CN109085632A - 一种静电收集法测量土壤潜势氡浓度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用静电收集测氡仪对表层土壤采样测量得到土壤潜势氡浓度的方法及装置，该方法包括采样过程和测量计算过程，能够通过简单的计算方法快速得到准确的土壤潜势氡浓度。通过密封盖封闭测量系统，组成闭环气路测量装置，提高测量的准确性；对采样的土壤的氡的产生率及土壤孔隙率进行测量时，考虑氡的衰变、泄漏和反扩散效应，采用静电收集测氡仪，通过Po‑218的浓度反推氡的浓度，运用非线性拟合算法快速计算得到准确的土壤氡的产生率及土壤孔隙率，无需等测量装置内氡浓度稳定，节省了测量时间。

Description

一种静电收集法测量土壤潜势氡浓度的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种核辐射探测技术，特别是一种利用静电收集测氡仪对表层土壤采样测量得到土壤潜势氡浓度的方法及装置。

背景技术

岩石和土壤中含有天然放射性元素铀(镭),母体元素铀(镭)经衰变后,产生放射性氡气。化学元素氡又称之为氭，是一种化学元素。氡通常的单质形态是氡气，为无色、无嗅、无味的惰性气体，具有放射性。当人吸入体内后，氡发生衰变的阿尔法粒子可在人的呼吸系统造成辐射损伤，引发肺癌。

土壤氡浓度与低层建筑室内氡水平以及地下建筑氡水平息息相关，在设计和施工以前，对土壤氡浓度进行测量和评价，避免房屋建在含放射性镭等的地基上，这是降低氡及其子体潜在危害的最有效措施。与室内氡水平直接相关的是土壤潜势氡浓度(土壤中潜在的最大氡浓度)，各种不同地质类型的土壤基本都要在2m甚至更深处才能达到潜势氡浓度水平。然而，目前土壤氡浓度的测量深度一般在0.5～0.8m之间，这个深度的土壤氡浓度远低于土壤潜势氡浓度。直接对土壤潜势氡浓度进行测量，需要打洞2～3m才能直接测量，测量非常困难。需要一种对表层土壤采样测量获得土壤潜势氡浓度的方法。

公开号为CN103885078B的中国专利文献公开了一种对表层土壤采样测量得到土壤潜势氡浓度的方法及装置，其采用环形土壤切割装置、气泵和测氡仪组成测量装置，利用测量装置测量土壤中氡的产生率，从而计算得到潜势氡浓度。但是该方法还是存在一些问题：使用测氡仪测量土壤中氡的产生率时，没有考虑泄漏和反扩散效应；此外，按照这种方案的计算方法，其中的重要数据土壤孔隙度η采用土壤的类型查表近似得到或者带回实验室进行测量，其数值准确性不高，会导致获得的数据误差较大，不能够准确的获得土壤潜势氡浓度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种利用静电收集测氡仪对表层土壤采样测量得到土壤潜势氡浓度的方法及装置，该方法包括采样过程和测量计算过程，能够通过简单的计算方法快速得到准确的土壤潜势氡浓度。本发明通过密封盖组建闭环式测量系统；利用氡在土壤中运移与分布以及闭环气路测量装置内氡浓度的变化规律计算得出准确的氡产生率A和土壤孔隙率η，对采样的土壤的氡的产生率及土壤孔隙率进行计算时，考虑氡的衰变、泄漏和反扩散效应，采用静电收集测氡仪，通过Po-218的浓度反推氡的浓度，提高了计算的准确性，运用非线性拟合算法，无需等测量装置内氡浓度稳定，即可快速计算得到准确土壤氡的产生率及土壤孔隙率，节省了测量时间。本发明采样测量过程及计算方法简单，考虑了影响测量结果的各个因素，提高了测量准确性。

本发明的具体技术方案为：

一种静电收集法测量土壤潜势氡浓度的方法，它包括采样过程和测量计算过程。

S1、采样过程：

利用通过螺纹连接好环刀手柄、体积为V的钢制环刀(见图1)，切割自然状态的土壤，使土样充满其中。不可左右摇动，以使土壤自然结构不被破坏，直到环刀全部压入土中。然后用小铲将环刀从土中挖出，取下手柄，并用小刀仔细沿环刀两端边缘修整削平，切除多余的土壤。取好样的环刀上端盖上滤膜，下端盖上密封盖，然后再连接环刀手柄。该组件与其他部件组成一个闭环气路测量系统(见图3)。环刀手柄的结构如图2所示，其与环刀连接后可作为把手易于采样，在环刀手柄上设置有环形开口腔，当组合成测量系统后，其与环刀内采样的土壤间有较大的空隙，使得气流能均匀通过土壤，将土壤中的氡通过气流均匀带出来，提高测量的准确性。

