CN109612903B - 静电收集法测量氡在薄膜中有效扩散系数的装置及方法 - Google Patents

静电收集法测量氡在薄膜中有效扩散系数的装置及方法 Download PDF

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Abstract

静电收集法测量氡在薄膜中有效扩散系数的装置及方法，测量装置包括筒形测量室、静电收集法测氡仪及泵。测量室包括两端带螺纹的圆柱形筒体及连接在圆柱形筒体两端的螺纹端盖，圆柱形筒体的筒壁上对称设有出气端接头及进气端接头，筒形测量室圆柱形筒体上的出气端接头通过管道与测氡仪上的进气端连接，测氡仪上的出气端通过管道与泵的进气端连接，泵的出气端通过管道与测量室圆柱形筒体上的进气端接头连接。测量方法包括测量过程和计算过程，测量时将需要测量的薄膜切割成直径与圆柱形筒体端口外径相同的圆形薄膜片，分别贴在圆柱形筒体的两端，并用螺纹端盖压紧密封，测量后通过计算方法得到氡在薄膜中有效扩散系数。

Description

静电收集法测量氡在薄膜中有效扩散系数的装置及方法
技术领域
本发明涉及核辐射探测技术领域，特别是一种采用静电收集法测氡仪测量氡在薄膜中有效扩散系数的装置及方法。
背景技术
氡是一种对人体有害的放射性惰性气体，空气环境中氡主要来自于介质表面的析出。由于矿山辐射防护和室内氡污染问题，需要使用致密的薄膜来阻挡氡进入工作和居住环境。氡在薄膜中有效扩散系数可以用来评价薄膜对氡的阻挡性能，现有的测量氡在薄膜中有效扩散系数的方法一般是用一块薄膜将测量室的内腔分为两个测量腔，其中一个测量腔注入高浓度氡，高浓度的氡通过扩散效应通过薄膜进入另一个测量腔，比较两个测量腔稳态或动态的氡浓度变化就能够通过计算得到氡在薄膜中有效扩散系数。现有的测量方法只通过一块薄膜来测量氡在薄膜中有效扩散系数，测量过程中时间较长。
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采用静电收集法测氡仪测量氡在薄膜中有效扩散系数的装置及方法。
本发明的技术方案是：静电收集法测量氡在薄膜中有效扩散系数的装置，包括测量室、静电收集法测氡仪、泵及环形密封垫。
所述的测量室包括一个两端带螺纹的圆柱形筒体及连接在圆柱形筒体两端的螺纹端盖，圆柱形筒体的筒壁上对称设有出气端接头及进气端接头，圆柱形筒体的内径为D1，螺纹端盖内设有环形沟槽，在环形沟槽内安装有环形密封垫，螺纹端盖端盖板上的孔径为D2，其中，D1＝D2。
测量室上的出气端接头通过管道与测氡仪上的进气端连接，测氡仪上的出气端通过管道与泵的进气端连接，泵的出气端通过管道与测量室上的进气端接头连接。
采用上述测量装置测量氡在薄膜中有效扩散系数的方法如下，它包括测量过程和计算过程。
一、测量过程：
A、将需要测量的薄膜切割成直径与圆柱形筒体端口外径相同的圆形薄膜片，将两片薄膜片分别贴在圆柱形筒体的两端，并用螺纹端盖压紧密封，其中，薄膜片暴露在空气中的表面为外表面，处在圆柱形筒体内的表面为内表面；
B、启动泵，在泵的作用下，将测量室内的气体与静电收集法测氡仪测量腔内气体混合均匀；
C、将测量室放入标准氡室内，通过静电收集法测氡仪测量测量室内氡浓度的变化趋势。
二、计算过程：
由于泵的流率较大，静电收集法测氡仪测量腔内的氡浓度与测量室内的氡浓度相等，外界环境空气氡浓度非常低，其初始氡浓度近似为0；
氡在薄膜片中的一维扩散方程为：
Figure 552929DEST_PATH_IMAGE002
(1)
式(1)中， De是氡在薄膜片中有效扩散系数，λ是氡的衰变常数，C（z,t）是不同时间点薄膜内离外表面不同垂直距离点的氡浓度，t是时间，z是薄膜片中的任一点到薄膜片外表面的垂直位置；
扩散稳定后，根据菲克定律有：
Figure 719337DEST_PATH_IMAGE004
（2）
