CN108919329B - 一种闭环式测量射气介质氡析出率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭环式测量射气介质氡析出率的方法和装置，该方法包括以下步骤：(1)打开气体泵，通过流量调节器控制进入气体均压室的流量为Q；用测氡仪测量出外界环境中的氡浓度C₀作为集气罩在零时刻t₀的氡浓度为C₀，当开始测量集气罩里的氡浓度时，每过相同的时间间隔ΔT，依次记录此时刻下的氡浓度C₁、C₂、......、C_n(n≥5)；(2)利用上述测量值拟合微分方程

的解，然后计算氡析出率J。在氡浓度平衡之前就可以用此方法得到氡析出率和等效衰变常数，具有时间短、计算准的优势。

Description

一种闭环式测量射气介质氡析出率的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种闭环式测量射气介质氡析出率的方法和装置，特别涉及一种在颗粒堆积型射气介质中产生可控流量的渗流装置及确定渗流-扩散作用下氡析出率的方法，属于核辐射测量技术领域。

背景技术

氡是一种惰性放射气体，其无色无味，广泛存在于岩石、土壤和地下水中。国际卫生组织(WHO)将氡列为19种主要的环境致癌物质，氡析出率是评价射气介质释放氡能力的物理量，合理科学测量氡析出率及析出规律是国内外学者研究热点。

由于自然环境中介质中的氡析出量较小，国内外学者普遍采用累积法测量介质表面氡析出率，其采用一个容积固定的集气罩倒扣在射气介质表面收集氡气，再利用相关检测仪器和数学处理方法对介质表面的氡析出率进行估算，以此发展出了局部静态法开环式测氡、闭环式测氡和活性炭吸附法三种测量方法。对于闭环式测氡，均是将集气罩密闭，通过监测集气罩内的氡浓度而进行氡析出率计算，而开环式测氡技术，则是在闭环式测氡基础上，对集气罩进行开口，设置进气孔以平衡集气罩压差，避免集气罩产生负压区。中国专利文献公开了一种“闭环式连续测量氡析出率的方法”(申请号：201410203811.1)的发明专利，该发明专利公开了一种闭环式连续测量氡析出率的方法。该发明的集气罩没有气压平衡口，所以限制了氡的渗流，在计算时忽略了渗流项，所得实验结果是不准确的，与实际的多孔介质氡析出机理不相符合。而且要等集气罩内氡浓度趋于平衡时才可以用此方法，不能够快速的得到有效衰变常数和氡析出率。

为此，本发明提出在渗流-扩散作用下氡析出率的计算方法，通过本发明所提出的方法可以快速确定出渗流-扩散作用下颗粒堆积型射气介质表面氡析出率，而且也能确定纯扩散作用下的氡析出率。

发明内容

本发明的目的是克服现有上述技术上的不足，提供一种可以在颗粒堆积型射气介质中产生可控流量的渗流装置和计算渗流-扩散作用下氡析出率的方法。

本发明解决的技术问题是：简化氡析出率的测定和技术过程；提高氡析出率测定的准确率。

本发明的技术方案是，提供一种闭环式测量射气介质氡析出率的方法，该方法使用以下装置进行氡析出率的测量：

该装置包括测氡仪、用于盛装待测射气介质的试验柱，试验柱的上方设集气罩，测氡仪通过气管与集气罩连通并构成闭合回路，在集气罩的上表面设与外界环境连通的孔，试验柱的下方设气体均压室，气体均压室通过气管连接气体泵，气体均压室与气体泵之间的气管上设有流量调节器；

该方法包括以下步骤：

(1)打开气体泵，通过流量调节器控制进入气体均压室的流量为Q；用测氡仪测量出外界环境中的氡浓度C₀作为集气罩在零时刻t₀(t＝0时)的氡浓度为C₀，当开始测量集气罩里的氡浓度时，每过相同的时间间隔ΔT，依次记录此时刻下的氡浓度C₁、C₂、......、C_n(n≥5)；优选地n＝5-20，更优选地，n＝6-10。

