CN110927017A - 一种确定多孔射气介质中自由220Rn迁移参数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn迁移参数的装置及方法，其中装置包括集气系统、测量系统和计算单元，集气系统包括两个集气罐，两个集气罐为高度不同的高罐和低罐；测量系统包括土壤水分仪、流量计、干燥管、过滤器、计算单元和带有集气罩的²²⁰Rn测定仪；土壤水分仪设于集气罐底部且用于测量设于集气罐内的介质的体积含水率；集气罐内腔顶部、流量计、干燥管、过滤器、²²⁰Rn测定仪、集气罐内腔顶部依次相连通并形成循环回路；计算单元用于求解下述方程组得到介质中自由²²⁰Rn的产生率G及有效扩散系数D：

本发明能够同时确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn产生率和有效扩散系数，简单便捷，易操作，对研究多孔射气介质内²²⁰Rn的迁移具有很大的参考价值。

Description

一种确定多孔射气介质中自由220Rn迁移参数的装置及方法

技术领域

本发明属于核辐射测量技术领域，特别涉及一种确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn迁移参数的装置及方法。

背景技术

²²⁰Rn(钍射气)是一种无色无味的放射性惰性气体，是Ra-224的衰变产物。²²⁰Rn的半衰期短、衰变快，因此人们对氡剂量进行测量时，总是忽略²²⁰Rn及其子体对人体健康的伤害。据国内外调查研究结果表明，岩石、土壤、建筑材料以及铀尾渣等工业废渣中均含有Th-232及Ra-224元素，这些固体物质连续不断的释放²²⁰Rn，使得我们生活的环境质量往往是不达标的。

多孔射气介质中自由²²⁰Rn产生率和有效扩散系数是描述介质中²²⁰Rn迁移的重要物理参数，是开展具体温湿度环境条件下多孔介质内²²⁰Rn迁移与析出模拟实验或数值计算时需预先确定的物理参数。

目前，对多孔射气介质中²²⁰Rn迁移参数的确定仅局限于单个物理参数，对于同时确定介质中自由²²⁰Rn产生率和²²⁰Rn有效扩散系数的方法还鲜有报道。

中国专利文献公开了一种“测定多孔射气介质中氡扩散系数和可运移氡产生率的方法”(申请号：201810487727.5)的发明专利申请。该发明专利提出了一种在不需要测量镭含量、密度和孔隙率等物理参数的条件下，确定多孔射气介质氡(²²²Rn)扩散系数和可运移氡(²²²Rn)产生率的方法。虽然²²⁰Rn和²²²Rn是同位素，它们的化学性质相似，但²²⁰Rn的半衰期为55.6s，相对²²²Rn的半衰期(3.8235天)来说较小，在介质中的扩散长度也相对较小，故而难以采用现有的测量²²²Rn的方法去确定自由²²⁰Rn产生率和有效扩散系数。

综上，迫切需要一种新的用于确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn迁移参数的装置及方法，能够同时确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn产生率和有效扩散系数，以便研究²²⁰Rn的参数迁移规律。

发明内容

现有技术中，对多孔射气介质中²²⁰Rn迁移参数的确定仅局限于单个物理参数。本发明的目的在于，针对该现有技术的不足，提供一种确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn迁移参数的装置及方法，能够同时确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn产生率和有效扩散系数，简单便捷，易操作，对研究多孔射气介质内²²⁰Rn的迁移具有很大的参考价值。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn迁移参数的装置，其特点是包括集气系统、测量系统和计算单元，其中，

集气系统包括两个集气罐，其中两个集气罐为高度不同的高罐和低罐；

所述测量系统包括土壤水分仪、流量计、干燥管、过滤器、计算单元和带有集气罩的²²⁰Rn测定仪；其中，

土壤水分仪设于集气罐底部且用于测量设于集气罐内的介质的体积含水率θ；

集气罐内腔顶部、流量计、干燥管、过滤器、²²⁰Rn测定仪、集气罐内腔顶部依次相连通并形成循环回路；

计算单元：用于求解下述方程组得到介质中自由²²⁰Rn的产生率G及有效扩散系数D：

其中，H₁为高罐的高度，H₂为低罐的高度；C₂₂₀(H₁)为稳态下高罐内腔上部空气的²²⁰Rn浓度，C₂₂₀(H₂)为稳态下低罐内腔上部空气的²²⁰Rn浓度；λ为²²⁰Rn衰变常数；β＝(1-m+Lm)ε，m为介质的含水饱和度且

