可稳定调控氡子体状态参数的装置与方法与流程

本发明涉及核科学技术领域，特别涉及一种可稳定调控氡子体状态参数的装置与方法。

背景技术：

目前，国内外建立的氡子体状态参数调控装置主要采用25-30m³的大体积氡室，占据空间较大。为了获得较高的氡子体浓度，大体积氡室均使用mbq级的氡源，调控过程中使用多台单分散性气溶胶发生器连续长时间输入气溶胶，建造成本和运行成本较高。由于大体积氡室调控达到稳定所需时间较长，不便于大范围推广使用，也无法满足氡子体测量设备的现场校对需求。同时，大体积氡室调控过程中并未考虑测量设备采样过程对氡室内氡子体状态参数的影响，氡室内氡子体状态参数容易受到测量设备采样过程影响而发生波动。当前国内建造的大部分氡室几乎不具备氡子体状态参数连续稳定调控能力。

为了满足氡子体监测仪现场刻度校对的需求，就需要针对上述大体积氡室的不足和缺陷，建立一种可连续稳定调控氡子体状态参数的装置，该装置采用小体积的氡室，使用活度相对较小的氡源，可以降低大体积氡室建造成本和运行成本、缩短调控达到稳定所需时间，并可保证氡室内氡子体状态参数的稳定调控。需要说明的是，这里所述的小体积氡室是指相对于国内外20m³以上的氡室而言，体积在1-3m³的小氡室，前述氡子体状态参数主要包括氡子体浓度氡子体平衡因子f＝ceq/crn；氡子体未结合态份额

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对目前氡子体监测仪现场刻度校对实验装置较为缺乏，无法提供连续稳定变化的氡子体浓度和氡子体平衡因子这一现状，设计一种可连续稳定调控氡子体状态参数的装置，以满足氡子体监测仪现场刻度校对的需求。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种可稳定调控氡子体状态参数的装置，包括单分散性气溶胶产生单元、小体积氡室、充源调控回路、氡子体状态参数调控回路、采样监测回路；

所述单分散性气溶胶产生单元用于向小体积氡室中按照不同流率稳定输入一定浓度和粒径的单分散性气溶胶，其包括单分散性气溶胶发生器、与所述单分散性气溶胶发生器连接的气溶胶稀释器以及与所述气溶胶稀释器连接的分流器，所述分流器连接小体积氡室；

所述小体积氡室中间段呈圆柱形、两端呈圆台形，以保证气流在其腔室内流动均匀；

所述充源调控回路包括调控管路a，所述调控管路a的进气端连接小体积氡室的一端，所述调控管路a的回气端连接小体积氡室的另一端，所述调控管路a上安装有氡源室及循环泵a；

所述氡子体状态参数调控回路包括调控管路b，所述调控管路b的进气端连接小体积氡室的一端，所述调控管路b的回气端连接小体积氡室的另一端，所述调控管路b上安装有循环泵b；

所述采样监测回路用于监测调控过程中小体积氡室内的气溶胶粒子数浓度和氡及其子体浓度等参数，所述采样监测回路包括采样管路，所述采样管路的进气端连接小体积氡室的一端，所述采样管路的回气端连接小体积氡室的另一端，所述采样管路上安装有氡浓度监测仪、氡子体监测仪和凝结核计数器。

其中，所述调控管路a中还安装有滤膜a，所述滤膜a、氡源室及循环泵a从调控管路a的进气端往回气端依次设置。

其中，所述采样管路中安装有滤膜c，所述滤膜c靠近采样管路的回气端设置且位于氡浓度监测仪、氡子体监测仪和凝结核计数器之后。

其中，所述调控管路b中安装有滤膜d，所述滤膜d靠近调控管路b的回气端设置且位于循环泵b之后。

或者，所述采样管路与调控管路b并联，所述采样管路的回气端与调控管路b的回气端汇合后经一条总回气管路与小体积氡室相连，所述总回气管路中安装有滤膜b。

进一步地，所述调控管路a上设置有泄压口，所述泄压口位于滤膜a之前。

作为本发明的另一方面，前述可稳定调控氡子体状态参数的装置实现稳定调控氡子体状态参数的方法：

在氡源室中的氡源活度固定的情况下，设定好所述单分散性气溶胶发生器产出的气溶胶粒子粒径，然后配合使用稀释器和分流器以设定的流率向小体积氡室中稳定输入设定浓度的气溶胶粒子；

