CN102141527A - 采用0阶近似快速测量氡浓度的方法 - Google Patents

采用0阶近似快速测量氡浓度的方法 Download PDF

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一种采用0阶近似快速测量氡浓度的方法，它包括测量和计算。先将测氡仪器工作于刻度模式下，在标准氡室中利用较长时间的218Po峰的计数反推氡浓度，得到刻度因子，这样其相当于一台工作于sniff模式的RAD7测氡仪；再将氡测量装置切换到0阶近似模式，设置好测量周期和循环次数，开启测氡仪器后，外界的空气通过一个高效过滤器过滤氡子体后被连续抽入测量室内，然后再排出到外界；测量室内的氡衰变产生新的子体218Po在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能量识别后计数，就可得到218Po的浓度，从而得到氡浓度；测量得到的氡浓度数据，再运用具体算法计算，就能快速测量氡浓度变化。

Description

采用0阶近似快速测量氡浓度的方法
技术领域
本发明涉及一种核辐射探测技术，特别是采用0阶近似快速测量氡浓度的方法。
背景技术
氡是铀衰变产生的放射性惰性气体，当人们吸入氡后，氡及其子体产物沉积在呼吸道和肺部，造成辐射损伤，并可导致癌症。寻找铀矿的物探工作者也将氡监测作为一种重要的找矿方法。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。静电收集法（如RAD7）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。但是当前测量氡浓度的变化响应比较慢，人们发现在使用大干燥管时，RAD7一般需要40分钟后才能测量得到标准氡室的浓度。虽然使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。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种在泵的流率较高的条件下的氡浓度的测量方法。当测氡仪器的内置泵或外置泵的流率较高时，可以近似认为静电收集法测氡仪测量室内的氡浓度与外界环境氡浓度变化相同，对静电收集法测氡仪测量室内的氡浓度变化进行0阶近似，从而快速得到外界环境氡浓度。该方法解决了氡浓度变化时，当前测量仪器响应较慢的问题，得到的较准确的测量结果。
本发明的技术方案是：一种采用0阶近似快速测量氡浓度的方法，它包括测量和计算：
A、测量过程：开启测氡仪器，测氡仪器的内置泵4将外界的空气通过管道1和高效过滤器3过滤氡子体后连续抽入测量室7内，然后通过排气管8再排出到外界。测量室7的上部有一个半导体探测器6，在测量室7腔体到半导体探测器6之间通过高压模块5加上2000-3000V的电压，形成强电场。空气中的氡被高效过滤器3滤除子体后进入测量室7，会衰变产生新的子体，这些子体带正电，在强电场作用下就被吸附到半导体探测器6表面，被吸附的子体再次衰变后放出的高能α粒子打到半导体探测器6内，产生电信号，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，就可得到一个测量周期内氡衰变链上不同子体衰变的次数，由此可以反推氡的浓度。由于空气中的水蒸气分子一般带负电，高湿度的空气会影响带正电的氡子体吸附到半导体探测器6表面的效率，从而影响测量结果的准确性。可以采取在高效过滤器3前加一个干燥管2，或者利用温度、湿度曲线进行修正。
测氡仪器内设有两种模式，分别为刻度模式和0阶近似模式。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。0阶近似模式与刻度模式的测量原理和方法相同，但是使用了改进的算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。
先将测氡仪器工作于刻度模式下，在标准氡室中利用较长时间的218Po峰的计数反推氡浓度，得到刻度因子，这样其相当于一台工作于sniff模式的RAD7测氡仪。再将氡测量装置切换到0阶近似模式，设置好测量周期和循环次数，开启测氡仪器后，外界的空气通过一个高效过滤器过滤氡子体后被连续抽入测量室内，然后再排出到外界。测量室内的氡衰变产生新的子体218Po在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能量识别后计数，就可得到218Po的浓度，从而得到氡浓度。测量得到的氡浓度数据，再运用以下具体算法计算，就能快速得到氡浓度。
B、计算方法：
一、     刻度模式：
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                                                
Figure 2010106078213100002DEST_PATH_IMAGE001
，描叙测量室内氡衰变链的微分方程为：
Figure 980964DEST_PATH_IMAGE002
                      （1）
          （2）
Figure 698385DEST_PATH_IMAGE004
是氡的衰变常数，
Figure 2010106078213100002DEST_PATH_IMAGE005
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：
Figure 31277DEST_PATH_IMAGE006
            （3）
初值条件：
Figure 2010106078213100002DEST_PATH_IMAGE007
                            （4）
式（3）的解为：
Figure 219551DEST_PATH_IMAGE008
                   （5）
当t足够大时有：
Figure 2010106078213100002DEST_PATH_IMAGE009
                             （6）
即可由218Po的浓度反推得到氡的浓度。
二、0阶近似模式：
设测量周期为T；运用0阶线性近似，第n个测量周期，则测量室内氡浓度为：
       