(2)利用上述测量值拟合以下微分方程

的解，计算氡析出率J；

其中，C为集气罩中氡浓度，单位为Bq/m³；t为氡析出的时间，单位为s；V为测氡仪和集气罩所在闭合回路的总体积，单位为m³；S为集气罩的底面积，单位为m²；λ₁为氡的衰变常数，单位为s^-1；λ₂为泄漏率，单位为s^-1；λ₃为反扩散系数，单位为s^-1；Q为气体渗流流量，单位为m³/s；J为射气介质表面氡析出率，单位为Bq(m^-2·s^-1)；

集气罩内的氡浓度C为变量，可由测定仪直接测出具体数值；氡析出的时间t为变量，起始时间为0s；对于特定的装置，V和S都是已知定量；J为未知定量；λ1+λ2+λ3为未知定量；气体渗流流量Q，即气体泵设定的气体流量，可以由气体流量计直接得到，实验中一般设为固定量。

通过解上述微分方程得：

令λ_e＝λ₁+λ₂+λ₃，则

令

则C＝a+(C₀-a)e^-bt；

通过在相同的时间间隔ΔT对集气罩中氡浓度的测定得到的氡浓度值C₁、C₂、......、C_n，按C(t)＝a+(C₀-a)e^-bt方程进行拟合，得到a和b的值，并将a和b的值代入，计算出λ_e和J，

其中C(t)表示C关于t的函数关系式。

测氡仪和集气罩所在闭合回路由过滤装置、干燥管、气体流量计、测氡仪与集气罩采用气管依次串联的方式构成，闭合回路的总体积V为各部分的体积(包括气管)之和。

优选地，射气介质为颗粒状；颗粒粒径1-5mm。试验柱内径150-250mm，试验柱内装有射气介质的高度为0.8-1.5m。

优选地，射气介质为铀矿石颗粒。

优选地，气体渗流流量Q为150-300ml/min。

优选地，时间间隔ΔT为8-20分钟。

孔用于气压平衡，即气体泵进气后通过集气罩上表面的孔排出，实现气压的平衡。

本发明还提供用于闭环式测量射气介质氡析出率的装置，包括测氡仪、用于盛装待测射气介质的试验柱，试验柱的上方设集气罩，测氡仪通过气管与集气罩连通并构成闭合回路，其特征在于，在集气罩的上表面设与外界连通的孔，试验柱的下方设气体均压室，气体均压室通过气管连接气体泵，气体均压室与气体泵之间的气管上设有流量调节器。

优选地，气管上均设有气体流量计。

优选地，气体均压室上设有进气口，气体泵通过气管与进气口连通，进气口位于气体均压室的侧面或底面。

优选地，气体均压室内填充颗粒状的填料，进气口位于气体均压室的底面。

优选地，所述闭合回路由过滤装置、干燥管、气体流量计、测氡仪与集气罩采用气管依次串联的方式构成。

优选地，所述孔的面积占集气罩的上表面积的5-10％。

优选地，试验柱为横截面积固定的柱体。

本发明的闭合回路就是闭环的意思，即测氡仪从集气罩中采样进行检测，检测完之后的气体仍然返回到集气罩中，形成了一个闭合回路。

本发明的优点：采用本发明装置可以在颗粒堆积型射气介质中产生稳定可控的气体渗流，并在不影响渗流的情况下，通过本发明所提出的方法可以快速确定出渗流-扩散作用下颗粒堆积型射气介质表面氡析出率，而且本发明也可确定纯扩散作用下的氡析出率。在氡浓度平衡之前就可以用此方法得到氡析出率和等效衰变常数，具有时间短、计算准的优势。

