CN110441808A - 一种双通道式自动测量水氡的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双通道式自动测量水氡的方法及装置，通过微型气泵匀速鼓泡采样，使水样中氡气高效稳定地析出。双通道式探测器能够自动完成本底计数和氡累积计数测量，从而满足地震前兆地下流体水氡观测中主样和副样水氡浓度测量。本发明的优点在于：自动化测量、数字化显示、装置结构简单，符合地震行业技术规范，消除了原始测量方法的繁琐步骤和人工误差，使测量结果准确可靠，可用于地震前兆地下流体水氡观测。

Description

一种双通道式自动测量水氡的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种双通道式自动测量水氡的方法及装置，具体涉及地震前兆地下流体水氡观测的方法及装置。

背景技术

氡气是三大天然放射系中镭的衰变产物，是一种无色无味的放射性、惰性气体。氡气可溶于水，在地下泉水(如天然温泉)中广泛分布。

由于氡气具有独特的物理化学性质，有较强的映震性，在地震行业地下流体观测中占据重要地位。水氡观测最能直观地捕捉到地下水中水氡浓度变化，进而为地震前兆研究提供理论依据。

《地震水文地球技术规范》中水氡测量标准方法为闪烁法，要求测量主、副两份水样的水氡浓度并进行偏差对比。目前地震行标对水氡的测量推荐使用FD125氡钍分析仪，其整个测量过程需要人工操作完成，主要存在以下问题：一、操作步骤繁琐。如选择探测器阈值及高压、测量闪烁室本底、负压匀速鼓泡、定时计数测量等一系列手工操作步骤，需对测量人员进行专门培训。整个测量期间，需要各种断开以及连接测量气路、手动操作定标器等，必须非常熟悉整个测量流程才不至于出错。二、人为操作误差大。在转动闪烁室圆盘切换不同闪烁室进行测量中，会因为转盘的遮光性能变差导致漏光进而导致测量计数变大；人工控制止气夹来保证整个负压鼓泡期间气泡匀速，是一个很有难度的操作，导致脱气不彻底进而导致测量计数变小。三、人工计算结果。根据本底计数、氡累积计数、水样体积等相关参数，人工计算水氡结果，增加工作量及测量难度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种双通道式自动测量水氡的方法及装置，通过微型气泵匀速鼓泡采样，使水样中氡气高效稳定地析出。双通道式探测器能够自动完成本底计数和氡累积计数测量，从而满足地震前兆地下流体水氡观测中主样和副样水氡浓度测量。同时测量两份水样中氡的计数，可一次性快速地完成地震水氡观测，提高地震台站人员测量水氡的工作效率。

本发明的技术方案为：

一种双通道式自动测量地震前兆地下流体水氡的方法，其步骤：

1)水样装入扩散瓶，人工连接自动测量气路并输入开始测量时间；

2)到达测量时间，装置自动测量双通道式探测器内本底计数；

3)装置自动开启气泵及电磁阀，对主、副水样进行鼓泡方式的氡气取样操作；

4)装置自动关闭气泵及电磁阀，自动密封双通道式探测器内采集的氡气并作静置处理；

5)待静置完成后，装置自动测量双通道式探测器内累积计数；

6)装置自动显示主样和副样水氡浓度及相对偏差；

一种双通道式自动测量地震前兆地下流体水氡的方法，其计算：

①双通道式(主、副)探测器本底氡浓度值C₀和C′₀计算如下：

②匀速鼓泡取样后双通道式(主、副)探测器累积氡浓度值C_g和C′_g计算如下：

③地震前兆地下流体水氡观测的主样和副样水氡浓度C_w和C′_w计算如下：

④地震前兆地下流体水氡观测主、副样水氡浓度的相对偏差δ计算如下：

式中，n_b、N₀和N₁分别为主探测器固有本底(cpm)、本底计数(cts)和累积计数(cts)；n′_b、N′₀和N′分别为副探测器固有本底(cpm)、本底计数(cts)和累积计数(cts)；t₀和t₁分别是本底测量时长(min)和累积计数时长(min)；K和K′分别为主、副探测器的灵敏度(cpm/Bq·L^-1)；V_g和V_w分别为气路体积(L)和水样体积(L)；e^-λ·t为氡的衰变函数，λ为氡衰变常数(0.00755h^-1)，t为水样放置时间(h)；C₀和C′₀分别为主、副探测器本底氡浓度(Bq/L)；C_g和C′_g分别为主、副探测器累积氡浓度(Bq/L)；C_w和C′_w分别为主、副水样水氡浓度(Bq/L)；δ为主、副样水氡浓度的相对偏差。

