CN103116179B - 不受环境温、湿度影响的静电收集法测量氡的方法及装置 - Google Patents

不受环境温、湿度影响的静电收集法测量氡的方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种不受环境温、湿度影响的静电收集法测量氡的方法及装置，它是通过降低静电收集测量腔内的气压到某个阈值之下，使得在0-45度工作温度范围，外界环境空气相对湿度在0%-100%变化时，静电收集测量腔对带正电的218Po粒子收集到探测器表面的收集效率基本不变，使得探测效率不随外界环境的温、湿度变化而变化，该阈值由测量腔几何因子和测量腔内的电场强度分布有关。所述的装置由测量腔、半导体探测器、高压模块、采样泵、真空表及调节阀组成。调节阀安装在腔体的进气管道上，真空表和采样泵依次安装在测量腔的出气管道上，半导体探测器安装在测量腔内的上部，半导体探测器通过导线与高压模块的接口端连接，高压模块的另一接口端通过导线与测量腔外壳连接。

Description

不受环境温、湿度影响的静电收集法测量氡的方法及装置
技术领域
本发明涉及核辐射探测技术领域，特别是一种采用不受环境温、湿度影响的静电收集法来测量氡的方法及装置。
背景技术
环境中的氡（222Rn）是人类所受天然辐射的主要来源。基于不同测量原理的氡测量方法和仪器有多种，其中静电收集法测氡仪由于其自动化程度高，具有能谱分辨能力排出220Rn的干扰而得到了广泛的应用。静电收集法测氡仪的测量腔上部有一个半导体探测器，在测量腔壁和半导体探测器之间加上高电压，形成静电场，氡被滤除子体后随环境中的空气被泵入测量腔，在测量腔内继续衰变，产生带正电的218Po，带正电的218Po在静电场的作用下被收集到半导体探测器的表面。收集过程中，带正电的218Po与空气中的分子、离子碰撞，如果与带负电的OH-离子碰撞就有可能复合成电中性的粒子，不能被静电场收集到半导体探测器的表面，使得探测效率降低。为了提高探测效率，RAD7测氡仪采用一个干燥管来干燥空气，使空气的相对湿度低于10%，当空气的相对湿度低于10%时，探测效率就不受影响；还有一种方案是使用温湿度曲线来修正探测效率。这两种校准静电收集法测氡仪的探测效率的方法都有一些局限性。
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采用不受环境温、湿度影响的静电收集法来测量氡的方法及装置。
本发明的技术方案是：一种不受环境温、湿度影响的静电收集法测量氡的方法，它是通过降低静电收集测量腔内的气压到某个阈值之下，使得在0-45度工作温度范围，外界环境空气相对湿度在0%-100%变化时，静电收集测量腔对带正电的218Po粒子收集到探测器表面的收集效率基本不变，使得探测效率不随外界环境的温、湿度变化而变化，该阈值由测量腔几何因子和测量腔内的电场强度分布有关。
采用RAD7测氡仪测量氡浓度时，在RAD7测氡仪测量腔的进气管道上设置一个调节阀，在测量腔的出气管道上设置一个采样泵，通过调节阀调节测量腔的气压，将测量腔内的气压降到1/m个大气压后再采用静电收集法测量氡浓度。其中m为有理数，根据不同测量腔几何因子及电场强度及分布条件取不同的值。对于常规的静电收集法的测量腔，其内部气压及温、湿度与外界相同，由于其在常温00-450下及测量腔的腔体内空气相对湿度≤x%时，其探测效率基本恒定，在测量腔腔体及半导体探测器之间所加高压电压为U，在该腔体任取一点Q，带正电的218Po离子从该点漂移到半导体探测器的距离为L，收集时间为t，平均漂移速度为V，与空气中带负电荷离子的平均碰撞频率为η，平均漂移速度远低于热运动率，碰撞频率由热运动速率决定，在收集时间t内总碰撞次数为ηt。由于OH-离子浓度与水蒸气浓度的平方根成正比，将测量腔内的气压降到1/m个大气压，则在该腔体内的任一点的带正电的218Po离子的平均漂移速度为mV，收集时间变为t/m，外界环境空气相对湿度为y%，与测量腔内空气中带负电荷OH-离子的平均碰撞频率为在收集时间内总碰撞次数为