式(2)中，J为薄膜片内表面的氡析出率；
由于薄膜片的厚度d非常小，当氡扩散穿透薄膜片后，能对薄膜片中的氡浓度垂直分布做线性近似，式（2）可变化为：
Figure 499074DEST_PATH_IMAGE006
(3)
式(3)中， C是标准氡室的氡浓度，
Figure 956600DEST_PATH_IMAGE008
为测量室内及静电收集法测氡仪测量腔内的氡浓度；
静电收集法测氡仪测量腔内的氡浓度可由下式描述：
Figure 770973DEST_PATH_IMAGE010
(4)
将式（3）代入式（4）得：
Figure 839773DEST_PATH_IMAGE012
(5)
式(5)中，S为测量室腔内的圆面积；V为测量室腔内体积与气流管道体积及静电收集法测氡仪测量腔体积之和；N为薄膜片的数量，式(5)中，N=2；
静电收集法测氡仪测量氡浓度，测量周期为T，在氡浓度上升曲线段任意取n个测量周期的数据，假设从第m个测量周期开始选取测量数据，每个测量周期的测量值能近似认为是该测量周期中点的氡浓度值；
式（5）变化为：
Figure 106806DEST_PATH_IMAGE014
（6）
假设第m个测量周期测量值为K，即C1[(m-0.5)T]=K，式（6）的解为：
Figure 554974DEST_PATH_IMAGE016
（7）
设
Figure 286170DEST_PATH_IMAGE018
（8）
Figure 531731DEST_PATH_IMAGE020
（9）
式（7）简化为：
Figure 348377DEST_PATH_IMAGE022
(10)
由于静电收集法测氡仪是通过测量Po-218的浓度来反推氡的浓度，Po-218浓度Cp(t)的变化规律如下：
Figure 147706DEST_PATH_IMAGE024
(11)
式(11)中，λp是Po-218的衰变常数；
将式（10）代入式（11）得：
Figure 671091DEST_PATH_IMAGE026
（12）
设从第m个测量周期开始的第n个测量周期的读数为U，即：
Cp[(m+n-1.5)T]=U (13)
设V=(m+n-1.5)T (14)
式（12）的解为：
Figure 284956DEST_PATH_IMAGE028
（15）
第m个测量周期开始选取n个周期的实际氡浓度数据，然后利用式（15）对这些数据进行非线性数据拟合，就能够得到a及K。
将a的值代入式（8）就能够解得有效扩散系数。
本发明与现有技术相比具有如下特点：
本发明提供的测量装置结构简单，测量过程及计算方法简单，扩散达到平衡时间快，测量室内氡浓度高，能够快速通过简单的计算方法得到较准确的氡在薄膜中有效扩散系数。
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为实施例中的测量装置结构示意图；
附图2为筒形测量室的结构示意图；
附图3为附图2的俯视图；
附图4为螺纹端盖的结构示意图；
附图5为附图4的A-A剖视图。
具体实施方式
实施例、静电收集法测量氡在薄膜中有效扩散系数的装置，包括测量室1、静电收集法测氡仪2、泵3及环形密封垫4。
所述的测量室1包括一个两端带螺纹的圆柱形筒体1-1及连接在圆柱形筒体1-1两端的螺纹端盖1-2，圆柱形筒体1-1的筒壁上对称设有出气端接头1-1-1及进气端接头1-1-2，圆柱形筒体1-1的内径为D1，螺纹端盖1-2内设有环形沟槽1-2-1，在环形沟槽1-2-1内安装有环形密封垫4，螺纹端盖1-2端盖板上的孔径为D2，其中，D1＝D2。
测量室1上的出气端接头1-1-1通过管道与测氡仪2上的进气端连接，测氡仪2上的出气端通过管道与泵3的进气端连接，泵3的出气端通过管道与测量室1上的进气端接头1-1-2连接。
采用上述测量装置测量氡在薄膜中有效扩散系数的方法如下，它包括测量过程和计算过程。
一、测量过程：