使所述采样监测回路的总采样流率保持恒定，并调节所述循环泵a使得充源调控回路的流率保持恒定，再通过所述循环泵b调节氡子体状态参数调控回路的循环流率，使得所述小体积氡室的总换气率平稳改变且所述小体积氡室的总换气流率始终大于采样监测回路的总采样流率，从而实现平稳调控小体积氡室内气溶胶粒子浓度，进而实现氡子体浓度、氡子体平衡因子及氡子体未结合态份额的稳定调控；

所述小体积氡室的总换气流率＝充源调控回路流率+采样监测回路流率+氡子体状态参数调控回路流率；

所述小体积氡室的总换气率＝小体积氡室的总换气流率/小体积氡室的体积。

本发明设置了采样监测回路，并将采样测量设备的采样流率纳入氡室总换气流率，使得采样测量设备工作运行不会对氡室内氡子体状态参数产生影响。另外，本发明采用小体积氡室，调控周期较短，由于设置了氡子体状态参数调控回路，通过调控循环泵b改变小体积氡室的总换气流率，即可实现氡子体浓度、氡子体平衡因子及氡子体未结合态份额的连续稳定调控，使得本发明可以为氡子体监测仪刻度校对实验和人工放射性气溶胶监测仪氡子体补偿有效性检验提供连续完整的氡子体参数。此外，由于本发明采用的氡室体积较小，采用低等级的氡源即可满足使用需求，总建造成本及运行成本也相对较低，适合推广应用于氡子体监测仪的野外现场刻度校对实验。

附图说明

图1本发明所涉可稳定调控氡子体状态参数的装置的整体结构框图。

图2为图1中小体积氡室的结构示意图。

具体实施方式

需要提前说明的是，在本发明的描述中，“之前”、“之后”应当这样理解：对于同一管路上的部件a和部件b，相对来说，若部件a更靠近该管路的进气端，则认为部件a设于部件b之前，反之，则认为部件a设于部件b之后。

图1示出了一种可稳定调控氡子体状态参数的装置的整体结构，其包括单分散性气溶胶产生单元、小体积氡室、充源调控回路、氡子体状态参数调控回路、采样监测回路；

单分散性气溶胶产生单元用于向小体积氡室中按照不同流率稳定输入一定浓度和粒径的单分散性气溶胶，其包括单分散性气溶胶发生器(单分散性气溶胶发生器在附图中未示出)、与单分散性气溶胶发生器连接的气溶胶稀释器(气溶胶稀释器在附图中未示出)以及与气溶胶稀释器连接的分流器(分流器在附图中亦未示出)，分流器连接小体积氡室；

见图2所示，上述小体积氡室中间段呈圆柱形、两端呈圆台形，以保证气流在其腔室内流动均匀；

充源调控回路包括调控管路a，调控管路a的进气端连接小体积氡室的一端，调控管路a的回气端连接小体积氡室的另一端，调控管路a上安装有氡源室及循环泵a；

氡子体状态参数调控回路包括调控管路b，调控管路b的进气端连接小体积氡室的一端，调控管路b的回气端连接小体积氡室的另一端，调控管路b上安装有循环泵b；

采样监测回路用于监测调控过程中小体积氡室内的气溶胶粒子数浓度和氡及其子体浓度等参数，采样监测回路包括采样管路，采样管路的进气端连接小体积氡室的一端，采样管路的回气端连接小体积氡室的另一端，采样管路上安装有氡浓度监测仪(氡浓度监测仪在附图中未示出)、氡子体监测仪和凝结核计数器(凝结核计数器在附图中未示出)。

在图1中，调控管路a中还安装有滤膜a，滤膜a、氡源室及循环泵a从调控管路a的进气端往回气端依次设置，调控管路a中加装滤膜a可以过滤循环气流中的气溶胶粒子和氡子体。

当然，也可以在采样管路及调控管路b中分别安装滤膜c和滤膜d(在采样管路及调控管路b中分别安装滤膜c和滤膜d的方案在附图中未示出)用以过滤循环气流中的气溶胶粒子和氡子体，滤膜c靠近采样管路的回气端设置且位于氡浓度监测仪、氡子体监测仪和凝结核计数器之后，滤膜d靠近调控管路b的回气端设置且位于循环泵b之后。

优选的，将采样管路与调控管路b并联，采样管路的回气端与调控管路b的回气端汇合后再经一条总回气管路与小体积氡室相连，在总回气管路中安装有滤膜b即可过滤采样管路及调控管路b的循环气流中的气溶胶粒子和氡子体。

为了保证小体积氡室内的气压平衡，提高调控精准度，如图1所示，在调控管路a上还设置有泄压口，泄压口位于滤膜a之前。

上述方案中，每一个部分的具体工作模式为：

(1)气溶胶产生与调控：单分散性气溶胶发生器设定好产出的气溶胶粒子粒径，然后配合使用稀释器和分流器，得以实现以设定的流率向小体积氡室中稳定输入设定浓度的单分散性气溶胶粒子。