Figure 2010106078213100002DEST_PATH_IMAGE011
     
Figure 184413DEST_PATH_IMAGE012
       （7）
使用小干燥管且泵的流率非常高，可以忽略体积延迟，测量室内的氡浓度可用式（7）来描叙。
第n个测量周期，测量室内218Po的浓度为
Figure 2010106078213100002DEST_PATH_IMAGE013
。测量周期开始时测量室内218Po的浓度为
Figure 819531DEST_PATH_IMAGE014
。
Figure 2010106078213100002DEST_PATH_IMAGE015
                  （8）
式（8）的解为：
               （9）
当t=T，式（9）变化为：
Figure 2010106078213100002DEST_PATH_IMAGE017
                     （10）
对式（8）在0-T区间积分得：
Figure 357140DEST_PATH_IMAGE018
        （11）
根据静电收集法测量原理式（6）有:
                                    （12）
Figure 49152DEST_PATH_IMAGE020
为测氡仪在第n个测量周期的测量值读数。
将式（12）代入式（11）：
Figure 2010106078213100002DEST_PATH_IMAGE021
                        （13）
比较式（13）、（10）得：
Figure 222382DEST_PATH_IMAGE022
                            （14）
由式（10）可得
Figure 2010106078213100002DEST_PATH_IMAGE023
。由初始条件及式（10）、（14）就可递推得到任意测量周期的测量室内实际氡浓度。泵的流率较大，就可以认为得到任意测量周期的外界实际氡浓度。
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
一种采用0阶近似快速测量氡浓度的方法，它包括测量和计算：
A、测量过程：开启测氡仪器，测氡仪器的内置泵4将外界的空气通过管道1和高效过滤器3过滤氡子体后连续抽入测量室7内，然后通过排气管8再排出到外界。测量室7的上部有一个半导体探测器6，在测量室7腔体到半导体探测器6之间通过高压模块5加上2000-3000V的电压，形成强电场。空气中的氡被高效过滤器3滤除子体后进入测量室，会衰变产生新的子体，这些子体带正电，在强电场作用下就被吸附到半导体探测器6表面，被吸附的子体再次衰变后放出的高能α粒子打到半导体探测器6内，产生电信号，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，就可得到一个测量周期内氡衰变链上不同子体衰变的次数，由此可以反推氡的浓度。由于空气中的水蒸气分子一般带负电，高湿度的空气会影响带正电的氡子体吸附到半导体探测器6表面的效率，从而影响测量结果的准确性。可以采取在高效过滤器3前加一个干燥管2，或者利用温度、湿度曲线进行修正。本实施例采用一个小氡室，参考值为23652Bq/m3。使用一台刻度因子为1.08的RAD7，使用小干燥管来测量氡的浓度。测量周期为8分钟，循环次数为4。测量室内的体积为0.7升，
Figure 683451DEST_PATH_IMAGE005
 =0.0037s-1。
B、计算方法：
将实验的相关参数带入式（10）、（14），式（10）、（14）变化为：
Figure 50978DEST_PATH_IMAGE024
                     （15）
                            （16）
对测量得到的数据，乘上刻度因子，然后用式（15）、（16）修正后就可得到修正后的氡浓度值。测量数据及修正后的数据见表1。
表1  氡浓度测量数据（已乘上刻度因子）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 9093.6 8121.6 9585 17085 15258 18008
2 19548 20088 20736 24255 26602 25813
3 21330 22410 21006 20257 20798 18397
4 22734 21654 22356 24569 21893 25005
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低于参考值，这是由于RAD7的泵的流率较低和进气管道和小干燥管空隙体积的延迟造成的。如果测氡仪泵的流率较高，且不采用干燥管，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)