ε为介质的孔隙率，L为²²⁰Rn在水相和气相间的分配系数；

h为集气罐内介质的高度；n为集气罐内腔上部空气²²⁰Rn浓度与²²⁰Rn测定仪测量得到的²²⁰Rn浓度之间的比值；q为流量计测得的气流量；A为集气罐内介质的表面积。

作为一种优选方式，所述土壤水分仪为HH2型土壤湿度计。

作为一种优选方式，集气罐内腔顶部与流量计之间、流量计与干燥管之间、干燥管与过滤器之间、过滤器与²²⁰Rn测定仪之间、²²⁰Rn测定仪与集气罐内腔顶部之间各通过一软管相连通。

进一步地，还包括第一铜管和第二铜管；第一铜管上段设于集气罐外并通过一软管与流量计相连通，第二铜管上段设于集气罐外并通过一软管与²²⁰Rn测定仪相连通；第一铜管和第二铜管下段均设于集气罐内，第一铜管和第二铜管下段侧壁均开设若干通孔。

作为一种优选方式，所述集气罐由上罐体及下罐体扣合形成，上罐体及下罐体直接通过对应的法兰边可拆卸相连。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn迁移参数的方法，其特点是利用所述的确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn迁移参数的装置，通过求解下述方程组得到介质中自由²²⁰Rn的产生率G及有效扩散系数D：

其中，H₁为高罐的高度，H₂为低罐的高度；C₂₂₀(H₁)为稳态下高罐内腔上部空气的²²⁰Rn浓度，C₂₂₀(H₂)为稳态下低罐内腔上部空气的²²⁰Rn浓度；λ为²²⁰Rn衰变常数；β＝(1-m+Lm)ε，m为介质的含水饱和度且

ε为介质的孔隙率，L为²²⁰Rn在水相和气相间的分配系数；

h为集气罐内介质的高度；n为集气罐内腔上部空气²²⁰Rn浓度与²²⁰Rn测定仪测量得到的²²⁰Rn浓度之间的比值；q为流量计测得的气流量；A为集气罐内介质的表面积。

与现有技术相比，本发明能够同时确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn产生率和有效扩散系数，简单便捷，易操作，对研究多孔射气介质内²²⁰Rn的迁移具有很大的参考价值。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明中的两个包含有限厚待测介质的集气罐示意图。

其中，1为土壤水分仪，101为读数表，102为探头，2为第一铜管，3为集气罐，301为橡胶密封圈，302为螺丝螺母，303为高罐，304为低罐，4为第二铜管，5为流量计，6为干燥管，7为过滤器，8为²²⁰Rn测定仪，9为介质。

具体实施方式

如图1和图2所示，确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn迁移参数的装置包括集气系统、测量系统和计算单元，其中，

集气系统包括两个同时具备介质盛放和集气两种功能的集气罐3，其中两个集气罐3为高度不同的高罐303和低罐304；分别使用两个高度不一样的集气装置进行收集测量；

所述测量系统包括土壤水分仪1、流量计5、干燥管6、过滤器7、计算单元和带有集气罩的²²⁰Rn测定仪8；因为介质9的颗粒较小，故可以用土壤水分仪1探头102监测介质9内的含水率；其中，

土壤水分仪1设于集气罐3底部且用于测量设于集气罐3内的介质9的体积含水率θ；土壤水分仪1包括探头102及读数表101，其中探头102设于集气罐3底部且用于测量设于集气罐3内的介质9的体积含水率，读数表101与探头102电连接，用于显示测量值。

集气罐3内腔顶部、流量计5、干燥管6、过滤器7、²²⁰Rn测定仪8、集气罐3内腔顶部依次相连通并形成循环回路；

计算单元：用于求解下述方程组得到介质9中自由²²⁰Rn的产生率G及有效扩散系数D：

其中，H₁为高罐303的高度，H₂为低罐304的高度；C₂₂₀(H₁)为稳态下高罐303内腔上部空气的²²⁰Rn浓度，C₂₂₀(H₂)为稳态下低罐304内腔上部空气的²²⁰Rn浓度；λ为²²⁰Rn衰变常数；取λ＝0.0125s^-1；β＝(1-m+Lm)ε，m为介质9的含水饱和度且

