CN117631006A - 一种氡钍射气连续监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氡钍射气连续监测方法，涉及辐射防护领域，方法包括：当待测气体经过氡钍射气连续监测装置，获取第一闪烁室以及第二闪烁室的刻度系数、第一脉冲计数以及第二脉冲计数；利用射性子体遗留物影响估算方法，根据所述刻度系数、所述第一脉冲技术以及所述第二脉冲计数反推所述待测气体中放射性核素浓度；所述放射性核素浓度包括氡气浓度以及钍射气浓度。本发明能够精准测量出待测气体中放射性核素浓度。
Description
技术领域
本发明涉及辐射防护领域，特别是涉及一种氡钍射气连续监测方法。
背景技术
中国钍伴生生产企业由于存在放射性伴生，往往按照铀矿冶的相关辐射防护和环境保护管理规定进行管理。然而相比常规铀矿冶企业，钍伴生企业生产原料中除了铀元素还富含钍元素，造成生产场所同时存在氡气(222Rn)和钍射气(220Rn)以及它们的子体。钍伴生生产企业在辐射监测和防护中往往未考虑钍射气的存在，造成钍伴生企业员工所受剂量大于实际监测。
为了对钍伴生生产场所进行有效放射性气体监测，需要对氡气(222Rn)和钍射气(220Rn)进行区分测量。常用方法有脉冲电离室法和静电收集法，其中，脉冲电离室法在氡与钍射气浓度比例悬殊的环境中对低浓度的核素测量值准确性较差；静电收集法测量精度受到环境湿度的影响较大；这两种方法会受氡钍比例差距过大或环境湿度影响。其他方法如流气延迟法，在两台探测器之间采用流程较长的管道对采样气体进行延迟，钍射气在管道中的衰变份额受气体扩散系数与速度廓线影响，需要根据现场的温度与湿度进行专门标定保证测量精度。由此可见，现有222Rn、220Rn区分技术存在各种各样的限制，无法充分解决钍伴生企业复杂生产环境下氡气(222Rn)、钍射气(220Rn)的测量问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种氡钍射气连续监测方法，以解决钍伴生企业复杂生产环境下氡气(222Rn)、钍射气(220Rn)无法精准测量的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种氡钍射气连续监测方法，包括：
利用由多个闪烁室和延迟器器组成的氡钍射气连续监测装置对待测气体进行监测，获取第一闪烁室以及第二闪烁室的刻度系数、第一脉冲计数以及第二脉冲计数；所述氡钍射气连续监测装置包括：依次连接的过滤器、流量计、第一闪烁室、延迟器以及第二闪烁室；每台闪烁室均通过一个光电倍增管连接一个放大电路；所述放大电路与单片机相连接；所述单片机还与计算机相连接；待测气体经过所述过滤器，去除所有氡子体以及钍射气子体；所述流量计监测所述待测气体的流量；仅含有氡气与钍射气的待测气体进入到所述第一闪烁室中，所述单片机记录下所述第一闪烁室内第一设定时间内的第一脉冲计数；含有氡气与钍射气的的待测气体进入所述延迟器中停留，使得钍射气完全衰变，保留未衰变的氡气；所述未衰变的氡气进入所述第二闪烁室发生衰变，所述单片机记录下第二时间内的第二脉冲计数；
利用射性子体遗留物影响估算方法，根据所述刻度系数、所述第一脉冲计数以及所述第二脉冲计数反推所述待测气体中放射性核素浓度；所述放射性核素浓度包括氡气浓度以及钍射气浓度。
可选的，利用射性子体遗留物影响估算方法，根据所述刻度系数、所述第一脉冲计数以及所述第二脉冲计数反推所述待测气体中放射性核素浓度，具体包括：
利用公式 计算所述待测气体中钍射气浓度
利用公式计算所述待测气体中氡气浓度；
