CN105067789B - 一种开环式原位测量水体氡析出率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开环式原位测量水体氡析出率的方法和装置。该装置在水面托架中心有一个略大于集氡罩横截面直径的开孔，在开孔周围装有用来固定集氡罩的螺丝；水面托架外围的三个浮标呈三角形均匀分布。集氡罩的顶部有进气口和出气口，集氡罩表面有用于测量集氡罩内空气体积的刻度线。通过水面托架的中间连接件连接集氡罩，使集氡罩能够很好的与待测水体形成密闭空间。通过测量仪器测得不同时刻集氡罩内的氡浓度，最后依据测氡析出率的计算公式得到水体氡析出率。

Description

一种开环式原位测量水体氡析出率的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种开环式原位测量水体氡析出率的方法和装置。

背景技术

在我国现阶段的整个铀矿冶生产系统中，存在着大量的含有放射性水体的场所和工艺设施。在常规铀矿开采中，由于所采矿体的特殊性，导致井下的水沟、水仓以及水泵房等排水设施中的水体均有不同程度的氡析出，这些场所水体析出的氡扩散到井下空气中，危害着井下作业人员的身体健康。此外，在地浸和堆浸铀矿山集液池和配液池，以及地浸铀矿山的蒸发池，水体中溶解有高浓度的氡或由镭衰变形成的自由氡。浸出液自抽液孔抽出时，挟带和溶解了大量的氡气体，这些浸出液经抽液支管输送到集液池后，大量的氡气体释放到大气中导致环境污染。蒸发池中的废液蒸发时，其中溶解的氡随之挥发，析出的氡也对周边空气环境造成了一定程度的污染。同时，由于我国铀矿石品位均比较低，铀矿开采产生了大量的铀尾矿，铀尾矿库表面长期的积水中溶解的镭以及氡等物质，这类放射性水体氡的析出产生的环境空气污染问题同样值得关注。由于上述这些场所以及工艺设施规模较大，其形成的放射性水体中氡向环境空气的释放量值对铀矿冶工作人员以及周围公众造成的危害不容忽视。然而，在我国现阶段铀矿冶放射性水体的研究中，尚未有关于放射性水体氡析出方面的测量装置。

现有技术CN104614753A的技术方案，（1）测量操作简便；（2）能快速响应固体介质表面氡析出率的变化情况。现有技术CN104614753A的缺点：（1）只能够实现固体介质表面氡析出率的连续测量，不能应用于放射性水体表面的氡析出率的原位测量中。

发明内容

为此本发明特提出一种开环式原位测量水体氡析出率的方法和装置，通过对放射性水体中氡析出率的测定，为合理制定相关含有放射性水体工作场所的环境影响评价和氡防护设计提供重要依据。

一种开环式原位测量水体氡析出率的装置，包括水面托架（1）、集氡罩（2）、流量计（3）、抽气泵（4）、测氡仪（5）、干燥管（6）、抽气泵（7），其中，集氡罩（2）安装在水面托架（1）中心位置，集氡罩可以在水面托架的中心位置上下移动，集氡罩外壁刻有刻度线，最后采用螺丝拧紧，从而达到调节集氡罩内部空气体积的作用。

集氡罩顶部通过软管连接到干燥管（6）和抽气泵（7），干燥管通过软管连接到测氡仪（5），在干燥管与测氡仪（5）之间的软管路上设有流量计（3）和抽气泵（4）。

所述水面托架采用轻型材料制成，水面托架中心有一个略大于集氡罩横截面直径的开孔，在开孔周围装有用来固定集氡罩的螺丝（13），开孔外围设有三个浮球（12），三个浮球（12）通过连接件（11）连接到开孔上，三个浮球在开孔外围圆周上形成均匀间隔分布。

所述集氡罩呈圆柱形，在集氡罩的上部设有储水仓（24），储水仓（24）顶部设有抽气管（27），底部设有进水管（22），集氡罩顶部设有集氡罩进气管（25）及集氡罩出气管（21）；集氡罩外壁上刻有刻度线（23），用于读取集氡罩内空气体积；集氡罩的顶部设有储水仓（24），在储水仓上设有抽气管（27），通过抽气泵（7）从抽气管（27）抽气，使得水体从进水管（22）进入并充满集氡罩的储水仓（24），通过这种改变集氡罩重量的方法，使集氡罩底部能够脱离和浸入水体中，从而达到测量待测点周围环境空气氡浓度的目的以及实现装置的水上部分能够在待测水体中改变测量位置的目的；集氡罩进气管（25）的进气孔附近设有进气管滤网（26），用于过滤集氡罩进气管（25）中进入的空气中的杂质。

