CN109655862B - 闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的方法 - Google Patents

Abstract

闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的装置及方法，测量装置包括水样测量瓶、瓶盖、进气管套、出气管套、进气管、出气管、气泵、静电收集法测氡仪、流量计、第一三通电磁阀及第二三通电磁阀；将测量装置放在恒温环境中，控制第一三通电磁阀及第二三通电磁阀的第二出气端打开与外界大气环境相通，或控制第一三通电磁阀及第二三通电磁阀的第一出气端打开形成闭环气路，气泵控制空气进入水样测量瓶鼓泡，将待测水样中的氡携带出来，通过出气管进入气泵，然后进入静电收集法测氡仪，再进入进气管进气端。根据环境温度、待测水样的体积、闭环气路的体积以及静电收集法测氡仪的读数计算水样中的镭浓度。本发明装置结构简单，操作方便，测量时间短。

Description

闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的方法

技术领域

本发明涉及一种核辐射探测技术，特别是一种闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的方法。

背景技术

镭(Ra-226)是一种极毒的亲骨性α放射性核素，它在体内的大量沉积会诱发骨癌或白血病，从而危害人体健康。镭(Ra-226)在地下水活度普遍较高，比一般的地表水(河水、湖水、海水等)的活度高1-2个数量级；世界上许多地区的饮用水源是地下水，部分地区地下水中天然含有高浓度的镭元素或随着不同矿产例如铀矿山等的开采有大量的镭元素活化释放进入到地下水，使得人们在使用地下水做饮用水源时存在较大的安全隐患，因而在进行饮用水源选取时需要对当地的地下水中含有的镭元素的浓度进行长期的监测。现有技术水中镭元素浓度的测量装置及测量方法复杂且测量时间长，需要一种可实现快速测量水中镭浓度的装置及方法。

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闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的方法，利用该方法能快速得到准确的水中镭浓度。

本发明的技术方案是：闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的方法，基于闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的装置，该装置包括水样测量瓶、瓶盖、进气管套、出气管套、进气管、出气管、气泵、静电收集法测氡仪、流量计、第一三通电磁阀及第二三通电磁阀。

进气管套及出气管套分别安装在瓶盖上，进气管插在进气管套上，出气管插在出气管套上，出气管通过软管与气泵的进气端连接，气泵的出气端通过软管与第一三通电磁阀的进气端连接，第一三通电磁阀的第一出气端通过软管与静电收集法测氡仪的进气端连接，第一三通电磁阀的第二出气端与大气环境相通，静电收集法测氡仪的出气端通过软管与流量计的进气端连接，流量计的出气端通过软管与第二三通电磁阀的进气端连接，第二三通电磁阀的第一出气端通过软管与进气管的进气端连接，第二三通电磁阀的第二出气端与大气环境相通；包括测量过程和计算过程，其具体步骤如下：

一、测量过程

A、将闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的装置放置在恒温的环境，并测量环境温度；

B、将待测水样倒入水样测量瓶内，并盖紧瓶盖，进气管的出气口在待测水样内并靠近水样测量瓶的瓶底，出气管的进气口位于待测水样液面上；

C、分别打开第一三通电磁阀、第二三通电磁阀的第二出气端，关闭第一三通电磁阀、第二三通电磁阀的第一出气端，启动气泵，控制气泵的流率使其非常大，使得空气通过进气管进入待测水样中鼓泡，同时将待测水样中的氡携带出来，通过出气管进入气泵进入第一三通电磁阀，然后从第一三通电磁阀的第二出气端进入大气环境，由于气泵的流率非常大，气泵启动5-30分钟后，能够认为气路中氡的浓度为0；

D、分别关闭第一三通电磁阀、第二三通电磁阀的第二出气端，打开第一三通电磁阀、第二三通电磁阀的第一出气端，从而形成闭环气路，通过获取流量计读数来控制气泵调小流率，使得空气通过进气管进入待测水样中鼓泡，同时将待测水样中的氡携带出来，通过出气管进入气泵进到第一三通电磁阀，然后从第一三通电磁阀的第一出气端进入静电收集法测氡仪后，再通过流量计，从流量计的出气端进到第二三通电磁阀，然后从第二三通电磁阀的第一出气端再次进入进气管；在调小气泵流率时，气泵的流率保持适中，使得静电收集法测氡仪测量腔内的氡浓度与水样测量瓶内的气态氡浓度同步变化；

