开环式两段法测量有效衰变常数与水中镭浓度的装置及方法与流程

本发明涉及一种核辐射探测技术，特别是一种开环式两段法测量有效衰变常数与水中镭浓度的装置及方法。

背景技术：

镭（ra-226）是一种极毒的亲骨性α放射性核素，它在体内的大量沉积会诱发骨癌或白血病，从而危害人体健康。镭（ra-226）在地下水活度普遍较高，比一般的地表水（河水、湖水、海水等）的活度高1-2个数量级；世界上许多地区的饮用水源是地下水，部分地区地下水中天然含有高浓度的镭元素或随着不同矿产例如铀矿山等的开采有大量的镭元素活化释放进入到地下水，使得人们在使用地下水做饮用水源时存在较大的安全隐患，因而在进行饮用水源选取时需要对当地的地下水中含有的镭元素的浓度进行长期的监测。现有技术水中镭元素浓度的测量装置及测量方法复杂且测量时间长，需要一种可实现快速测量水中镭浓度的装置及方法。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种开环式两段法测量有效衰变常数与水中镭浓度的装置及方法，利用该开环式两段法测量有效衰变常数与水中镭浓度的装置通过该方法能快速得到准确的水中镭浓度。

本发明的技术方案是：开环式两段法测量有效衰变常数与水中镭浓度的装置，包括水样测量瓶、瓶盖、进气管套、出气管套、进气管、出气管、气泵、测氡仪、流量计及三通电磁阀。

进气管套及出气管套分别安装在瓶盖上，进气管插在进气管套上，出气管插在出气管套上，出气管通过软管与气泵的进气端连接，气泵的出气端通过软管与三通电磁阀的进气端连接，三通电磁阀的第一出气端通过软管与测氡仪的进气端连接，三通电磁阀的第二出气端与大气环境相通，测氡仪的出气端通过软管与流量计连接。

采用上述测量装置进行开环式两段法测量有效衰变常数与水中镭浓度的方法，包括测量过程和计算过程，其具体步骤如下：

一、测量过程

a、将开环式两段法测量有效衰变常数与水中镭浓度的装置放置在恒温的环境，并测量环境温度；

b、将待测水样倒入水样测量瓶内，并盖紧瓶盖，进气管的出气口在待测水样内并靠近水样测量瓶的瓶底，出气管的进气口位于待测水样液面上；

c、打开三通电磁阀的第二出气端，关闭三通电磁阀的第一出气端，启动气泵，调节气泵的流率，使得空气通过进气管进入待测样水中鼓泡，同时将待测样水中的氡携带出来，通过出气管进入气泵进入三通电磁阀，然后从三通电磁阀的第二出气端进入大气环境，由于气泵的流率非常大，气泵启动5-30分钟后，能够认为气路中氡的浓度为0；

d、关闭三通电磁阀的第二出气端，打开三通电磁阀的第一出气端，通过获取流量计读数来控制气泵调小流率，使得空气通过进气管进入待测水样中鼓泡，同时将待测水样中的氡携带出来，通过出气管进入气泵进入三通电磁阀，然后从三通电磁阀的第一出气端进入测氡仪后，再通过流量计进入大气环境；在调小气泵流率时，气泵的流率保持适中，使得静电收集法测氡仪测量腔内的氡浓度与水样测量瓶内的气态氡浓度同步变化；

e、采用较长的时间间隔连续测量两个测量周期，两个测量周期分别为t1、t2，其取值范围为5-90分钟；为减少统计涨落带来的测量误差，设置测量周期t1>t2，测量的两个测量周期中测氡仪的读数分别为c¹，c²。

二、计算过程

根据环境温度、待测水样的体积、气泵的流率以及测氡仪的读数计算水样中的镭浓度。

待测水样中的氡来源于水中镭的衰变，设待测水样的体积为v，水中镭活度为ara，则水中镭浓度cra为：

（1）

水中氡浓度c’rn的变化规律为：

（2）

式中是氡的衰变常数，是水样测量瓶中气态氡的浓度，l为泵的流率，是泄漏系数，v1是从水样测量瓶到测氡仪测量腔的气路体积。由于泵流率较大，能够认为水样测量瓶到测氡仪测量腔的气态氡浓度相同。

