利用218Po、214Po总计数闭环式测量氡析出率的方法
技术领域
本发明涉及一种核辐射探测技术,特别是一种利用218Po、214Po总计数闭环式测量氡析出率的方法。
背景技术
氡析出率是指在单位时间内穿过单位面积的介质表面析出到空气中的氡的活度。测量介质表面的氡析出率是评价天然辐射水平和评价铀矿山退役治理是否合格的重要手段之一。累积法、开环式和活性炭吸附法是测量氡析出率的常用方法。活性炭吸附法需要较长的测量时间,不能很快得到测量结果;累积法就是在射气介质的表面扣一个集氡罩,周边用不透气的材料密封,被测介质表面析出的氡被集氡罩收集,罩内氡浓度随时间延长而增加,由此得到氡析出率。开环方式测量氡析出率,不需要考虑泄露和反扩散的影响,计算简单。使用累积法的静电收集式氡析出率仪以其简便迅速、可即时测量给出结果得到了较广泛的应用,该方法不从外界引入干净的空气,在测氡仪的测量室与集氡罩之间,空气闭环循环,可以简称闭环式。无论开环式还是闭环式测量氡析出率,对于低析出率介质,集氡罩内的氡浓度值偏低,统计涨落较大,使得氡析出率测量误差较大。
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利用218Po、214Po总计数闭环式测量氡析出率的方法。
本发明的技术方案是:一种利用218Po、214Po总计数闭环式测量氡析出率的方法,测量时将集氡罩扣在待测介质表面上,或将介质装入集氡罩内,由于介质内的氡原子在扩散与渗流作用下,逸出表面进入集氡罩,导致集氡罩内氡浓度变化。泵一直以恒定流率将集氡罩内的氡通过干燥管和滤膜滤除子体后泵入测氡仪的测量室,流率0.5-3升/分钟,使得测氡仪测量室内的氡浓度与集氡罩内的氡浓度平衡。
测氡仪测量室内有一半导体探测器,半导体探测器与二次仪表连接,利用能谱分辨来分别测量218Po、214Po衰变放出的α粒子计数。在测氡仪测量室底部及壁与半导体探测器之间加以50-300伏/厘米的电场,使得氡衰变后产生的带正电的218Po、214Po在电场作用下高速吸附到半导体探测器上,提高探测效率。
由于泵的流率较高,使得集氡罩与测氡仪测量室内的氡浓度近似同步变化,集氡罩的氡浓度的变化用式(1)描述:
(1)
J为被测介质表面氡析出率;S为集氡罩的底面积;V为空气循环总体积,包括集氡罩空间体积,管路空间体积和测氡仪测量室体积;λ为氡的衰变常数,λ为;C为集氡罩内积累t时刻的氡浓度;R为氡的泄漏和反扩散率。
令有效衰变常数;令环境氡浓度为,即t=0时,集氡罩内氡的浓度为。式(1)的解为:
(2)
氡在进入测氡仪测量室时其子体已被滤膜滤除,在测氡仪测量室内的氡衰变可描述为:
(3)
表示 218Po浓度,测量开始时; 是 218Po 衰变常数。
式 (3) 的解为:
(4)
当时间长于20min, 218Po与氡平衡,式(4)简化为:
(5)
为测氡仪的读数。氡浓度的测量原理来自式(5),将式(2)、代入式(3)就能得到测氡仪测量室中218Po衰变规律:
(6)
解得:
(7)
根据氡衰变链可以得到在测氡仪测量室中有:
(8)
(9)
、分别是214Pb、214Bi的浓度;、分别是214Pb、214Bi的衰变常数。214Bi衰变为214Po后,214Po半衰期只有164us,能够认为214Bi的浓度就是214Po的浓度。即:
(10)
初始测量时,214Pb、214Bi、214Po的浓度为0,式(7)、(8)、(10)解得:
(11)
(12)
测氡仪先在标准氡室中在氡与218Po、214Po达到平衡的条件下进行30-120分钟的测量校准,得到:
(13)
