開環(huán)式氡析出率連續(xù)測(cè)量中抽氣流率的影響

劉　暢　　單　健　　袁久林　　鐘士力　　肖德濤　　劉曉翔　　劉　彥（南華大學(xué)　核科學(xué)技術(shù)學(xué)院　　衡陽(yáng)　400）（山東省核與輻射安全監(jiān)測(cè)中心　　濟(jì)南　507）

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開環(huán)式氡析出率連續(xù)測(cè)量中抽氣流率的影響

劉暢1單健1袁久林2鐘士力1肖德濤1劉曉翔1劉彥1
1（南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院衡陽(yáng)421001）
2（山東省核與輻射安全監(jiān)測(cè)中心濟(jì)南250117）

摘要應(yīng)用MATLAB對(duì)開環(huán)式氡析出率測(cè)量過程中不同抽氣流率下集氡罩內(nèi)氡濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行模擬計(jì)算，并用實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，在氡析出率測(cè)量時(shí)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(dá)到平衡氡濃度的時(shí)間也縮短。實(shí)驗(yàn)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(kuò)散的影響；抽氣流率的變大使集氡罩內(nèi)達(dá)到平衡氡濃度時(shí)間縮短以及集氡罩內(nèi)的充氣均勻性愈好。通過本次實(shí)驗(yàn)，獲得的抽氣流率為1.94-3.0L·min-1，集氡罩底面積為299cm2，體積為1.79×10-3m3。

關(guān)鍵詞氡析出率，開環(huán)測(cè)量，抽氣流率，平衡時(shí)間，平衡氡濃度

國(guó)家自然科學(xué)基金（No.11375083）資助

第一作者：劉暢，男，1989年出生，2013年畢業(yè)于成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，現(xiàn)為碩士研究生，主要從事輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)的研究通信作者：?jiǎn)谓?，E-mail:shanjian0666@163.com

SupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina（No.11375083）First

Firstauthor:LIUChang，male，bornin1989，graduatedfromtheEngineering＆TechnicalCollegeofChengduUniversityofTechnologyin2013，master student，mainlyengagedinradiationprotectionandenvironmentalprotection

Influence of air pumping flow rate on the continuous measurement of open-loop radon exhalation rate

LIUChang1SHANJian1YUANJiulin2ZHONGShili1XIAODetao1LIUXiaoxiang1LIUYan1
1（InstituteofNuclearScienceandTechnology，UniversityofSouthChina，Hengyang421001，China）
2（NuclearandRadiationSafetyMonitoringCenterofShandongProvince，Jinan250117，China）

Abstract Background:Theresearchonradonexhalationratemainlyfocusesontheinfluencefactorsofradon exhalationrateonthemediasurface，whileresearchisstilllackingwithrespecttoequilibriumradonconcentrationsin radoncoversets，gasflowrateandotherfactorsaffectingthemeasurementaccuracyofradonexhalationrate. Purpose:Thisstudyaimedtoexploretherelationshipoftheopen-loopair-bleedrate，equilibriumradon concentrationsandradonexhalationratethroughtheoreticalcalculationsandactualmeasurements. Methods: MATLABwasusedtosimulatethevariationsofradonconcentrationswithtimeatdifferentair-bleedratesduringthe open-loopmeasurementofradonexhalationrateinradoncoversets.Theresultswerefurtherprovenbyexperiments. Results:Inthecaseofconstantparametersinradoncoversetsinthemeasurementofradonexhalationrate，the equilibriumconcentrationsofradondecreasedwiththeincreaseofair-bleedrates，andthetimetoreachthe equilibriumconcentrationswasalsoshortened.Thedecreaseofequilibriumconcentrationsofradonminimizedthe effectoftheleakageandcounterdiffusion.Theincreaseofair-bleedratesshortenedthetimeforradonconcentrations toreachequilibriumwithbetterinletgasuniformityintheradoncoversets. Conclusion: Reasonableparameterswere obtainedinthisexperimentwith1.94-3.0L·min-1forair-bleedrates，299cm2forbasalareaand1.79×10-3m3forthe volumeofradoncoversets.