那么当： ηt y / ( mx ) / m ≤ ηt - - - ( 1 )
即： m ≥ y / x 3 - - - ( 2 )
由于其他不确定因素的影响，m值的误差范围可定为20%。
通过调节阀调节测量腔气压满足式（2）的条件就能使测量腔内的218Po离子在外界环境空气相对湿度为100%的条件下被静电场的收集效率高于或等于原型测量腔；原型测量腔在相对湿度≤x%时的探测效率基本恒定，那么低压测量腔在相对湿度≤y%时的探测效率也基本恒定，空气的相对湿度不可能高于100%，因此调节测量腔的气压满足式（2）的条件，其探测效率就不受环境温湿度影响。
本发明还提供了一种不受环境温、湿度影响的静电收集法测量氡的装置及采用该装置测量氡浓度时的参数调节方法。该装置由测量腔、半导体探测器、高压模块、采样泵、真空表及调节阀组成。调节阀安装在腔体的进气管道上，真空表和采样泵依次安装在测量腔的出气管道上，半导体探测器安装在测量腔内的上部，半导体探测器通过导线与高压模块的接口端连接，高压模块的另一接口端通过导线与测量腔外壳连接。
上述装置的参数调节具体步骤如下：
 A、打开调节阀和泵，引入氡室的空气，使得测量腔内的空气湿度及氡浓度与氡室内相同，调节高压模块的输出电压，利用二次仪表得到半导体探测器测量到的218Po衰变计数率，计数率随电压的升高而升高，当继续调高电压而计数率基本不变时，停止调节高压模块的电压。
B、将氡室的空气通过一个高效干燥器后，再进入测量腔，使测量腔内空气相对湿度近似为零，利用二次仪表得到半导体探测器测量到的218Po衰变计数率A。
C、去掉高效干燥器，将氡室的空气通过一个高效加湿器后，再进入测量腔，使测量腔内空气相对湿度为100%，调节调节阀，降低测量腔内的气压为1/m个大气压，利用二次仪表得到半导体探测器测量到的218Po衰变计数率。当该计数率接近于A/m，停止调节调节阀，利用二次仪表对半导体探测器测量得到的218Po衰变计数进行分析计算得到氡的浓度，此时测量腔的探测效率不受环境温、湿度影响。
本发明进一步的技术方案是：在测量腔的进气管道上增加一个不用干燥剂的双层干燥管来对入口的空气进行预干燥，然后再将干燥后的空气引入测量腔，双层干燥管内层管壁的出气口与调节阀上的进气管道连接，测量腔上的出气管道通过管道与双层干燥管外层管壁上的进气口连接。内层管壁采用强吸水性材料（Nafion）制成，含氡的空气通过内层管壁进入测量腔之前，由于内层管壁的强吸水作用，湿度降低，进入测量腔后的干燥空气又回送到外层管壁内，通过外层管壁上的排气口将内层管壁输送来的水蒸气带走。双层干燥管越长，干燥效果越好。
上述装置的参数调节具体步骤如下：
A、先去掉双层干燥管，打开调节阀和泵，引入氡室的空气，使得测量腔内的空气湿度及氡浓度与氡室内相同，调节高压模块的输出电压，利用二次仪表得到半导体探测器测量到的218Po衰变计数率，计数率随电压的升高而升高，当继续调高电压而计数率基本不变时，停止调节高压模块的电压。
B、将氡室的空气通过一个高效干燥器后，再进入测量腔，使测量腔内空气相对湿度近似为零，利用二次仪表得到半导体探测器测量到的218Po衰变计数率A。
C、去掉高效干燥器，连接双层干燥管，将氡室的空气通过一个高效加湿器后，相对湿度为100%的空气先通过双层干燥管,再进入测量腔，调节调节阀，降低测量腔内的气压为1/m个大气压，利用二次仪表得到半导体探测器测量到的218Po衰变计数率。当该计数率接近于A/m，停止调节调节阀，利用二次仪表对半导体探测器测量得到的218Po衰变计数进行分析计算得到氡的浓度，此时测量腔的探测效率不受环境温、湿度影响。
