CN106886041B - 压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置及其使用方法 - Google Patents
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
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Abstract
本发明公开了一种压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置及其使用方法。试样箱(2)的上端连接有密封顶盖(3)，下端连接有筒体底座(5)和多孔透气板(4)，顶盖空气加注模块(15)的出口和顶盖真空抽气模块(17)的进口与密封顶盖(3)连接且连接有第一精密数字气压表(13)，底座氮气加注模块(16)的出口和底座真空抽气模块(18)的进口与筒体底座(5)连接且连接有第二精密数字气压表(14)，顶盖真空抽气模块(17)的出口和底座真空抽气模块(18)的出口与真空泵模块(19)连接。本发明是一种能有效针对不同压差作用下射气岩石介质氡析出率进行有效测量的压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种射气岩石介质氡析出率测量装置，特别是涉及一种压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置。本发明还涉及该压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置的使用方法。
背景技术
射气岩石介质是含有镭元素(226Ra)的岩石，它属于多孔介质的一种。常见的射气岩石介质包括天然建材、天然石材、天然岩矿、铀矿石等，它们均可向外部介质自发或人为地释放出放射性有害气体——氡(222Rn)。目前，被世人广泛接受的氡在多孔介质中的运移机理主要包括以下两种：(1)以浓度梯度为动力的氡扩散，它促成氡的主动运移；(2)以压力梯度为动力的氡渗流(或对流)，它促成氡的被动运移。氡的渗流问题广泛存在于有氡污染的地下矿山、人防工程、石材/建材厂、居室等受限空间内，其所造成的空气污染，往往较氡扩散而言更为严重，长期处于氡浓度超过限定标准的环境中极易诱发肺癌。通风是解决上述问题最为有效的方法之一，其作用具体体现在以下两方面：(1)稀释已从射气岩石介质表面析出至空气中的氡的浓度，这必然能减少环境中的氡量；(2)通风方式(主要为压入式、抽出式或压抽混合式，它们可营造出正压或负压环境)影响氡在射气岩石介质内部的运移，可能是抑制氡的析出，但也有可能利于氡的析出。通常情况下，通风方式的选择涉及到风机选择与安装位置、风压调节、风管设置以及风路规划等一系列问题，是通风工程中的重中之重；氡析出率是综合表征射气岩石介质中氡的运移及析出情况的重要参数，它指的是单位面积、单位时间内介质表面析出的氡的放射性活度。为此，通过研究不同压差作用下射气岩石介质氡的析出情况，可从理论上为通风方式的选择提供有益的启示与指引，而目前尚无一套有效针对不同压差作用下射气岩石介质氡析出率进行有效测量的装置以及计算方法。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种能有效针对不同压差作用下射气岩石介质氡析出率进行有效测量的压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供该压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置的使用方法。
为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置，试样箱的上端连接有密封顶盖，所述的试样箱的下端连接有筒体底座且所述的试样箱与筒体底座之间连接有多孔透气板，所述的密封顶盖的内部构成有集氡空间，所述的筒体底座的内部构成有缓冲空间，顶盖空气加注模块的出口和顶盖真空抽气模块的进口经乙烯树脂管与所述的密封顶盖的所述的集氡空间连接且所述的乙烯树脂管上连接有第一精密数字气压表，底座氮气加注模块的出口和底座真空抽气模块的进口与所述的筒体底座的所述的缓冲空间经乙烯树脂管连接且所述的乙烯树脂管上连接有第二精密数字气压表，顶盖真空抽气模块的出口和底座真空抽气模块的出口经乙烯树脂管与真空泵模块连接。通过顶盖空气加注模块、顶盖真空抽气模块和真空泵模块可实现集密封顶盖所构成的集氡空间内气压微调、空气净化及取样测量于一体的功能；通过底座氮气加注模块、底座真空抽气模块和真空泵模块可实现集筒体底座所构成的缓冲空间内气压微调及取样测量于一体的功能。
所述的试样箱由有机玻璃制成，呈中空圆筒状；为便于柱状的岩样的取放，所述的试样箱沿垂向对分为两个规格相同的半圆筒，且在该半圆筒起点和终点沿径向分别设置对称的纵向法兰，并在所述的纵向法兰的上部和底部分别设置对称的横向法兰；所述的纵向法兰和所述的横向法兰分别设有第一连接孔和第二连接孔；使用螺栓穿过所述的纵向法兰上预留的所述的第一连接孔将两者紧密连接，构成完整的圆柱状的所述的试样箱，所述的纵向法兰之间设有密封垫圈；所述的试样箱内与岩样之间垫有一层由弹性橡胶制成的密封套，为保证良好的密封效果，其厚度略大于所述的试样箱内径与所述的岩样直径之差的一半。
