CN108897031A - 一种开环式测量射气介质氡析出率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开环式测量射气介质氡析出率的方法和装置，该方法使用以下装置进行氡析出率的测量：该装置包括测氡仪、用于盛装待测射气介质的试验柱，试验柱的上方设集气罩，测氡仪的进气口通过气管与集气罩连通，测氡仪的出气口与外界环境连通，在集气罩的上表面设与外界环境连通的孔，试验柱的下方设气体均压室，气体均压室通过气管连接气体泵，气体均压室与气体泵之间的气管上设有流量调节器；该方法既考虑介质表面氡的自由扩散，又考虑渗流作用的影响。另外，该装置可以在短时间内较准确的测量出介质表面的氡析出率。

Description

一种开环式测量射气介质氡析出率的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种开环式测量射气介质氡析出率的方法和装置，特别涉及一 种在颗粒堆积型射气介质中产生可控流量的渗流装置及确定渗流-扩散作用下氡 析出率的方法，属于核辐射测量技术领域。

背景技术

氡是一种惰性放射气体，其无色无味，广泛存在于岩石、土壤和地下水中。 国际卫生组织(WHO)将氡列为19种主要的环境致癌物质，氡析出率是评价 射气介质释放氡能力的物理量，合理科学测量氡析出率及析出规律是国内外学 者研究热点。

氡析出率是表示射气介质表面释放氡速度的参数。像岩石、矿体、土体这 一类大型射气体，外部因素都能影响氡在其中的运移，因而也影响氡析出率。 氡析出率不是表征射气介质表面性质的特征参数，而是射气介质内部氡运移在 介质边界产生的现象的量度。现有的介质表面氡析出率的测量均考虑的是氡气 自由扩散的析出，而忽略介质内部渗流的影响。当介质内部存在渗流的情况时， 采用闭环式测氡方法，会抑制氡气进入收集腔，从而影响测量结果的准确性； 而开环式测氡虽避免了收集腔对渗流气体的阻碍作用，但却不能对不同渗流速 度下氡析出量进行分析，难以了解介质内部渗流速度对氡析出率的影响。

中国专利文献公开了一种“开环式测量氡析出率的方法及测量装置”(申 请号：CN201010129774.6)的发明专利申请，该发明专利也是采用的开环式测 量氡析出率的，但由于氡的衰变常数较小，建议忽略不计。衰变常数是指在单 位时间内每一个核的衰变几率，每一种放射性核素都有它特定的衰变常数，λ 数值大的放射性核素衰变得快，小的则慢，它的存在不容忽视。

本发明装置是在其基础上进行了修改和完善，考虑到了颗粒堆积型射气介 质表面的渗流和扩散问题，提出了一种开环式测氡析出率的方法，该方法可以 在短时间内测量出介质表面的氡析出率，提高数据的精确度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术上的不足，发明了一种开环式测氡析出率的 方法，该方法既考虑介质表面氡的自由扩散，又考虑渗流作用的影响。另外， 该装置可以在短时间内较准确的测量出介质表面的氡析出率。

本发明的技术方案是，提供一种开环式测量射气介质氡析出率的方法，该 方法使用以下装置进行氡析出率的测量：

该装置包括测氡仪、用于盛装待测射气介质的试验柱，试验柱的上方设集 气罩，测氡仪的进气口通过气管与集气罩连通，测氡仪的出气口与外界环境连 通，在集气罩的上表面设与外界环境连通的孔，试验柱的下方设气体均压室， 气体均压室通过气管连接气体泵，气体均压室与气体泵之间的气管上设有流量 调节器；

该方法包括以下步骤：

(1)打开气体泵，通过流量调节器控制进入气体均压室的渗流流量为q₁； 用测氡仪测量出外界环境中的氡浓度C₀作为集气罩在零时刻的氡浓度为C₀，当 开始测量集气罩里的氡浓度时，每过相同的时间间隔△T，依次记录此时刻下 的氡浓度C₁、C₂、C₃、……、C_n(n≥5)；n优选为6-12；

(2)利用上述测量值拟合以下微分方程的解，计算氡析出率J；

当试验柱内的渗流方向向下时，微分方程为

当试验柱内的渗流方向向上时，微分方程为

其中，C为集气罩内的氡浓度，单位为Bq/m³；t为氡析出的时间，单位为 s；V为集气罩的空间体积，单位为m³；S为集气罩的横截面积，单位为m²；J 为射气介质表面氡析出率，单位为Bq(m^-2·s^-1)；λ_e为氡的等效衰变常数，单位为 s^-1；q和q₁分别为进入测氡仪的气体流量和试验柱内的气体渗流流量，单位均 为m³/s。

集气罩内的氡浓度C为变量，可由测定仪直接测出具体数值；测氡浓度的 时间t为变量，起始时间为0s；对于特定的集气罩，V和S都是已知定量；氡 析出率J和等效衰变常数λ_e为未知量；气体流量q为已知量，即测氡仪自带的 泵的流量是已知的；气体渗流流量q₁，即气体泵设定的气体流量，也可以由气 体流量计直接得到，一般为已知定量。