(2)充源调控回路：氡源室中可放置不同活度的氡源。在氡源活度一定的条件下，调节循环泵a以保持充源调控回路(下称充源回路)流率稳定，不断向小体积氡室中稳定补充氡。

(3)氡子体状态参数调控回路：调节循环泵b以改变氡子体状态参数调控回路(下称调控回路)的循环流率，进而调控小体积氡室的总换气流率，最终得以实现小体积氡室总换气率的稳定调控。

(4)采样监测回路：采样监测回路中的测量设备始终以稳定流率采样，对小体积氡室内的状态参数进行测量，采样监测仪器的总采样流率属于小体积氡室的换气流率的一个部分，保证了采样测量设备的运行不会对小体积氡室状态参数的调控产生影响，泄压口的设置可以保证小体积氡室内的气压平衡。

小体积氡室内的气溶胶粒子和氡子体，其损失除了本身的沉积附壁、凝并以及衰变之外，换气会使得气溶胶粒子和氡子体均会被滤膜过滤而损失。同时，换气率的不同使得氡在小体积氡室内的滞留时间不同，可以衰变产生的氡子体浓度也因此有所不同。因此调控方法的第一步就是要实现小体积氡室总换气率的调控。小体积氡室总换气率定义为小体积氡室总换气流率除以小体积氡室的体积。总换气流率包括充源回路流率，采样监测回路流率和调控回路流率。调节循环泵a使得充源回路流率保持恒定，采样测量设备总采样流率恒定，通过调节循环泵b来调节调控回路的循环流率从小流率向大流率变化，进而改变氡室总换气流率从小流率向大流率变化，最终实现氡室总换气率的从较小值向较大值的稳定调控。

总换气率的调控中必须注意的问题是：小体积氡室总换气流率要大于氡子体监测仪的采样流率，这样才能保证监测仪的采样不会对小体积氡室内状态参数的调控产生影响，不会成为干扰项。

基于上述调控思路和对小体积氡室总换气率的定义，小体积氡室总换气率与总换气流率和小体积氡室的体积大小之间的关系满足：

(1)式中，v为小体积氡室的总换气率，单位：h^-1；v为小体积氡室的体积，单位：m³；qa为充源回路的流率，单位：m³·h^-1；qb为调控回路的流率，单位：m³·h^-1；qm为采样监测回路的流率，单位：m³·h^-1。

由于充源回路流率qa和采样监测回路流率qm均为固定值，因此调节循环泵b以改变调控回路的抽气流率qb就可以实现小体积氡室总换气率的稳定调控。

在小体积氡室气溶胶输入流率和输入浓度一定的情况下，小体积氡室内的气溶胶粒子数浓度主要受到附壁、凝并和总换气率的影响，因此首先考虑小体积氡室中气溶胶粒子数浓度的稳定调控。小体积氡室内的气溶胶粒子数浓度随时间变化满足：

(2)式中：cae为氡室气溶胶粒子数浓度，单位：m^-3；cp为气溶胶发生器向小体积氡室输入的气溶胶粒子数浓度，单位：m^-3；qin为气溶胶发生器向小体积氡室的输入流率，单位：m³·h^-1；v为小体积氡室的总换气率，单位：h^-1；λd为气溶胶粒子在小体积氡室中的自损失系数，单位：h^-1；v为小体积氡室的体积，单位：m³。

达到平衡时，小体积氡室中气溶胶粒子数浓度的表达式为：

假定：(1)氡气体在腔室中的损耗只有衰变和向外排气；

(2)氡源释放的氡全部进入腔室内。

在调控过程中，为了保持小体积氡室(以下简称为氡室)内的气压平衡，充源回路尾部泄压口向大气排出气体，排出流率等于气溶胶的输入流率，导致氡室内的氡原子会由于向外排气而损失。因此氡室内的氡浓度随时间的变化满足：

(4)式中crn为氡室内的氡浓度，单位：bq·m^-3；as为氡室氡源的产生率，单位：bq·h^-1；λ0为氡的衰变常数，单位：h^-1；qout为氡室向大气的排出流率，单位：m³·h^-1。

达到平衡时氡室中氡浓度为：

氡室中未结合态和结合态的氡子体浓度的变化分别满足：

(6)式和(7)式中：为处于未结合态的第j种子体的浓度，单位：bq·m^-3；为处于结合态的第j种子体的浓度，单位：bq·m^-3；λj为第j种子体的衰变常数，单位：h^-1；rj为处于结合态的第j种子体的反冲系数；x为结合速率，单位：h^-1；q^f为未结合态子体的附壁系数，单位：h^-1；q^a为结合态子体的附壁系数，单位：h^-1。

