CN108489771A - 流气式土壤氡气源收集装置及收集方法 - Google Patents

流气式土壤氡气源收集装置及收集方法 Download PDF

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Abstract

流气式土壤氡气源收集装置及收集方法，所述的收集装置包括干燥器、直流泵、湿度控制器、缓冲瓶、温度/湿度感应器、氡监测仪、流量计、过滤器、土壤气体采样杆及复数个电磁阀和复数个球阀。土壤气体采样杆的一端通过气管与第一球阀的进气端连接，第一球阀的出气端通过气管依次与过滤器、第二球阀、第三球阀、第一电磁阀、第四球阀及第五球阀串接在一起组成系统回路，第五球阀的出气端接有出气管。在系统回路还分别接有空气干燥回路、抽气回路、湿度控制系统及缓冲回路。并通过收集装置从土壤中收集氡气源，建立一个能够模拟各种测量环境的流气式土壤氡气源，满足测氡仪器标定和各种科研的需要。

Description

流气式土壤氡气源收集装置及收集方法
技术领域
本发明涉及辐射计量技术领域，特别是一种采用流气式从土壤中收集氡气源的装置及方法。
背景技术
氡是一种天然的放射性惰性气体，在自然界中无处不在。氡及其子体约占天然辐射对公众年有效剂量的50%，被列为使人致癌的19种物质之一，是引起呼吸道疾病和肺癌的重要因素。氡浓度的测量是评价氡辐射危害的基础，也是氡法找矿、预报地震的重要手段。氡气源在氡水平的量值溯源和传递、保证测氡仪的量值统一和准确可靠等方面发挥着重要的作用。同时，对氡计量与评价方法的研究也少不了各类型氡气源的应用。氡是由地壳中的放射性核素镭-226衰变所产生，因此各类氡气源均是由含镭物质制作而成。根据源物质形态的不同，氡气源可分为液体源和固体源；根据工作模式的不同，又可分为扩散式源和流气式源。
由于具有体积小、操作简单及安全等优点，固体氡气源是当前被人们最广泛应用的氡气源。然而，随着国家对放射性标准源及其源材料的监管要求越来越严格，同时放射源的采购周期长，采购手续繁琐，且价格不菲，特别是当老旧氡气源退役后，将导致不少单位面临无源可用的境地。因此，开发一种简便、易得、安全及经济的氡气源是十分必要和有意义的工作。
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流气式土壤氡气源收集装置及收集方法。
本发明的技术方案是：流气式土壤氡气源收集装置，包括干燥器、直流泵、湿度控制器、缓冲瓶、温度/湿度感应器、氡监测仪、流量计、过滤器、土壤气体采样杆及复数个电磁阀和复数个球阀。
土壤气体采样杆的一端通过气管与第一球阀的进气端连接，第一球阀的出气端通过气管依次与过滤器、第二球阀、第三球阀、第一电磁阀、第四球阀及第五球阀串接在一起组成系统回路，第五球阀的出气端接有出气管。
第六球阀、干燥器及第七球阀通过气管依次串接，组成空气干燥回路，第六球阀的进气端与第二球阀的进气端连接，第七球阀的出气端与第二球阀的出气端连接。
第八球阀、直流泵及第九球阀通过气管依次串接，组成抽气回路，第八球阀的进气端与第三球阀的进气端连接，第九球阀的出气端与第三球阀的出气端连接，第三球阀的作用是，当替换直流泵时，用来保持系统回路畅通。
湿度控制器上分别接有第二电磁阀及第三电磁阀，组成湿度控制系统，第二电磁阀的进气端与第一电磁阀的进气端连接，第三电磁阀的出气端与第一电磁阀的出气端连接。