附图说明

图1表示测量渗流状态下氡析出率的装置图。

标号说明：1-过滤装置、2-干燥管、3-气体流量计、4-孔、5-测氡仪、6-集气罩、8-气体均压室、9-进气口、10-气体泵、11-流量调节器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本实施例提供一种在颗粒堆积型射气介质的氡析出率测定方法及其装置。

装置的结构图如图1所示，包括测氡仪5、用于盛装待测射气介质的试验柱7，试验柱7的上方设集气罩6，测氡仪5通过气管与集气罩6连通并构成闭合回路，所述闭合回路由过滤装置1、干燥管2、气体流量计3、测氡仪5与集气罩6采用气管依次串联的方式构成。在集气罩6的上表面设与外界连通的孔4，试验柱7的下方设气体均压室8，气体均压室8通过气管连接气体泵10，气体均压室8与气体泵10之间的气管上设有流量调节器11。气体均压室8上设有进气口9，气体泵10通过气管与进气口9连通，进气口9位于气体均压室8的侧面。气体均压室8为空腔，气体均压室8与试验柱7的接触面设有可以透气的隔膜，防止射气介质落下，试验柱7为圆柱体。

将气体均压室8放在平地上，并用软管与气体流量计3、气体泵10、调节器11连接，把内直径为200mm试验柱7放在气体均压室8上，把自然风干且粒径小于5mm的铀矿石颗粒装入试验柱7中，装满后矿石颗粒高度约为1m。再将过滤装置1、干燥管2、气体流量计3、测氡仪5和集气罩6用软管连接。

氡浓度的测定

预先测出过滤装置1、干燥管2、测氡仪5、集气罩6及塑料软管组成闭合回路的总体积V约为5.41L。用测氡仪测量室内环境中的氡浓度作为C₀。把渗流速度调控装置与试验柱7固定住，根据试验柱所需的渗流速度和试验柱7的横截面积的积计算渗流量，通过调节器11控制进入气体均压室8的流量为200ml/min，气体泵把外界的气体连续不断匀速抽入并在试验柱7中产生稳定的气体渗流。

打开测氡仪5测量集气罩内的氡浓度，然后从开始之后每过10分钟时对集气罩中氡浓度的测定得到的氡浓度值C₁、C₂、......、C_n(n≥5)。

测量得到室内氡浓度C₀值是30Bq/m³。

集气罩内部的氡浓度C_n结果如表1所示：

表1集气罩内的氡浓度C_n

氡析出率的计算

在气体渗流-扩散作用下，集气罩中的氡浓度可以用下式来表示：

其中：C为集气罩中氡浓度，Bq/m³；V为集气罩的体积，m³。S为集气罩的底面积，m²；λ₁为氡的衰变常数，s^-1；λ₂为泄漏率，s^-1；λ₃为反扩散系数，s^-1；Q为气体渗流流量，m³/s；J为射气介质表面氡析出率，单位为Bq(m^-2·s^-1)

上式化简得：

解上述微分方程的得：

其中：C₀为初始时刻集气罩的氡浓度，Bq/m³。

令λ_e＝λ₁+λ₂+λ₃

则

令

则C＝a+(C₀-a)e^-bt (5)

以集气罩在零时刻(t₀＝0)的氡浓度C₀，与周围大气中的氡浓度值相同，用测氡仪测出环境中的氡浓度C₀，当开始监测集气罩里的氡浓度时，每过相同的时间间隔ΔT，依次记录此时的氡浓度C₁、C₂、......、C_n(n≥5)。

运用最小二乘法，通过在相同的时间间隔ΔT对集气罩中氡浓度的测定得到的氡浓度值C₁、C₂、......、C_n(n≥5)，按C(t)＝a+(C₀-a)e^-bt进行拟合，得到a和b的值，并将值代入(5)中得：

将表1的数据按C(t)＝a+(C₀-a)e^-bt进行拟合，拟合结果见表2。

表2公式中的参数拟合

a(Bq/m<sup>3</sup>)	b(s<sup>-1</sup>)	回归系数R<sup>2</sup>
			23030	0.0011116	0.9781