所述的密封顶盖采用有机玻璃制成，呈中空圆筒状，所述的密封顶盖上设有排气孔、顶盖法兰、第三连接孔和连接气管；所述的排气孔共两个，对称设在密封顶盖筒壁下缘，每个所述的排气孔均配套有橡皮塞；所述的密封顶盖的筒体内径与所述的岩样一致；所述的顶盖法兰及其上预留的所述的第三连接孔与所述的试样箱的所述的横向法兰及其上预留的第二连接孔完全对应；所述的连接气管为有机玻璃材质，从所述的密封顶盖的中心位置插入，并使用有机玻璃胶将其与所述的密封顶盖固接，其插入所述的集氡空间内的部分均布密集微孔，其目的一是为了均匀排除所述的集氡空间内的空气，二是为了提高采样的代表性。
所述的多孔透气板为有机玻璃材质，其外边缘轮廓与所述的试样箱的所述的横向法兰一致，并在对应位置设有第四连接孔；在所述的多孔透气板正中心与所述的岩样横截面大小相同的区域内均布若干直径4mm～6mm的通气孔。
所述的筒体底座采用有机玻璃制成，呈中空圆筒状，内径与所述的岩样直径相同；所述的筒体底座带有底面，底面中心位置连有采用有机玻璃材质制成的连接管路，另外，在底面下设有多根实心有机玻璃柱作为整个实验装置的支架；底座法兰及其上预留的第五连接孔与所述的多孔透气板吻合。
所述的试样箱与所述的密封顶盖分别通过横向法兰与顶盖法兰由螺栓相应地穿过第二连接孔与第三连接孔连为一体，且中间设有第一橡胶密封垫圈；所述的试样箱、多孔透气板与所述的筒体底座由螺栓对应穿过第二连接孔、第四连接孔与第五连接孔连接在一起，且在所述的横向法兰与所述的多孔透气板之间、底座法兰与所述的多孔透气板之间分别设有第二橡胶密封垫圈和第三橡胶密封垫圈。
所述的顶盖空气加注模块的作用为对集氡空间内的气压进行调节(主要为微调增压)以及通风排氡，由充气泵、干燥管、第一微量调节阀、第一微小数显流量计以及第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门经乙烯树脂管连接而成，充气泵的出口连接第一阀门，进口对空连接的第二阀门的出口和第一阀门的出口均与干燥管的进口连接，干燥管的出口一路与第四阀门的进口连接，一路与依次串联的第一微量调节阀、第一微小数显流量计和第三阀门中的第一微量调节阀的进口连接，第三阀门的出口和第四阀门的出口与所述的第一精密数字气压表连接；所述的干燥管内装满有无水CaSO4干燥剂，其作用为排除进气湿度的影响；由充气泵、第一阀门、干燥管及第四阀门经乙烯树脂管(20)连接构成的气流管路为快速净化集氡空间提供新鲜空气；由第二阀门、干燥管、第一微量调节阀、第一微小数显流量计和第三阀门经乙烯树脂管连接构成的另一支气流管路，实现对所述的集氡空间内气压的精密微调。
所述的底座氮气加注模块的作用为对所述的缓冲空间内的气压进行调节(主要为微调增压)，它由高压氮气瓶、减压稳压阀、第二微量调节阀、第二微小数显流量计及第五阀门经乙烯树脂管连接而成；所述的底座氮气加注模块用于为底部缓冲空间注氮加压。
所述的顶盖真空抽气模块的作用为对集氡空间内的气压进行调节(主要为减压)以及采样测氡，它由第一滤尘器、第一球型闪烁室以及第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门经乙烯树脂管连接而成，第九阀门与依次串联的第六阀门、第一滤尘器、第七阀门、第一球型闪烁室和第八阀门并联，一端与第一精密数字气压表连接，另一端与真空泵模块连接；第六阀门、第一滤尘器、第七阀门、第一球型闪烁室、第八阀门和真空泵模块经乙烯树脂管连接构成的气流管路，用于采集集氡空间内的空气至球型闪烁室；第九阀门和真空泵模块经乙烯树脂管连接构成的气流管路，用于抽排集氡空间内的空气，降低集氡空间内的气压。
所述的底座真空抽气模块与顶盖真空抽气模块相同，其作用为对缓冲空间内的气压进行调节(主要为减压)以及采样测氡，它由第二滤尘器、第二球型闪烁室以及第十阀门、第十一阀门、第十二阀门、第十三阀门经乙烯树脂管连接而成，第十三阀门与依次串联的第十阀门、第二滤尘器、第十一阀门、第二球型闪烁室和第十二阀门并联，一端与第二精密数字气压表连接，另一端与真空泵模块连接。
所述的真空泵模块由真空泵和真空表经乙烯树脂管串联连接而成。
所述岩样可以是工程现场钻切而成的原岩，也可以是与原岩成一定相似比的类射气岩石相似材料，其高径比大于1.5，小于2；所述的试样箱内壁高度分别为集氡空间、缓冲空间内壁高度的3倍与10倍左右；所述的第一精密数字气压表、第二精密数字气压表的量程均为150kPa，精度0.05％/FS；所述的第一微小数显流量计、第二微小数显流量计量程均为2L/min，精度为1.5％/FS；所述的充气泵充气速率为60L/min；所述的真空泵转速为320r/min，抽气速率4L/s。
为了上述第二个技术问题，本发明提供的压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置的使用方法，包括对射气岩石介质氡析出率的测量及计算：
步骤1、先将顶盖空气加注模块、顶盖真空抽气模块、第一精密数字气压表同密封顶盖连接，再将底座氮气加注模块、底座真空抽气模块、第二精密数字气压表同筒体底座连接，然后将多孔透气板与筒体底座连接在一起，并将制备好的岩样放置在多孔透气板上，最后将试样箱组装并与密封顶盖及筒体底座连接；实验组装过程中，将所有阀门关闭；
步骤2、打开第九阀门和第十三阀门，并开启真空泵，3-5分钟后关闭第九阀门和第十三阀门，同时记录第一精密数字压力表和第二精密数字压力表显示的压力值；再将整个装置静置约20min，再次记录第一精密数字压力表和第二精密数字压力表显示的压力值；若两个精密数字压力表前后两次所记录的压力值均几乎为零，那么认为装置气密性良好；否则，应检查装置连接处是否连接完好、存在漏气现象，直到保证良好气密性为止；