本发明与现有技术相比具有如下特点：
1、通过调节测量腔的气压，使测量腔的气压满足式（2）的条件，其探测效率就不受环境温、湿度的影响。
2、本发明提供测量装置结构简单，使用方便。
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为带有调节阀和采样泵的RAD7测氡仪测量腔结构示意图，图中的箭头表示进气和出气；
附图2为本发明提供的静电收集法测量装置结构示意图，图中的箭头表示进气和出气；
附图3为带有双层干燥管的静电收集法测量装置结构示意图，图中的箭头表示进气和出气。
具体实施方式
实施例一、一种不受环境温、湿度影响的静电收集法测量氡的方法，本实施例采用RAD7测氡仪测量氡浓度， RAD7测氡仪的测量腔8如附图1所示，其底部为半球型，上部为圆柱型，测量腔8的体积约为0.7升。在测量腔8的进气管道上设有一个调节阀6，在测量腔8的出气管道上设有一个采样泵4。对于RAD7测氡仪，在一个大气压下，测量腔8的腔体内空气相对湿度x%低于10%后，其探测效率基本不变。设外界环境空气相对湿度y%低于100%，带入相关参数，根据式（2）可解得： m ≥ y / x 3 = m ≥ 100 / 10 3 = m ≥ 2.15 , 即测量腔8内气压要降到0.46个大气压左右才能使该测量腔8的探测效率不受环境温、湿度影响。通过调节阀6将测量腔8内的气压降低到0.46个大气压，则测量腔8内的空气在一个大气压下的实际体积约为0.32升。
实施例二、一种不受环境温、湿度影响的静电收集法测量氡的方法，本实施例采用RAD7测氡仪测量氡浓度， RAD7测氡仪的测量腔8如附图1所示，其底部为半球型，上部为圆柱型，测量腔体积约为0.7升。在测量腔8的进气管道上设有一个调节阀6，在测量腔8的出气管道上设有一个采样泵4。对于RAD7测氡仪，在一个大气压下，测量腔8的腔体内空气相对湿度x%低于10%后，其探测效率基本不变。设外界环境空气相对湿度y%低于100%，利用预干燥系统，使得进入测量腔8之前的外界环境空气相对湿度y%低于30%。带入相关参数，根据式（2）可解得： m ≥ y / x 3 = m ≥ 30 / 10 3 = m ≥ 1.44 , 即测量腔8内气压要降到0.69个大气压左右才能使测量腔8的探测效率不受环境温、湿度影响。通过调节阀6将测量腔8内的气压降低到0.69个大气压，则测量腔内的空气在一个大气压下的实际体积约为0.48升。
实施例三、一种不受环境温、湿度影响的静电收集法测量氡的装置，由测量腔1、半导体探测器2、高压模块3、采样泵4、真空表5及调节阀6组成。调节阀6安装在腔体1的进气管道上，真空表5和采样泵4依次安装在测量腔1的出气管道上，半导体探测器2安装在测量腔1内的上部，半导体探测器2通过导线与高压模块3的接口端连接，高压模块3的另一接口端通过导线与测量腔1外壳连接。
上述装置的参数调节具体步骤如下：
 A、打开调节阀6和泵4，引入氡室的空气，使得测量腔1内的空气湿度及氡浓度与氡室内相同，调节高压模块3的输出电压，利用二次仪表得到半导体探测器2测量到的218Po衰变计数率，计数率随电压的升高而升高，当继续调高电压而计数率基本不变时，停止调节高压模块3的电压。
B、将氡室的空气通过一个高效干燥器后，再进入测量腔1，使测量腔1内空气相对湿度近似为零，利用二次仪表得到半导体探测器2测量到的218Po衰变计数率A。
C、去掉高效干燥器，将氡室的空气通过一个高效加湿器后，再进入测量腔1，使测量腔1内空气相对湿度为100%，调节调节阀6，降低测量腔1内的气压为1/m个大气压，利用二次仪表得到半导体探测器2测量到的218Po衰变计数率。当该计数率接近于A/m，停止调节调节阀6，利用二次仪表对半导体探测器2测量得到的218Po衰变计数进行分析计算得到氡的浓度，此时测量腔1的探测效率不受环境温、湿度影响。