其中，i为测量天数，CTn(i)为钍射气浓度，CRn(i)为氡气浓度，G1(i)为第一闪烁室的脉冲计数，G2(i)为第二闪烁室的脉冲计数，εR1为第一闪烁室对222Rn的刻度系数，εR2为第二闪烁室对222Rn的刻度系数，εT1为第一闪烁室对220Rn的刻度系数，R1为第i-1天的遗留系数0.19，R2为第i-2天的遗留系数0.039，R3为第i-3天的遗留系数0.0085。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种氡钍射气连续监测方法，通过设置双闪烁室以及延迟器，并将延迟器设于双闪烁室之间，记录待测气体在第一闪烁室中的第一脉冲计数，并在延迟器中停留，使得待测气体中的钍射气完全衰变，保留大部分未衰变的氡气，此时，未衰变的氡气经过第二闪烁室记录第二脉冲计数，即使是在钍伴生企业复杂生产环境下也能够精准反推出待测气体中放射性核素浓度；所述放射性核素浓度包括氡气浓度以及钍射气浓度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明氡钍射气连续监测装置结构图；
图2为本发明氡钍射气连续监测方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种氡钍射气连续监测方法，能够精准测量出待测气体中放射性核素浓度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本发明提供了一种氡钍射气连续监测装置，包括：依次连接的过滤器1、流量计2、第一闪烁室3、延迟器4以及第二闪烁室5；每台闪烁室均通过一个光电倍增管连接一个放大电路；所述放大电路与单片机6相连接；所述单片机6还与计算机7相连接；待测气体经过所述过滤器1，去除所有氡子体以及钍射气子体；所述流量计2监测所述待测气体的流量；仅含有氡气与钍射气的待测气体进入到所述第一闪烁室3中，所述单片机6记录下所述第一闪烁室3内第一设定时间内的第一脉冲计数；含有氡气与钍射气的的待测气体进入所述延迟器4中停留，使得钍射气完全衰变，保留未衰变的氡气；所述未衰变的氡气进入所述第二闪烁室5发生衰变，所述单片机6记录下第二时间内的第二脉冲计数；所述计算机7根据所述待测气体的流量、所述第一脉冲计数以及所述第二脉冲计数反推所述待测气体中放射性核素浓度；所述放射性核素浓度包括氡气浓度以及钍射气浓度。图1中的探头后接光电倍增管的部分电路不是本发明必须的设备，可不安装。
流量计2的作用是监测仪器气路中气体的流量，该流量数据之后用于数据的换算。
在闪烁室测量原理基础上，由氡与钍射气甄别技术、放射性子体遗留物影响估算方法两部分组成：1)所述氡与钍射气甄别技术，指的是采取双闪烁室加延迟器4区分氡气和钍射气，其中延迟器4为内置风扇的罐体，延迟时间范围为钍射气半衰期的6～16倍，即330秒至880秒；2)所述放射性子体遗留物影响估算方法，指的是通过建立数学模型预测探测器中放射性子体遗留物的变化规律，并以遗留系数的形式定量描述子体遗留物对后续测量周期的影响并在后续周期测量结果中直接扣除；其中该变化规律为当测量周期与气流设置确定时，每一周期所产生的子体遗留物对后续周期探测器计数的影响由该周期的放射性浓度唯一确定，因此可以将该周期的放射性浓度作为自变量来定量描述遗留物的影响。
在实际应用中，每台闪烁室的内部均涂覆有硫化锌涂层；所述硫化锌涂层用于接收放射性气体衰变产生的α粒子，并将所述α粒子转换为光信号，通过所述光电倍增管传输至所述单片机6，以记录第一脉冲计数以及第二脉冲计数。
在实际应用中，所述延迟器4内置有风扇；所述风扇用于保证含有氡气与钍射气的的待测气体在所述延迟器4中停留，而不是直接进入第二闪烁室5。所述延迟器4的作用是使待测气体在延迟器4中停留，从而使气体中的钍射气完全衰变(由于半衰期55s)，保留大部分未衰变的氡气(由于半衰期约3min，钍射气全部衰变时，氡气未全部衰变)。
在实际应用中，所述延迟器4的停留时间为钍射气半衰期的6-16倍。