步骤3、打开第二阀门和第三阀门，通过调节第一微量调节阀，使第一微小数显流量计显示的瞬时流量值为1L/min左右，当第一精密数字压力表显示的集氡空间压力值为某一预定值(记为Pj)后，关闭第二阀门和第三阀门；同样地，打开高压氮气瓶，调节减压稳压阀，保持较小的输气压力，然后打开第五阀门，小心调节第二微量调节阀，使第二微小数显流量计显示的瞬时流量值为1L/min左右，当第二精密数字压力表显示的缓冲空间压力值(记为Ph)与集氡空间压力值Pj一致时，关闭高压氮气瓶与第五阀门；
步骤4、将实验装置静置，使岩样内的氡以纯扩散的方式在集氡空间与缓冲空间内积累，一周后，缓冲空间内的氡因反扩散及自身衰变作用的影响，其浓度稳定到某一最大值后将保持不变；再打开第一阀门和第四阀门，拔掉排气孔上的橡皮塞，并开启充气泵排气5min以净化集氡空间，使其内氡浓度与外界大气本底值(记为C0)一致后，先后关闭充气泵、第一阀门、第四阀门及重新将排气孔塞上橡皮塞；再打开第九阀门，并开启真空泵对集氡空间进行抽真空，3-5分钟后关闭第九阀门与真空泵；然后重复上述步骤3对顶盖空气加注模块进行调节的部分，使集氡空间内的气压为Pj1(Pj1≤Ph)；
步骤5、打开第八阀门与真空泵，对第一球型闪烁室进行抽真空，3-5分钟后关闭第八阀门及真空泵；在集氡时间达0.5h时，迅速打开第六阀门和第七阀门，待第一精密数字压力表显示的集氡空间压力值稳定后(记为Pjs1)，即表示通过预抽真空的第一球型闪烁室完成取样；关闭第六阀门和第七阀门，使用FD-125型室内氡钍分析器与GW1016型智能定标器测定第一球型闪烁室所采集气体样品的氡浓度，记为Csj1；
步骤6、多次重复上述步骤4和步骤5，分别测定并记录在某恒定压差条件下，恒定压差记为ΔP，ΔP＝Ph－Pj1，时间间隔即1h、2h、4h、…、32h、…、256h后集氡空间(35)内的氡浓度，记为Csj2、Csj3、Csj4、…、Csj7、…、Csj10；
步骤7、打开阀门(185)与真空泵，对第二球型闪烁室进行抽真空，3-5分钟后关闭第十二阀门及真空泵；打开第十阀门和第十一阀门，待第二精密数字压力表显示的缓冲空间压力值稳定后记为Phs，即表示通过预抽真空的第二球型闪烁室完成取样；关闭第十阀门(181)和第十一阀门，使用FD-125型室内氡钍分析器与GW1016型智能定标器测定第二球型闪烁室所采集气体样品的氡浓度，记为Csh；
步骤8、采用闪烁室法所测得的氡浓度Csj系列与Csh并非集氡空间或缓冲空间的真实值，应作如下转换，以集氡空间为例进行说明：
集氡空间内的氡，视为等温流动的理想气体，满足理想气体状态方程：
Pj,RnVj＝nRnRTj (1)
式中，Pj,Rn为氡对集氡空间气压的贡献，Pa；Vj为集氡空间的体积，m3；nRn为集氡空间内氡的物质的量，mol；R为比例常数，R＝8.314J/(mol·K)；Tj为集氡空间内的温度，取293.15K；
根据放射性衰变理论可知：
式中，Cj为集氡空间内的氡浓度，Bq/m3；λ为氡的衰变常数，λ＝2.1×10-6s-1；NA为阿伏伽德罗常数，NA＝6.02×1023mol-1；
结合式(1)、(2)可得：
Pj,Rn＝1.93×10-15Cj (3)
由式(3)可知，在绝大多数情况下，Pj,Rn<<1Pa，即说明虽然实验持续时间较长，并在集氡空间内一直伴随着氡浓度的增长，但其对集氡空间内气压的贡献完全可以忽略不计；
令采样后集氡空间及有关管路即连接第一精密数字气压表(13)的一段管路损失的空气体积占集氡空间总体积包括有关管路储气体积的比例为f，那么易知：
f·Pj(Vj+Vg1)＝(Pj-Pjs)(Vj+Vg1) (4)
式中，Pj为集氡空间内的气压，Pa；Pjs为完成采样后集氡空间内的气压，Pa；Vg1为连接精密数字气压表(13)的一段管路储气体积，m3；
f·(Vj+Vg1)Cj＝(Vs+Vg2)Csj (5)
式中，Csj为球型闪烁室(174)内的氡浓度，Bq/m3；Vg2为连接球型闪烁室(174)的一段管路储气体积，m3；
结合式(4)、(5)可得：
根据式(6)，即求得集氡空间真实氡浓度Cj；同样地，可推知缓冲空间真实氡浓度计算式；
岩样的氡析出率由下式确定：
式中，J为岩样的氡析出率，Bq/(m2·h)；ΔCj为Δt(单位：h)时间内集氡空间内氡浓度的变化值，Bq/m3；hj为集氡空间高度，m；
步骤9、根据换算所得的浓度数据，令参数Y＝hjCj，作出参数Y与对应时间t的关系图，再拟合出两者关系式，并依据微分原理求出dY/dt，即得到岩样的氡析出率J随时间t变化的关系式；需要注意的是，在初始时刻，所对应的氡浓度并非为零，而是外界大气本底值C0。
采用上述技术方案的压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置及其使用方法，其有益效果如下：
1、试样箱、密封顶盖、多孔透气板及筒体底座由有机玻璃经加工制成，材料及加工成本较低，整个装置结构简单、轻便，易于组装与拆卸，经久耐用。
2、试样箱呈中空圆筒状，且沿垂向将其对分为两个规格相同带有纵向法兰的半圆筒，便于岩样以及岩样与试样箱之间所垫设密封套的取放，这有助于对岩样周壁及试样箱内壁的密封，有效防止底座缓冲空间内的氡泄露至顶盖集氡空间，从而可保证测量数据真实、有效。
3、通过顶盖空气加注模块、顶盖真空抽气模块和真空泵模块可实现顶盖集氡空间内气压微调、空气净化及取样的功能；通过底座氮气加注模块、底座真空抽气模块和真空泵模块可实现底座缓冲空间内气压微调及取样的功能。
4、顶盖集氡空间与底座缓冲空间内的气压可在小于150kPa的范围内调节，可调节范围大、精度高。
5、采用球型闪烁室间隔采样的方式，且在每次实验开始时，保证底座缓冲空间内的条件不变，将顶盖集氡空间“清零”(即快速通风排氡，稀释集氡空间内的氡浓度至大气本底水平，进而将其内的气压抽真空，再重新调节为预定值)后再使氡积累至预定时间，这样可以有效排除连续采样及连续积累实验因氡损失、压力降等原因所造成的测量误差。