一种双通道式自动测量水氡的装置，该装置的外壳为正面倾斜的台式结构，两侧有手扣槽式把手，右侧安装有双通道式探测器；装置外壳正面倾斜板上镶嵌触摸屏，正面底部装饰板上嵌有开机键；装置外壳左侧安装有可拆卸的试管支架，水样扩散瓶应插入试管支架中的试管孔内，其顶部气口与气体冷凝球连接；气体冷凝球内部防倒吸毛细管位置朝上，其顶端气口通过软管与主样进气口连接，水样扩散瓶上端侧出气口通过软管与主样出气口连接，主测探测器顶端两个快速气口分别与主测进气口和主测出气口连接；对应地，副测探测器上部有副样进气口和副样出气口，下部有副测进气口和副测出气口；在装置内部，主测探测器气路包括主测气泵和控制电磁阀一、二，副测探测器气路包括副测气泵和控制电磁阀三、四。

双通道式探测器包含主测探测器和副测探测器；其中，主测探测器包括主测闪烁室和主测光电转换器，副测探测器包括副测闪烁室和副测光电转换器,闪烁室的内壁涂有硫化锌晶体；闪烁室固定安装在装置外壳右侧板外侧，光电转换器正对着闪烁室且固定安装在装置外壳右侧板内侧，光电转换器尾部三个接线口与装置内部的计数控制板连接；装置的计数测量方法是：主测闪烁室和副测闪烁室内的氡气及其子体衰变过程生成的α粒子使闪烁室内壁硫化锌晶体受激并产生光子，光子通过主测光电转换器和副测光电转换器进行光电转换为电子并倍增放大后输出电压信号，电压信号经由光电转换器底座的接线口b将信号传输到装置的计数控制板上进行甄别后计数；装置的计数控制板通过接线口a为光电转换器提供工作高压，并通过接线口c记录光电转换器的温度。

自动测量水氡的装置可用于自主设计测量方法和步骤的其他多个样品的水中氡浓度测量。

自动测量水氡的装置除水样扩散瓶、气体冷凝球、试管支架以外的主要部分所组成的一种双通道式闪烁室型测氡仪可实现空气氡和土壤氡的取样测量。

本发明所涉及到的测量方法及装置，针对地震行标指定的水氡测量技术，有效解决了操作步骤繁琐的问题、消除了人为操作误差的来源、节省了人工计算结果的步骤、提高了工作人员的工作效率。