在实际应用中，所述放大电路，具体包括：依次连接的前置放大、线性放大、阈值甄别以及脉冲成型；光电倍增管可以将涂覆有硫化锌ZnS涂层的第一闪烁室3以及第二闪烁室5收到的光信号转化至电信号，放大至可以计数的程度后，将此信号传输到脉冲计数器进行计数。所述放大电路需放置在无光的空间内。
所述放大电路用于将所述光电倍增管的电信号放大至能够进行脉冲计数的程度。放大电路的作用还包括：为放大后的脉冲设定一个阈值，去除阈值以下的本底(本底指在没有信号输入的情况下，系统内依然存在的脉冲，通常由环境本身以及系统的固有特征导致，由于其与输入的信号无关，因此必须剔除)；对脉冲进行计数。
在实际应用中，所述放大电路设于无光空间内。
在实际应用中，还包括：气泵8；所述气泵8与所述第二闪烁室5相连接；所述气泵8用于向所述待测气体流经的测量气路提供动力。
在实际应用中，所述单片机6为脉冲计数器。单片机6和计算机7可通过网线或无线网连接，将计数数据和流量数据向计算机7传输，接收计算机7的更改流量等指令。
计算机7是数据的展示界面，脉冲计数器得到的计数、流量计2的数据均会在计算机7上进行展示；同时，计算机7也是数据的运算器，可以将脉冲计数换算为气载放射性浓度。计算机7的主要用途是是展示计数数据，如果利用该方法形成成型设备的话，计算机7同时可用作运算器将脉冲计数器换算为气载放射性浓度。
在实际应用中，本发明确保所有气路和电路连接正确。
气路连接方法为：使用气管将过滤器1、流量计2、第一闪烁室3、延迟器4、第二闪烁室5、气泵8依次连接起来。气体流向为从过滤器1至泵。
电路连接方法为：将闪烁室连接处与光电倍增管的光阴极对接，光电倍增管的阳极与放大电路连接，而后连接单片机6。
所述高低电源的作用是给所有的其他设备供电。电源可高压供电可为光电倍增管提供可靠的工作环境。
本发明的整体运行流程为：首先采样气体经过过滤器1，去除所有子体，确保进入到前一个闪烁室中的采样气体中仅含有氡与钍射气。采样气体进入到前一个闪烁室中，其中的放射性核素发生衰变，单片机6记录下闪烁室内一定时间内的衰变数，此衰变数由氡与钍射气以及前序周期钍射气衰变产生的放射性子体遗留物共同贡献，此外，钍射气在前一个闪烁室中产生的子体全部遗留在其中。采样气体进入延迟器4中，气流被风扇搅乱，经过足够长的时间后(钍射气半衰期的8—12倍)进入后一个闪烁室。此时通过在延迟器4中的衰变，采样气体中只含有氡气，氡气在闪烁室中发生衰变，单片机6记录下一定时间内的衰变数，此衰变数仅由氡气贡献。
当采样流率、闪烁室体积、延迟器4体积、风扇功率、计数时间等装置固有参数确定时，单片机6所得到的计数唯一确定于该周期与前序周期放射性核素的浓度。由此，便可由前后闪烁室在一定时间内的计数反推出采样气体中放射性核素的浓度。
双闪烁室是2个同样规格的ZnS闪烁室，在测量开始前需要先测试2个闪烁室的探测效率(闪烁室探测效率通过用装置对浓度已知的含放射源干燥器闭环采样时，闪烁室实际计数率与理论计数率的比值得到)。
表1为数学模型计算出的遗留系数与标定实验的结果对比表，表2为本方法与DF2000对某钍伴生企业板框过滤车间进行监测的结果对比表，如表1和表2所示。
表1
表2
注：由于现场氡与钍射气的浓度之比接近1：50，因此处理测量结果时，将DF2000第一天测得的钍射气与氡浓度分别归一到10000Bq·m-3和200Bq·m-3。
本发明根据氡与钍射气甄别技术建立双闪烁室加延迟器4结构，并根据闪烁室测氡原理建立测量电路，将两部分结合形成监测设备在现场开展测量。采取罐体内置风扇的延迟器4对氡气和钍射气进行甄别。获得测量电路数据后，根据所述放射性子体遗留物影响估算方法对测量电路获得数据进行计算，得到氡气浓度和钍射气浓度。采取放射性子体遗留物影响估算方法消除222Rn、220Rn同步测量中的子体遗留物影响。
实施例二
基于实施例一所提供的氡钍射气连续监测装置，本发明提供了一种氡钍射气连续监测方法，如图2所示。