实施例四、一种不受环境温、湿度影响的静电收集法测量氡的装置，由测量腔1、半导体探测器2、高压模块3、采样泵4、真空表5、调节阀6及双层干燥管7组成。调节阀6安装在腔体1的进气管道上，真空表5和采样泵4依次安装在测量腔1的出气管道上，半导体探测器2安装在测量腔1内的上部，半导体探测器2通过导线与高压模块3的接口端连接，高压模块3的另一接口端通过导线与测量腔1外壳连接，双层干燥管7内层管壁7-2的出气口与调节阀6上的进气管道连接，测量腔1上的出气管道通过管道与双层干燥管7外层管壁7-1上的进气口连接。内层管壁7-2采用强吸水性材料（Nafion）制成，含氡的空气通过内层管壁7-2进入测量腔1之前，由于内层管壁7-2的强吸水作用，湿度降低，进入测量腔1后的干燥空气又回送到外层管壁7-2内，通过外层管壁7-1上的排气口将内层管壁7-2带来的水蒸气带走。双层干燥管7越长，干燥效果越好。
上述装置的参数调节具体步骤如下：
A、先去掉双层干燥管7，打开调节阀6和泵4，引入氡室的空气，使得测量腔1内的空气湿度及氡浓度与氡室内相同，调节高压模块3的输出电压，利用二次仪表得到半导体探测器2测量到的218Po衰变计数率，计数率随电压的升高而升高，当继续调高电压而计数率基本不变时，停止调节高压模块3的电压。
B、将氡室的空气通过一个高效干燥器后，再进入测量腔1，使测量腔1内空气相对湿度近似为零，利用二次仪表得到半导体探测器2测量到的218Po衰变计数率A。
C、去掉高效干燥器，连接双层干燥管7，将氡室的空气通过一个高效加湿器后，相对湿度为100%的空气先通过双层干燥管7，再进入测量腔1，调节调节阀6，降低测量腔1内的气压为1/m个大气压，利用二次仪表得到半导体探测器2测量到的218Po衰变计数率。当该计数率接近于A/m，停止调节调节阀6，利用二次仪表对半导体探测器2测量得到的218Po衰变计数进行分析计算得到氡的浓度，此时测量腔1的探测效率不受环境温、湿度影响。

Claims (6)

1.一种不受环境温、湿度影响的静电收集法测量氡的方法，其特征是：它是通过降低静电收集测量腔内的气压到某个阈值之下，使得在0-45度工作温度范围，外界环境空气相对湿度在0%-100%变化时，静电收集测量腔对带正电的218Po粒子收集到探测器表面的收集效率基本不变，使得探测效率不随外界环境的温、湿度变化而变化，该阈值由测量腔几何因子和测量腔内的电场强度分布有关。
2.根据权利要求1所述的一种不受环境温、湿度影响的静电收集法测量氡的方法，其特征是：采用RAD7测氡仪测量氡浓度时，在RAD7测氡仪测量腔的进气管道上设置一个调节阀，在测量腔的出气管道上设置一个采样泵，通过调节阀调节测量腔的气压，将测量腔内的气压降到1/m个大气压后再采用静电收集法测量氡浓度；其中m为有理数，根据不同测量腔几何因子及电场强度及分布条件取不同的值；对于常规的静电收集法的测量腔，其内部气压及温、湿度与外界相同，由于其在常温0-45度下及测量腔的腔体内空气相对湿度≤x%时，其探测效率基本恒定，在测量腔腔体及半导体探测器之间所加高压电压为U，在该腔体任取一点Q，带正电的218Po离子从该点漂移到半导体探测器的距离为L，收集时间为t，平均漂移速度为V，与空气中带负电荷离子的平均碰撞频率为                                                ，平均漂移速度远低于热运动率，碰撞频率由热运动速率决定，在收集时间t内总碰撞次数为t；由于OH-离子浓度与水蒸气浓度的平方根成正比，将测量腔内的气压降到1/m个大气压，则在该腔体内的任一点的带正电的218Po离子的平均漂移速度为mV，收集时间变为t/m，外界环境空气相对湿度为y%，与测量腔内空气中带负电荷OH-离子的平均碰撞频率为，在收集时间内总碰撞次数为；