然后将表2的数据代入本发明提供的公式(6)、(7)得到颗粒堆积型射气介质的氡析出率J和等效衰变常数λ，结果见表3。其中，v表示渗流流速。

表3氡析出率和等效扩散系数

J(Bq·m<sup>-2</sup>s<sup>-1</sup>)	λ(s<sup>-1</sup>)	Q(ml/min)	v(m/s)
				2.56	5.0036e-05	200	0.0001061

Claims (10)

1.一种闭环式测量射气介质氡析出率的方法，该方法使用以下装置进行氡析出率的测量：该装置包括测氡仪和集气罩，所述测氡仪通过气管与所述集气罩连通并构成闭合回路，其特征在于，该装置还包括用于盛装待测射气介质的试验柱，所述集气罩设于所述试验柱的上方，在集气罩的上表面设与外界环境连通的孔，试验柱的下方设气体均压室，气体均压室通过气管连接气体泵，气体均压室与气体泵之间的气管上设有流量调节器；

该方法包括以下步骤：

(1)打开气体泵，通过流量调节器控制进入气体均压室的流量为Q；用测氡仪测量出外界环境中的氡浓度C₀作为集气罩在零时刻的氡浓度为C₀，当开始测量集气罩里的氡浓度时，每过相同的时间间隔ΔT，依次记录此时刻下的氡浓度C₁、C₂、……、C_n(n≥5)；

(2)利用上述测量值拟合以下微分方程

的解，计算氡析出率J；

其中，C为集气罩中氡浓度，单位为Bq/m³；t为氡析出的时间，单位为s；V为测氡仪和集气罩所在闭合回路的总体积，单位为m³；S为集气罩的底面积，单位为m²；J为射气介质表面氡析出率，单位为Bq(m^-2·s^-1)；λ₁为氡的衰变常数，单位为s^-1；λ₂为泄漏率，单位为s^-1；λ₃为反扩散系数，单位为s^-1；Q为气体渗流流量，单位为m³/s。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，解上述微分方程得：

令λ_e＝λ₁+λ₂+λ₃，则

令

则C＝a+(C₀-a)e^-bt；

通过在相同的时间间隔ΔT对集气罩中氡浓度的测定得到的氡浓度值C₁、C₂、……、C_n，按C(t)＝a+(C₀-a)e^-bt方程进行拟合，得到a和b的值，并将a和b的值代入，计算出λ_e和J，

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测氡仪和集气罩所在闭合回路由过滤装置、干燥管、气体流量计、测氡仪与集气罩采用气管依次串联的方式构成。

4.一种用于闭环式测量射气介质氡析出率的装置，包括测氡仪(5)、用于盛装待测射气介质的试验柱(7)，试验柱(7)的上方设集气罩(6)，测氡仪(5)通过气管与集气罩(6)连通并构成闭合回路，其特征在于，在集气罩(6)的上表面设与外界连通的孔(4)，试验柱(7)的下方设气体均压室(8)，气体均压室(8)通过气管连接气体泵(10)，气体均压室(8)与气体泵(10)之间的气管上设有流量调节器(11)。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，气管上均设有气体流量计(3)。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，气体均压室(8)上设有进气口(9)，气体泵(10)通过气管与进气口(9)连通，进气口(9)位于气体均压室(8)的侧面或底面。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，气体均压室(8)内填充颗粒状的填料，进气口位于气体均压室(8)的底面。

8.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述闭合回路由过滤装置(1)、干燥管(2)、气体流量计(3)、测氡仪(5)与集气罩(6)采用气管依次串联的方式构成。

9.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述孔(4)的面积占集气罩的上表面积的5-10％。

10.如权利要求4所述的装置，其特征在于，试验柱(7)为横截面积固定的柱体。

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