当试验柱内的渗流方向向下时，解上述微分方程(公式1)得：

令

则:C＝A1+e^-B1t(C₀-A1)

利用上述测量值对C＝A1+e^-B1t(C₀-A1)进行拟合，得到A1和B1的 值，再代入中，计算氡析出率J。

当试验柱内的渗流方向向上时，解上述微分方程(公式5)得：

简化得：

令

则：C＝A2+e^-B2t(C₀-A2)

利用上述测量值对C＝A2+e^-B2t(C₀-A2)进行拟合，得到A2和B2的 值，再代入中，计算氡析出率J。

优选地，射气介质为颗粒状；颗粒粒径1-5mm。试验柱内径150-250mm， 试验柱内装有射气介质的高度为0.8-1.5m。

优选地，射气介质为铀矿石颗粒。

优选地，气体渗流流量q₁为100-300ml/min。

优选地，时间间隔△T为3-20分钟，更优选3-6min。

孔用于平衡气压，即气体泵进气后通过集气罩上表面的孔排出，实现气压 的平衡，可称为气压平衡孔。

本发明还提供一种用于开环式测量射气介质氡析出率的装置，包括测氡仪、 用于盛装待测射气介质的试验柱，试验柱的上方设集气罩，测氡仪的进气口通 过气管与集气罩连通，测氡仪的出气口与外界环境连通，在集气罩的上表面设 与外界连通的孔，试验柱的下方设气体均压室，气体均压室通过气管连接气体 泵，气体均压室与气体泵之间的气管上设有流量调节器。

优选地，气管上均设有气体流量计。

优选地，气体均压室上设有进气口，气体泵通过气管与进气口连通，进气 口位于气体均压室的侧面或底面。

优选地，气体均压室内填充颗粒状的填料，进气口位于气体均压室的底面。

优选地，所述孔的面积占集气罩的上表面积的1-10％。

优选地，试验柱为横截面积固定的柱体。

本发明的开环式是指，即测氡仪从集气罩中采样进行检测，检测完之后的 气体排出到外部环境中，没有重新回到集气罩。

本发明的优点：本发明提出了一种开环式测氡析出率的方法，该方法可以 在短时间内较准确的测出介质表面的氡析出率。该发明装置在先前的技术上进 行了相应的完善，它安装了均匀渗流产生装置、气体均压室以及气压平衡孔等， 既考虑了介质表面氡的自由扩散，又考虑了介质内部渗流作用的影响。另外， 本发明还着重分析了在不同渗流方向作用下，氡析出率的大小也会有所不同。

附图说明

图1表示测量渗流状态下氡析出率的装置图。

标号说明：1-过滤装置、2-干燥管、3-气体流量计、4-孔、5-测氡仪、6-集 气罩、8-气体均压室、9-进气口、10-气体泵、11-流量调节器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本实施例提供一种在颗粒堆积型射气介质的氡析出率测定方法及其装置。

装置的结构图如图1所示，包括测氡仪5、用于盛装待测射气介质的试验 柱7，试验柱7的上方设集气罩6，测氡仪5通过气管与集气罩6连通，集气罩 6、气体流量计3、干燥管2、过滤装置1、测氡仪5采用气管依次串联。在集 气罩6的上表面设与外界连通的孔4(也可以设与外界连通的管，均用于平衡 集气罩内的气压)，试验柱7的下方设气体均压室8，气体均压室8通过气管连 接气体泵10，气体均压室8与气体泵10之间的气管上设有流量调节器11。气 体均压室8上设有进气口9，气体泵10通过气管与进气口9连通，进气口9位 于气体均压室8的侧面。气体均压室8为空腔，气体均压室8与试验柱7的接 触面设有可以透气的隔膜，防止射气介质落下，试验柱7为圆柱体。

将气体均压室8放在平地上，并用软管与气体流量计3、气体泵10、调节 器11连接，把内直径为200mm试验柱7放在气体均压室8上，把自然风干且 粒径小于5mm的铀矿石颗粒装入试验柱7中，装满后矿石颗粒高度约为1m。 再将过滤装置1、干燥管2、气体流量计3、测氡仪5和集气罩6用软管连接。

预先确定集气罩的空间体积V约为3.14L。用测氡仪测量室内环境中的氡 浓度作为C₀。把流量调控装置放在试验柱7上面固定住，根据试验柱所需的渗 流速度和试验柱7的横截面积的积计算渗流量，通过调节器11控制进入气体均 压室8的流量为150ml/min，当气体泵连续不断地把外界的气体均匀抽入或抽出 时，在试验柱7中会产生稳定的渗流。为保证气流平稳以及计算方便，试验柱 7与集气罩6以及气体均压室8的截面积相同；截面积均为0.00314m²。