根据测量时的温度可以查表得到水氡与气态氡平衡时的浓度比x，有：

（3）

将式（3）代入式（2）得：

（4）

令

（5）

式中为有效衰变常数。

式（4）可简化为：

（6）

式（6）的解为：

（7）

对式（7）在{0，t1}和{t1,t1+t2}区间分别积分，再分别除以t1和t2可以得到：

（8）

（9）

根据式（8）、（9）计算水中镭浓度和有效衰变常数。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明提供的测量装置结构简单，操作方便，测量时间短。

2、本发明提供的测量方法计算有效衰变常数与水中镭浓度计算过程简单，计算结果准确，可通过对某地区地下水水样中镭浓度进行长期持续性的监测、分析为国家制定健康的饮用水标准，并为水污染治理、国家疾病预防和治疗、农牧业用水等提供依据，确保地下水环境及居民饮用水安全。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。

附图说明

附图1为本发明提供的开环式两段法测量有效衰变常数与水中镭浓度的装置结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，开环式两段法测量有效衰变常数与水中镭浓度的装置，包括水样测量瓶1、瓶盖2、进气管套3、出气管套4、进气管5、出气管6、气泵7、测氡仪8、流量计9及三通电磁阀10。

进气管套3及出气管套4分别安装在瓶盖2上，进气管5插在进气管套3上，出气管6插在出气管套4上，出气管6通过软管与气泵7的进气端连接，气泵7的出气端通过软管与三通电磁阀10的进气端连接，三通电磁阀10的第一出气端通过软管与测氡仪8的进气端连接，三通电磁阀10的第二出气端与大气环境相通，测氡仪8的出气端通过软管与流量计9连接。

采用上述测量装置进行开环式两段法测量有效衰变常数与水中镭浓度的方法，包括测量过程和计算过程，其具体步骤如下：

一、测量过程

a、将开环式两段法测量有效衰变常数与水中镭浓度的装置放置在恒温的环境，并测量环境温度；

b、将待测水样倒入水样测量瓶1内，并盖紧瓶盖2，进气管5的出气口在待测水样内并靠近水样测量瓶1的瓶底，出气管6的进气口位于待测水样液面上；

c、打开三通电磁阀10的第二出气端，关闭三通电磁阀10的第一出气端，启动气泵7，控制气泵7的流率，使得空气通过进气管5进入待测样水中鼓泡，同时将待测样水中的氡携带出来，通过出气管6进入气泵7进入三通电磁阀10，然后从三通电磁阀10的第二出气端进入大气环境，由于气泵7的流率非常大，气泵7启动5-30分钟后，能够认为气路中氡的浓度为0；

d、关闭三通电磁阀10的第二出气端，打开三通电磁阀10的第一出气端，通过获取流量计9读数来控制气泵7调小流率，使得空气通过进气管5进入待测水样中鼓泡，同时将待测水样中的氡携带出来，通过出气管6进入气泵7进入三通电磁阀10，然后从三通电磁阀10的第一出气端进入测氡仪8后，再通过流量计9进入大气环境；在调小气泵7流率时，气泵7的流率保持适中，使得测氡仪8测量腔内的氡浓度与水样测量瓶1内的气态氡浓度同步变化；

e、采用较长的时间间隔连续测量两个测量周期，两个测量周期分别为t1、t2，其取值范围为5-90分钟；为减少统计涨落带来的测量误差，设置测量周期t1>t2，测量的两个测量周期中测氡仪的读数分别为c¹，c²。

二、计算过程

根据环境温度、待测水样的体积、气泵7的流率以及测氡仪8的读数计算水样中的镭浓度。

待测水样中的氡来源于水中镭的衰变，设待测水样的体积为v，水中镭活度为ara，则水中镭浓度cra为：

（1）

水中氡浓度c’rn的变化规律为：

（2）

式中是氡的衰变常数，是水样测量瓶1中气态氡的浓度，l为气泵7的流率，是泄漏系数，v1是从水样测量瓶1到测氡仪8测量腔的气路体积。由于气泵7流率较大，能够认为水样测量瓶1到测氡仪8测量腔的气态氡浓度相同。

根据测量时的温度可以查表得到水氡与气态氡平衡时的浓度比x，有：

（3）

将式（3）代入式（2）得：

（4）

令

（5）

式中为有效衰变常数。

式（4）可简化为：

（6）

式（6）的解为：

（7）

对式（7）在{0，t1}和{t1,t1+t2}区间分别积分，再分别除以t1和t2可以得到：

（8）

（9）

根据式（8）、（9）计算水中镭浓度和有效衰变常数落。