6、本发明涉及的射气岩石介质氡析出率测量及计算方法，充分考虑了因球型闪烁室采样所造成的压力降及输气管路中残留含氡空气的问题，并推导出顶盖集氡空间(或底座缓冲空间)内真实氡浓度的换算式，再通过作图及拟合获知岩样在预定压差作用下氡的析出率随集氡时间变化的关系式。
7、本发明适用于含有放射性岩石介质工作场所的环境影响评价，以及为此类场所通风防氡设计提供重要依据。
本发明可为优化存在氡问题的地下矿山、人防工程、石材/建材厂、居室等受限空间内排氡通风设计提供有益参考。
综上所述，本发明是一种通过对射气岩石介质中氡析出率的测定，为合理制定相关含有放射性岩石介质工作场所的环境影响评价和通风防氡设计提供有益参考的压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置及其使用方法。
附图说明
图1为整个实验装置立面结构示意图。
图2为试样箱立面结构示意图。
图3为试样箱平面结构示意图。
图4为密封顶盖立面结构示意图。
图5为密封顶盖平面结构示意图。
图6为多孔透气板平面结构示意图。
图7为筒体底座立面结构示意图。
图8为筒体底座平面结构示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种可调式压差作用下射气岩石介质氡析出率的测量装置与计算方法，通过对射气岩石介质中氡析出率的测定，为合理制定相关含有放射性岩石介质工作场所的环境影响评价和通风防氡设计提供有益参考。
参见图1，一种压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置，试样箱2的上端连接有密封顶盖3，试样箱2的下端连接有筒体底座5且试样箱2与筒体底座5之间连接有多孔透气板4，密封顶盖3的内部构成有集氡空间35，筒体底座5的内部构成有缓冲空间55，顶盖空气加注模块15的出口和顶盖真空抽气模块17的进口经乙烯树脂管20与密封顶盖3的集氡空间35连接且乙烯树脂管20上连接有第一精密数字气压表13，底座氮气加注模块16的出口和底座真空抽气模块18的进口与筒体底座5的缓冲空间55经乙烯树脂管20连接且乙烯树脂管20上连接有第二精密数字气压表14，顶盖真空抽气模块17的出口和底座真空抽气模块18的出口经乙烯树脂管20与真空泵模块19连接。通过顶盖空气加注模块15、顶盖真空抽气模块17和真空泵模块19实现集密封顶盖3所构成的集氡空间35内气压微调、空气净化及取样测量于一体的功能；通过底座氮气加注模块16、底座真空抽气模块18和真空泵模块19实现集筒体底座5所构成的缓冲空间55内气压微调及取样测量于一体的功能。
参见图2和图3，试样箱2由有机玻璃制成，呈中空圆筒状；为便于柱状的岩样1的取放，试样箱2沿垂向对分为两个规格相同的半圆筒，且在该半圆筒起点和终点沿径向分别设置对称的纵向法兰21，并在纵向法兰21的上部和底部分别设置对称的横向法兰23；纵向法兰21和横向法兰23分别设有第一连接孔22和第二连接孔24；使用螺栓6穿过纵向法兰21上预留的8个第一连接孔22将两者紧密连接，构成完整的圆柱状的试样箱2，纵向法兰21之间设有密封垫圈8；试样箱2内与岩样1之间垫有一层由弹性橡胶制成的密封套7，为保证良好的密封效果，其厚度略大于试样箱2内径与岩样1直径之差的一半。
参见图4和图5，密封顶盖3采用有机玻璃制成，呈中空圆筒状，密封顶盖3上设有排气孔31、顶盖法兰32、第三连接孔33和连接气管34；排气孔31共两个，对称设在密封顶盖3筒壁下缘，每个排气孔31均配套有橡皮塞12；密封顶盖3的筒体内径与岩样1一致；顶盖法兰32及其上预留的所述的第三连接孔33与试样箱2的横向法兰23及其上预留的第二连接孔24完全对应；连接气管34为有机玻璃材质，从密封顶盖3的中心位置插入，并使用有机玻璃胶将其与密封顶盖3固接，其插入集氡空间35内的部分均布密集微孔，其目的一是为了均匀排除集氡空间35内的空气，二是为了提高采样的代表性。
参见图6，多孔透气板4为有机玻璃材质，其外边缘轮廓与试样箱2的横向法兰23一致，并在对应位置设有第四连接孔41；在多孔透气板4正中心与岩样1横截面大小相同的区域内均布若干直径5mm的通气孔42。
参见图7和图8，筒体底座5采用有机玻璃制成，呈中空圆筒状，内径与岩样1直径相同；筒体底座5带有底面，底面中心位置连有采用有机玻璃材质制成的连接管路53，另外，在底面下设有4根实心有机玻璃柱54作为整个实验装置的支架；底座法兰51及其上预留的第五连接孔52与多孔透气板4吻合。
参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8，试样箱2与密封顶盖3分别通过横向法兰23与顶盖法兰32由螺栓6相应地穿过第二连接孔24与第三连接孔33连为一体，且中间设有第一橡胶密封垫圈11；试样箱2、多孔透气板4与筒体底座5由螺栓6对应穿过第二连接孔24、第四连接孔41与第五连接孔52连接在一起，且在横向法兰23与多孔透气板4之间、底座法兰51与多孔透气板4之间分别设有第二橡胶密封垫圈9和第三橡胶密封垫圈10。
