT)可由式(12)得到，由式(8)可得：

由初始条件及式(12)、(16)、(17)就可递推得到任意测量周期的实际氡浓度。 

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