达到平衡时，氡室中未结合态和结合态的²¹⁸po的浓度为：

同理，可得到未结合态和结合态的²¹⁴pb和²¹⁴bi的浓度分别为：

分析调控物理模型可以发现：在氡源活度一定的情况下，当达到平衡时，氡子体浓度的变化主要受到氡子体本身的沉积和气溶胶粒子数浓度的影响，而且对于²¹⁴pb而言，反冲造成的解吸附对于子体浓度的影响是很显著的。

根据氡子体平衡因子f的定义可知：

根据氡子体未结合态份额的定义可知：

(14)式表明，氡子体平衡因子的调控主要是调控氡子体的浓度。提高小体积氡室内的气溶胶粒子数浓度可以获得较高的氡子体浓度，此种情况下获得的平衡因子数值较大。而且，平衡因子当中，²¹⁴pb和²¹⁴bi的贡献较大，²¹⁸po的贡献相对较小。因此，减小小体积氡室的总换气率以提高氡在氡室中的滞留时间，同时提高小体积氡室内的气溶胶粒子数浓度，可以获得较高的平衡因子。

(15)式表明，氡子体未结合态份额的调控主要是调控小体积氡室内的气溶胶粒子数浓度。尽可能降低氡室内的气溶胶粒子数浓度可以获得较高的氡子体的未结合态份额。但是在此种情况下，氡子体会因为大量处于未结合态而迅速扩散，最终附着到壁面而损失，氡子体浓度相对较低。

上述实施例中提供的可稳定调控氡子体状态参数的装置设置了采样监测回路，将采样测量设备的采样流率纳入氡室总换气流率，使得采样测量设备工作运行不会对氡室内氡子体状态参数产生影响。另外，该装置采用小体积氡室，调控周期较短，由于设置了氡子体状态参数调控回路，通过调控循环泵b改变小体积氡室的总换气流率，即可实现氡子体浓度、氡子体平衡因子及氡子体未结合态份额的连续稳定调控，使得该装置可以为氡子体监测仪刻度校对实验和人工放射性气溶胶监测仪氡子体补偿有效性检验提供连续完整的氡子体参数。此外，由于该装置采用的氡室体积较小，采用低等级的氡源即可满足使用需求，总建造成本及运行成本也相对较低，适合推广应用于氡子体监测仪的野外现场刻度校对实验。

下面对上述可稳定调控氡子体状态参数的装置进行模拟验证，模拟试验中，小体积氡室的内表面积为4.222m²、体积为1.003m³。

气溶胶发生器向小体积氡室内的输入浓度为cp＝1.6×10¹²m^-3时，考虑到单台气溶胶发生器的产生流率固定为0.24m³·h^-1，两台气溶胶发生器同时工作时的产生流率为0.48m³·h^-1。为了调控气溶胶输入流率，设定通过分流法将气溶胶输入到小体积氡室的流率调整为单台气溶胶发生器工作时的qin＝0.06m³·h^-1，0.24m³·h^-1和两台气溶胶发生器同时工作时的qin＝0.48m³·h^-1三种情况。模拟：使用的氡源活度为a＝4×10⁵bq和4×10⁴bq两种情况。为了保证氡室内的气压平衡，泄压口的排出流率也对应为qout＝0.06m³·h^-1，0.24m³·h^-1和0.48m³·h^-1。

当气溶胶发生器产生的气溶胶经过气溶胶稀释器按照10:1的比例稀释之后再输入小体积氡室内时，此时的气溶胶输入小体积氡室的浓度为cp＝1.6×10¹¹m^-3，氡源活度为a＝4×10⁴bq，考虑到稀释器输出流率固定为0.06m³·h^-1，因此气溶胶向小体积氡室内的输入流率为qin＝0.06m³·h^-1，泄压口排气流率对应为qout＝0.06m³·h^-1。

模拟使用的氡子体监测仪的采样流率为0.3m³·h^-1。为了满足小体积氡室的总换气流率要大于氡子体监测仪采样流率的要求，模拟计算中设定当单台气溶胶发生器向小体积氡室内输入气溶胶时，氡室总换气流率为0.3m³·h^-1～3m³·h^-1，计算得到氡室总换气率为v＝0.299～2.991h^-1。当两台气溶胶发生器同时向小体积氡室内输入气溶胶时，其总输入流率高达0.48m³·h^-1，因此氡室总换气流率的提高为0.6m³·h^-1～3m³·h^-1，氡室总换气率也相应提高到v＝0.598～2.991h^-1。