     那么当：             （1）
     即：                      （2）
    由于其他不确定因素的影响，m值的误差范围为20%；
通过调节阀调节测量腔气压满足式（2）的条件就能使测量腔内的218Po离子在外界环境空气相对湿度为100%的条件下被静电场收集的收集效率高于或等于原型测量腔；原型测量腔在相对湿度≤x%时的探测效率基本恒定，那么低压测量腔在相对湿度≤y%时的探测效率也基本恒定，空气的相对湿度不可能高于100%，因此调节测量腔的气压满足式（2）的条件，其探测效率就不受环境温湿度影响。
3.一种不受环境温、湿度影响的静电收集法测量氡的装置，其特征是：由测量腔、半导体探测器、高压模块、采样泵、真空表及调节阀组成，调节阀安装在腔体的进气管道上，真空表和采样泵依次安装在测量腔的出气管道上，半导体探测器安装在测量腔内的上部，半导体探测器通过导线与高压模块的接口端连接，高压模块的另一接口端通过导线与测量腔外壳连接。
4.根据权利要求3所述的一种不受环境温、湿度影响的静电收集法测量氡的装置，其特征是：在测量腔的进气管道上增加一个不用干燥剂的双层干燥管来对入口的空气进行预干燥，然后再将干燥后的空气引入空气测量腔，双层干燥管内层管壁的出气口与调节阀上的进气管道连接，测量腔上的出气管道通过管道与双层干燥管外层管壁上的进气口连接。
5.根据权利要求3所述的一种不受环境温、湿度影响的静电收集法测量氡的装置的参数调节方法，其特征是：具体步骤如下：
A、打开调节阀和泵，引入氡室的空气，使得测量腔内的空气湿度及氡浓度与氡室内相同，调节高压模块的输出电压，利用二次仪表得到半导体探测器测量到的218Po衰变计数率，计数率随电压的升高而升高，当继续调高电压而计数率基本不变时，停止调节高压模块的电压；
B、将氡室的空气通过一个高效干燥器后，再进入测量腔，使测量腔内空气相对湿度近似为零，利用二次仪表得到半导体探测器测量到的218Po衰变计数率A；
C、去掉高效干燥器，将氡室的空气通过一个高效加湿器后，再进入测量腔，使测量腔内空气相对湿度为100%，调节调节阀，降低测量腔内的气压为1/m个大气压，利用二次仪表得到半导体探测器测量到的218Po衰变计数率，当该计数率接近于A/m，停止调节调节阀，利用二次仪表对半导体探测器测量得到的218Po衰变计数进行分析计算得到氡的浓度，此时测量腔的探测效率不受环境温、湿度影响。
6.根据权利要求4所述的一种不受环境温、湿度影响的静电收集法测量氡的装置的参数调节方法，其特征是：具体步骤如下： 
A、先去掉双层干燥管，打开调节阀和泵，引入氡室的空气，使得测量腔内的空气湿度及氡浓度与氡室内相同，调节高压模块的输出电压，利用二次仪表得到半导体探测器测量到的218Po衰变计数率，计数率随电压的升高而升高，当继续调高电压而计数率基本不变时，停止调节高压模块的电压；
B、将氡室的空气通过一个高效干燥器后，再进入测量腔，使测量腔内空气相对湿度近似为零，利用二次仪表得到半导体探测器测量到的218Po衰变计数率A；
C、去掉高效干燥器，连接双层干燥管，将氡室的空气通过一个高效加湿器后，相对湿度为100%的空气先通过双层干燥管，再进入测量腔，调节调节阀，降低测量腔内的气压为1/m个大气压，利用二次仪表得到半导体探测器测量到的218Po衰变计数率；当该计数率接近于A/m，停止调节调节阀，利用二次仪表对半导体探测器测量得到的218Po衰变计数进行分析计算得到氡的浓度，此时测量腔的探测效率不受环境温、湿度影响。
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