CN109655856B - 静电收集法快速测量氡在薄膜中有效扩散系数的装置及方法 - Google Patents

静电收集法快速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

静电收集法测氡仪快速测量氡在薄膜材料中有效扩散系数的装置及方法，测量装置中的第一圆柱形进气腔及第二圆柱形进气腔分别安装在测量室两端的螺纹端盖上，测量室上的出气接头与测氡仪上的进气端连接，测氡仪上的出气端与主泵的进气端连接，主泵的出气端与测量室上的进气接头连接，标准氡室的出气口与第一圆柱形进气腔的进气接头连接，第一圆柱形进气腔的出气接头与副泵的进气端连接，副泵的出气端与第二圆柱形进气腔的进气接头连接，第二圆柱形进气腔的出气接头与标准氡室的进气口连接。测量时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，测量后通过计算快速得到氡在薄膜材料中有效扩散系数。

Description

静电收集法快速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快速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快速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：静电收集法测氡仪快速测量氡在薄膜材料中有效扩散系数的装置，包括测量室、静电收集法测氡仪、主泵、环形密封垫、一端开口的第一圆柱形进气腔、一端开口的第二圆柱形进气腔、副泵及标准氡室。
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接头及进气接头，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。
所述的第一圆柱形进气腔的腔壁上对称设有进气接头及出气接头。
所述的第二圆柱形进气腔的结构与第一圆柱形进气腔的一样，其腔壁上对称设有进气接头及出气接头。
第一圆柱形进气腔及第二圆柱形进气腔分别安装在测量室两端的螺纹端盖上。
测量室上的出气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主泵的进气端连接，主泵的出气端通过管道与测量室上的进气接头连接。
标准氡室的出气口通过管道与第一圆柱形进气腔的进气接头连接，第一圆柱形进气腔的出气接头通过管道与副泵的进气端连接，副泵的出气端通过管道与第二圆柱形进气腔的进气接头连接，第二圆柱形进气腔的出气接头通过管道与标准氡室的进气口连接。
采用上述测量装置快速测量氡在薄膜材料中有效扩散系数的方法，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，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，在圆柱形筒体内的表面为内表面；
B、启动主泵，在主泵的作用下，将测量室内的气体与测氡仪测量腔内气体混合均匀；
C、启动副泵，标准氡室内的氡进入第一圆柱形进气腔及第二圆柱形进气腔内，氡通过扩散效应穿过薄膜片进入测量室，然后开始测测量室内氡浓度的变化趋势。
二、计算过程：
由于主泵的流率较大，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 100002_DEST_PATH_IMAGE001
(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 872250DEST_PATH_IMAGE002
（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 100002_DEST_PATH_IMAGE003
(3)
式(3)中，C是标准氡室的氡浓度，
Figure 664756DEST_PATH_IMAGE004
为测量室腔体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 100002_DEST_PATH_IMAGE005
(4)
式(4)中，S为测量室腔体内的圆面积；V为测量室腔体内体积、连接测量室出气接头、测氡仪、测量室进气接头的气流管道体积及静电收集法测氡仪测量腔体积之和；N为薄膜片数量，式(4)中，N=2；
将式（3）代入式（4）得：
Figure 382177DEST_PATH_IMAGE006
(5)
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 100002_DEST_PATH_IMAGE007
（6）
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 715069DEST_PATH_IMAGE008
（7）
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，将静电收集法测氡仪的所有周期的测量数据都利用快速测量氡浓度的计算公式反推重新计算后得到每个周期的实际氡浓度；
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（7）
对这些数据进行非线性数据拟合，就能够快速得到有效扩散系数。
所述的快速测量氡浓度的计算公式采用CN102141527A“采用0阶近似快速测量氡浓度的方法”中公开的计算公式：
第n个周期的氡浓度an为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
(8)
式中，
Figure 407737DEST_PATH_IMAGE010
为第n-1个周期的Po-218的浓度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
为Po-218的衰变常数，
Figure 167883DEST_PATH_IMAGE012
为第n个测量周期静电收集法测氡仪的读数；
第n个周期的Po-218的浓度为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
（9）
利用式（8）和式（9）就可反推得到每个测量周期的真实氡浓度。
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材料中有效扩散系数。
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；
附图6为第一圆柱形进气腔的结构示意图；
附图7为附图6的B-B剖视图。
具体实施方式
实施例、静电收集法测氡仪快速测量氡在薄膜材料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、主泵3、环形密封垫4、一端开口的第一圆柱形进气腔5、一端开口的第二圆柱形进气腔6、副泵7及标准氡室8。
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接头1-1-1及进气接头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。
所述的第一圆柱形进气腔5的腔壁上对称设有进气接头5-1及出气接头5-2。
所述的第二圆柱形进气腔6的结构与第一圆柱形进气腔5的一样，其腔壁上对称设有进气接头6-1及出气接头6-2。
第一圆柱形进气腔5及第二圆柱形进气腔6分别安装在测量室1两端的螺纹端盖1-2上。
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主泵3的进气端连接，主泵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。
标准氡室8的出气口通过管道与第一圆柱形进气腔5的进气接头5-1连接，第一圆柱形进气腔5的出气接头5-2通过管道与副泵7的进气端连接，副泵7的出气端通过管道与第二圆柱形进气腔6的进气接头6-1连接，第二圆柱形进气腔6的出气接头6-2通过管道与标准氡室8的进气口连接。
采用上述测量装置快速测量氡在薄膜材料中有效扩散系数的方法，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9，薄膜片9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9暴露在空气中的表面为外表面，在圆柱形筒体1-1内的表面为内表面；
B、启动主泵3，在主泵3的作用下，将测量室1内的气体与测氡仪2测量腔内气体混合均匀；
C、启动副泵7，标准氡室8内的氡进入第一圆柱形进气腔5及第二圆柱形进气腔6内，氡通过扩散效应穿过薄膜片9进入测量室1，然后开始测测量室1内氡浓度的变化趋势。
二、计算过程：
由于主泵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9中的一维扩散方程为：
Figure 310282DEST_PATH_IMAGE001
(1)
式(1)中， De是氡在薄膜片9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9中的任一点到薄膜片9外表面的垂直位置；
扩散稳定后，根据菲克定律有：
Figure 446866DEST_PATH_IMAGE002
（2）
式(2)中，J为薄膜片9内表面的氡析出率；
由于薄膜片9的厚度d非常小，当氡扩散穿透薄膜片9后，能对薄膜片9中的氡浓度垂直分布做线性近似，式（2）可变化为：
Figure 115744DEST_PATH_IMAGE003
(3)
式(3)中，C是标准氡室8的氡浓度，
Figure 46791DEST_PATH_IMAGE004
为测量室1腔体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 738804DEST_PATH_IMAGE005
(4)
式(4)中，S为测量室1腔体内的圆面积；V为测量室1腔体内体积、连接测量室1出气接头1-1-1、测氡仪2、测量室1进气接头1-1-2 的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9数量，式(4)中，N=2；
将式（3）代入式（4）得：
Figure 410569DEST_PATH_IMAGE014
(5)
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_IMAGE015
（6）
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 871637DEST_PATH_IMAGE008
（7）
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，将静电收集法测氡仪2的所有周期的测量数据都利用快速测量氡浓度的计算公式反推重新计算后得到每个周期的实际氡浓度；
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（7）
对这些数据进行非线性数据拟合，就能够快速得到有效扩散系数。
所述的快速测量氡浓度的计算公式采用CN102141527A“采用0阶近似快速测量氡浓度的方法”中公开的计算公式：
第n个周期的氡浓度an为：
Figure 239165DEST_PATH_IMAGE016
(8)
式中，
Figure 418473DEST_PATH_IMAGE010
为第n-1个周期的Po-218的浓度，
Figure 693597DEST_PATH_IMAGE011
为Po-218的衰变常数，
Figure 212434DEST_PATH_IMAGE012
为第n个测量周期静电收集法测氡仪的读数；
第n个周期的Po-218的浓度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
（9）
利用式（8）和式（9）就可反推得到每个测量周期的真实氡浓度。