参见图1，顶盖空气加注模块15的作用为对集氡空间35内的气压进行调节(主要为微调增压)以及通风排氡，由充气泵151、干燥管154、第一微量调节阀155、第一微小数显流量计156以及第一阀门152、第二阀门153、第三阀门157、第四阀门158经乙烯树脂管20连接而成，充气泵151的出口连接第一阀门152，进口对空连接的第二阀门153的出口和第一阀门152的出口均与干燥管154的进口连接，干燥管154的出口一路与第四阀门158的进口连接，一路与依次串联的第一微量调节阀155、第一微小数显流量计156和第三阀门157中的第一微量调节阀155的进口连接，第三阀门157的出口和第四阀门158的出口与第一精密数字气压表13连接；干燥管154内装满有无水CaSO4干燥剂，其作用为排除进气湿度的影响；由充气泵151、第一阀门152、干燥管154及第四阀门158经乙烯树脂管20连接构成的气流管路为快速净化集氡空间35提供新鲜空气；由第二阀门153、干燥管154、第一微量调节阀155、第一微小数显流量计156和第三阀门157经乙烯树脂管20连接构成的另一支气流管路，实现对集氡空间35内气压的精密微调。
参见图1，底座氮气加注模块16的作用为对缓冲空间55内的气压进行调节(主要为微调增压)，它由高压氮气瓶161、减压稳压阀162、第二微量调节阀163、第二微小数显流量计164及第五阀门165经乙烯树脂管20连接而成；底座氮气加注模块16用于为底部缓冲空间55注氮加压。
参见图1，顶盖真空抽气模块17的作用为对集氡空间35内的气压进行调节(主要为减压)以及采样测氡，它由第一滤尘器172、第一球型闪烁室174以及第六阀门171、第七阀门173、第八阀门175、第九阀门176经乙烯树脂管20连接而成，第九阀门176与依次串联的第六阀门171、第一滤尘器172、第七阀门173、第一球型闪烁室174和第八阀门175并联，一端与第一精密数字气压表13连接，另一端与真空泵模块19连接；第六阀门171、第一滤尘器172、第七阀门173、第一球型闪烁室174、第八阀门175和真空泵模块19经乙烯树脂管20连接构成的气流管路，用于采集集氡空间35内的空气至球型闪烁室174；第九阀门176和真空泵模块19经乙烯树脂管20连接构成的气流管路，用于抽排集氡空间35内的空气，降低集氡空间35内的气压。
参见图1，底座真空抽气模块18与顶盖真空抽气模块17相同，其作用为对缓冲空间55内的气压进行调节(主要为减压)以及采样测氡，它由第二滤尘器182、第二球型闪烁室184以及第十阀门181、第十一阀门183、第十二阀门185、第十三阀门186经乙烯树脂管20连接而成，第十三阀门186与依次串联的第十阀门181、第二滤尘器182、第十一阀门183、第二球型闪烁室184和第十二阀门185并联，一端与第二精密数字气压表14连接，另一端与真空泵模块19连接。
参见图1，真空泵模块19由真空泵191和真空表192经乙烯树脂管20串联连接而成。
岩样1可以是工程现场钻切而成的原岩，也可以是与原岩成一定相似比的类射气岩石相似材料，其高径比大于1.5，小于2；试样箱2内壁高度分别为集氡空间35、缓冲空间55内壁高度的3倍与10倍左右；第一精密数字气压表13、第二精密数字气压表14的量程均为150kPa，精度0.05％/FS；第一微小数显流量计156、第二微小数显流量计164量程均为2L/min，精度为1.5％/FS；充气泵151充气速率为60L/min；真空泵191转速为320r/min，抽气速率4L/s。
参见图1，压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置的使用方法，包括对射气岩石介质氡析出率的测量及计算：
步骤1、先将顶盖空气加注模块15、顶盖真空抽气模块17、第一精密数字气压表13同密封顶盖3连接，再将底座氮气加注模块16、底座真空抽气模块18、第二精密数字气压表14同筒体底座5连接，然后将多孔透气板4与筒体底座5连接在一起，并将制备好的岩样1放置在多孔透气板4上，最后将试样箱2组装并与密封顶盖3及筒体底座5连接；实验组装过程中，将所有阀门关闭；
步骤2、打开第九阀门176和第十三阀门186，并开启真空泵191，3-5分钟后关闭第九阀门176和第十三阀门186，同时记录第一精密数字压力表13和第二精密数字压力表14显示的压力值；再将整个装置静置约20min，再次记录第一精密数字压力表13和第二精密数字压力表14显示的压力值；若两个精密数字压力表前后两次所记录的压力值均几乎为零，那么认为装置气密性良好；否则，应检查装置连接处是否连接完好、存在漏气现象，直到保证良好气密性为止；
步骤3、打开第二阀门153和第三阀门157，通过调节第一微量调节阀155，使第一微小数显流量计156显示的瞬时流量值为1L/min左右，当第一精密数字压力表13显示的集氡空间35压力值为某一预定值(记为Pj)后，关闭第二阀门153和第三阀门157；同样地，打开高压氮气瓶161，调节减压稳压阀162，保持较小的输气压力，然后打开第五阀门165，小心调节第二微量调节阀163，使第二微小数显流量计164显示的瞬时流量值为1L/min左右，当第二精密数字压力表14显示的缓冲空间55压力值(记为Ph)与集氡空间35压力值Pj一致时，关闭高压氮气瓶161与第五阀门165；
步骤4、将实验装置静置，使岩样1内的氡以纯扩散的方式在集氡空间35与缓冲空间55内积累，一周后，缓冲空间55内的氡因反扩散及自身衰变作用的影响，其浓度稳定到某一最大值后将保持不变；再打开第一阀门152和第四阀门158，拔掉排气孔31上的橡皮塞12，并开启充气泵151排气5min以净化集氡空间35，使其内氡浓度与外界大气本底值(记为C0)一致后，先后关闭充气泵151、第一阀门152、第四阀门158及重新将排气孔31塞上橡皮塞12；再打开第九阀门176，并开启真空泵191对集氡空间35进行抽真空，3-5分钟后关闭第九阀门176与真空泵191；然后重复上述步骤3对顶盖空气加注模块15进行调节的部分，使集氡空间35内的气压为Pj1(Pj1≤Ph)；