一种氡钍射气连续监测方法，包括：
步骤201：利用由多个闪烁室和延迟器器组成的氡钍射气连续监测装置对待测气体进行监测，获取第一闪烁室以及第二闪烁室的刻度系数、第一脉冲计数以及第二脉冲计数；所述氡钍射气连续监测装置包括：依次连接的过滤器、流量计、第一闪烁室、延迟器以及第二闪烁室；每台闪烁室均通过一个光电倍增管连接一个放大电路；所述放大电路与单片机相连接；所述单片机还与计算机相连接；待测气体经过所述过滤器，去除所有氡子体以及钍射气子体；所述流量计监测所述待测气体的流量；仅含有氡气与钍射气的待测气体进入到所述第一闪烁室中，所述单片机记录下所述第一闪烁室内第一设定时间内的第一脉冲计数；含有氡气与钍射气的的待测气体进入所述延迟器中停留，使得钍射气完全衰变，保留未衰变的氡气；所述未衰变的氡气进入所述第二闪烁室发生衰变，所述单片机记录下第二时间内的第二脉冲计数；
步骤202：利用射性子体遗留物影响估算方法，根据所述刻度系数、所述第一脉冲计数以及所述第二脉冲计数反推所述待测气体中放射性核素浓度；所述放射性核素浓度包括氡气浓度以及钍射气浓度。
在实际应用中，步骤S1：按照图1构建测量设备。
步骤S2:确定测量设备整体应该配置的高压和阈值。在环境浓度保持恒定的情况下，寻找一组或多组高压及阈值，使整体设备在长时间测量中本底计数足够低、有源计数足够大。
步骤S3:将装置放入需要检测氡气、钍射气浓度的现场开展监测。获得前一个闪烁室的计数和后一个闪烁室的计数。
步骤S4：根据获得的2个闪烁室的脉冲计数、闪烁室的刻度系数以及射性子体遗留物影响估算方法，将脉冲计数换算为放射性浓度。
脉冲计数和放射性浓度的换算公式为：
利用公式计算所述待测气体中氡气浓度
其中，i为测量天数，CTn(i)为钍射气浓度，氡气浓度，G1(i)为第一闪烁室3的脉冲计数，G2(i)为第二闪烁室5的脉冲计数，εR1为第一闪烁室3对222Rn的刻度系数，εR2为第二闪烁室5对222Rn的刻度系数，εT1为第一闪烁室3对220Rn的刻度系数，R1为第i-1天的遗留系数0.19，R2为第i-2天的遗留系数0.039，R3为第i-3天的遗留系数0.0085。
实施例三
本实施例按照以下步骤进行监测：
步骤S1：按照闪烁室-延迟器4-闪烁室的顺序用气路连接这3个设备。然后为其配套测量气路和放大电路。
所述双闪烁室是2个同样规格的NaI(Tl)闪烁室，在测量开始前需要先测试2个闪烁室的探测效率。
所述延迟器4是内置风扇的罐体，当气体从前一闪烁室流出至延迟器4后，该风扇可以保证进入的气体在延迟器4中停留，而不是直接进入下一闪烁室。
所述测量气路是指被监测气体通过气管运输至闪烁室和延迟器4的管路，测量气路使用流量泵作为动力源，可监测该气路的流量，具有良好的气密性。
所述放大电路具备将闪烁室接收到的光信号转换为计数的功能。
步骤S2:以任意方式调试该设备使设备可以获得足够多的有源计数。
步骤S3:将装置放入需要检测氡气、钍射气浓度的现场开展监测。获得前一个闪烁室的计数和后一个闪烁室的计数。
步骤S4：根据获得的2个闪烁室的脉冲计数、闪烁室的刻度系数以及射性子体遗留物影响估算方法，将脉冲计数换算为放射性浓度。
步骤S5:与仪器AlphaGuard DF2000连接至统一气路，获得DF2000测得的放射型浓度与本方法测得的放射型浓度的比值，根据AlphaGuard DF2000的放射性浓度进行标定，得到标定系数。
步骤S6：将整体装置放入需要测量的现场开展监测，将前闪烁室计数、后闪烁室计数按照脉冲计数和放射性浓度的换算公式计算，再乘以标定系数，获得放射性浓度。
将本发明与仪器AlphaGuard DF2000进行标定，可以降低放射性气体在管路中衰变带来的偏差。使用NaI(Tl)闪烁室将与使用ZnS闪烁室有些许差别。类似的改动和变型不脱离本发明的精神和范围。
实施例四