不同时刻氡浓度的测定

打开测氡仪5测量集气罩里的氡浓度，每隔五分钟测量一次集气罩内不同 时刻点的氡浓度的测定结果C₁、C₂、C₃、……、C_n(n≥5)。

测量得到的室内氡浓度C₀值是30Bq/m³。

渗流时，集气罩内部的氡浓度C_n结果如表1、表2所示：

表1渗流向下时集气罩内的氡浓度C_n

表2渗流向上时集气罩内的氡浓度C_n

氡析出率的计算

将表1、表2的数据按C＝A1+e^-B1t(C₀-A1)和C＝A2+e^-B2t(C₀-A2) 进行拟合，拟合结果见表3、表4。

表3渗流向下公式中的参数拟合

A1(Bq/m3)	B1(s-1)	回归系数R2
			1329.6929	6.1541e-03	0.9788

表4渗流向上公式中的参数拟合

A2(Bq/m3)	B2(s-1)	回归系数R2
			7080.1837	5.35e-03	0.9856

然后将表3、表4的数据代入上文提供的公式(4)、(8)中，得到颗粒堆 积型射气介质的氡析出率和等效衰变常数J、λ_e，结果见表5、表6。其中v表 示渗流流速，即渗流流量q₁除以试验柱的横截面积。

表5渗流向下时氡析出率和等效衰变常数

J(Bq·m-2s-1)	λe(s-1)	q1(ml/min)	v(m/s)
				0.80	5.0006e-05	150	0.00007962

表6渗流向上时氡析出率和等效衰变常数

J(Bq·m-2s-1)	λe(s-1)	q1(ml/min)	v(m/s)
				3.78	5.0021e-05	150	0.00007962

Claims (10)

1.一种开环式测量射气介质氡析出率的方法，其特征在于，该方法使用以下装置进行氡析出率的测量：

该装置包括测氡仪、用于盛装待测射气介质的试验柱，试验柱的上方设集气罩，测氡仪的进气口通过气管与集气罩连通，测氡仪的出气口与外界环境连通，在集气罩的上表面设与外界环境连通的孔，试验柱的下方设气体均压室，气体均压室通过气管连接气体泵，气体均压室与气体泵之间的气管上设有流量调节器；该方法包括以下步骤：

(1)打开气体泵，通过流量调节器控制进入气体均压室的渗流流量为q₁；用测氡仪测量出外界环境中的氡浓度C₀作为集气罩在零时刻的氡浓度为C₀，当开始测量集气罩里的氡浓度时，每过相同的时间间隔△T，依次记录此时刻下的氡浓度C₁、C₂、C₃、……、C_n(n≥5)；

(2)利用上述测量值拟合以下微分方程的解，计算氡析出率J；

当试验柱内的渗流方向向下时，微分方程为

当试验柱内的渗流方向向上时，微分方程为

其中，C为集气罩中氡浓度，单位为Bq/m³；t为氡析出的时间，单位为s；V为集气罩的空间体积，单位为m³；S为集气罩的横截面积，单位为m²；J为射气介质表面氡析出率，单位为Bq(m^-2·s^-1)；λ_e为氡的等效衰变常数，单位为s^-1；q和q₁分别为进入测氡仪的气体流量和试验柱内的气体渗流流量，单位均为m³/s。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当试验柱内的渗流方向向下时，解上述微分方程得：

令

则:C＝A1+e^-B1t(C₀-A1)

利用上述测量值对C＝A1+e^-B1t(C₀-A1)进行拟合，得到A1和B1的值，再代入中，计算氡析出率J。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当试验柱内的渗流方向向上时，解上述微分方程得：

令

则：C＝A2+e^-B2t(C₀-A2)

利用上述测量值对C＝A2+e^-B2t(C₀-A2)进行拟合，得到A2和B2的值，再代入中，计算氡析出率J。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，利用最小二乘法进行拟合。

5.一种用于开环式测量射气介质氡析出率的装置，包括测氡仪(5)、用于盛装待测射气介质的试验柱(7)，试验柱(7)的上方设集气罩(6)，测氡仪(5)的进气口通过气管与集气罩(6)连通，测氡仪(5)的出气口与外界环境连通，其特征在于，在集气罩(6)的上表面设与外界连通的孔(4)，试验柱(7)的下方设气体均压室(8)，气体均压室(8)通过气管连接气体泵(10)，气体均压室(8)与气体泵(10)之间的气管上设有流量调节器(11)。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，气管上均设有气体流量计(3)。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，气体均压室(8)上设有进气口(9)，气体泵(10)通过气管与进气口(9)连通，进气口(9)位于气体均压室(8)的侧面或底面。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，气体均压室(8)内填充颗粒状的填料，进气口位于气体均压室(8)的底面。

9.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述孔(4)的面积占集气罩的上表面积的1-10％。

10.如权利要求5所述的装置，其特征在于，试验柱(7)的横截面积固定。