步骤5、打开第八阀门175与真空泵191，对第一球型闪烁室174进行抽真空，3-5分钟后关闭第八阀门175及真空泵191；在集氡时间达0.5h时，迅速打开第六阀门171和第七阀门173，待第一精密数字压力表13显示的集氡空间35压力值稳定后(记为Pjs1)，即表示通过预抽真空的第一球型闪烁室174完成取样；关闭第六阀门171和第七阀门173，使用FD-125型室内氡钍分析器与GW1016型智能定标器测定第一球型闪烁室174所采集气体样品的氡浓度，记为Csj1；
步骤6、多次重复上述步骤4和步骤5，分别测定并记录在某恒定压差条件下，恒定压差记为ΔP，ΔP＝Ph－Pj1，时间间隔即1h、2h、4h、…、32h、…、256h后集氡空间(35)内的氡浓度，记为Csj2、Csj3、Csj4、…、Csj7、…、Csj10；
步骤7、打开阀门(185)与真空泵191，对第二球型闪烁室184进行抽真空，3-5分钟后关闭第十二阀门185及真空泵191；打开第十阀门181和第十一阀门183，待第二精密数字压力表14显示的缓冲空间55压力值稳定后记为Phs，即表示通过预抽真空的第二球型闪烁室184完成取样；关闭第十阀门181和第十一阀门183，使用FD-125型室内氡钍分析器与GW1016型智能定标器测定第二球型闪烁室184所采集气体样品的氡浓度，记为Csh；
步骤8、采用闪烁室法所测得的氡浓度Csj系列与Csh并非集氡空间35或缓冲空间55的真实值，应作如下转换，以集氡空间35为例进行说明：
集氡空间内的氡，视为等温流动的理想气体，满足理想气体状态方程：
Pj,RnVj＝nRnRTj (1)
式中，Pj,Rn为氡对集氡空间气压的贡献，Pa；Vj为集氡空间的体积，m3；nRn为集氡空间内氡的物质的量，mol；R为比例常数，R＝8.314J/(mol·K)；Tj为集氡空间内的温度，取293.15K；
根据放射性衰变理论可知：
式中，Cj为集氡空间内的氡浓度，Bq/m3；λ为氡的衰变常数，λ＝2.1×10-6s-1；NA为阿伏伽德罗常数，NA＝6.02×1023mol-1；
结合式(1)、(2)可得：
Pj,Rn＝1.93×10-15Cj (3)
由式(3)可知，在绝大多数情况下，Pj,Rn<<1Pa，即说明虽然实验持续时间较长，并在集氡空间内一直伴随着氡浓度的增长，但其对集氡空间内气压的贡献完全可以忽略不计；
令采样后集氡空间及有关管路即连接第一精密数字气压表(13)的一段管路损失的空气体积占集氡空间总体积包括有关管路储气体积的比例为f，那么易知：
f·Pj(Vj+Vg1)＝(Pj-Pjs)(Vj+Vg1) (4)
式中，Pj为集氡空间内的气压，Pa；Pjs为完成采样后集氡空间内的气压，Pa；Vg1为连接精密数字气压表(13)的一段管路储气体积，m3；
f·(Vj+Vg1)Cj＝(Vs+Vg2)Csj (5)
式中，Csj为球型闪烁室(174)内的氡浓度，Bq/m3；Vg2为连接球型闪烁室(174)的一段管路储气体积，m3；
结合式(4)、(5)可得：
根据式(6)，即求得集氡空间真实氡浓度Cj；同样地，可推知缓冲空间真实氡浓度计算式；
岩样的氡析出率由下式确定：
式中，J为岩样的氡析出率，Bq/(m2·h)；ΔCj为Δt(单位：h)时间内集氡空间内氡浓度的变化值，Bq/m3；hj为集氡空间高度，m；
步骤9、根据换算所得的浓度数据，令参数Y＝hjCj，作出参数Y与对应时间t的关系图，再拟合出两者关系式，并依据微分原理求出dY/dt，即得到岩样的氡析出率J随时间t变化的关系式；需要注意的是，在初始时刻，所对应的氡浓度并非为零，而是外界大气本底值C0。
Claims (9)
1.一种压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置，其特征在于：试样箱(2)的上端连接有密封顶盖(3)，所述的试样箱(2)的下端连接有筒体底座(5)且所述的试样箱(2)与筒体底座(5)之间连接有多孔透气板(4)，所述的密封顶盖(3)的内部构成有集氡空间(35)，所述的筒体底座(5)的内部构成有缓冲空间(55)，顶盖空气加注模块(15)的出口和顶盖真空抽气模块(17)的进口经乙烯树脂管(20)与所述的密封顶盖(3)的所述的集氡空间(35)连接且所述的乙烯树脂管(20)上连接有第一精密数字气压表(13)，底座氮气加注模块(16)的出口和底座真空抽气模块(18)的进口与所述的筒体底座(5)的所述的缓冲空间(55)经乙烯树脂管(20)连接且所述的乙烯树脂管(20)上连接有第二精密数字气压表(14)，顶盖真空抽气模块(17)的出口和底座真空抽气模块(18)的出口经乙烯树脂管(20)与真空泵模块(19)连接，所述的试样箱(2)由有机玻璃制成，呈中空圆筒状；所述的试样箱(2)沿垂向对分为两个规格相同的半圆筒，且在该半圆筒起点和终点沿径向分别设置对称的纵向法兰(21)，并在所述的纵向法兰(21)的上部和底部分别设置对称的横向法兰(23)；所述的纵向法兰(21)和所述的横向法兰(23)分别设有第一连接孔(22)和第二连接孔(24)；使用螺栓(6)穿过所述的纵向法兰(21)上预留的所述的第一连接孔(22)将两者紧密连接，构成完整的圆柱状的所述的试样箱(2)，所述的纵向法兰(21)之间设有密封垫圈(8)；所述的试样箱(2)内与岩样(1)之间垫有一层由弹性橡胶制成的密封套(7)，其厚度略大于所述的试样箱(2)内径与所述的岩样(1)直径之差的一半。