、分别为218Po、214Po衰变发射高能α粒子的单位时间计数;为标准氡室氡浓度;、为比例因子。由于对218Po、214Po衰变发射的不同能量高能α粒子探测效率差异较小,与及与近似相等。
测量周期分为短测量周期和长测量周期两种方案:
采用短测量周期测量时,测量周期T为2-10分钟。
由于测量周期较短,每个测量周期的平均计数率为该测量周期中点的计数率。对于第n个测量周期有:
(14)
、分别为218Po、214Po在第n个测量周期放射性衰变的计数率。将式(7)、(12)带入式(14),再依据式(14)对所有测量周期的数据进行非线性数据拟合就可以得到氡析出率。
采用长测量周期测量,测量周期为30分钟-300分钟,仅仅两个测量周期,分别为T1,T2。
(15)
(16)
这样,利用式(15)、(16)就可求解得到氡析出率。
本发明与现有技术相比具有如下特点:
本发明采用短测量周期测量或长测量周期测量,利用每个测量周期的218Po、214Po总计数,就可求得氡析出率。本发明提供的测量方法可以提高计数,减少统计涨落,提高测量精度。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的作进一步描述。
附图说明
附图1为介质表面测量过程示意图;
附图2为颗粒或块状物质测量过程示意图。
具体实施方式
实施例一、一种利用218Po、214Po总计数闭环式测量氡析出率的方法,本实施例采用短测量周期测量,测量时将集氡罩5扣在待测介质表面上,或将介质7、8装入集氡罩5内,由于介质内的氡原子在扩散与渗流作用下,逸出表面进入集氡罩5,导致集氡罩5内氡浓度变化。泵6一直以恒定流率将集氡罩5内的氡通过干燥管4和滤膜3滤除子体后泵入测氡仪的测量室2,流率0.5-3升/分钟,使得测氡仪测量室2内的氡浓度与集氡罩5内的氡浓度平衡。
测氡仪测量室2内有一半导体探测器9,半导体探测器9与二次仪表1连接,利用能谱分辨来分别测量218Po、214Po衰变放出的α粒子计数。在测氡仪测量室2底部及壁与半导体探测器9之间加以50-300伏/厘米的电场,使得氡衰变后产生的带正电的218Po、214Po在电场作用下高速吸附到半导体探测器9上,提高探测效率。
由于泵6的流率较高,使得集氡罩5与测氡仪测量室2内的氡浓度近似同步变化,集氡罩5的氡浓度的变化用式(1)描述:
(1)
J为被测介质表面氡析出率;S为集氡罩5的底面积;V为空气循环总体积,包括集氡罩5空间体积、管路空间体积和测氡仪测量室2体积;λ为氡的衰变常数,λ为;C为集氡罩5内积累t时刻的氡浓度;R为氡的泄漏和反扩散率。
令有效衰变常数;令环境氡浓度为,即t=0时,集氡罩5内氡的浓度为。式(1)的解为:
(2)
氡在进入测氡仪测量室2时其子体已被滤膜3滤除,在测氡仪测量室2内的氡衰变可描述为:
(3)
表示 218Po浓度,测量开始时; 是 218Po 衰变常数。
式 (3) 的解为:
(4)
当时间长于20min, 218Po与氡平衡,式(4)简化为:
(5)
为测氡仪的读数。氡浓度的测量原理来自式(5),将式(2)、代入式(3)就能得到测氡仪测量室2中218Po衰变规律:
(6)
解得:
(7)
根据氡衰变链可以得到在测氡仪测量室2中有:
(8)
(9)
、分别是214Pb、214Bi的浓度;、分别是214Pb、214Bi的衰变常数。214Bi衰变为214Po后,214Po半衰期只有164us,能够认为214Bi的浓度就是214Po的浓度。即:
(10)
初始测量时,214Pb、214Bi、214Po的浓度为0,式(7)、(8)、(10)解得:
(11)
(12)
测氡仪先在标准氡室中在氡与218Po、214Po达到平衡的条件下进行30-120分钟的测量校准,得到:
(13)
、分别为218Po、214Po衰变发射高能α粒子的单位时间计数;为标准氡室氡浓度;、为比例因子。由于对218Po、214Po衰变发射的不同能量高能α粒子探测效率差异较小,与及与近似相等。
采用短测量周期测量,测量周期T为2-10分钟。
由于测量周期较短,每个测量周期的平均计数率为该测量周期中点的计数率。对于第n个测量周期有:
(14)
、分别为218Po、214Po在第n个测量周期放射性衰变的计数率。将式(7)、(12)带入式(14),再依据式(14)对所有测量周期的数据进行非线性数据拟合就可以得到氡析出率。
实施例二、一种利用218Po、214Po总计数闭环式测量氡析出率的方法,本实施例采用长测量周期测量,测量时将集氡罩5扣在待测介质表面上,或将介质7、8装入集氡罩5内,由于介质内的氡原子在扩散与渗流作用下,逸出表面进入集氡罩5,导致集氡罩5内氡浓度变化。泵6一直以恒定流率将集氡罩5内的氡通过干燥管4和滤膜3滤除子体后泵入测氡仪的测量室2,流率0.5-3升/分钟,使得测氡仪测量室2内的氡浓度与集氡罩5内的氡浓度平衡。
测氡仪测量室2内有一半导体探测器9,半导体探测器9与二次仪表1连接,利用能谱分辨来分别测量218Po、214Po衰变放出的α粒子计数。在测氡仪测量室2底部及壁与半导体探测器9之间加以50-300伏/厘米的电场,使得氡衰变后产生的带正电的218Po、214Po在电场作用下高速吸附到半导体探测器9上,提高探测效率。
由于泵6的流率较高,使得集氡罩5与测氡仪测量室2内的氡浓度近似同步变化,集氡罩5的氡浓度的变化用式(1)描述:
(1)
J为被测介质表面氡析出率;S为集氡罩5的底面积;V为空气循环总体积,包括集氡罩5空间体积、管路空间体积和测氡仪测量室2体积;λ为氡的衰变常数,λ为;C为集氡罩5内积累t时刻的氡浓度;R为氡的泄漏和反扩散率。
令有效衰变常数;令环境氡浓度为,即t=0时,集氡罩5内氡的浓度为。式(1)的解为:
(2)
氡在进入测氡仪测量室2时其子体已被滤膜3滤除,在测氡仪测量室2内的氡衰变可描述为:
(3)
表示 218Po浓度,测量开始时; 是 218Po 衰变常数。
式 (3) 的解为:
(4)
当时间长于20min, 218Po与氡平衡,式(4)简化为:
(5)
为测氡仪的读数。氡浓度的测量原理来自式(5),将式(2)、代入式(3)就能得到测氡仪测量室2中218Po衰变规律:
(6)
解得:
(7)
根据氡衰变链可以得到在测氡仪测量室2中有:
(8)
(9)
、分别是214Pb、214Bi的浓度;、分别是214Pb、214Bi的衰变常数。214Bi衰变为214Po后,214Po半衰期只有164us,能够认为214Bi的浓度就是214Po的浓度。即:
(10)
初始测量时,214Pb、214Bi、214Po的浓度为0,式(7)、(8)、(10)解得:
(11)
(12)
测氡仪先在标准氡室中在氡与218Po、214Po达到平衡的条件下进行30-120分钟的测量校准,得到:
(13)
、分别为218Po、214Po衰变发射高能α粒子的单位时间计数;为标准氡室氡浓度;、为比例因子。由于对218Po、214Po衰变发射的不同能量高能α粒子探测效率差异较小, 与及与近似相等。
采用长测量周期测量,测量周期为30分钟-300分钟,仅仅两个测量周期,分别为T1,T2。
(15)
(16)
这样,利用式(15)、(16)就可求解得到氡析出率。