ε为介质9的孔隙率，L为²²⁰Rn在水相和气相间的分配系数；

h为集气罐3内介质9的高度；n为密闭集气罐3内腔上部空气²²⁰Rn浓度与²²⁰Rn测定仪8测量得到的²²⁰Rn浓度之间的比值；q为流量计5测得的气流量；A为集气罐3内介质9的表面积。

计算单元的功能可以依靠计算机实现，也可以依靠人工计算实现，计算单元在附图中未示出，但并不影响本领域的技术人员对本发明的理解和实现。

所述土壤水分仪1为HH2型土壤湿度计。

集气罐3内腔顶部与流量计5之间、流量计5与干燥管6之间、干燥管6与过滤器7之间、过滤器7与²²⁰Rn测定仪8之间、²²⁰Rn测定仪8与集气罐3内腔顶部之间各通过一软管相连通。

本发明装置还包括第一铜管2和第二铜管4；第一铜管2上段设于集气罐3外并通过一软管与流量计5相连通，第二铜管4上段设于集气罐3外并通过一软管与²²⁰Rn测定仪8相连通；第一铜管2和第二铜管4下段均设于集气罐3内，第一铜管2和第二铜管4下段侧壁均开设若干通孔。

所述集气罐3由上罐体及下罐体扣合形成，上罐体及下罐体直接通过对应的法兰边可拆卸相连。两法兰边之间通过螺丝螺母302锁紧，且结合处设有橡胶密封圈301，保证集气罐3内腔密封。

利用所述的确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn迁移参数的装置确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn迁移参数的方法为，通过求解下述方程组得到介质中自由²²⁰Rn的产生率G及有效扩散系数D：

其中，H₁为高罐303的高度，H₂为低罐304的高度；C₂₂₀(H₁)为稳态下高罐303内腔上部空气的²²⁰Rn浓度，C₂₂₀(H₂)为稳态下低罐304内腔上部空气的²²⁰Rn浓度；λ为²²⁰Rn衰变常数；取λ＝0.0125s^-1；β＝(1-m+Lm)ε，m为介质9的含水饱和度且

ε为介质9的孔隙率，L为²²⁰Rn在水相和气相间的分配系数；

h为集气罐3内介质9的高度；n为集气罐3内腔上部空气²²⁰Rn浓度与²²⁰Rn测定仪8测量得到的²²⁰Rn浓度之间的比值；q为流量计5测得的气流量；A为集气罐3内介质9的表面积。

本发明的技术原理如下：

(1)²²⁰Rn浓度的测定

用软管将装有介质9的集气罐3(连有带有读数表101和探头102的土壤水分仪1)、流量计5、干燥管6、过滤器7和²²⁰Rn测定仪8连接起来，打开²²⁰Rn测定仪8测量其集气罩里的²²⁰Rn浓度。

(2)自由²²⁰Rn产生率和²²⁰Rn有效扩散系数的计算

当多孔介质9内气液两相的氡浓度处于分配平衡状态，多孔介质9内²²⁰Rn的稳定扩散迁移方程如下：

式中，D为多孔介质9的²²⁰Rn有效扩散系数，单位为m²·s^-1；G为多孔介质9的自由²²⁰Rn产生率，单位为Bq·m^-3·s^-1；C(z)为多孔介质9在高度为Z位置处的孔隙空气²²⁰Rn浓度，单位为Bq.m^-3；λ为²²⁰Rn衰变常数；取λ＝0.0125s^-1；ε为多孔介质9的孔隙率；m为多孔介质9的含水饱和度；L为²²⁰Rn在水相和气相间的分配系数，取值与²²²Rn相同，按下式确定：

式中：t为水的温度，单位为℃。

令β＝(1-m+Lm)ε。稳定条件下，z＝0时，

z＝h时，C(z＝h)＝C。

式(1)的解析解为：

式中，h为密闭容器内多孔射气介质9的高度，单位为m；

单位为m^-1。

射气介质9表面²²⁰Rn的析出率J的计算公式如下：

即：

密闭空间的²²⁰Rn增量＝多孔介质表面析出的²²⁰Rn量-衰变的²²⁰Rn量-流向氡测量系统的²²⁰Rn量+从²²⁰Rn测量系统返回的残余²²⁰Rn量。因此，密闭空间的²²⁰Rn浓度C按下式计算：