E、采用较短的时间为测量周期，即2-10分钟测量一次，一直测量到氡浓度趋于恒定值。

二、计算过程

根据环境温度、待测水样的体积、闭环气路的体积以及静电收集法测氡仪的读数计算水样中的镭浓度；

水样测量瓶中的水中的氡来源于水中镭的衰变；设水样的体积为V，水中镭活度为A_Ra，则水中镭浓度C_Ra为：

C_Ra＝A_Ra/V (1)

水样测量瓶中的水中氡浓度C’_Rn的变化规律为：

dC'_Rn/dt＝C_Raλ_Rn-λ_Rn(C'_Rn+C_RnV₁/V)-λ_lC_RnV₁/V (2)

式中λ_Rn是氡的衰变常数；C_Rn是闭环气路中氡的浓度；V₁是闭环气路的体积，闭环气路的体积包括软管的管道体积、进气管的管道体积、出气管的管道体积、静电收集法测氡仪内部测量腔的体积和水样测量瓶液面上部空间的体积之和；λ_l是泄漏系数；

根据测量时的温度查表得到水氡与气态氡平衡时的浓度比X，有：

C'_Rn＝XC_Rn (3)

将式(3)代入式(2)得：

令有效衰变常数λ_e为：

式(4)简化为：

初始氡浓度为0，式(6)的解为：

由于气泵的流率适中，能够认为静电收集法测氡仪测量腔内的氡浓度与水样测量瓶内的气态氡浓度同步变化。根据静电收集法测氡仪的测量原理，静电收集法测氡仪的气态氡浓度实际测量的是测量腔内Po-218的浓度，静电收集法测氡仪的测量腔内Po-218浓度C_Po(t)的变化规律为：

将式(7)代入式(8)得

选取合适的t值，使得λ_et的值比较小，有：

将式(10)代入式(9)得：

对式(11)两边在0-t₁区间积分得到：

C_Po(0)是静电收集法测氡仪测量腔内初始Po-218浓度，其值为0，式(12)变为：

对于静电收集法测氡仪，并不能得到每个时间点的氡浓度，只能得到每个测量周期T的平均氡浓度，在较短的测量周期，理解为该测量周期中点的氡浓度，设t₁位于第n个测量周期的中点，式(13)变化为：

其中C_Po(nT)是静电收集法测氡仪在第n个测量周期的读数；

根据式(14)计算水中镭浓度。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明的闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的装置结构简单，操作方便，测量时间短。

2、通过该闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的方法计算水中镭浓度计算过程简单，获得的镭浓度结果准确，可通过对某地区地下水水样中镭浓度进行长期持续性的监测、分析为国家制定健康的饮用水标准，并为水污染治理、国家疾病预防和治疗、农牧业用水等提供依据，确保地下水环境及居民饮用水安全。

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

图1为本发明闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的装置，包括水样测量瓶1、瓶盖2、进气管套3、出气管套4、进气管5、出气管6、气泵7、静电收集法测氡仪8、流量计9、第一三通电磁阀10及第二三通电磁阀11。

进气管套3及出气管套4分别安装在瓶盖2上，进气管5插在进气管套3上，出气管6插在出气管套4上，出气管6通过软管与气泵7的进气端连接，气泵7的出气端通过软管与第一三通电磁阀10的进气端连接，第一三通电磁阀10的第一出气端通过软管与静电收集法测氡仪8的进气端连接，第一三通电磁阀10的第二出气端与大气环境相通，静电收集法测氡仪8的出气端通过软管与流量计9的进气端连接，流量计9的出气端通过软管与第二三通电磁阀11的进气端连接，第二三通电磁阀11的第一出气端通过软管与进气管5的进气端连接，第二三通电磁阀11的第二出气端与大气环境相通。

采用上述测量装置进行闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的方法，包括测量过程和计算过程，其具体步骤如下：

一、测量过程

A、将闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的装置放置在恒温的环境，并测量环境温度；

B、将待测水样倒入水样测量瓶1内，并盖紧瓶盖2，进气管5的出气口在待测水样内并靠近水样测量瓶1的瓶底，出气管6的进气口位于待测水样液面上；

C、分别打开第一三通电磁阀10、第二三通电磁阀11的第二出气端，关闭第一三通电磁阀10、第二三通电磁阀11的第一出气端，启动气泵7，控制气泵7的流率使其非常大，使得空气通过进气管5进入待测水样中鼓泡，同时将待测水样中的氡携带出来，通过出气管6进入气泵7进入第一三通电磁阀10，然后从第一三通电磁阀10的第二出气端进入大气环境，由于气泵7的流率非常大，气泵7启动5-30分钟后，能够认为气路中氡的浓度为0；