所述干燥管（6）设有干燥管进气管（61）及干燥管出气管（62），干燥管（6）内部布满变色硅胶（63），变色硅胶用于降低集氡罩内进入测氡仪的空气的湿度，防止湿度过大对测量结果的准确性产生影响。

一种开环式原位测量水体氡析出率的方法，其特征在于，其测量过程如下：

1、将集氡罩安装在水面托架的开孔内，使集氡罩底部与待测水体表面保持一定距离，并将托架经水面移动到待测位置；

2、对集氡罩顶部的储水仓缓慢抽气，在负压的作用下集氡罩下部水体缓慢通过储水仓底部进水管吸入储水仓，集氡罩缓慢浸入水中；当储水仓充满水时，关闭抽气管，此时集氡罩与待测水体表面形成预定体积的密闭空间；

3、当完成步骤1之后，运行氡浓度测量系统，测定并记录集氡罩外部环境中的氡浓度，测氡仪的示数，单位为；经公式（1）得到集氡罩外部环境中的氡浓度C ₀，单位为；

= （1）

考虑到氡的衰变常数λ为2.1×10^-6s^-1，当集氡罩内的空气从集氡罩进入测氡仪的时间t _e较短，由氡的衰变导致的氡浓度的下降可以忽略不计时，≈C ₀，式中，，单位为s；其中V ₁是集氡罩至测氡仪之间连接软管的内部总体积，单位为m ³；λ是氡的衰变常数（2.1×10^-6 ）；是气流流率，单位为；

4、当步骤2结束后，迅速启动氡浓度测量系统使其连续运行，测量集氡罩内的氡浓度，并记录氡浓度测量系统连续运行时间t，单位为s；

5、在系统运行过程中，集氡罩内的氡浓度随时间的变化可以用式（2）来描述：

（2）

式中，C ₁为集氡罩内的氡浓度，单位为；S为集氡罩所覆盖的水体的表面积，单位为m ²；V是指集氡罩内部空气的体积，单位为m ³；是集氡罩外部环境中的氡浓度，单位为；

对于公式（2），t=0时，C ₁=C ₀，该常微分方程的解为：

（3）

此处，λ _v 是换气速率，单位为次/s，；t为氡浓度测量系统连续运行时间，单位为s；是考虑到气体从集氡罩流动到测氡仪时间内氡衰变损失之后的氡浓度，单位为；该浓度可以用公式（4）来表示：

（4）

根据公式（3）与公式（4）可得氡析出率的估算公式为：

（5）

当集氡罩距离测氡仪的距离很小时，即可忽略气体从集氡罩流动到测氡仪时间t _e 中氡的衰变量值，，此时公式（5）可以简化为公式（6）：

（6）

6、记集氡罩内氡浓度的测定所需时长为，单位为s；当测量系统连续运行换气时间，即可得出时刻t+t _e 时集氡罩内的氡浓度C ₂，再根据公式（5）计算测量点的氡析出率J的值，单位为；当时间t _e较短，采用公式（6）计算测量点的氡析出率J的值。

有益效果

1.水面托架呈对称图形对称均匀分布，采用轻型材料制成。集氡罩安装在水面托架中心位置，从而稳定地浮在水面上。

2.水面托架的中心位置装有对称均匀分布的螺丝，集氡罩外壁刻有刻度线，集氡罩可以在水面托架的中心位置上下移动，最后采用螺丝拧紧，从而达到调节集氡罩内部空气体积的作用。

3.集氡罩的顶部设有储水仓，在储水仓上设有抽气管以及进水管。通过抽气管抽气，使得水体从进水管进入并充满集氡罩的储水仓。通过这种改变集氡罩重量的方法，使集氡罩底部能够脱离和浸入水体中，从而达到测量待测点周围环境空气氡浓度的目的以及实现装置的水上部分能够在待测水体中改变测量位置的目的。

4.本发明适用于铀矿冶领域放射性水体氡的监测工作，通过对放射性水体中氡析出率的测定，为合理制定相关含有放射性水体工作场所的氡辐射防护提供重要依据。

附图说明

图1为本发明制作时所用的装置结构示意图；

图2为本发明制作时水面托架部分的结构示意图；

图3为本发明制作时集氡罩部分的结构示意图；

图4 为本发明干燥装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种开环式原位测量水体氡析出率的方法和装置，通过对放射性水体中氡析出率的测定，为合理制定相关含有放射性水体工作场所的氡辐射防护提供重要依据。