式中：H为密闭容器的高度，单位为m；h为集气罐3内多孔介质9的高度，单位为m；V为集气罐3内腔上部空气的体积，单位为m³；J为扩散作用下多孔介质9表面的²²⁰Rn析出率，单位为Bq·m^-2·s^-1；q为气体循环流量，即流量计5测得的气流量，单位为L.min^-1；A为集气罐3内多孔介质9的表面积，单位为m²；n为浓度转换系数，n为集气罐3内腔上部空气²²⁰Rn浓度与²²⁰Rn测定仪8测量得到的²²⁰Rn浓度之间的比值。

稳定时，公式(6)左边为0。将公式(5)代入式(6)，得到密闭集气罐3内腔上部空气²²⁰Rn浓度C₂₂₀(H)：

若盛放多孔射气介质9的集气罐3的高度分别为H₁和H₂，则密闭集气罐3内腔上部空气²²⁰Rn浓度分别为：

其中，

单位为m^-1。

将同样湿度环境下高罐303和低罐304上部空气的²²⁰Rn浓度，代入方程组(8)中，求解方程组(8)即可得出在该湿度条件下的多孔射气介质9的自由²²⁰Rn产生率G(Bq·m^-3·s^-1)及γ，进而求得有效扩散系数D(m²·s^-1)。

下面给出本发明一具体的应用实例。

(1)样品处理及装样

将铀尾矿砂放入恒温恒湿试验箱中，以105℃恒温零湿烘烤24小时，使其充分干燥；将干燥后的试样压实放入集气罐3中(高罐H₁＝0.3m，低罐H₂＝0.2，内直径均为0.1m)，试样高度均0.06m，试样质量均为500g，铀尾矿砂的密度为1800kg/m³，可计算出装入集气罐3中的试样孔隙率为41.02％。装样完成后，将集气罐3放入恒温恒湿试验箱中，调节好预定的湿度并恒温保养72h，以保证集气罐3内湿度达到稳定。

(2)进、出口浓度的确定

在测量²²⁰Rn的闭环式装置中，由于气体在闭环实验装置中会发生衰变的原因，所以²²⁰Rn集气罐3出口浓度和入口浓度是不一样的，需要校正系数。²²⁰Rn测定仪8采用Rad7电子氡-钍测量仪。校正系数的确定取决于Rad7电子氡-钍测量仪内置泵的流量、闭环实验装置体积和²²⁰Rn测定仪8的内腔体积。通过平衡钍射气浓度方程(RAD-7使用手册)可以得到

式中：q为Rad7电子氡-钍测量仪内置泵流量，0.9L/min；V_R为RAD-7电子测氡仪内腔体积，0.75m³；V_D为干燥管6的气体体积，0.332m³；V_C为连接管和流量计5的内部体积，0.013m³；λ为钍射气衰变常数，λ＝0.0125s^-1；n为钍浓度转换系数；C_g为集气罐3密闭空间的²²⁰Rn浓度，Bq.m^-3；C_R为Rad7电子氡-钍测量仪测量的²²⁰Rn浓度，Bq.m^-3。

基于式(9)可得，实验中²²⁰Rn浓度转换系数为：

(3)²²⁰Rn浓度测量

将预先装好试样的集气罐3与测量装置按示意图1所示连接起来，连接完成后，开启Rad7电子氡-钍测量仪，设置每30min测量一个数据，待观察到测量数据稳定在某一固定值时，视为集气罐3内钍射气浓度稳定。读取稳定期间的连续的10个²²⁰Rn浓度和温度监测数据的平均值作为对应实验条件下Rad7电子氡-钍测量仪测定的稳定值C_R及室内温度，则高、低集气罐3密闭空间的²²⁰Rn浓度为nC_R。在Rad7电子氡-钍测量仪测量期间，用HH2湿度测量仪约每2h间歇读取试样的体积含水率θ，取各监测值的平均值为样品的体积含水率。对于湿度为0％时，β等于样品孔隙率ε；对于湿度为40％和80％时，用公式(11)求出含水饱和度。

