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与流程

本发明涉及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，属于核辐射探测
技术领域：
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背景技术：
氡是一种无色，无味的放射性惰性气体，比空气重7.5倍。它的半衰期约为3.85天。当人们吸入氡气时，它就会在人体内衰变并释放出α粒子对人的呼吸系统造成辐射损伤，从而引发肺癌。人居环境和工业环境中，氡主要来自含镭介质中的释放，如建筑室内的氡主要来自含镭的建材及地基，地下空间主要来自含镭的维护岩体。为了准确的评价含镭介质氡的迁移与释放能力，多孔介质氡的扩散系数和可运移氡产生率是两个关键的物理参数。扩散系数作为一个与多孔介质本身孔隙结构、温度和湿度有关的物理量，经常被人们用来描述氡在多孔介质的迁移能力，它的大小影响着多孔射气介质表面的氡析出率的大小。可运移氡产生率是决定多孔射气介质氡释放潜力的重要物理量，它与介质镭含量、孔隙微观结构以及温度和湿度相关。目前测定氡的扩散系数和可运移氡产生率得方法均较复杂，需要测量镭含量、密度、孔隙率、含水率等参数，测量难度和测量工作量均较大。为此，本发明提供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扩散系数和可运移氡产生率的方法，这样就可以大大减少工作量，而且设备简单，非常便捷。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题有二：一是提供一种准确的解算在多孔介质的氡扩散系数；二是在不需要测量镭含量等参数的情况下，解算射气介质可运移氡产生率。本发明的技术方案是，提供一种测定多孔射气介质中氡扩散系数的方法，该方法使用以下装置进行测量：该装置包括测试体、第一集氡空间、第二集氡空间、第一测氡系统和第二测氡系统；所述测试体为直柱体，测试体的底面为四分之一圆环，测试体的侧面由两个相对的平面和两个相对的弧面组成，其中靠近圆心的弧面为内弧面，远离圆心的弧面为外弧面；在内弧面的内侧设有第一集氡空间，第一集氡空间用于收集从内弧面析出的氡；在外弧面的外侧设有第二集氡空间，第二集氡空间用于收集从外弧面析出的氡；第一测氡系统与第一集氡空间连通并形成闭合回路，第二测氡系统与第二集氡空间连通并形成闭合回路；第一集氡空间和第二集氡空间为相对密闭的空间，通过管道与测氡仪及其他结构(气体流量计、干燥装置、过滤装置等)连通组成第一、第二测氡系统。该方法根据以下公式计算多孔射气介质中氡扩散系数d：其中：i0、i1分别表示第一类0阶、1阶虚宗量bessel函数；k0、k1分别表示第二类0阶、1阶虚宗量bessel函数；r1表示圆环中内圆弧的半径；r2表示圆环中外圆弧的半径；j1、j2分别表示内弧面、外弧面的氡析出率；用第一测氡系统在两个时刻分别测试第一集氡空间的氡浓度c11和c12，根据以下公式计算内弧面的氡析出率j1,t1表示测试第一集氡空间的两个时刻的时间间隔，s1表示测试体内弧面的表面积，v1表示第一集氡空间所在闭合回路的总体积；用第二测氡系统在两个时刻分别测试第二集氡空间的氡浓度c21和c22，根据以下公式计算氡析出率j2，t2表示测试第二集氡空间的两个时刻的时间间隔，s2表示测试体外弧面的表面积；v2表示第二集氡空间所在闭合回路的总体积。优选地，t1＝10-30min；t2＝10-30min。优选地，所述测试体是由铀尾渣与水泥混合，再加水混匀制成。优选地，所述铀尾渣的粒径小于1mm。