缓冲瓶上分别接有温度/湿度感应器、第十球阀、第十一球阀及第十二球阀，组成缓冲回路，第十球阀的进气端与第四球阀的进气端连接，第十一球阀的出气端与第四球阀的出气端连接。
第十三球阀的进气端与第五球阀进气端连接，第十四球阀的进气端与第五球阀出气端连接，流量计和氡监测仪依次接在第四球阀及第五球阀之间的气管上，并处在第十一球阀与第十三球阀之间。
采用上述装置从土壤中收集氡气源过程如下：
将土壤气体采样杆的一端插入土壤中，深度在1米以上，打开第一球阀、第二球阀、第八球阀、第九球阀、第一电磁阀、第四球阀及第五球阀，其余的阀门都处在关闭状态。开启直流泵，抽取土壤中的空气，空气从采样杆→第一球阀→过滤器→第二球阀→第八球阀→直流泵→第九球阀→第一电磁阀→第四球阀→第五球阀流出，由于土壤中长期累积了大量氡的原故，一开始时用氡监测仪测得土壤空气中的氡浓度会特别高，经连续抽气一段时间后，空气中氡的浓度逐渐降低并稳定在某一浓度水平上。
此时，打开第六球阀和第七球阀，关闭第二球阀；打开第十球阀及第十一球阀，关闭第四球阀。空气从采样杆→第一球阀→过滤器→第六球阀→干燥器→第七球阀→第八球阀→直流泵→第九球阀→第一电磁阀→第十球阀→缓冲瓶→第十一球阀→第五球阀流出；同时，打开第十二球阀向缓冲瓶注入环境空气，由于环境空气含氡浓度比土壤空气低得多，通过调节注入环境空气的空气流率，能够实现缓冲瓶内氡浓度的动态调控。通过这种回路控制方式，能够得到干燥的氡气源。
在得到干燥氡气的基础上，打开第二球阀，关闭第六球阀及第七球阀；打开第二电磁阀及第三电磁阀，关闭第一电磁阀，流气经过湿度控制器流出，能够得到一定湿度的含氡空气，含一定湿度的空气接着流进缓冲瓶，最后通过缓冲瓶的出口向待检定仪器或环境中输出空气；缓冲瓶内空气湿度采用湿度传感器进行监测并通过湿度控制器回路上的第二电磁阀及第三电磁阀对其实现有效调控。
被检定仪器通过与第十三球阀及第十四球阀的出气端相连接，能够获得低于系统总流率的任意流率的稳定含氡空气，这样就建立了一个可模拟各种测量环境的流气式土壤氡气源，满足测氡仪器标定和各种科研的需要。
缓冲瓶内平衡氡浓度的计算方法如下：缓冲瓶的体积为V，其单位为L；其空气氡浓度为，其单位为Bq/m3；来自土壤的空气流率为，其单位为L/min；稳定状态时其氡浓度为，其单位为Bq/m3；注入缓冲瓶环境空气的流率为，其单位为L/min；环境空气氡浓度为，其单位为Bq/m3；缓冲瓶内大气压力与环境大气相同，排放空气流率为，其单位为L/min。所述系统中缓冲瓶内某一时刻t，氡浓度的变化率为：
（1）
解微分方程得通解：
（2）
其中，其单位为min-1；，其单位为L/min；λ为氡衰变常数，λ=3.5×10-8 min-1。
当刚开始通气时，缓冲瓶内氡浓度应等于环境氡浓度，即；当缓冲瓶内实现平衡时即，氡浓度应该为，其单位为Bq/m3。根据边界条件，解得
A＝，其单位为Bq/m3；B＝，其单位为Bq/m3。
本发明与现有技术相比具有如下特点：
1、该氡气源较简单且特别容易获得，且相对成本更低，适合在本领域内广泛推广应用。
2、该氡气源的氡来源于土壤空气，没有源材料物质产生，相对而言更加安全，避免纳入繁琐的放射源监管体系。
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为本发明提供的流气式土壤氡气源收集装置结构示意图。
具体实施方式