式中，θ为试样的体积含水率；m为介质9的含水饱和度。

本实验选取3个湿度条件(0％、40％和80％)进行测量。具体实验数据如下表1所示：

表1实验条件及测量的稳定²²⁰Rn浓度C_R

(3)自由²²⁰Rn产生率和有效扩散系数

将表1的数据代入方程组(8)中，算出铀尾矿砂自由²²⁰Rn产生率G(Bq·m^-3·s^-1)，进而求得扩散系数D(m²·s^-1)，结果如表2所示。

表2铀尾矿砂自由²²⁰Rn产生率和扩散系数

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn迁移参数的装置，其特征在于，包括集气系统、测量系统和计算单元，其中，

集气系统包括两个集气罐(3)，其中两个集气罐(3)为高度不同的高罐(303)和低罐(304)；

所述测量系统包括土壤水分仪(1)、流量计(5)、干燥管(6)、过滤器(7)、计算单元和带有集气罩的²²⁰Rn测定仪(8)；其中，

土壤水分仪(1)设于集气罐(3)底部且用于测量设于集气罐(3)内的介质(9)的体积含水率θ；

集气罐(3)内腔顶部、流量计(5)、干燥管(6)、过滤器(7)、²²⁰Rn测定仪(8)、集气罐(3)内腔顶部依次相连通并形成循环回路；

计算单元：用于求解下述方程组得到介质(9)中自由²²⁰Rn的产生率G及有效扩散系数D：

其中，H₁为高罐(303)的高度，H₂为低罐(304)的高度；C₂₂₀(H₁)为稳态下高罐(303)内腔上部空气的²²⁰Rn浓度，C₂₂₀(H₂)为稳态下低罐(304)内腔上部空气的²²⁰Rn浓度；λ为²²⁰Rn衰变常数；β＝(1-m+Lm)ε，m为介质(9)的含水饱和度且

ε为介质(9)的孔隙率，L为²²⁰Rn在水相和气相间的分配系数；

h为集气罐(3)内介质(9)的高度；n为集气罐(3)内腔上部空气²²⁰Rn浓度与²²⁰Rn测定仪(8)测量得到的²²⁰Rn浓度之间的比值；q为流量计(5)测得的气流量；A为集气罐(3)内介质(9)的表面积。

2.如权利要求1所述的确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn迁移参数的装置，其特征在于，所述土壤水分仪(1)为HH2型土壤湿度计。

3.如权利要求1所述的确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn迁移参数的装置，其特征在于，集气罐(3)内腔顶部与流量计(5)之间、流量计(5)与干燥管(6)之间、干燥管(6)与过滤器(7)之间、过滤器(7)与²²⁰Rn测定仪(8)之间、²²⁰Rn测定仪(8)与集气罐(3)内腔顶部之间各通过一软管相连通。

4.如权利要求3所述的确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn迁移参数的装置，其特征在于，还包括第一铜管(2)和第二铜管(4)；第一铜管(2)上段设于集气罐(3)外并通过一软管与流量计(5)相连通，第二铜管(4)上段设于集气罐(3)外并通过一软管与²²⁰Rn测定仪(8)相连通；第一铜管(2)和第二铜管(4)下段均设于集气罐(3)内，第一铜管(2)和第二铜管(4)下段侧壁均开设若干通孔。

5.如权利要求1所述的确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn迁移参数的装置，其特征在于，所述集气罐(3)由上罐体及下罐体扣合形成，上罐体及下罐体直接通过对应的法兰边可拆卸相连。

6.一种确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn迁移参数的方法，其特征在于，利用如权利要求1～5任一项所述的确定多孔射气介质中自由²²⁰Rn迁移参数的装置，通过求解下述方程组得到介质中自由²²⁰Rn的产生率G及有效扩散系数D：

其中，H₁为高罐(303)的高度，H₂为低罐(304)的高度；C₂₂₀(H₁)为稳态下高罐(303)内腔上部空气的²²⁰Rn浓度，C₂₂₀(H₂)为稳态下低罐(304)内腔上部空气的²²⁰Rn浓度；λ为²²⁰Rn衰变常数；β＝(1-m+Lm)ε，m为介质(9)的含水饱和度且

ε为介质(9)的孔隙率，L为²²⁰Rn在水相和气相间的分配系数；

h为集气罐(3)内介质(9)的高度；n为集气罐(3)内腔上部空气²²⁰Rn浓度与²²⁰Rn测定仪(8)测量得到的²²⁰Rn浓度之间的比值；q为流量计(5)测得的气流量；A为集气罐(3)内介质(9)的表面积。

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