本发明的优点在于：自动化测量、数字化显示、操作人员无需培训、装置结构简单，计算结果准确，适用于地震前兆地下流体水氡观测领域。

附图说明

图1为一种双通道式自动测量水氡的装置前右视图；

图2为一种双通道式自动测量水氡的装置前左视图；

图3为一种双通道式自动测量水氡的装置的主测探测器示意图；

图4为一种双通道式自动测量水氡的装置气路连接图；

图5为使用本发明的方法及装置测量地震前兆水氡观测数据。

具体实施方式

下面对本发明提供的一种双通道式自动测量水氡的方法及装置的具体实施例作进一步地详细描述。

一种双通道式自动测量水氡的方法及装置，测量用水样需转入玻璃扩散瓶中，在测量前需要人工将主测、副测探测器的自动测量气路连接完成，然后输入开始测量时间，其测量步骤：

1)到达测量时间，装置自动测量双通道式探测器内本底计数；

2)装置自动开启气泵及电磁阀，对主、副水样进行鼓泡方式的氡气取样操作；

3)装置自动关闭气泵及电磁阀，自动密封双通道式探测器内采集的氡气并作静置处理；

4)待静置完成后，装置自动测量双通道式探测器内累积计数；

5)装置自动计算并显示主样和副样水氡浓度及相对偏差。

一种双通道式自动测量水氡的方法及装置用于地震前兆地下流体水氡观测，计算方法如下：

①双通道式(主、副)探测器本底氡浓度值C₀和C′₀计算如下：

②匀速鼓泡取样后双通道式(主、副)探测器累积氡浓度值C_g和C′_g计算如下：

③地震前兆地下流体水氡观测的主、副样水氡浓度C_w和C′_w计算如下：

④地震前兆地下流体水氡观测的主、副样水氡浓度相对偏差δ计算如下：

其中：

n_b——主探测器的固有本底，单位cpm；

N₀——主探测器的本底氡浓度测量总计数，单位cts；

N₁——主探测器的累积氡浓度测量总计数，单位cts；

n′_b——副探测器的固有本底，单位cpm；

N′₀——副探测器的本底氡浓度测量总计数，单位cts；

N′——副探测器的累积氡浓度测量总计数，单位cts；

t₀——自动测量装置的本底氡浓度测量时长，单位min；

t₁——自动测量装置的累积氡浓度计数时长，单位min；

K——自动测量装置的主探测器的灵敏度，单位cpm/Bq·L^-1；

K′——自动测量装置的副探测器的灵敏度，单位cpm/Bq·L^-1；

V_g——自动测量装置的主/副水样测量气路中气体体积，单位L；

V_w——自动测量装置的主/副水样的体积，单位L；

e^-λ·t——氡的衰变函数，λ为氡衰变常数(0.00755h^-1)，t为水样放置时间(h)；

C₀——主探测器的本底氡浓度，单位Bq/L；

C′₀——副探测器的本底氡浓度，单位Bq/L；

C_g——主探测器的累积氡浓度，单位Bq/L；

C′_g——副探测器的累积氡浓度，单位Bq/L；

C_w——自动测量装置主水样的水氡浓度，单位Bq/L；

C′_w——自动测量装置副水样的水氡浓度，单位Bq/L；

δ——水氡观测中主、副样水氡浓度的相对偏差，％。

一种双通道式自动测量水氡的装置，该装置的外壳1为正面倾斜的台式结构，两侧有手扣槽式把手，右侧安装有双通道式探测器。装置外壳1正面倾斜板上镶嵌触摸屏3，正面底部装饰板上嵌有开机键4。装置外壳1左侧安装有可拆卸的试管支架7，水样扩散瓶5应插入试管支架7中的试管孔内，其顶部气口与气体冷凝球6连接。气体冷凝球6内部防倒吸毛细管位置朝上，其顶端气口通过软管8与主样进气口9-1连接，水样扩散瓶5上端侧出气口通过软管8与主样出气口9-2连接，主测探测器2-1顶端两个快速气口分别与主测进气口9-3和主测出气口9-4连接。对应地，副测探测器2-2上部有副样进气口10-1和副样出气口10-2，下部有副测进气口10-3和副测出气口10-4。在装置内部，主测探测器气路包括主测气泵11-1和控制电磁阀一12-1、控制电磁阀二12-2，副测探测器气路包括副测气泵11-2和控制电磁阀三12-3、控制电磁阀四12-4。

双通道式探测器包括主测探测器2-1和副测探测器2-2；其中，主测探测器2-1包括主测闪烁室2-1-1和主测光电转换器2-1-2，副测探测器2-2包括副测闪烁室2-2-1和副测光电转换器2-2-2,闪烁室的内壁涂有硫化锌晶体；闪烁室固定安装在装置外壳1右侧板外侧，光电转换器正对着闪烁室且固定安装在装置外壳1右侧板内侧，光电转换器尾部三个接线口与装置内部的计数控制板连接。装置的计数测量方法是：主测闪烁室2-1-1和副测闪烁室2-2-1内的氡气及其子体衰变过程生成的α粒子使闪烁室内壁硫化锌晶体受激并产生光子，光子通过主测光电转换器2-1-2和副测光电转换器2-2-2进行光电转换为电子并倍增放大后输出电压信号，电压信号经由光电转换器底座的接线口b将信号传输到装置的计数控制板上进行甄别后计数。装置的计数控制板通过接线口a为光电转换器提供工作高压，并通过接线口c记录光电转换器的温度。

一种双通道式自动测量水氡的装置，还可用于自主设计测量方法和步骤的其他多个样品的水中氡浓度测量。此外，去除水样扩散瓶5、气体冷凝球6、试管支架7后的装置主要部分所组成的一种双通道式闪烁室型测氡仪可实现空气氡取样测量和土壤氡取样测量。