1.一种采用0阶近似快速测量氡浓度的方法，测氡仪器内设有刻度模式，通过刻度模式测量方法和计算方法得到刻度因子；
刻度模式测量方法：
开启测氡仪器，测氡仪器的气泵将外界的空气通过管道和高效过滤器过滤氡子体后连续抽入测量室内，然后通过排气管再排出到外界，利用30～60分钟的218Po峰的计数反推氡浓度，得到刻度因子；
刻度模式计算方法：
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                                                
Figure 2010106078213100001DEST_PATH_IMAGE001
，描叙测量室内氡衰变链的微分方程为：
Figure 513368DEST_PATH_IMAGE002
                      （1）
Figure 2010106078213100001DEST_PATH_IMAGE003
          （2）
Figure 726174DEST_PATH_IMAGE004
是氡的衰变常数，
Figure 2010106078213100001DEST_PATH_IMAGE005
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：
            （3）
初值条件：
                            （4）
式（3）的解为：
Figure 16396DEST_PATH_IMAGE008
                   （5）
当t足够大时有：
Figure 2010106078213100001DEST_PATH_IMAGE009
                             （6）
即可由218Po的浓度反推得到氡的浓度；
其特征是：测氡仪器内设有0阶近似模式，通过0阶近似模式测量方法和计算方法得到氡浓度，0阶近似模式测量方法与刻度模式的测量方法相同，但是使用了改进的0阶近似模式算法对得到的数据进行了重新处理，能够连续快速测量氡浓度变化；
0阶近似模式计算方法：
设测量周期为T；运用0阶近似，第n个测量周期，则测量室内氡浓度为：
Figure 683001DEST_PATH_IMAGE010
       
Figure DEST_PATH_IMAGE011
            （7）
使用小干燥管且泵的流率非常高，可以忽略体积延迟，测量室内的氡浓度可用式（7）来描叙；
第n个测量周期，测量室内218Po的浓度为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，测量周期开始时测量室内218Po的浓度为
Figure DEST_PATH_IMAGE015
                  （8）
式（8）的解为：
Figure 343024DEST_PATH_IMAGE016
               （9）
当t=T，式（9）变化为：                    
                     （10）
对式（8）在0-T区间积分得：
Figure 231346DEST_PATH_IMAGE018
        （11）
根据静电收集法测量原理式（6）有：
Figure 2010106078213100001DEST_PATH_IMAGE019
                                    （12）
Figure 51534DEST_PATH_IMAGE020
为测氡仪在第n个测量周期的测量值读数；
将式（12）代入式（11）：
                        （13）
比较式（13）、（10）得：
Figure 840236DEST_PATH_IMAGE022
                            （14）
由式（10）可得
Figure 2010106078213100001DEST_PATH_IMAGE023
；由初始条件及式（10）、（14）就可递推得到任意测量周期的测量室内实际氡浓度；泵的流率较大，就可以认为得到任意测量周期的外界实际氡浓度。
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Application publication date: 20110803

Assignee: Tan Yanliang

Assignor: Hengyang Normal University

Contract record no.: 2013430000070

Denomination of invention: Method for rapidly measuring radon concentration by zero-order approximation

Granted publication date: 20121114

License type: Exclusive License

Record date: 20130517

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Granted publication date: 20121114

Termination date: 20151228

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