S2、测量计算过程：

在一维稳定状态下，只考虑均匀土壤介质中氡的扩散作用，建立氡在土壤中运移与分布的微分方程如下：

式中，D_e为氡的有效扩散系数，单位为m²·s^-1；C(x)为土壤中深度为x处的氡浓度，单位为Bq·m^-3；x为土壤深度，单位为m；λ为氡的衰变常数，其值为2.1×10^-6s^-1；η为土壤孔隙率，其为无量纲数；A为土壤中氡的产生率，单位为Bq·m^-3·s^-1。

由于土壤表面空气氡浓度很低，可近似认为为0，得到边界条件：C|_x＝0＝0；土壤无穷深处，土壤氡浓度不可能为无穷大，得到边界条件：C|_x＝∞有界。

对式(1)求解并带入边界条件得到：

土壤氡潜势可以认为是在土壤无穷深处的氡浓度，即：

启动泵，将测量系统内氡混合均匀，考虑泄漏和反扩散效应，测量系统中氡浓度的变化规律如下：

式中，V₁是采样土壤的体积；V₃是测量系统气路及测氡仪内空间总体积；C(t)为时间为t时测量系统内的氡浓度，单位为Bq·m-³；λ_e为有效衰变常数，包含氡的衰变常数，泄漏系数及反扩散系数。

式(4)的解为：

式中a是任意常数。

对于静电收集法测氡仪，其测量的是Po-218的浓度，认为氡与Po-218达到放射性平衡，然后通过Po-218的浓度反推氡的浓度。根据放射性衰变规律有：

式中C_Po(t)是Po-218的浓度；λ_Po是Po-218的衰变常数。

将式(5)代入式(6)有：

初始条件为：

C_Po(0)＝0 (8)

式(7)的解为：

测氡仪以T为测量周期，T为2-20分钟；测量n个测量周期，n大于等于3；每个测量周期的测量值认为是测量周期中点的测量值。

直接利用n个测量周期的值对式(9)进行非线性拟合，得到的值m；

式中，m为常数。

停止泵，在测量系统气路中添加一个体积为V₄的空腔，启动泵，将氡混合均匀，此时测量系统内Po-218浓度的变化规律为：

测氡仪以T为测量周期，T为2-20分钟；测量n个测量周期，n大于等于3；每个测量周期的测量值认为是测量周期中点的测量值。

直接利用n个测量周期的值对式(11)进行非线性拟合，得到的值k。

式中，k为常数。

将相关参数代入式(10)、式(12)求解，得到土壤孔隙率η和土壤中氡的产生率A。

将土壤孔隙率η和土壤中氡产生率A的值代入式(3)得到土壤潜势氡浓度。

本发明进一步提供一种静电收集法测量土壤潜势氡浓度的装置，其特征在于：

所述测量装置为闭环气路装置，其由土壤切割装置、密封盖、气泵及测氡仪通过气路管道连接后组成；

所述土壤切割装置上的直管手柄排气孔通过气路管道与气泵的一端连接，所述气泵的另一端通过气路管道与测氡仪的一端连接，所述测氡仪的另一端通过气路管道与密封盖上的直通管连接。测氡仪为静电收集测氡仪。

所述的土壤切割装置由环刀手柄、环刀组成。所述的环刀手柄的一端设有环形开口腔，环形开口腔的端口设有台阶孔，台阶孔的端口设有与环刀连接的内螺纹，环形开口腔的底部中心设有中心孔，环刀手柄的另一端焊接有一根与中心孔相通的直通管，直通管的另一端焊接有一根一端封闭一端开口的直管手柄，直管手柄上的排气孔与直通管的内孔相通。所述的环刀的一端设有刀口，环刀的另一端设有与环刀手柄连接的外螺纹。

所述密封盖带有密封垫，所述密封盖中心设有中心孔，中心孔焊接有直通管，直通管通过气路管道与测氡仪连接，密封盖盖在环刀有刀口的一端。所述测量装置为闭合装置，有利于提高测量的精准度，得到的较准确的土壤潜势氡浓度。