流气式土壤氡气源收集装置，包括干燥器1、直流泵2、湿度控制器3、缓冲瓶4、温度/湿度感应器5、氡监测仪6、流量计7、过滤器8、土壤气体采样杆9及复数个电磁阀和复数个球阀。
土壤气体采样杆9的一端通过气管与第一球阀10的进气端连接，第一球阀10的出气端通过气管依次与过滤器8、第二球阀11、第三球阀12、第一电磁阀13、第四球阀14及第五球阀15串接在一起组成系统回路，第五球阀15的出气端接有出气管。
第六球阀16、干燥器1及第七球阀17通过气管依次串接，组成空气干燥回路，第六球阀16的进气端与第二球阀11的进气端连接，第七球阀17的出气端与第二球阀11的出气端连接。
第八球阀18、直流泵2及第九球阀19通过气管依次串接，组成抽气回路，第八球阀18的进气端与第三球阀12的进气端连接，第九球阀19的出气端与第三球阀12的出气端连接，第三球阀12的作用是，当替换直流泵2时，用来保持系统回路畅通。
湿度控制器3上分别接有第二电磁阀20及第三电磁阀21，组成湿度控制系统，第二电磁阀20的进气端与第一电磁阀13的进气端连接，第三电磁阀21的出气端与第一电磁阀13的出气端连接。
缓冲瓶4上分别接有温度/湿度感应器5、第十球阀22、第十一球阀23及第十二球阀24，组成缓冲回路，第十球阀22的进气端与第四球阀14的进气端连接，第十一球阀23的出气端与第四球阀14的出气端连接。
第十三球阀25的进气端与第五球阀15进气端连接，第十四球阀26的进气端与第五球阀15出气端连接，流量计7和氡监测仪6依次接在第四球阀14及第五球阀15之间的气管上，并处在第十一球阀23与第十三球阀25之间。
采用上述装置从土壤中收集氡气源过程如下：
将土壤气体采样杆9的一端插入土壤中，深度在1米以上，打开第一球阀10、第二球阀11、第八球阀18、第九球阀19、第一电磁阀13、第四球阀14及第五球阀15，其余的阀门都处在关闭状态。开启直流泵2，抽取土壤中的空气，空气从采样杆9→第一球阀10→过滤器8→第二球阀11→第八球阀18→直流泵2→第九球阀19→第一电磁阀13→第四球阀14→第五球阀15流出，由于土壤中长期累积了大量氡的原故，一开始时用氡监测仪6测得土壤空气中的氡浓度会特别高，经连续抽气一段时间后，空气中氡的浓度逐渐降低并稳定在某一浓度水平上。
此时，打开第六球阀16和第七球阀17，关闭第二球阀11；打开第十球阀22及第十一球阀23，关闭第四球阀14。空气从采样杆9→第一球阀10→过滤器8→第六球阀16→干燥器1→第七球阀17→第八球阀18→直流泵2→第九球阀19→第一电磁阀13→第十球阀22→缓冲瓶4→第十一球阀23→第五球阀15流出；同时，打开第十二球阀24向缓冲瓶4注入环境空气，由于环境空气含氡浓度比土壤空气低得多，通过调节注入环境空气的空气流率，能够实现缓冲瓶4内氡浓度的动态调控。通过这种回路控制方式，能够得到干燥的氡气源。
在得到干燥氡气的基础上，打开第二球阀11，关闭第六球阀16及第七球阀17；打开第二电磁阀20及第三电磁阀21，关闭第一电磁阀13，流气经过湿度控制器3流出，能够得到一定湿度的含氡空气，含一定湿度的空气接着流进缓冲瓶4，最后通过缓冲瓶4的出口向待检定仪器或环境中输出空气；缓冲瓶4内空气湿度采用湿度传感器5进行监测并通过湿度控制器3回路上的第二电磁阀20及第三电磁阀21对其实现有效调控。