D、分别关闭第一三通电磁阀10、第二三通电磁阀11的第二出气端，打开第一三通电磁阀10、第二三通电磁阀11的第一出气端，从而形成闭环气路，通过获取流量计9读数来控制气泵7调小流率，使得空气通过进气管5进入待测水样中鼓泡，同时将待测水样中的氡携带出来，通过出气管6进入气泵7进到第一三通电磁阀10，然后从第一三通电磁阀10的第一出气端进入静电收集法测氡仪8后，再通过流量计9，从流量计9的出气端进到第二三通电磁阀11，然后从第二三通电磁阀11的第一出气端再次进入进气管5；在调小气泵7流率时，气泵7的流率保持适中，使得静电收集法测氡仪8测量腔内的氡浓度与水样测量瓶1内的气态氡浓度同步变化；

E、采用较短的时间为测量周期，即2-10分钟测量一次，一直测量到氡浓度趋于恒定值。

二、计算过程

根据环境温度、待测水样的体积、闭环气路的体积以及静电收集法测氡仪的读数计算水样中的镭浓度；

水样测量瓶1中的水中的氡来源于水中镭的衰变；设水样的体积为V，水中镭活度为A_Ra，则水中镭浓度C_Ra为：

C_Ra＝A_Ra/V (1)

水样测量瓶1中的水中氡浓度C’_Rn的变化规律为：

dC'_Rn/dt＝C_Raλ_Rn-λ_Rn(C'_Rn+C_RnV₁/V)-λ_lC_RnV₁/V (2)

式中λ_Rn是氡的衰变常数；C_Rn是闭环气路中氡的浓度；V₁是闭环气路的体积，闭环气路的体积包括软管的管道体积、进气管5的管道体积、出气管6的管道体积、静电收集法测氡仪8内部测量腔的体积和水样测量瓶1液面上部空间的体积之和；λ_l是泄漏系数；

根据测量时的温度查表得到水氡与气态氡平衡时的浓度比X，有：

C'_Rn＝XC_Rn (3)

将式(3)代入式(2)得：

令有效衰变常数λ_e为：

式(4)简化为：

初始氡浓度为0，式(6)的解为：

由于气泵7的流率适中，能够认为静电收集法测氡仪8测量腔内的氡浓度与水样测量瓶1内的气态氡浓度同步变化。根据静电收集法测氡仪8的测量原理，静电收集法测氡仪8的气态氡浓度实际测量的是测量腔内Po-218的浓度，静电收集法测氡仪8的测量腔内Po-218浓度C_Po(t)的变化规律为：

将式(7)代入式(8)得

选取合适的t值，使得λ_et的值比较小，有：

将式(10)代入式(9)得：

对式(11)两边在0-t₁区间积分得到：

C_Po(0)是静电收集法测氡仪8测量腔内初始Po-218浓度，其值为0，式(12)变为：

对于静电收集法测氡仪8，并不能得到每个时间点的氡浓度，只能得到每个测量周期T的平均氡浓度，在较短的测量周期，理解为该测量周期中点的氡浓度，设t₁位于第n个测量周期的中点，式(13)变化为：

其中C_Po(nT)是静电收集法测氡仪8在第n个测量周期的读数；

根据式(14)计算水中镭浓度。

Claims (1)

1.利用闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的装置进行闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的方法，所述闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的装置，包括水样测量瓶、瓶盖、进气管套、出气管套、进气管、出气管、气泵、静电收集法测氡仪、流量计、第一三通电磁阀及第二三通电磁阀；

进气管套及出气管套分别安装在瓶盖上，进气管插在进气管套上，出气管插在出气管套上，出气管通过软管与气泵的进气端连接，气泵的出气端通过软管与第一三通电磁阀的进气端连接，第一三通电磁阀的第一出气端通过软管与静电收集法测氡仪的进气端连接，第一三通电磁阀的第二出气端与大气环境相通，静电收集法测氡仪的出气端通过软管与流量计的进气端连接，流量计的出气端通过软管与第二三通电磁阀的进气端连接，第二三通电磁阀的第一出气端通过软管与进气管的进气端连接，第二三通电磁阀的第二出气端与大气环境相通；