本发明还提供了一种氡钍射气连续监测方法，所述氡钍射气连续监测方法应用于上述实施例一-实施例三任一种氡钍射气连续监测装置，所述氡钍射气连续监测方法包括：
待测气体经过所述氡钍射气连续监测装置，获取第一闪烁室3以及第二闪烁室5的刻度系数、第一脉冲计数以及第二脉冲计数。
利用射性子体遗留物影响估算方法，根据所述刻度系数、所述第一脉冲计数以及所述第二脉冲计数反推所述待测气体中放射性核素浓度；所述放射性核素浓度包括氡气浓度以及钍射气浓度。
在实际应用中，利用射性子体遗留物影响估算方法，根据所述刻度系数、所述第一脉冲计数以及所述第二脉冲计数反推所述待测气体中放射性核素浓度，具体包括：
利用公式 计算所述待测气体中钍射气浓度；
利用公式计算所述待测气体中氡气浓度。
其中，i为测量天数，CTn(i)为钍射气浓度，为氡气浓度，G1(i)为第一闪烁室3的脉冲计数，G2(i)为第二闪烁室5的脉冲计数，εR1为第一闪烁室3对222Rn的刻度系数，εR2为第二闪烁室5对222Rn的刻度系数，εT1为第一闪烁室3对220Rn的刻度系数，R1为第i-1天的遗留系数0.19，R2为第i-2天的遗留系数0.039，R3为第i-3天的遗留系数0.0085。
在氡与钍射气混合环境中能够准确甄别两种核素的放射性浓度，通过消除子体遗留物影响确保现场监测长期准确(长期监测过程中前序采样周期采样气体会在探测器内生成放射性子体遗留物，这部分遗留物会对后续周期中探测器所得到的技术产生影响，为保证长期监测结果不受到这部分影响，必须确定其影响量并将之扣除)。在钍伴生生产企业氡与钍射气浓度相差悬殊的环境下明显优于其他方法。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (2)
1.一种氡钍射气连续监测方法，包括：
当待测气体经过氡钍射气连续监测装置，获取第一闪烁室以及第二闪烁室的刻度系数、第一脉冲计数以及第二脉冲计数；所述氡钍射气连续监测装置包括：依次连接的过滤器、流量计、第一闪烁室、延迟器以及第二闪烁室；每台闪烁室均通过一个光电倍增管连接一个放大电路；所述放大电路与单片机相连接；所述单片机还与计算机相连接；待测气体经过所述过滤器，去除所有氡子体以及钍射气子体；所述流量计监测所述待测气体的流量；仅含有氡气与钍射气的待测气体进入到所述第一闪烁室中，所述单片机记录下所述第一闪烁室内第一设定时间内的第一脉冲计数；含有氡气与钍射气的的待测气体进入所述延迟器中停留，使得钍射气完全衰变，保留未衰变的氡气；所述未衰变的氡气进入所述第二闪烁室发生衰变，所述单片机记录下第二时间内的第二脉冲计数；所述计算机根据所述待测气体的流量、所述第一脉冲计数以及所述第二脉冲计数反推所述待测气体中放射性核素浓度；所述放射性核素浓度包括氡气浓度以及钍射气浓度；
利用射性子体遗留物影响估算方法，根据所述刻度系数、所述第一脉冲技术以及所述第二脉冲计数反推所述待测气体中放射性核素浓度；所述放射性核素浓度包括氡气浓度以及钍射气浓度。
2.根据权利要求1所述的氡钍射气连续监测方法，其特征在于，利用射性子体遗留物影响估算方法，根据所述刻度系数、所述第一脉冲技术以及所述第二脉冲计数反推所述待测气体中放射性核素浓度，具体包括：
利用公式 计算所述待测气体中钍射气浓度；
利用公式计算所述待测气体中氡气浓度；
其中，i为测量天数，CTn(i)为钍射气浓度，CRn(i)为氡气浓度，G1(i)为第一闪烁室的脉冲计数，G2(i)为第二闪烁室的脉冲计数，εR1为第一闪烁室对222Rn的刻度系数，εR2为第二闪烁室对222Rn的刻度系数，εT1为第一闪烁室对220Rn的刻度系数，R1为第i-1天的遗留系数0.19，R2为第i-2天的遗留系数0.039，R3为第i-3天的遗留系数0.0085。
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