一种双通道式自动测量水氡的装置，其自动测量的气路连接原理如图4所示，虚线框内为装置内部气路连接，虚线框外为装置外部气路接连，箭头方向为鼓泡时气体流动方向。

装置外部气路连接：使用软管8将气体冷凝球6接在水样扩散瓶5的顶部气口上，保证气体冷凝球6内部倒弯钩细管结构朝上，参考图1所示。气体冷凝球6顶端气口与主样进气口9-1连接，水样扩散瓶5上部侧边气口与主样出气口9-2连接，主测闪烁室2-1-1上2个快速接口分别与主测进气口9-3、主测出气口9-4连接。同样地，副测闪烁室2-2-1的测量气路连接方法可参考主探测器气路。

装置内部气路连接：主样进气口9-1与主测气泵11-1进气口连接，主测气泵11-1出气口于控制电磁阀一12-1的进气口连接，控制电磁阀一12-1的出气口与主测出气口9-4连接，控制电磁阀二12-2的进气口与主测进气口9-3连接，电磁阀二12-2的出气口与主样出气口9-2连接。同样地，装置内副测气泵11-2和控制电磁阀三12-3、控制电磁阀四12-4的连接方法可参考主测气路。

自动测量期间的鼓泡采样流程中，气泵和电磁阀同时开启和关闭，装置的气体流动方向描述：水样扩散瓶5-1→气体冷凝球6-1→主测气泵11-1→控制电磁阀一12-1→主测闪烁室2-1-1→控制电磁阀二12-2→水样扩散瓶5-1；水样扩散瓶5-2→气体冷凝球6-2→副测气泵11-2→控制电磁阀四12-4→副测闪烁室2-2-1→控制电磁阀三12-3→水样扩散瓶5-2。

在地震前兆地下流体水氡观测领域，地震人员使用量取器从监测水点取回至少2份水样，然后将各水样转入对应的水样扩散瓶5内。自动测量气路连接后，地震人员输入开始测量时间和水样放置时间，然后点击开始按钮。装置将立即开始测量预备倒计时，倒计时结束后进入主、副探测器的本底氡浓度测量阶段，测量时长10min。紧接着，进入鼓泡采样阶段，气泵和电磁阀同步开启，分别进行主、副探测器测量气路的循环、匀速鼓泡，气泵流速1.0L/min，鼓泡11min。鼓泡结束后，气泵和电磁阀同步关闭，将氡气样密封在探测器的闪烁室内，并静置60min(包含鼓泡时长11min)。静置结束后，自动开始主、副探测器内累积氡浓度测量，计数时长10min。测量完成后，自动显示主、副水样的水氡浓度及主副样偏差。

装置操作人员在熟悉装置功能及水氡测量原理后，可自行设计测量方案进行实验测量，根据测量计数自行计算测量结果。此外，本装置的探测器中闪烁室采样器可拆卸，方便空气氡/土壤氡测量的现场采样，然后再带回实验室，通过主、副探测器同时测量，可加快样品分析速度。

使用本发明，一种双通道式自动测量水氡的方法和装置，在某地震台站进行连续6天(每天在同一时段测量1次)的地震前兆地下流体水氡观测。观测数据如图5所示，主、副样水氡浓度基本保持平稳且平均值分别为102.45Bq/L和100.38Bq/L。依据《地震水文地球技术规范》中要求水氡浓度在18.5～111Bq/L时主、副样测量的相对偏差范围不超过±8％，本发明的方法和装置用于地震水氡测量结果满足《规范》要求。

上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。本发明中未作详细的描述的内容均可采用现有技术。

Claims (5)