其特征是，包括测量过程和计算过程，其具体步骤如下：

一、测量过程

A、将闭环式静电收集法部分积分测量水中镭浓度的装置放置在恒温的环境，并测量环境温度；

B、将待测水样倒入水样测量瓶内，并盖紧瓶盖，进气管的出气口在待测水样内并靠近水样测量瓶的瓶底，出气管的进气口位于待测水样液面上；

C、分别打开第一三通电磁阀、第二三通电磁阀的第二出气端，关闭第一三通电磁阀、第二三通电磁阀的第一出气端，启动气泵，控制气泵的流率使其非常大，使得空气通过进气管进入待测水样中鼓泡，同时将待测水样中的氡携带出来，通过出气管进入气泵进入第一三通电磁阀，然后从第一三通电磁阀的第二出气端进入大气环境，由于气泵的流率非常大，气泵启动5-30分钟后，能够认为气路中氡的浓度为0；

D、分别关闭第一三通电磁阀、第二三通电磁阀的第二出气端，打开第一三通电磁阀、第二三通电磁阀的第一出气端，从而形成闭环气路，通过获取流量计读数来控制气泵调小流率，使得空气通过进气管进入待测水样中鼓泡，同时将待测水样中的氡携带出来，通过出气管进入气泵进到第一三通电磁阀，然后从第一三通电磁阀的第一出气端进入静电收集法测氡仪后，再通过流量计，从流量计的出气端进到第二三通电磁阀，然后从第二三通电磁阀的第一出气端再次进入进气管；在调小气泵流率时，气泵的流率保持适中，使得静电收集法测氡仪测量腔内的氡浓度与水样测量瓶内的气态氡浓度同步变化；

E、采用较短的时间为测量周期，即2-10分钟测量一次，一直测量到氡浓度趋于恒定值；

二、计算过程

根据环境温度、待测水样的体积、闭环气路的体积以及静电收集法测氡仪的读数计算水样中的镭浓度；

水样测量瓶中的水中的氡来源于水中镭的衰变；设水样的体积为V，水中镭活度为A_Ra，则水中镭浓度C_Ra为：

C_Ra＝A_Ra/V (1)

水样测量瓶中的水中氡浓度C’_Rn的变化规律为：

dC'_Rn/dt＝C_Raλ_Rn-λ_Rn(C'_Rn+C_RnV₁/V)-λ_lC_RnV₁/V (2)

式中λ_Rn是氡的衰变常数；C_Rn是闭环气路中氡的浓度；V₁是闭环气路的体积，闭环气路的体积包括软管的管道体积、进气管的管道体积、出气管的管道体积、静电收集法测氡仪内部测量腔的体积和水样测量瓶液面上部空间的体积之和；λ_l是泄漏系数；

根据测量时的温度查表得到水氡与气态氡平衡时的浓度比X，有：

C'_Rn＝XC_Rn (3)

将式(3)代入式(2)得：

令有效衰变常数λ_e为：

式(4)简化为：

初始氡浓度为0，式(6)的解为：

由于气泵的流率适中，能够认为静电收集法测氡仪测量腔内的氡浓度与水样测量瓶内的气态氡浓度同步变化；根据静电收集法测氡仪的测量原理，静电收集法测氡仪的气态氡浓度实际测量的是测量腔内Po-218的浓度，静电收集法测氡仪的测量腔内Po-218浓度C_Po(t)的变化规律为：

将式(7)代入式(8)得

选取合适的t值，使得λ_et的值比较小，有：

将式(10)代入式(9)得：

对式(11)两边在0-t₁区间积分得到：

C_Po(0)是静电收集法测氡仪测量腔内初始Po-218浓度，其值为0，式(12)变为：

对于静电收集法测氡仪，并不能得到每个时间点的氡浓度，只能得到每个测量周期T的平均氡浓度，在较短的测量周期，理解为该测量周期中点的氡浓度，设t₁位于第n个测量周期的中点，式(13)变化为：

其中C_Po(nT)是静电收集法测氡仪在第n个测量周期的读数；

根据式(14)计算水中镭浓度。

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