环刀手柄与环刀连接后可作为把手用于采样，在环刀手柄上设置环形开口腔，当组合成测量装置后，其与环刀内采样的土壤间有较大的空隙，使得气流能均匀通过土壤，将土壤中的氡通过气流均匀带出来，提高测量的准确性。

所述外螺纹不高于环刀外表面。

所述环刀手柄与环刀连接处为斜面。

与现有技术对比，本发明存在以下有益效果：

1、本发明利用氡在土壤中运移与分布以及闭环气路测量装置内氡浓度的变化规律计算得出准确的氡产生率A和土壤孔隙率η，对采样的土壤的氡的产生率及土壤孔隙率进行计算时，考虑氡的衰变、泄漏和反扩散效应，采用静电收集测氡仪，通过Po-218的浓度反推氡的浓度，提高了计算的准确性，运用非线性拟合算法快速计算得到准确土壤氡的产生率及土壤孔隙率，无需等测量装置内氡浓度稳定，节省了测量时间。

2、本发明采样测量过程及计算方法简单，考虑了影响测量结果的各个因素，提高了测量准确性，测量过程及计算方法简单，降低了测量难度，节约了测量成本。

3、环刀手柄与环刀连接处是一个斜面，便于环刀采样，在采样时用力更加均匀，避免了左右摇动，以使土壤自然结构不被破坏。

4、环刀手柄与环刀连接后可作为把手易于采样，在环刀手柄上设置环形开口腔，当组合成测量装置后，其与环刀内采样的土壤间有较大的空隙，使得气流能均匀通过土壤，将土壤中的氡通过气流均匀带出来，提高测量的准确性。

附图说明

图1为本发明提供的测量装置示意图；

图2为土壤切割装置的结构示意图；

图3为附图2中的A-A剖视图；

图4为环刀手柄的结构示意图；

图5为附图4中的B-B剖视图；

图6为环刀的结构示意图；

图7为附图6中的C-C剖视图；

图8为密封盖的结构示意图；

图9为附图8的D-D剖视图。

其中：1为土壤切割装置，2为气泵，3为测氡仪，4为土壤，5为滤膜，6为密封盖，7为气路管道，1-1为环刀手柄，1-2为环刀，1-1-1为环形开口腔，1-1-2为台阶孔，1-1-3为内螺纹，1-1-4为中心孔，1-1-5为直通管，1-1-6为直管手柄，1-2-1为刀口，1-2-2为外螺纹，6-1为中心孔，6-2为直通管。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明，实施例的具体参数设置等可因地制宜做出选择而对结果并无实质性影响。

一种静电收集法测量土壤潜势氡浓度的方法，它包括采样过程和测量计算过程。

S1、采样过程：

利用通过螺纹连接有环刀手柄、体积为V的钢制环刀(见图1)，切割自然状态的土壤，使土样充满其中。不可左右摇动，以使土壤自然结构不被破坏，直到环刀全部压入土中。然后用小铲将环刀从土中挖出，取下手柄，并用小刀仔细沿环刀两端边缘修整削平，切除多余的土壤。取好样的环刀上端盖上滤膜，下端盖上密封盖，然后再连接环刀手柄。该组件与其他部件组成一个闭环气路测量系统(见图3)。环刀手柄的结构如图2所示，其与环刀连接后可作为把手易于采样，在环刀手柄上设置环形开口腔，当组合成测量系统后，其与环刀内采样的土壤间有较大的空隙，使得气流能均匀通过土壤，将土壤中的氡通过气流均匀带出来，提高测量的准确性。

S2：测量计算过程：

在一维稳定状态下，只考虑均匀土壤介质中氡的扩散作用，建立氡在土壤中运移与分布的微分方程如下：

式中，De为氡的有效扩散系数，单位为m²·s^-1；C(x)为土壤中深度为x处的氡浓度，单位为Bq·m^-3；x为土壤深度，单位为m；λ为氡的衰变常数，其值为2.1×10^-6s^-1；η为土壤孔隙率，其为无量纲数；A为土壤中氡的产生率，单位为Bq·m^-3·s^-1。

由于土壤表面空气氡浓度很低，可近似认为为0，得到边界条件：C|_x＝0＝0；土壤无穷深处，土壤氡浓度仍然不可能为无穷大，得到边界条件：C|_x＝∞有界。

对式(1)求解并带入边界条件得到：

土壤氡潜势可以认为是在土壤无穷深处的氡浓度，即：

启动泵，将测量系统内氡混合均匀，考虑泄漏和反扩散效应，测量系统中氡浓度的变化规律如下：

式中，V₁是采样土壤的体积；V₃是测量系统气路及测氡仪内空间总体积；C(t)为时间为t时测量系统内的氡浓度，单位为Bq·m-³；λ_e为有效衰变常数，包含氡的衰变常数，泄漏系数及反扩散系数。