(1)获得高浓度氡子体气溶胶

在氡源室内放置活度为400kbq的氡源，单分散性气溶胶发生系统向氡室内的气溶胶输入流率为0.06m³·h^-1；输入浓度为1.6×10¹²m^-3，气溶胶粒径为150nm，保持充源回路尾部泄压口排出流率为0.06m³·h^-1，调节循环泵a使充源回路流率为0.12m³·h^-1，调节循环泵b使得调控回路流率在0.18-2.88m³·h^-1范围内稳定变化，此时可获得高浓度的氡子体气溶胶，平衡当量氡浓度变化范围为2.0×10³-3.9×10³bq·m^-3。

在氡源室内放置活度为400kbq的氡源，单分散性气溶胶发生系统向氡室内的气溶胶输入流率为0.24m³·h^-1；输入浓度为1.6×10¹²m^-3，气溶胶粒径为150nm，保持充源回路尾部泄压口排出流率为0.24m³·h^-1，调节循环泵a使得充源回路流率为0.36m³·h^-1，调节循环泵b使得调控回路流率在0.24-2.64m³·h^-1范围内稳定变化，此时可获得高浓度的氡子体气溶胶，平衡当量氡浓度变化范围为1.3×10³-2.6×10³bq·m^-3。

(2)获得中等浓度氡子体气溶胶

在氡源室内放置活度为400kbq的氡源，单分散性气溶胶发生系统向氡室内的气溶胶输入流率为0.48m³·h^-1；输入浓度为1.6×10¹²m^-3，气溶胶粒径为150nm，保持充源回路尾部泄压口排出流率为0.48m³·h^-1，调节循环泵a使得充源回路流率为0.54m³·h^-1，调节循环泵b使得调控回路流率在0.06-2.4m³·h^-1范围内稳定变化，此时可获得中等浓度的氡子体气溶胶，平衡当量氡浓度变化范围为8.5×10²-1.5×10³bq·m^-3。

在氡源室内放置活度为40kbq的氡源，单分散性气溶胶发生系统向氡室内的气溶胶输入流率为0.06m³·h^-1；输入浓度为1.6×10¹²m^-3，气溶胶粒径为150nm，保持充源回路尾部泄压口排出流率为0.06m³·h^-1，调节循环泵a使得充源回路流率为0.12m³·h^-1，调节循环泵b使得调控回路流率在0.18-2.88m³·h^-1范围内稳定变化，此时可获得中等浓度的氡子体气溶胶，平衡当量氡浓度变化范围为2.0×10²-4.0×10²bq·m^-3。

在氡源室内放置活度为40kbq的氡源，单分散性气溶胶发生系统向氡室内的气溶胶输入流率为0.24m³·h^-1；输入浓度为1.6×10¹²m^-3，气溶胶粒径为150nm，保持充源回路尾部泄压口排出流率为0.24m³·h^-1，调节循环泵a使得充源回路流率为0.36m³·h^-1，调节循环泵b使得调控回路流率在0.24-2.64m³·h^-1范围内稳定变化，此时可获得中等浓度的氡子体气溶胶，平衡当量氡浓度变化范围为1.3×10²-2.6×10²bq·m^-3。

(3)获得低浓度氡子体气溶胶

在氡源室内放置活度为40kbq的氡源，单分散性气溶胶发生系统向氡室内的气溶胶输入流率为0.48m³·h^-1；输入浓度为1.6×10¹²m^-3，气溶胶粒径为150nm，保持充源回路尾部泄压口排出流率为0.48m³·h^-1，调节循环泵a使得充源回路流率为0.54m³·h^-1，调节循环泵b使得调控回路流率在0.06-2.4m³·h^-1范围内稳定变化，此时可获得低浓度的氡子体气溶胶，平衡当量氡浓度变化范围为8.5×10¹-1.5×10²bq·m^-3。

在氡源室内放置活度为40kbq的氡源，单分散性气溶胶发生系统向氡室内的气溶胶输入流率为0.06m³·h^-1；输入浓度为1.6×10¹¹m^-3，气溶胶粒径为150nm，保持充源回路尾部泄压口排出流率为0.06m³·h^-1，调节循环泵a使得充源回路流率为0.12m³·h^-1，调节循环泵b使得调控回路流率在0.18-2.88m³·h^-1范围内稳定变化，此时可获得低浓度的氡子体气溶胶，平衡当量氡浓度变化范围为5.4×10¹-7.7×10¹bq·m^-3。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。