由图1所示的基于静电收集法的水体氡析出率的连续测量装置，包括测氡仪、流量计、抽气泵、干燥管、集氡罩以及水面托架6个部分。各部分之间通过软管进行连接。

具体操作过程如下：

将集氡罩和预定长度的软管安装在附图2所示的水面托架上，使集氡罩底部与待测水体表面保持一定距离，并将托架经水面移动到待测位置；

对集氡罩顶部的储水仓缓慢抽气，在负压的作用下集氡罩下部水体缓慢通过储水仓底部进水管吸入储水仓，集氡罩缓慢浸入水中；当储水仓充满水时，关闭抽气管，此时集氡罩与待测水体表面形成预定体积的密闭空间。

实验验证：

测量条件：V=0.0188 m³；S=0.1257 m²；集氡罩浮于水面之上的高度为H=0.15m；集氡罩的底面半径r ₁=0.20m；软管的内半径r ₂=0.005m；通过流量计测得气流流率是v=1L/min；每次测量C ₁时，装置的通风换气时间为t=20min，测量时间为5min。考虑到气体从集氡罩流动到测氡仪所需的时间为，实际的起始测量时刻为min时刻，测量终止时刻为min时刻。

将该测量方法和装置在某含氡放射性水域进行实验测量，测量结果如下：

当RAD7测氡仪与集氡罩之间的长度为1m时，t _e=4.7s；此时C ₁≈C ₂。因此忽略t _e时间段内氡的衰变量值，采用简化公式计算氡析出率。氡浓度的测量结果与氡析出率的计算结果如下表所示：

序号	时间（时分秒）	C 0（Bq/m3）	C 1（Bq/m3）	J（Bq/m2/s）
					1	08:00:00	25.16	863	0.17
2	08:40:03	26.44	815	0.16
					3	09:20:02	26.97	964	0.19
4	10:00:00	27.07	1112	0.22
					5	10:40:01	28.19	1162	0.23

当RAD7测氡仪与集氡罩之间的长度为30m时，t _e=141s；此时C ₁＞C ₂。因此t _e时间段内氡衰变量值不能忽略，采用未简化公式计算氡析出率。氡浓度的测量结果与氡析出率的计算结果如下表所示：

序号	时间（时分秒）	C 0（Bq/m3）	C 1（Bq/m3）	J（Bq/m2/s）
					1	08:05:10	26.77	816	0.16
2	08:45:07	26.94	965	0.19
					3	09:25:09	27.25	915	0.18
4	10:05:11	27.68	1064	0.21
					5	10:45:12	28.16	1262	0.25

Claims (2)

1.一种开环式原位测量水体氡析出率的装置，包括水面托架(1)、集氡罩(2)、流量计(3)、抽气泵Ⅰ(4)、测氡仪(5)、干燥管(6)、抽气泵Ⅱ(7)，集氡罩(2)安装在水面托架(1)中心位置，集氡罩可以在水面托架的中心位置上下移动，

集氡罩顶部通过软管连接到干燥管(6)和抽气泵Ⅱ(7)，干燥管通过软管连接到测氡仪(5)，在干燥管与测氡仪之间的软管管路上设有流量计(3)和抽气泵Ⅰ(4)，

其特征在于，所述水面托架采用轻型材料制成，水面托架中心有一个略大于集氡罩横截面直径的开孔，在开孔周围装有用来固定集氡罩的螺丝(13)，开孔外围设有三个浮球(12)，三个浮球(12)通过连接件(11)连接到开孔上，三个浮球在开孔外围圆周上形成均匀间隔分布；

所述集氡罩呈圆柱形，在集氡罩的上部设有储水仓(24)，储水仓顶部设有抽气管(27)，抽气管(27)与抽气泵Ⅱ(7)连接，储水仓底部设有进水管(22)，集氡罩顶部设有集氡罩进气管(25)及集氡罩出气管(21)，集氡罩出气管(21)与干燥管(6)连接，集氡罩进气管(25)的进气孔附近设有进气管滤网(26)，用于过滤集氡罩进气管(25)中进入的空气中的杂质，集氡罩外壁上刻有刻度线(23)，用于读取集氡罩内空气体积。

2.一种开环式原位测量水体氡析出率的方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的一种开环式原位测量水体氡析出率的装置，其测量过程如下：