Claims (3)

1.静电收集法测氡仪快速测量氡在薄膜材料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、主泵、环形密封垫、一端开口的第一圆柱形进气腔、一端开口的第二圆柱形进气腔、副泵及标准氡室；
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接头及进气接头，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；
所述的第一圆柱形进气腔的腔壁上对称设有进气接头及出气接头；
所述的第二圆柱形进气腔的结构与第一圆柱形进气腔的一样，其腔壁上对称设有进气接头及出气接头；
第一圆柱形进气腔及第二圆柱形进气腔分别安装在测量室两端的螺纹端盖上；
测量室上的出气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主泵的进气端连接，主泵的出气端通过管道与测量室上的进气接头连接；
标准氡室的出气口通过管道与第一圆柱形进气腔的进气接头连接，第一圆柱形进气腔的出气接头通过管道与副泵的进气端连接，副泵的出气端通过管道与第二圆柱形进气腔的进气接头连接，第二圆柱形进气腔的出气接头通过管道与标准氡室的进气口连接。
2.采用如权利要求1所述的测量装置快速测量氡在薄膜材料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，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，在圆柱形筒体内的表面为内表面；
B、启动主泵，在主泵的作用下，将测量室内的气体与测氡仪测量腔内气体混合均匀；
C、启动副泵，标准氡室内的氡进入第一圆柱形进气腔及第二圆柱形进气腔内，氡通过扩散效应穿过薄膜片进入测量室，然后开始测测量室内氡浓度的变化趋势；
二、计算过程：
由于主泵的流率较大，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_IMAGE001
(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 849226DEST_PATH_IMAGE002
（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_IMAGE003
(3)
式(3)中，C是标准氡室的氡浓度，
Figure 217760DEST_PATH_IMAGE004
为测量室腔体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_IMAGE005
(4)
式(4)中，S为测量室腔体内的圆面积；V为测量室腔体内体积、连接测量室出气接头、测氡仪、测量室进气接头的气流管道体积及静电收集法测氡仪测量腔体积之和；N为薄膜片数量，式(4)中，N=2；
将式（3）代入式（4）得：
Figure 345116DEST_PATH_IMAGE006
(5)
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_IMAGE007
（6）
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 930424DEST_PATH_IMAGE008
（7）
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，将静电收集法测氡仪的所有周期的测量数据都利用快速测量氡浓度的计算公式反推重新计算后得到每个周期的实际氡浓度；
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（7）对这些数据进行非线性数据拟合，就能够快速得到有效扩散系数。
3.如权利要求2所述的快速测量氡在薄膜材料中有效扩散系数的方法，其特征是：所述的快速测量氡浓度的计算公式为：
第n个周期的氡浓度an为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
(8)
式中，
Figure 434218DEST_PATH_IMAGE010
为第n-1个周期的Po-218的浓度，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为Po-218的衰变常数，
Figure 922837DEST_PATH_IMAGE012
为第n个测量周期静电收集法测氡仪的读数；
第n个周期的Po-218的浓度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（9）
利用式（8）和式（9）就可反推得到每个测量周期的真实氡浓度。
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