优选地，铀尾渣与水泥的质量比为3-7:1。优选地，r1＝80-150mm；r2＝300-500mm。优选地，利用第一测氡系统和第二测氡系统同时对集氡空间内的氡浓度进行测试。优选地，所述第一集氡空间和第二集氡空间为均直柱体，第一集氡空间的底面为圆心角为90度的扇形；第二集氡空间的底面为四分之一圆环。本发明提供一种测定多孔射气介质中可运移氡产生率的方法，先计算多孔射气介质中氡扩散系数d；再根据以下公式计算可运移氡产生率α，本发明提供一种测定多孔射气介质中可运移氡产生率的方法，先计算多孔射气介质中氡扩散系数d；再根据以下公式计算可运移氡产生率α，本发明利用四分之一的圆环形成的直柱体作为测试体，直柱体即柱体的底面与侧面垂直。柱体的底面为四分之一的圆环，以靠近圆环的圆心的一侧为内侧，远离圆环的圆心的一侧为外侧。本发明的推导过程如下：根据式(1)微分方程，式中：c——在多孔射气介质中的氡浓度，bq/m3；d——在多孔射气介质中的氡扩散系数，m2/s；λ——氡的衰变常数，λ＝2.1×10-6s-1；α——多孔射气介质产生的可运移氡产生率，bq/(m3s)；该微分方程的通解为式(2)所示：式中：i0——第一类零阶虚宗量bessel函数；k0——第二类零阶虚宗量bessel函数；a、b——积分常数；利用边界条件求解积分常数，边界条件为r＝r1处c＝c1；r＝r2处，c＝c2。c1，c2——测试体内、外表面的氡浓度，即第一集氡空间和第二集氡空间中的氡浓度，bq/m3；当圆管体介质内外表面空气环境氡浓度较低，即当c1和c2接近0bq/m3，则式(3)和式(4)化简为：由费克第一定律可知：测试体内弧面的氡析出率j1公式：测试体外弧面的氡析出率j2公式：测试体内、外弧面的氡析出率的比值：其中，式(9)中，j1和j2可以通过测氡系统测试出氡浓度后计算得到，除氡扩散系数d外，其他均为已知常数。因此可以计算出氡扩散系数d，再将得到氡扩散系数d代入式(7)或(8)中，得到多孔射气介质产生的可运移氡产生率α。其中，j1和j2根据以下公式(10)计算：j为氡析出率，bq/m2s；c1为第1个时刻集氡空间的氡浓度，bq/m3；c2为第2个时刻集氡空间的氡浓度，bq/m3；s为测试体的某个面的表面积，氡通过该表面进入相应的集氡空间；v为对应的集氡空间所在闭合回路的总体积，m3；t为两个时刻的取样间隔时间，s。本发明可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扩散系数和可运移氡产生率的方法，这样就可以大大减少工作量，而且设备简单，非常便捷。附图说明图1为本发明测试所用装置的简易结构示意图；图2为本发明所用的闭环式循环氡析出率测量系统结构示意图；图3为本发明制作时测试体及集氡空间的主视图；图4为本实施例的装置结构示意图；图例说明：1-第一测氡系统，2-第二测氡系统，3-第一集氡空间，4-楔子，5-测试体，6-第二集氡空间；11-测氡仪、12-过滤装置、13-干燥管、14-气体流量计。具体实施方式下面结合实施例对本发明作进一步说明。实施例如图1所示，该实验装置的主要组成部分为：第一测氡系统1，第二测氡系统2，第一集氡空间3，第二集氡空间6，测试体5，用楔子4固定测试体5。第一测氡系统1与第一集氡空间3通过软管连通，第二测氡系统2与第二集氡空间6通过软管连通。第一测氡系统1与第二测氡系统2的结构相同，如图2所示，第一测氡系统1与第二测氡系统2均包括测氡仪11、过滤装置12、干燥管13、气体流量计14。测氡仪11、过滤装置12、干燥管13、气体流量计14和第一集氡空间3通过软管串联并形成闭合回路组成第一测氡系统1。