被检定仪器通过与第十三球阀25及第十四球阀26的出气端相连接，能够获得低于系统总流率的任意流率的稳定含氡空气，这样就建立了一个可模拟各种测量环境的流气式土壤氡气源，满足测氡仪器标定和各种科研的需要。
缓冲瓶4内平衡氡浓度的计算方法如下：缓冲瓶4的体积为V，其单位为L；空气氡浓度为，其单位为Bq/m3；来自土壤的空气流率为，其单位为L/min；稳定状态时其氡浓度为，其单位为Bq/m3；注入缓冲瓶4环境空气的流率为，其单位为L/min；环境空气氡浓度为，其单位为Bq/m3；缓冲瓶4内大气压力与环境大气相同，排放空气流率为，其单位为L/min。所述系统中缓冲瓶4内某一时刻t，氡浓度的变化率为：
（1）
解微分方程得通解：
（2）
其中，其单位为min-1；，其单位为L/min；λ为氡衰变常数，λ=3.5×10-8 min-1。
当刚开始通气时，缓冲瓶4内氡浓度应等于环境氡浓度，即；当缓冲瓶4内实现平衡时即，氡浓度应该为，其单位为Bq/m3。根据边界条件，解得
A＝，其单位为Bq/m3；B＝，其单位为Bq/m3。
其具体实施例如下，干燥器1采用装有变色硅胶的干燥器，直流泵2采用美国Sensidyne Gilair plus空气采样泵，流率为20-5000ml/min，湿度控制器3采用总容量为200mL的平齐吊管磨口玻璃瓶，瓶内装有100ml浓度为200g/L的NaCl溶液，缓冲瓶4为290mm（长）×160mm（直径）×180mm（高）的5L容器罐，氡监测仪6为RAD7氡监测仪，流量计7为电子皂膜流量计，过滤器8采用活性炭过滤器。
首先通过直流泵2将深度1m以上的土壤空气以φ1=2.5L/min的速率抽出，空气中氡稳定后的浓度为C1=3680.7Bq/m3。然后通过过滤器8过滤掉空气中的固体杂质和氡子体，从干燥器1进入湿度控制器3，再流入缓冲瓶4。
缓冲瓶的体积V=5L，注入缓冲瓶的的环境空气流率φ2=2L/min，环境空气氡浓度C2=76.3Bq/m3。温度/湿度感应器5和流量计7用来监控缓冲瓶4里氡的动态变化参数。
缓冲瓶4内大气压力与环境大气压力相同，所以其排放空气流率φ3=φ1+φ2=4.5L/min，出口处外接被检定仪器。
由公式（2）得知，通过调节注入缓冲瓶4的环境空气的流率，能够实现缓冲瓶4内氡浓度的动态调控，以满足测氡仪器标定和各种科研的需要。
将上述已测数据带入公式（2），其中A=，B=，，，λ为氡衰变常数，λ=3.5×10-8 min-1，求得A≈2.078×103 Bq/m3，B≈2.002×103Bq/m3，a≈0.9min-1，所以，氡浓度的变化率C (t)= 2078－2002e-0.9t，其中t的单位为min。

Claims (3)

1.流气式土壤氡气源收集装置，其特征是：包括干燥器、直流泵、湿度控制器、缓冲瓶、温度/湿度感应器、氡监测仪、流量计、过滤器、土壤气体采样杆及复数个电磁阀和复数个球阀；
土壤气体采样杆的一端通过气管与第一球阀的进气端连接，第一球阀的出气端通过气管依次与过滤器、第二球阀、第三球阀、第一电磁阀、第四球阀及第五球阀串接在一起组成系统回路，第五球阀的出气端接有出气管；
第六球阀、干燥器及第七球阀通过气管依次串接，组成空气干燥回路，第六球阀的进气端与第二球阀的进气端连接，第七球阀的出气端与第二球阀的出气端连接；
第八球阀、直流泵及第九球阀通过气管依次串接，组成抽气回路，第八球阀的进气端与第三球阀的进气端连接，第九球阀的出气端与第三球阀的出气端连接，第三球阀的作用是，当替换直流泵时，用来保持系统回路畅通；