A、将需要测量的薄膜切割成直径与圆柱形筒体1-1端口外径相同的圆形薄膜片5，将两片薄膜片5分别贴在圆柱形筒体1-1的两端，并用螺纹端盖1-2压紧密封，其中，薄膜片5暴露在空气中的表面为外表面，处在圆柱形筒体1-1内的表面为内表面；
B、启动泵3，在泵3的作用下，将测量室1内的气体与静电收集法测氡仪2测量腔内气体混合均匀；
C、将测量室1放入标准氡室内，通过静电收集法测氡仪2测量测量室1内氡浓度的变化趋势。
二、计算过程：
由于泵3的流率较大，静电收集法测氡仪2测量腔内的氡浓度与测量室1内的氡浓度相等，外界环境空气氡浓度非常低，其初始氡浓度近似为0；
氡在薄膜片5中的一维扩散方程为：
Figure 651216DEST_PATH_IMAGE002
(1)
式(1)中， De是氡在薄膜片5中有效扩散系数，λ是氡的衰变常数，C（z,t）是不同时间点薄膜内离外表面不同垂直距离点的氡浓度，t是时间，z是薄膜片5中的任一点到薄膜片5外表面的垂直位置；
扩散稳定后，根据菲克定律有：
Figure 113290DEST_PATH_IMAGE004
（2）
式(2)中，J为薄膜片5内表面的氡析出率；
由于薄膜片5的厚度d非常小，当氡扩散穿透薄膜片5后，能对薄膜片5中的氡浓度垂直分布做线性近似，式（2）可变化为：
Figure 819078DEST_PATH_IMAGE006
(3)
式(3)中， C是标准氡室的氡浓度，
Figure 281808DEST_PATH_IMAGE008
为测量室1内及静电收集法测氡仪2测量腔内的氡浓度；
静电收集法测氡仪2测量腔内的氡浓度可由下式描述：
Figure 73046DEST_PATH_IMAGE010
(4)
将式（3）代入式（4）得：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
(5)
式(5)中，S为测量室1腔内的圆面积；V为测量室1腔内体积与气流管道体积及静电收集法测氡仪2测量腔体积之和；N为薄膜片5的数量，式(5)中，N=2；
静电收集法测氡仪2测量氡浓度，测量周期为T，在氡浓度上升曲线段任意取n个测量周期的数据，假设从第m个测量周期开始选取测量数据，每个测量周期的测量值能近似认为是该测量周期中点的氡浓度值；
式（5）变化为：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
（6）
假设第m个测量周期测量值为K，即C1[(m-0.5)T]=K，式（6）的解为：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
（7）
设
Figure 338811DEST_PATH_IMAGE018
（8）
Figure 836789DEST_PATH_IMAGE020
（9）
式（7）简化为：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
(10)
由于静电收集法测氡仪2是通过测量Po-218的浓度来反推氡的浓度，Po-218浓度Cp(t)的变化规律如下：
Figure 854773DEST_PATH_IMAGE024
(11)
式(11)中，λp是Po-218的衰变常数；
将式（10）代入式（11）得：
Figure 867729DEST_PATH_IMAGE026
（12）
设从第m个测量周期开始的第n个测量周期的读数为U，即：
Cp[(m+n-1.5)T]=U (13)
设V=(m+n-1.5)T (14)
式（12）的解为：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
（15）
第m个测量周期开始选取n个周期的实际氡浓度数据，然后利用式（15）对这些数据进行非线性数据拟合，就能够得到a及K。
将a的值代入式（8）就能够解得有效扩散系数。

