開環(huán)式氡析出率連續(xù)測量分析范文

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《核技術(shù)雜志》2016年第一期

摘要

應用MATLAB對開環(huán)式氡析出率測量過程中不同抽氣流率下集氡罩內(nèi)氡濃度隨時間的變化規(guī)律進行模擬計算，并用實驗對計算結(jié)果進行了驗證。結(jié)果表明，在氡析出率測量時保持集氡罩參數(shù)不變的情況下，隨著抽氣流率的增大，集氡罩內(nèi)平衡氡濃度值減小，達到平衡氡濃度的時間也縮短。實驗表明，集氡罩內(nèi)的平衡氡濃度的減小可最大限度地減小泄露與反擴散的影響；抽氣流率的變大使集氡罩內(nèi)達到平衡氡濃度時間縮短以及集氡罩內(nèi)的充氣均勻性愈好。通過本次實驗，獲得的抽氣流率為1.943.0L•min1，集氡罩底面積為299cm2，體積為1.79×103m3。

關(guān)鍵詞

氡析出率，開環(huán)測量，抽氣流率，平衡時間，平衡氡濃度

隨著公眾環(huán)保意識的不斷加強，人們對居室和環(huán)境的氡濃度也更加關(guān)注。氡析出率的大小直接反映了物體釋放氡的能力。它也是評價各種建材及居室環(huán)境輻射危害程度的重要指標。所以，積極發(fā)展和優(yōu)化氡析出率測量方法，對準確測量土壤、巖石和建材等表面的氡析出率具有重要意義。目前，介質(zhì)表面氡析出率的測量普遍采用在待測介質(zhì)表面倒扣集氡罩的方式，通過對集氡罩內(nèi)氡濃度的測量，進而推導出介質(zhì)表面的氡析出率。而調(diào)研發(fā)現(xiàn)對氡析出率研究主要是集中在對介質(zhì)表面的氡析出率影響因素方面的研究，如：陳凌等[1]的氡面析出率的測量及相關(guān)因素的考慮；李韌杰[2]關(guān)于氡析出率的測定及其影響因素的探討；曹眾為[3]的壓力梯度和溫度對多孔射氣介質(zhì)氡析出率影響的試驗研究；蘇日娜[4]關(guān)于大氣壓力變化對于土壤氡析出率的影響等相關(guān)研究。而關(guān)于測量中集氡罩內(nèi)氡的平衡濃度、氣體流率等因素對氡析出率的測量準確性影響研究還很欠缺。本文通過理論計算和實際測量，探討開環(huán)氡析出率測量時抽氣流率、集氡罩內(nèi)平衡氡濃度與氡析出率準確測量的關(guān)系。

1開環(huán)式測量氡析出率的方法

氡析出率的測量采用開循環(huán)時，集氡罩為非密封狀態(tài)，即：將集氡罩內(nèi)的氣體以一定的流率泵出，并不斷地將干凈空氣（空氣中不含有氡或氡濃度相對較低）泵入罩內(nèi)，開環(huán)式測量氡析出率原理[56]如圖1所示。

2MATLAB模擬計算

從圖2可以看出，在不同的抽氣流率下，Y(t)隨t有著相同的變化趨勢。在相同的集氡罩體積下，隨著抽氣流率的變大，集氡罩內(nèi)的氡濃度達到平衡（即滿足Y(t)0）時所需要的時間變短。同時，當介質(zhì)表面氡析出率值和集氡罩底面積不變時，抽氣流率的大小也與集氡罩內(nèi)的平衡氡濃度有著直接的關(guān)系。此處，選擇底面直徑為19cm，即底面面積S=283.53cm2的集氡罩作為計算對象。用MATLAB軟件模擬的結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，集氡罩內(nèi)平衡氡濃度隨著抽氣流率的增大而不斷減小，在相同抽氣流率下，集氡罩內(nèi)平衡氡濃度隨著介質(zhì)表面氡析出率而不斷增大，反之則不斷減小。所以，在測量介質(zhì)表面氡析出率較小的物質(zhì)時，應適當?shù)剡x用抽氣流率小的泵體測量，從而保證集氡罩內(nèi)的氡濃度足夠大以得到較準確的測量數(shù)據(jù)，減小由此帶來的測量誤差。