湿度控制器上分别接有第二电磁阀及第三电磁阀，组成湿度控制系统，第二电磁阀的进气端与第一电磁阀的进气端连接，第三电磁阀的出气端与第一电磁阀的出气端连接；
缓冲瓶上分别接有温度/湿度感应器、第十球阀、第十一球阀及第十二球阀，组成缓冲回路，第十球阀的进气端与第四球阀的进气端连接，第十一球阀的出气端与第四球阀的出气端连接；
第十三球阀的进气端与第五球阀进气端连接，第十四球阀的进气端与第五球阀出气端连接，流量计和氡监测仪依次接在第四球阀及第五球阀之间的气管上，并处在第十一球阀与第十三球阀之间。
2.采用如权利要求1所述的流气式土壤氡气源收集装置从土壤中收集氡气源方法，其特征是：其收集过程如下：
将土壤气体采样杆的一端插入土壤中，深度在1米以上，打开第一球阀、第二球阀、第八球阀、第九球阀、第一电磁阀、第四球阀及第五球阀，其余的阀门都处在关闭状态；开启直流泵，抽取土壤中的空气，空气从采样杆→第一球阀→过滤器→第二球阀→第八球阀→直流泵→第九球阀→第一电磁阀→第四球阀→第五球阀流出，由于土壤中长期累积了大量氡的原故，一开始时用氡监测仪测得土壤空气中的氡浓度会特别高，经连续抽气一段时间后，空气中氡的浓度逐渐降低并稳定在某一浓度水平上；
此时，打开第六球阀和第七球阀，关闭第二球阀；打开第十球阀及第十一球阀，关闭第四球阀；空气从采样杆→第一球阀→过滤器→第六球阀→干燥器→第七球阀→第八球阀→直流泵→第九球阀→第一电磁阀→第十球阀→缓冲瓶→第十一球阀→第五球阀流出；同时，打开第十二球阀向缓冲瓶注入环境空气，由于环境空气含氡浓度比土壤空气低得多，通过调节注入环境空气的空气流率，能够实现缓冲瓶内氡浓度的动态调控；通过这种回路控制方式，能够得到干燥的氡气源；
在得到干燥氡气的基础上，打开第二球阀，关闭第六球阀及第七球阀；打开第二电磁阀及第三电磁阀，关闭第一电磁阀，流气经过湿度控制器流出，能够得到一定湿度的含氡空气，含一定湿度的空气接着流进缓冲瓶，最后通过缓冲瓶的出口向待检定仪器或环境中输出空气；缓冲瓶内空气湿度采用湿度传感器进行监测并通过湿度控制器回路上的第二电磁阀及第三电磁阀对其实现有效调控；
被检定仪器通过与第十三球阀及第十四球阀的出气端相连接，能够获得低于系统总流率的任意流率的稳定含氡空气，这样就建立了一个能够模拟各种测量环境的流气式土壤氡气源，满足测氡仪器标定和各种科研的需要。
3.如权利要求2所述的从土壤中收集氡气源方法，其特征是：缓冲瓶内平衡氡浓度的计算方法如下：缓冲瓶的体积为V，其单位为L，其空气氡浓度为，其单位为Bq/m3；来自土壤的空气流率为，其单位为L/min，稳定状态时其氡浓度为，其单位为Bq/m3；注入缓冲瓶环境空气的流率为，其单位为L/min，环境空气氡浓度为，其单位为Bq/m3；缓冲瓶内大气压力与环境大气相同，排放空气流率为，其单位为L/min，所述系统中缓冲瓶内某一时刻t，氡浓度的变化率为：
（1）
解微分方程得通解：
（2）
其中，其单位为min-1；，其单位为L/min；λ为氡衰变常数，λ=3.5×10-8 min-1；
当刚开始通气时，缓冲瓶内氡浓度应等于环境氡浓度，即；当缓冲瓶内实现平衡时即，氡浓度应该为，其单位为Bq/m3，根据边界条件，解得
A＝，其单位为Bq/m3；B＝，其单位为Bq/m3。
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