同样地，测氡仪11、过滤装置12、干燥管13、气体流量计14和第二集氡空间6通过软管串联并形成闭合回路组成第二测氡系统2。(1)实验待测模具的制作：1)实验材料筛选粒径为小于1mm的铀尾渣与水泥按5:1均匀混合，加入适量的水，作为测试体(即待测试样品)。2)实验装置的构成四分之一圆管状多孔射气介质氡纯扩散析出实验装置如图1所示。该装置由四分之一圆管状试块盛装容器、第一测氡系统和第二测氡系统组成。盛装容器为不锈钢板制作的四分之一圆柱形容器(内部尺寸:半径500mm，高200mm)，且容器顶部焊有不锈钢板(宽40mm)，容器从内到外分为三个部分：第一集氡空间(半径100mm)、四分之一圆管状测试体(内半径r1＝100mm，外半径r2＝400mm)和第二集氡空间(内半径400mm，外半径500mm)。半径为540mm的扇形盖子与容器之间通过螺栓连接，之间采用橡皮垫密封。容器内外两个集氡空间的壁面上分别有两个直径为4mm的金属连接管，通过软管将测氡仪、干燥管与(第一或第二)集氡空间构成闭式循环氡析出率测量系统。最后在额外制作两个四分之一圆弧面不锈钢挡板，一个半径为100mm，一个半径为400mm。3)试块的制备步骤1：在半径为100mm的圆弧面不锈钢挡板的外表面贴上与其尺寸相同的塑料纸，在半径为400mm的圆弧面不锈钢挡板的内表面贴上与其尺寸相同的塑料纸。步骤2：将两个圆弧面不锈钢挡板放入在盛装容器内，并贴近楔子处；然后，往里灌入按比例调制好的混泥土，使试块的高度高于盛装容器的高度；待试块干后，将试块超出盛装容器高度的部分切除，使试块的高度与盛装容器高度齐平；取出试样两侧圆弧面不锈钢挡板，轻轻刮去试块上残留的塑料纸。(2)实验1)准备阶段步骤1：在试块顶面采用与其尺寸相同的铝箔纸密封；之后，使试块敞开在大气中，在自然条件下放置30天，使试块内的氡达到扩散稳定；然后在盛装容器上方放一块半径为540mm的四分之一圆面橡皮垫(厚度6mm)，然后在放一块尺寸与试块相同大小的橡皮垫(厚度3mm)，并与试块对齐，并盖上半径为540mm的四分之一扇形不锈钢盖子，最后通过螺栓连接。步骤2：将气体流量计、干燥管、过滤装置和rad7测氡仪与试块内集氡空间通过软管连接，组成两个闭合回路。2)测量本次实验，四分之一圆管状试块内表面(内弧面)的表面积s1＝0.0314m2，外表面(外弧面)的表面积s2＝0.1257m2。第一集氡空间的体积为1.6l，外部回路的体积为v1＝1.05l(包括rad7测氡仪内腔体积、干燥管内体积和软管内体积)，总循环体积为v2＝2.65l；第二集氡空间的体积为14.1l，外部回路的体积为1.06l(包括rad7测氡仪内腔体积、干燥管内体积、软管内体积)，总循环体积为15.16l。打开测氡仪，对第一集氡空间和第二集氡空间中氡浓度分部进行2次测量，设定测量周期为t＝t1＝t2＝15min。(3)计算圆管内外表面氡析出率测量值利用下列公式(10)，计算圆管内、外弧面的氡析出率j1和j2：第一集氡空间的氡浓度测量结果与氡析出率j1计算结果如下：累积时间t1c11(bq/m3)c12(bq/m3)j1(bq/m2s)15min142033600.1819第二集氡空间的氡浓度测量结果与氡析出率j2计算结果如下：累积时间t2c21(bq/m3)c22(bq/m3)j2(bq/m2s)15min81016500.1126(4)解算氡扩散系数和可运移氡产生率将计算出来的氡析出率代入公式(9)解算氡扩散系数d，在将解算出的扩散系数d代入公式(8)解算多孔射气介质可运移氡产生率α，其结果如下：j1(bq/m2s)j2(bq/m2s)d(m2/s)α(bq/m3s)0.18190.11268.41×10-81.03当前第1页12