3氡析出率的實驗測量

本實驗采用開循環(huán)法測氡析出率。所用儀器主要有測氡儀RAD7（內(nèi)置泵為0.54L•min1）、集氡罩（底面積為299cm2，4個進氣口、一個出氣口）、Gilian5000型空氣采樣泵。本實驗的實驗裝置如圖4所示。在集氡罩的進氣口連接一個空氣采樣泵。首先，將干燥管的一端連接到RAD7測氡儀的進氣口，另一端連接到集氡罩的出氣口，然后將集氡罩的4個進氣口（為使集氡罩內(nèi)的氡能夠分布均勻）用3個三通連接至外接空氣采樣泵，完整實物連接如圖4所示。通過改變空氣采樣泵的抽氣流率來研究抽氣流率對氡析出率測量的影響。實驗選擇南華大學氡室的氡析出率參考標準裝置[8]作為測量對象，裝置如圖5所示，該裝置為模擬土壤尾礦氡析出率表面標準氡析出率參考值為P=(1.58±0.05)Bq•m2•s1。實驗采用的集氡罩底面積為2.99×102m2，集氡罩體積為V=1.7×103m3。測量時RAD7的泵一直為on的狀態(tài)，測量周期為60min，外置泵的流量設(shè)置為13L•min1。實驗得到了不同抽氣流率下氡析出率的測量結(jié)果(圖6(a))和不同抽氣流率下集氡罩內(nèi)平衡氡濃度的變化趨勢(圖6(b))。并且隨流率的變大符合得較好，3組數(shù)據(jù)在集氡罩內(nèi)到達平衡氡濃度后都會出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動。這可能由于測氡儀內(nèi)部的抽氣泵流率并不穩(wěn)定及外界環(huán)境的溫濕度變化等因素造成數(shù)據(jù)波動。由圖6(a)可以看出，流率在1.64L•min1氡析出率值波動比較大，而隨著抽氣流率的增大，氡析出率的測量值變化趨勢越來越平穩(wěn)和精確，這是由于流率的變大使集氡罩內(nèi)的氡混合得更加均勻，測量的值更加穩(wěn)定和準確；圖6(b)得出集氡罩內(nèi)平衡氡濃度值隨抽氣流率的變大而減小，而集氡罩內(nèi)平衡氡濃度值的變小有利于減少泄露和反擴散的影響，為提高氡析出率測量值的準確性提供幫助。另外，實驗發(fā)現(xiàn)抽氣流率的變大可以使集氡罩內(nèi)達到平衡氡濃度的時間大大縮短，為快速可靠的氡析出率測量提供保障。

4結(jié)語

由模擬計算和實驗結(jié)果分析得知：1)采用開環(huán)式進行氡析出率測量時，通過增加外置泵控制持續(xù)開環(huán)循環(huán)氣流的流率大小，可以控制測量時集氡罩內(nèi)平衡氡濃度值。模擬和計算結(jié)果也表明，在氡析出率的測量中抽氣流率與集氡罩內(nèi)平衡氡濃度值在一定范圍內(nèi)成反相關(guān)的關(guān)系。2)測量時集氡罩內(nèi)平衡氡濃度值隨抽氣流率變大而減小，在盡可能降低集氡罩內(nèi)平衡氡濃度值的情況下，可最大限度地減小泄露和反擴散的影響，有利于提高氡析出率測量值的準確性。3)泵的引入可以縮短集氡罩內(nèi)達到平衡氡濃度的時間，為實現(xiàn)快速氡析出率的測量提供了保障。4)以模擬土壤與尾礦氡析出率標準裝置為測量的參考標準裝置，其氡析出率P=(1.58±0.05)Bq•m2•s1，在實際測量中得到測量時抽氣流率為1.943.0L•min1較為合適。5)實驗中還發(fā)現(xiàn)，泵的引入對集氡罩內(nèi)氡的均勻性和介質(zhì)表面壓力有影響，這可能影響氡析出率的準確測量，今后應該對此問題進行深入的研究。

作者：劉暢 單健 袁久林 鐘士力 肖德濤 劉曉翔 劉彥 單位：南華大學 核科學技術(shù)學院 山東省核與輻射安全監(jiān)測中心