式(4)的解为：

式中a是任意常数。

对于静电收集法测氡仪，其测量的是Po-218的浓度，认为氡与Po-218达到放射性平衡，然后通过Po-218的浓度反推氡的浓度。根据放射性衰变规律有：

式中C_Po(t)是Po-218的浓度；λ_Po是Po-218的衰变常数。

将式(5)代入式(6)有：

初始条件为：

C_Po(0)＝0 (8)

式(7)的解为：

测氡仪以T为测量周期，T为2-20分钟；测量n个测量周期，n大于等于3；每个测量周期的测量值认为是测量周期中点的测量值。

直接利用n个测量周期的值对式(9)进行非线性拟合，得到的值m：

式中，m为常数。

停止泵，在测量系统气路中添加一个体积为V₄的空腔，启动泵，将氡混合均匀，此时测量系统内Po-218浓度的变化规律为：

测氡仪以T为测量周期，T为2-20分钟；测量n个测量周期，n大于等于3；每个测量周期的测量值认为是测量周期中点的测量值。

直接利用n个测量周期的值对式(11)进行非线性拟合，得到的值k。

式中，k为常数。

将相关参数代入式(10)、式(12)求解，得到土壤孔隙率η和土壤中氡的产生率A。

将土壤孔隙率η和土壤中氡产生率A的值代入式(3)得到土壤潜势氡浓度。

本发明进一步提供一种静电收集法测量土壤潜势氡浓度的装置，其特征在于：

所述测量装置为闭环气路装置，其由土壤切割装置1、气泵2、测氡仪3及密封盖6通过气路管道7连接后组成；

所述土壤切割装置1上的直管手柄1-1-6排气孔通过气路管道7与气泵2的一端连接，所述气泵2的另一端通过气路管道7与测氡仪3的一端连接，所述测氡仪3的另一端通过气路管道7与密封盖6上的直通管6-2连接。

所述的土壤切割装置1由环刀手柄1-1、环刀1-2组成。所述的环刀手柄1-1的一端设有环形开口腔1-1-1，环形开口腔1-1-1的端口设有台阶孔1-1-2，台阶孔1-1-2的端口设有与环刀1-2连接的内螺纹1-1-3，环形开口腔1-1-1的底部中心设有中心孔1-1-4，环刀手柄1-1的另一端焊接有一根与中心孔1-1-4相通的直通管1-1-5，直通管1-1-5的另一端焊接有一根一端封闭一端开口的直管手柄1-1-6，直管手柄1-1-6上的排气孔与直通管1-1-5的内孔相通。所述的环刀1-2的一端设有刀口1-2-1，环刀1-2的另一端设有与环刀手柄1-1连接的外螺纹1-2-2。

所述密封盖6中心设有中心孔6-1，中心孔焊接有直通管6-2，直通管6-2通过气路管道7与测氡仪3连接，密封盖6盖在环刀1-2有刀口1-2-1的一端。

所述环刀手柄1-1与环刀1-2连接后可作为把手易于采样，在环刀手柄1-1上设置环形开口腔1-1-1的作用是其与环刀1-2内采样的土壤间有较大的空隙，使得气流能均匀通过土壤，将土壤中的氡通过气流均匀带出来，提高测量的准确性。

所述外螺纹1-2-2不应高于环刀1-2外表面。

所述环刀手柄1-1与环刀1-2连接处应是一斜面。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种静电收集法测量土壤潜势氡浓度的方法，其特征在于，它包括采样过程和测量计算过程，

S1、采样过程：

利用通过螺纹连接有环刀手柄、体积为V的钢制环刀，切割自然状态的土壤，使土样充满其中；不可左右摇动，以保持土壤自然结构不被破坏，直到环刀全部压入土中；然后用小铲将环刀从土中挖出，取下手柄，并用小刀仔细沿环刀两端边缘修整削平，切除多余的土壤；取好样的环刀上端盖上滤膜，下端盖上密封盖，然后再连接环刀手柄；将土壤切割装置通过管道、气泵以及测氡仪连接组成一个闭环气路测量系统；