Key wordsRadonexhalationrate，Open-loopmeasurement，Airpumpingflowrate，Equilibrationtime，Equilibrium radonconcentration

隨著公眾環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，人們對(duì)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(píng)價(jià)各種建材及居室環(huán)境輻射危害程度的重要指標(biāo)。所以，積極發(fā)展和優(yōu)化氡析出率測(cè)量方法，對(duì)準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量普遍采用在待測(cè)介質(zhì)表面倒扣集氡罩的方式，通過對(duì)集氡罩內(nèi)氡濃度的測(cè)量，進(jìn)而推導(dǎo)出介質(zhì)表面的氡析出率。而調(diào)研發(fā)現(xiàn)對(duì)氡析出率研究主要是集中在對(duì)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(cè)量及相關(guān)因素的考慮；李韌杰[2]關(guān)于氡析出率的測(cè)定及其影響因素的探討；曹眾為[3]的壓力梯度和溫度對(duì)多孔射氣介質(zhì)氡析出率影響的試驗(yàn)研究；蘇日娜[4]關(guān)于大氣壓力變化對(duì)于土壤氡析出率的影響等相關(guān)研究。而關(guān)于測(cè)量中集氡罩內(nèi)氡的平衡濃度、氣體流率等因素對(duì)氡析出率的測(cè)量準(zhǔn)確性影響研究還很欠缺。

本文通過理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量，探討開環(huán)氡析出率測(cè)量時(shí)抽氣流率、集氡罩內(nèi)平衡氡濃度與氡析出率準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)系。

1　開環(huán)式測(cè)量氡析出率的方法

氡析出率的測(cè)量采用開循環(huán)時(shí)，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(duì)較低）泵入罩內(nèi)，開環(huán)式測(cè)量氡析出率原理[5-6]如圖1所示。

圖1　雙室開循環(huán)測(cè)量氡析出率原理圖Fig.1 Diagram　of　the　measurement　of　radon　exhalation　rate by　double　room　open　loop　method.

此時(shí)，罩內(nèi)的氡濃度變化規(guī)律如式（1）所示[7]：式中：L為氡析出率測(cè)量時(shí)的抽氣流率，L·min-1；S為集氡罩底面積；V為集氡罩體積；P為氡析出率；C為集氡罩內(nèi)積累t時(shí)刻的氡濃度；λ為氡的衰變常數(shù)（2.1×10-6s-1）；R為氡的泄露和反擴(kuò)散率。

式（1）可簡(jiǎn)化為：

當(dāng)λ＋R＜＜L/V時(shí)，式（2）簡(jiǎn)化為：

解微分方程可得：

在測(cè)量時(shí)，L、S、V均為常數(shù)，對(duì)于同一介質(zhì)可以將P也近似看為常數(shù)。令K＝PS/L，則：

必然存在某一時(shí)刻t→m時(shí)Y（t）≈0，也就是說，此時(shí)集氡罩內(nèi)的氡濃度達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，式（4）可以簡(jiǎn)化為：

所以，氡析出率為：

由式（6）可知，在集氡罩參數(shù)不變的情況下，在氡析出率的測(cè)量中抽氣流率與集氡罩內(nèi)平衡氡濃度在一定范圍內(nèi)成反比。

2　MATLAB模擬計(jì)算

圖2　不同抽氣流率下Y（t）隨時(shí)間的變化曲線Fig.2 Y（t）　under　different　pumping　flow　rates　varies　with time.

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(shì)。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(dá)到平衡（即滿足Y（t）≈0）時(shí)所需要的時(shí)間變短。

同時(shí)，當(dāng)介質(zhì)表面氡析出率值和集氡罩底面積不變時(shí)，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(jì)算對(duì)象。用MATLAB軟件模擬的結(jié)果如圖3所示。

圖3　抽氣流率與集氡罩內(nèi)氡濃度的關(guān)系變化曲線Fig.3 Relationship　between　gas　flow　rate　and　the concentration　of　radon　in　the　set　of　radon.

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(cè)量介質(zhì)表面氡析出率較小的物質(zhì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)剡x用抽氣流率小的泵體測(cè)量，從而保證集氡罩內(nèi)的氡濃度足夠大以得到較準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，減小由此帶來的測(cè)量誤差。

3　氡析出率的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

本實(shí)驗(yàn)采用開循環(huán)法測(cè)氡析出率。所用儀器主要有測(cè)氡儀RAD7（內(nèi)置泵為0.54L·min-1）、集氡罩（底面積為299cm2，4個(gè)進(jìn)氣口、一個(gè)出氣口）、Gilian5000型空氣采樣泵。本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。在集氡罩的進(jìn)氣口連接一個(gè)空氣采樣泵。首先，將干燥管的一端連接到RAD7測(cè)氡儀的進(jìn)氣口，另一端連接到集氡罩的出氣口，然后將集氡罩的4個(gè)進(jìn)氣口（為使集氡罩內(nèi)的氡能夠分布均勻）用3個(gè)三通連接至外接空氣采樣泵，完整實(shí)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(duì)氡析出率測(cè)量的影響。

圖4　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量實(shí)物裝置圖Fig.4 Physical　device　of　measuring　experimental　data.