2.根据权利要求1所述的压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置，其特征在于：所述的密封顶盖(3)采用有机玻璃制成，呈中空圆筒状，所述的密封顶盖(3)上设有排气孔(31)、顶盖法兰(32)、第三连接孔(33)和连接气管(34)；所述的排气孔(31)共两个，对称设在密封顶盖(3)筒壁下缘，每个所述的排气孔(31)均配套有橡皮塞(12)；所述的密封顶盖(3)的筒体内径与所述的岩样(1)一致；所述的顶盖法兰(32)及其上预留的所述的第三连接孔(33)与所述的试样箱(2)的所述的横向法兰(23)及其上预留的第二连接孔(24)完全对应；所述的连接气管(34)为有机玻璃材质，从所述的密封顶盖(3)的中心位置插入，并使用有机玻璃胶将其与所述的密封顶盖(3)固接，其插入所述的集氡空间(35)内的部分均布密集微孔；所述的筒体底座(5)采用有机玻璃制成，呈中空圆筒状，内径与所述的岩样(1)直径相同；所述的筒体底座(5)带有底面，底面中心位置连有采用有机玻璃材质制成的连接管路(53)，在底面下设有多根实心有机玻璃柱(54)作为整个实验装置的支架；底座法兰(51)及其上预留的第五连接孔(52)与所述的多孔透气板(4)吻合。
3.根据权利要求1所述的压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置，其特征在于：所述的多孔透气板(4)为有机玻璃材质，其外边缘轮廓与所述的试样箱(2)的所述的横向法兰(23)一致，并在对应位置设有第四连接孔(41)；在所述的多孔透气板(4)正中心与所述的岩样(1)横截面大小相同的区域内均布若干直径4mm～6mm的通气孔(42)。
4.根据权利要求1或2所述的压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置，其特征在于：所述的顶盖空气加注模块(15)由充气泵(151)、干燥管(154)、第一微量调节阀(155)、第一微小数显流量计(156)以及第一阀门(152)、第二阀门(153)、第三阀门(157)、第四阀门(158)经乙烯树脂管(20)连接而成，所述的充气泵(151)的出口连接所述的第一阀门(152)，进口对空连接的所述的第二阀门(153)的出口和所述的第一阀门(152)的出口均与所述的干燥管(154)的进口连接，所述的干燥管(154)的出口一路与所述的第四阀门(158)的进口连接，一路与依次串联的所述的第一微量调节阀(155)、第一微小数显流量计(156)和所述的第三阀门(157)中的第一微量调节阀(155)的进口连接，所述的第三阀门(157)的出口和所述的第四阀门(158)的出口与所述的第一精密数字气压表(13)连接；所述的干燥管(154)内装满有无水CaSO4干燥剂。
5.根据权利要求1或2所述的压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置，其特征在于：所述的底座氮气加注模块(16)由高压氮气瓶(161)、减压稳压阀(162)、第二微量调节阀(163)、第二微小数显流量计(164)及第五阀门(165)经乙烯树脂管(20)连接而成。
6.根据权利要求1或2所述的压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置，其特征在于：所述的顶盖真空抽气模块(17)由第一滤尘器(172)、第一球型闪烁室(174)以及第六阀门(171)、第七阀门(173)、第八阀门(175)、第九阀门(176)经乙烯树脂管(20)连接而成，所述的第九阀门(176)与依次串联的所述的第六阀门(171)、第一滤尘器(172)、第七阀门(173)、第一球型闪烁室(174)和第八阀门(175)并联，一端与所述的第一精密数字气压表(13)连接，另一端与所述的真空泵模块(19)连接。
7.根据权利要求1或2所述的压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置，其特征在于：所述的底座真空抽气模块(18)由第二滤尘器(182)、第二球型闪烁室(184)以及第十阀门(181)、第十一阀门(183)、第十二阀门(185)、第十三阀门(186)经乙烯树脂管(20)连接而成，所述的第十三阀门(186)与依次串联的所述的第十阀门(181)、第二滤尘器(182)、第十一阀门(183)、第二球型闪烁室(184)和第十二阀门(185)并联，一端与所述的第二精密数字气压表(14)连接，另一端与所述的真空泵模块(19)连接。
8.根据权利要求1或2所述的压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置，其特征在于：所述的真空泵模块(19)由真空泵(191)和真空表(192)经乙烯树脂管(20)串联连接而成。
9.使用权利要求1所述的压差可调式射气岩石介质氡析出率测量装置的方法，其特征在于：包括对射气岩石介质氡析出率的测量及计算：
步骤1、先将顶盖空气加注模块(15)、顶盖真空抽气模块(17)、第一精密数字气压表(13)同密封顶盖(3)连接，再将底座氮气加注模块(16)、底座真空抽气模块(18)、第二精密数字气压表(14)同筒体底座(5)连接，然后将多孔透气板(4)与筒体底座(5)连接在一起，并将制备好的岩样(1)放置在多孔透气板(4)上，最后将试样箱(2)组装并与密封顶盖(3)及筒体底座(5)连接；实验组装过程中，将所有阀门关闭；
步骤2、打开第九阀门(176)和第十三阀门(186)，并开启真空泵(191)，3-5分钟后关闭第九阀门(176)和第十三阀门(186)，同时记录第一精密数字压力表(13)和第二精密数字压力表(14)显示的压力值；再将整个装置静置约20min，再次记录第一精密数字压力表(13)和第二精密数字压力表(14)显示的压力值；若两个精密数字压力表前后两次所记录的压力值均几乎为零，那么认为装置气密性良好；否则，应检查装置连接处是否连接完好、存在漏气现象，直到保证良好气密性为止；