1.一种双通道式自动测量地震前兆地下流体水氡的方法，其步骤：

1)水样装入扩散瓶，人工连接自动测量气路并输入开始测量时间；

2)到达测量时间，装置自动测量双通道式探测器内本底计数；

3)装置自动开启气泵及电磁阀，对主、副水样进行鼓泡方式的氡气取样操作；

4)装置自动关闭气泵及电磁阀，自动密封双通道式探测器内采集的氡气并作静置处理；

5)待静置完成后，装置自动测量双通道式探测器内累积计数；

6)装置自动显示主样和副样水氡浓度及相对偏差；

一种双通道式自动测量地震前兆地下流体水氡的方法，其计算：

①双通道式(主、副)探测器本底氡浓度值C₀和C′₀计算如下：

②匀速鼓泡取样后双通道式(主、副)探测器累积氡浓度值C_g和C′_g计算如下：

③地震前兆地下流体水氡观测的主样和副样水氡浓度C_w和C′_w计算如下：

④地震前兆地下流体水氡观测主、副样水氡浓度的相对偏差δ计算如下：

式中，n_b、N₀和N₁分别为主探测器固有本底(cpm)、本底计数(cts)和累积计数(cts)；n′_b、N′₀和N′分别为副探测器固有本底(cpm)、本底计数(cts)和累积计数(cts)；t₀和t₁分别是本底测量时长(min)和累积计数时长(min)；K和K′分别为主、副探测器的灵敏度(cpm/Bq·L^-1)；V_g和V_w分别为气路体积(L)和水样体积(L)；e^-λ·t为氡的衰变函数，λ为氡衰变常数(0.00755h^-1)，t为水样放置时间(h)；C₀和C′₀分别为主、副探测器本底氡浓度(Bq/L)；C_g和C′_g分别为主、副探测器累积氡浓度(Bq/L)；C_w和C′_w分别为主、副水样水氡浓度(Bq/L)；δ为主、副样水氡浓度的相对偏差。

2.一种双通道式自动测量水氡的装置，其特征在于：该装置的两侧有手扣槽式把手，右侧安装有双通道式探测器；装置外壳(1)正面倾斜板上镶嵌触摸屏(3)，正面底部装饰板上嵌有开机键(4)；装置外壳(1)左侧安装有试管支架(7)，水样扩散瓶(5)应插入试管支架(7)中的试管孔内，其顶部气口与气体冷凝球(6)连接；气体冷凝球(6)内部防倒吸毛细管位置朝上，其顶端气口通过软管(8)与主样进气口(9-1)连接，水样扩散瓶(5)上端侧出气口通过软管(8)与主样出气口(9-2)连接，主测探测器(2-1)顶端两个快速气口分别与主测进气口(9-3)和主测出气口(9-4)连接；对应地，副测探测器(2-2)上部有副样进气口(10-1)和副样出气口(10-2)，下部有副测进气口(10-3)和副测出气口(10-4)；在装置内部，主测探测器气路包括主测气泵(11-1)和控制电磁阀一(12-1)、控制电磁阀二(12-2)，副测探测器气路包括副测气泵(11-2)和控制电磁阀三(12-3)、控制电磁阀四(12-4)。

3.根据权利要求2所述的双通道式自动测量水氡的装置，其特征在于：双通道式探测器包含主测探测器(2-1)和副测探测器(2-2)；其中，主测探测器(2-1)包括主测闪烁室(2-1-1)和主测光电转换器(2-1-2)，副测探测器(2-2)包括副测闪烁室(2-2-1)和副测光电转换器(2-2-2),闪烁室的内壁涂有硫化锌晶体；闪烁室固定安装在装置外壳(1)右侧板外侧，光电转换器正对着闪烁室且固定安装在装置外壳(1)右侧板内侧，光电转换器尾部三个接线口与装置内部的计数控制板连接；装置的计数测量方法是：主测闪烁室(2-1-1)和副测闪烁室(2-2-1)内的氡气及其子体衰变过程生成的α粒子使闪烁室内壁硫化锌晶体受激并产生光子，光子通过主测光电转换器(2-1-2)和副测光电转换器(2-2-2)进行光电转换为电子并倍增放大后输出电压信号，电压信号经由光电转换器底座的接线口b将信号传输到装置的计数控制板上进行甄别后计数；装置的计数控制板通过接线口a为光电转换器提供工作高压，并通过接线口c记录光电转换器的温度。

4.根据权利要求2所述的双通道式自动测量水氡的装置，其特征在于，该装置外壳(1)为正面倾斜的台式结构，两侧有手扣槽式把手。

5.根据权利要求2所述的双通道式自动测量水氡的装置，其特征在于，试管支架(7)为可拆卸。