Po-218、Po-214总计数开环式测量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po-218、po-214总计数开环式测量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po-218、po-214总计数开环式测量水中镭浓度的装置及方法，利用该po-218、po-214总计数开环式测量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：po-218、po-214总计数开环式测量水中镭浓度的装置，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、静电收集法测氡仪、流量计和三通电磁阀。

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静电收集法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，静电收集法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po-218、po-214总计数开环式测量水中镭浓度的方法，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po-218、po-214总计数开环式测量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，控制气泵的流率，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静电收集法测氡仪后，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。

二、计算过程

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

水样测量瓶中的水中的氡来源于水中镭的衰变。设水样的体积为v，水中镭活度为ara，则水中镭浓度cra为：

（1）

水样测量瓶中的水中氡浓度c’rn的变化规律为：

（2）

式中是氡的衰变常数，是开环气路水样测量瓶中氡的浓度，l为气泵的流率。

根据测量时的温度查表得到水样中氡与气态氡平衡时的浓度比x，有：

（3）

将式（3）代入式（2）得：

（4）

式（4）的解为：

（5）

由于气泵的流率适中，能够认为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。根据静电收集法测氡仪的原理可知，其测量腔内po-218浓度的变化规律为：

（6）

式中cpo(t)为静电收集法测氡仪测量腔内po-218浓度，λpo为po-218衰变常数。静电收集法测氡仪测量腔内的氡浓度的初始值为0，测量腔内po-218浓度的初始值也为0。

将式（5）代入式（6）得：

（7）

式（7）的解为：

（8）

式（8）为静电收集法测氡仪的测量腔内po-218浓度的变化规律。

测量一个较长周期t，该周期t为20-200分钟，式（8）可变化为：

（9）

对式（7）在(0，t)区间积分得到：

（10）

根据静电收集法测氡仪的原理，某测量周期读数cⁿ为该周期的平均po-218浓度，有：

（11）

式（10）可变化为：

（12）

式（9）减去式（12）得：

（13）

当t较大时，和的值都非常小，式（13）可以简化为：

（14）

据式(13)或(14)利用一个较长测量周期的测量值计算水中镭浓度。

根据氡衰变链得到在测量腔内有：

（15）

（16）

式中、分别是pb-214、bi-214的浓度；、分别是pb-214、bi-214的衰变常数；bi-214衰变为po-214后，po-214半衰期为164us，能够认为bi-214的浓度就是po-214的浓度，即：

（17）

为po-214的浓度。

将式（8）代入式（15）解得：

（18）

将式（18）代入式（17）解得：

（19）

当t=t，式（19）变化为：

（20）

对式（17）在(0，t)区间积分得到：

（21）

静电收集法测氡仪根据po-218、po-214放射性衰变释放的α粒子的能量不同而分别计数。静电收集法测氡仪的探测器对这两种不同能量的α粒子探测效率基本相同。设在测量周期t测量得到po-218、po-214衰变计数分别为n1、n2。

再依据式（11）有：

（22）

将式（18）、（22）代入式（21）得

（23）

式（20）减式（23）得：

（24）

当t较大时，，，，的值都非常小，式（24）简化为：

（25）

利用测量得到的po-214衰变计数，依据式（24）或（25）利用一个较长测量周期的测量值计算水中镭浓度；

依据式（13）和（24）利用一个较长测量周期的po-218、po-214放射性衰变测量值分别计算水中镭浓度，再计算两个水中镭浓度值的平均值，得到较准确的水中镭浓度。

或依据式（14）和（25）利用一个较长测量周期的po-218、po-214放射性衰变测量值分别计算水中镭浓度，再计算两个水中镭浓度值的平均值，得到较准确的水中镭浓度。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明的po-218、po-214总计数开环式测量水中镭浓度的装置结构简单，操作方便，测量时间短。

2、通过该po-218、po-214总计数开环式测量水中镭浓度的方法计算水中镭浓度计算过程简单，获得的镭浓度结果准确，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

图1为本发明po-218、po-214总计数开环式测量水中镭浓度的装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，po-218、po-214总计数开环式测量水中镭浓度的装置，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、静电收集法测氡仪8、流量计9和三通电磁阀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静电收集法测氡仪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，静电收集法测氡仪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po-218、po-214总计数开环式测量水中镭浓度的方法，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po-218、po-214总计数开环式测量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的第一出气端进入静电收集法测氡仪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，使得静电收集法测氡仪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。

二、计算过程

水样测量瓶1中的水中的氡来源于水中镭的衰变。设水样的体积为v，水中镭活度为ara，则水中镭浓度cra为：

（1）

水样测量瓶1中的水中氡浓度c’rn的变化规律为：

（2）

式中是氡的衰变常数，是开环气路水样测量瓶中氡的浓度，l为气泵7的流率。

根据测量时的温度查表得到水样中氡与气态氡平衡时的浓度比x，有：

（3）

将式（3）代入式（2）得：

（4）

式（4）的解为：

（5）

由于气泵7的流率适中，能够认为静电收集法测氡仪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。根据静电收集法测氡仪8的原理可知，其测量腔内po-218浓度的变化规律为：

（6）

式中cpo(t)为静电收集法测氡仪8测量腔内po-218浓度，λpo为po-218衰变常数。静电收集法测氡仪8测量腔内的氡浓度的初始值为0，测量腔内po-218浓度的初始值也为0。

将式（5）代入式（6）得：

（7）

式（7）的解为：

（8）

式(8)为静电收集法测氡仪8的测量腔内po-218浓度的变化规律。

测量一个较长周期t，该周期t为20-200分钟，式（8）可变化为：

（9）

对式（7）在(0，t)区间积分得到：

（10）

根据静电收集法测氡仪8的原理，某测量周期读数cⁿ为该周期的平均po-218浓度，有：

（11）

式（10）可变化为：

（12）

式（9）减去式（12）得：

（13）

当t较大时，和的值都非常小，式（13）可以简化为：

（14）

据式(13)或(14)利用一个较长测量周期的测量值计算水中镭浓度。

根据氡衰变链得到在测量腔内有：

（15）

（16）

式中、分别是pb-214、bi-214的浓度；、分别是pb-214、bi-214的衰变常数；bi-214衰变为po-214后，po-214半衰期为164us，能够认为bi-214的浓度就是po-214的浓度，即：

（17）

为po-214的浓度。

将式（8）代入式（15）解得：

（18）

将式（18）代入式（17）解得：

（19）

当t=t，式（19）变化为：

（20）

对式（17）在(0，t)区间积分得到：

（21）

静电收集法测氡仪根据po-218、po-214放射性衰变释放的α粒子的能量不同而分别计数。静电收集法测氡仪的探测器对这两种不同能量的α粒子探测效率基本相同。设在测量周期t测量得到po-218、po-214衰变计数分别为n1、n2。

再依据式（11）有：

（22）

将式（18）、（22）代入式（21）得

（23）

式（20）减式（23）得：

（24）

当t较大时，，，，的值都非常小，式（24）简化为：

（25）

利用测量得到的po-214衰变计数，依据式（24）或（25）利用一个较长测量周期的测量值计算水中镭浓度；

依据式（13）和（24）利用一个较长测量周期的po-218、po-214放射性衰变测量值分别计算水中镭浓度，再计算两个水中镭浓度值的平均值，得到较准确的水中镭浓度。

或依据式（14）和（25）利用一个较长测量周期的po-218、po-214放射性衰变测量值分别计算水中镭浓度，再计算两个水中镭浓度值的平均值，得到较准确的水中镭浓度。