步骤3、打开第二阀门(153)和第三阀门(157)，通过调节第一微量调节阀(155)，使第一微小数显流量计(156)显示的瞬时流量值为1L/min左右，当第一精密数字压力表(13)显示的集氡空间(35)压力值为某一预定值(记为Pj)后，关闭第二阀门(153)和第三阀门(157)；同样地，打开高压氮气瓶(161)，调节减压稳压阀(162)，保持较小的输气压力，然后打开第五阀门(165)，小心调节第二微量调节阀(163)，使第二微小数显流量计(164)显示的瞬时流量值为1L/min左右，当第二精密数字压力表(14)显示的缓冲空间(55)压力值(记为Ph)与集氡空间(35)压力值Pj一致时，关闭高压氮气瓶(161)与第五阀门(165)；
步骤4、将实验装置静置，使岩样(1)内的氡以纯扩散的方式在集氡空间(35)与缓冲空间(55)内积累，一周后，缓冲空间(55)内的氡因反扩散及自身衰变作用的影响，其浓度稳定到某一最大值后将保持不变；再打开第一阀门(152)和第四阀门(158)，拔掉排气孔(31)上的橡皮塞(12)，并开启充气泵(151)排气5min以净化集氡空间(35)，使其内氡浓度与外界大气本底值(记为C0)一致后，先后关闭充气泵(151)、第一阀门(152)、第四阀门(158)及重新将排气孔(31)塞上橡皮塞(12)；再打开第九阀门(176)，并开启真空泵(191)对集氡空间(35)进行抽真空，3-5分钟后关闭第九阀门(176)与真空泵(191)；然后重复上述步骤3对顶盖空气加注模块(15)进行调节的部分，使集氡空间(35)内的气压为Pj1(Pj1≤Ph)；
步骤5、打开第八阀门(175)与真空泵(191)，对第一球型闪烁室(174)进行抽真空，3-5分钟后关闭第八阀门(175)及真空泵(191)；在集氡时间达0.5h时，迅速打开第六阀门(171)和第七阀门(173)，待第一精密数字压力表(13)显示的集氡空间(35)压力值稳定后(记为Pjs1)，即表示通过预抽真空的第一球型闪烁室(174)完成取样；关闭第六阀门(171)和第七阀门(173)，使用室内氡钍分析器与智能定标器测定第一球型闪烁室(174)所采集气体样品的氡浓度，记为Csj1；
步骤6、多次重复上述步骤4和步骤5，分别测定并记录在某恒定压差条件下，恒定压差记为ΔP，ΔP＝Ph－Pj1，时间间隔即1h、2h、4h、…、32h、…、256h后集氡空间(35)内的氡浓度，记为Csj2、Csj3、Csj4、…、Csj7、…、Csj10；
步骤7、打开阀门(185)与真空泵(191)，对第二球型闪烁室(184)进行抽真空，3-5分钟后关闭第十二阀门(185)及真空泵(191)；打开第十阀门(181)和第十一阀门(183)，待第二精密数字压力表(14)显示的缓冲空间(55)压力值稳定后记为Phs，即表示通过预抽真空的第二球型闪烁室(184)完成取样；关闭第十阀门(181)和第十一阀门(183)，使用室内氡钍分析器与智能定标器测定第二球型闪烁室(184)所采集气体样品的氡浓度，记为Csh；
步骤8、采用闪烁室法所测得的氡浓度Csj系列与Csh并非集氡空间(35)或缓冲空间(55)的真实值，应作如下转换，以集氡空间(35)为例进行说明：
集氡空间内的氡，视为等温流动的理想气体，满足理想气体状态方程：
Pj,RnVj＝nRnRTj (1)
式中，Pj,Rn为氡对集氡空间气压的贡献，Pa；Vj为集氡空间的体积，m3；nRn为集氡空间内氡的物质的量，mol；R为比例常数，R＝8.314J/(mol·K)；Tj为集氡空间内的温度，取293.15K；
根据放射性衰变理论可知：
式中，Cj为集氡空间内的氡浓度，Bq/m3；λ为氡的衰变常数，λ＝2.1×10-6s-1；NA为阿伏伽德罗常数，NA＝6.02×1023mol-1；
结合式(1)、(2)可得：
Pj,Rn＝1.93×10-15Cj (3)
由式(3)可知，在绝大多数情况下，Pj,Rn<<1Pa，即说明虽然实验持续时间较长，并在集氡空间内一直伴随着氡浓度的增长，但其对集氡空间内气压的贡献完全可以忽略不计；
令采样后集氡空间及有关管路即连接第一精密数字气压表(13)的一段管路损失的空气体积占集氡空间总体积包括有关管路储气体积的比例为f，那么易知：
f·Pj(Vj+Vg1)＝(Pj-Pjs)(Vj+Vg1) (4)
式中，Pj为集氡空间内的气压，Pa；Pjs为完成采样后集氡空间内的气压，Pa；Vg1为连接精密数字气压表(13)的一段管路储气体积，m3；
f·(Vj+Vg1)Cj＝(Vs+Vg2)Csj (5)
式中，Csj为球型闪烁室(174)内的氡浓度，Bq/m3；Vg2为连接球型闪烁室(174)的一段管路储气体积，m3；
结合式(4)、(5)可得：
根据式(6)，即求得集氡空间真实氡浓度Cj；同样地，可推知缓冲空间真实氡浓度计算式；
岩样的氡析出率由下式确定：
式中，J为岩样的氡析出率，Bq/(m2·h)；ΔCj为Δt(单位：h)时间内集氡空间内氡浓度的变化值，Bq/m3；hj为集氡空间高度，m；
步骤9、根据换算所得的浓度数据，令参数Y＝hjCj，作出参数Y与对应时间t的关系图，再拟合出两者关系式，并依据微分原理求出dY/dt，即得到岩样的氡析出率J随时间t变化的关系式；需要注意的是，在初始时刻，所对应的氡浓度并非为零，而是外界大气本底值C0。
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