實(shí)驗(yàn)選擇南華大學(xué)氡室的氡析出率參考標(biāo)準(zhǔn)裝置[8]作為測(cè)量對(duì)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(biāo)準(zhǔn)氡析出率參考值為P＝（1.58±0.05）Bq·m-2·s-1。

圖5　氡析出率測(cè)量?jī)x檢定裝置圖Fig.5 Radon　exhalation　rate　meter　verification　device　image.

實(shí)驗(yàn)采用的集氡罩底面積為2.99×10-2m2，集氡罩體積為V＝1.7×10-3m3。測(cè)量時(shí)RAD7的泵一直為on的狀態(tài)，測(cè)量周期為60min，外置泵的流量設(shè)置為1-3L·min-1。實(shí)驗(yàn)得到了不同抽氣流率下氡析出率的測(cè)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(shì)（圖6（b））。

由圖6可看出，在抽氣流率為1.64L·min-1、1.94L·min-1、2.5L·min-1、3L·min-1的4組中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的平衡氡濃度、平均氡析出率值符合得較好，氡析出率裝置加外置泵時(shí)測(cè)量的氡析出率平均值與標(biāo)準(zhǔn)裝置的氡析出率值的相對(duì)誤差都在10%以內(nèi)，其中4組的平均氡析出率分別為1.69Bq·m-2·s-1、1.57Bq·m-2·s-1、1.63Bq·m-2·s-1、1.59Bq·m-2·s-1。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(dá)平衡氡濃度后都會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)。這可能由于測(cè)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(dòng)。由圖6（a）可以看出，流率在1.64L·min-1氡析出率值波動(dòng)比較大，而隨著抽氣流率的增大，氡析出率的測(cè)量值變化趨勢(shì)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(cè)量的值更加穩(wěn)定和準(zhǔn)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(kuò)散的影響，為提高氡析出率測(cè)量值的準(zhǔn)確性提供幫助。另外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)抽氣流率的變大可以使集氡罩內(nèi)達(dá)到平衡氡濃度的時(shí)間大大縮短，為快速可靠的氡析出率測(cè)量提供保障。

圖6　不同抽氣流率下所測(cè)氡析出率數(shù)據(jù)（a）和集氡罩內(nèi)平衡氡濃度（b）的變化Fig.6 Variation　curves　of　radon　release　rate?。╝）　and　equilibrium　radon　concentration?。╞）　with　different　pumping　flow　rates.

4　結(jié)語(yǔ)

由模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得知：

1）采用開環(huán)式進(jìn)行氡析出率測(cè)量時(shí)，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(cè)量時(shí)集氡罩內(nèi)平衡氡濃度值。模擬和計(jì)算結(jié)果也表明，在氡析出率的測(cè)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(cè)量時(shí)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(kuò)散的影響，有利于提高氡析出率測(cè)量值的準(zhǔn)確性。

3）泵的引入可以縮短集氡罩內(nèi)達(dá)到平衡氡濃度的時(shí)間，為實(shí)現(xiàn)快速氡析出率的測(cè)量提供了保障。

4）以模擬土壤與尾礦氡析出率標(biāo)準(zhǔn)裝置為測(cè)量的參考標(biāo)準(zhǔn)裝置，其氡析出率P＝（1.58±0.05）Bq·m-2·s-1，在實(shí)際測(cè)量中得到測(cè)量時(shí)抽氣流率為1.94-3.0L·min-1較為合適。

5）實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，泵的引入對(duì)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(zhǔn)確測(cè)量，今后應(yīng)該對(duì)此問題進(jìn)行深入的研究。

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收稿日期：2015-09-18，修回日期：2015-12-12

Correspondingauthor:SHANJian，E-mail:shanjian0666@163.com

DOI:10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.010401

中圖分類號(hào)O571.3