Claims (2)

1.静电收集法测量氡在薄膜中有效扩散系数的装置，其特征是：包括测量室、静电收集法测氡仪、泵及环形密封垫；
所述的测量室包括一个两端带螺纹的圆柱形筒体及连接在圆柱形筒体两端的螺纹端盖，圆柱形筒体的筒壁上对称设有出气端接头及进气端接头，圆柱形筒体的内径为D1，螺纹端盖内设有环形沟槽，在环形沟槽内安装有环形密封垫，螺纹端盖端盖板上的孔径为D2，其中，D1＝D2；
测量室上的出气端接头通过管道与测氡仪上的进气端连接，测氡仪上的出气端通过管道与泵的进气端连接，泵的出气端通过管道与测量室上的进气端接头连接。
2.采用如权利要求1所述的静电收集法测量氡在薄膜中有效扩散系数的装置测量氡在薄膜中有效扩散系数的方法，其特征是：它包括测量过程和计算过程；
一、测量过程：
A、将需要测量的薄膜切割成直径与圆柱形筒体端口外径相同的圆形薄膜片，将两片薄膜片分别贴在圆柱形筒体的两端，并用螺纹端盖压紧密封，其中，薄膜片暴露在空气中的表面为外表面，处在圆柱形筒体内的表面为内表面；
B、启动泵，在泵的作用下，将测量室内的气体与静电收集法测氡仪测量腔内气体混合均匀；
C、将测量室放入标准氡室内，通过静电收集法测氡仪测量测量室内氡浓度的变化趋势；
二、计算过程：
由于泵的流率较大，静电收集法测氡仪测量腔内的氡浓度与测量室内的氡浓度相等，外界环境空气氡浓度非常低，其初始氡浓度近似为0；
氡在薄膜片中的一维扩散方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
(1)
式(1)中， De是氡在薄膜片中有效扩散系数，λ是氡的衰变常数，C（z,t）是不同时间点薄膜内离外表面不同垂直距离点的氡浓度，t是时间，z是薄膜片中的任一点到薄膜片外表面的垂直位置；
扩散稳定后，根据菲克定律有：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（2）
式(2)中，J为薄膜片内表面的氡析出率；
由于薄膜片的厚度d非常小，当氡扩散穿透薄膜片后，能对薄膜片中的氡浓度垂直分布做线性近似，式（2）可变化为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
(3)
式(3)中， C是标准氡室的氡浓度，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为测量室内及静电收集法测氡仪测量腔内的氡浓度；
静电收集法测氡仪测量腔内的氡浓度可由下式描述：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
(4)
将式（3）代入式（4）得：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
(5)
式(5)中，S为测量室腔内的圆面积；V为测量室腔内体积与气流管道体积及静电收集法测氡仪测量腔体积之和；N为薄膜片的数量，式(5)中，N=2；
静电收集法测氡仪测量氡浓度，测量周期为T，在氡浓度上升曲线段任意取n个测量周期的数据，假设从第m个测量周期开始选取测量数据，每个测量周期的测量值能近似认为是该测量周期中点的氡浓度值；
式（5）变化为：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
（6）
假设第m个测量周期测量值为K，即C1[(m-0.5)T]=K，式（6）的解为：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
（7）
设
Figure DEST_PATH_IMAGE018
（8）
Figure DEST_PATH_IMAGE020
（9）
式（7）简化为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
(10)
由于静电收集法测氡仪是通过测量Po-218的浓度来反推氡的浓度，Po-218浓度Cp(t)的变化规律如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
(11)
式(11)中，λp是Po-218的衰变常数；
将式（10）代入式（11）得：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
（12）
设从第m个测量周期开始的第n个测量周期的读数为U，即：
Cp[(m+n-1.5)T]=U (13)
设V=(m+n-1.5)T (14)
式（12）的解为：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
（15）
第m个测量周期开始选取n个周期的实际氡浓度数据，然后利用式（15）对这些数据进行非线性数据拟合，就能够得到a及K；
将a的值代入式（8）就能够解得有效扩散系数。
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