S2、测量计算过程：

在一维稳定状态下，只考虑均匀土壤介质中氡的扩散作用，建立氡在土壤中运移与分布的微分方程如下：

式中，D_e为氡的有效扩散系数，单位为m2·s^-1；C(x)为土壤中深度为x处的氡浓度，单位为Bq·m^-3；x为土壤深度，单位为m；λ为氡的衰变常数，其值为2.1×10^-6s^-1；η为土壤孔隙率，其为无量纲数；A为土壤中氡的产生率，单位为Bq·m^-3·s^-1；

由于土壤表面空气氡浓度很低，可近似认为为0，得到边界条件：C|_x＝0＝0；土壤无穷深处，土壤氡浓度不可能为无穷大，得到边界条件：C|_x＝∞有界；

对式(1)求解并带入边界条件得到：

土壤氡潜势可以认为是在土壤无穷深处的氡浓度，即：

启动泵，将测量系统内氡混合均匀，考虑泄漏和反扩散效应，测量系统中氡浓度的变化规律如下：

式中，V₁是采样土壤的体积；V₃是测量系统气路及测氡仪内空间总体积；C(t)为时间为t时测量系统内的氡浓度，单位为Bq·m^-3；λ_e为有效衰变常数，包含氡的衰变常数，泄漏系数及反扩散系数；

式(4)的解为：

式中a是任意常数；

采用静电收集法测氡仪，测量Po-218的浓度，通过Po-218的浓度发推氡的浓度；根据放射性衰变规律有：

式中C_Po(t)是Po-218的浓度；λ_Po是Po-218的衰变常数；

将式(5)代入式(6)有：

初始条件为：

C_Po(0)＝0 (8)

式(7)的解为：

测氡仪以T为测量周期，T为2-20分钟；测量n个测量周期，n大于等于3；每个测量周期的测量值认为是测量周期中点的测量值；

直接利用n个测量周期的值对式(9)进行非线性拟合，得到的值m：

式中，m为常数；

停止泵，在测量系统气路中添加一个体积为V₄的空腔，启动泵，将氡混合均匀，此时测量系统内Po-218浓度的变化规律为：

测氡仪以T为测量周期，T为2-20分钟；测量n个测量周期，n大于等于3；每个测量周期的测量值认为是测量周期中点的测量值；

直接利用n个测量周期的值对式(11)进行非线性拟合，得到的值k；

式中，k为常数；

将相关参数代入式(10)、式(12)求解，得到土壤孔隙率η和土壤中氡的产生率A；

将土壤孔隙率η和土壤中氡产生率A的值代入式(3)得到土壤潜势氡浓度。

2.一种静电收集法测量土壤潜势氡浓度的装置，其特征在于，所述测量装置为闭环气路装置，其由土壤切割装置、密封盖、气泵及测氡仪通过气路管道连接后组成；

所述土壤切割装置由环刀手柄、环刀组成；所述环刀手柄的一端设有环形开口腔，所述环形开口腔的端口设有台阶孔，所述台阶孔的端口设有与所述环刀连接的内螺纹，所述环形开口腔的底部中心设有中心孔，所述环刀手柄的另一端焊接有一根与中心孔相通的直通管，所述直通管的另一端焊接有一根一端封闭一端开口的直管手柄，所述直管手柄上的排气孔与所述直通管的内孔相通；所述环刀的一端设有刀口，所述刀口外壁设置有与密封盖配合的外螺纹，所述环刀的另一端外壁设有与所述环刀手柄连接的外螺纹；所述土壤切割装置上的直管手柄排气孔通过气路管道与所述气泵的一端连接，所述气泵的另一端通过气路管道与所述测氡仪连接组成测量装置，气路测氡仪为静电收集测氡仪。

3.根据权利要求2所述的静电收集法测量土壤潜势氡浓度的装置，其特征在于，所述密封盖中心设有中心孔，所述中心孔焊接有直通管，所述直通管通过气路管道与所述测氡仪连接，所述密封盖盖在环刀有刀口的一端。

4.根据权利要求2所述的静电收集法测量土壤潜势氡浓度的装置，其特征在于，所述密封盖带有密封垫。

5.根据权利要求2所述的静电收集法测量土壤潜势氡浓度的装置，其特征在于：所述外螺纹不高于环刀外表面。

6.根据权利要求2所述的静电收集法测量土壤潜势氡浓度的装置，其特征在于：所述环刀手柄与所述环刀连接处是一斜面。