步骤1、将集氡罩安装在水面托架的开孔内，使集氡罩底部与待测水体表面保持一定距离，并将托架经水面移动到待测位置；

步骤2、当完成步骤1之后，运行氡浓度测量系统，测定并记录集氡罩外部环境中的氡浓度，测氡仪的示数C′₀，单位为Bq·m^-3；经公式(1)得到集氡罩外部环境中的氡浓度C₀，单位为Bq·m^-3；

C′₀＝C₀exp(-λt_e) (1)

考虑到氡的衰变常数λ为2.1×10^-6s^-1，当集氡罩内的空气从集氡罩进入测氡仪的时间t_e较短，由氡的衰变导致的氡浓度的下降可以忽略不计时，C′₀≈C₀，式中，单位为s；其中V₁是集氡罩至测氡仪之间连接软管的内部总体积，单位为m³；v是气流流率，单位为m³·s^-1；

步骤3、对集氡罩顶部的储水仓缓慢抽气，在负压的作用下集氡罩下部水体缓慢通过储水仓底部进水管吸入储水仓，集氡罩缓慢浸入水中；当储水仓充满水时，关闭抽气管，此时集氡罩与待测水体表面形成预定体积的密闭空间；

步骤4、当步骤3结束后，迅速启动氡浓度测量系统使其连续运行，测量集氡罩内的氡浓度，并记录氡浓度测量系统连续运行时间t，单位为s；

步骤5、在系统运行过程中，集氡罩内的氡浓度随时间的变化可以用式(2)来描述：

$\frac{{\mathrm{dC}}_1}{dt}=\frac{JS}{V}+\frac{C_{0}v}{V}-\frac{C_{1}v}{V}-{\mathrm{\λC}}_1---\left(2\right)$

式中，C₁为集氡罩内的氡浓度，单位为Bq·m^-3；S为集氡罩所覆盖的水体的表面积，单位为m²；V是指集氡罩内部空气的体积，单位为m³；C₀是集氡罩外部环境中的氡浓度，单位为Bq·m^-3，J为氡析出率，v是气流流率；

对于公式(2)，t＝0时，C₁＝C₀，该常微分方程的解为：

$C_1=\frac{1}{\mathrm{\λ}+{\mathrm{\λ}}_v}\[\frac{JS}{V}+C_0{\mathrm{\λ}}_v+({\mathrm{\λC}}_0-\frac{JS}{V})\exp \{-(\mathrm{\λ}+{\mathrm{\λ}}_v)t\}\]---\left(3\right)$

此处，λ_v是换气速率，单位为次/s，t为氡浓度测量系统连续运行时间，单位为s；C₂是考虑到气体从集氡罩流动到测氡仪时间t_e内氡衰变损失之后的氡浓度，单位为Bq·m^-3；该浓度可以用公式(4)来表示：

C₂＝C₁exp(-λt_e) (4)

根据公式(3)与公式(4)可得氡析出率的估算公式为：

$J=\frac{V\[C_2(\mathrm{\λ}+{\mathrm{\λ}}_v)\exp (-{\mathrm{\λt}}_e)-C_0{\mathrm{\λ}}_v-{\mathrm{\λC}}_0\exp \{-(\mathrm{\λ}+{\mathrm{\λ}}_v)t\}\]}{S\[1-\exp \{-(\mathrm{\λ}+{\mathrm{\λ}}_v)t\}\]}---\left(5\right)$

当集氡罩距离测氡仪的距离很小时，即可忽略气体从集氡罩流动到测氡仪时间t_e中氡的衰变量值，C₁≈C₂，此时公式(5)可以简化为公式(6)：

$J=\frac{V\[C_1(\mathrm{\λ}+{\mathrm{\λ}}_v)-C_0{\mathrm{\λ}}_v-{\mathrm{\λC}}_0\exp \{-(\mathrm{\λ}+{\mathrm{\λ}}_v)t\}\]}{S\[1-\exp \{-(\mathrm{\λ}+{\mathrm{\λ}}_v)t\}\]}---\left(6\right)$

步骤6、记集氡罩内氡浓度的测定所需时长为ΔT，单位为s；当测量系统连续运行换气t+t_e-ΔT/2时间，即可得出时刻t+t_e时集氡罩内的氡浓度C₂，再根据公式(5)计算测量点的氡析出率J的值，单位为Bq/(m²·_s)；当时间t_e较短，采用公式(6)计算测量点的氡析出率J的值。