氡析出試驗(yàn)裝置的研制與應(yīng)用

汪 弘 李向陽(yáng) 羅才武 馮勝洋 洪昌壽

（南華大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院 湖南衡陽(yáng) 421000）

1 前言

氡（Rn）是一種具有天然放射性的惰性氣體，它能衰變產(chǎn)生Rn子體，在空氣中形成放射性氣溶膠，被世界衛(wèi)生組織（WHO）列為19種主要環(huán)境致癌物質(zhì)之一。南華大學(xué)作為一所老牌核工業(yè)院校，一直從事核放射性方面的教學(xué)與研究[1]，核類和安全類專業(yè)開(kāi)設(shè)了多門與Rn相關(guān)的課程，但市場(chǎng)上針對(duì)該方面的儀器較為匱乏，難以進(jìn)行高水平實(shí)驗(yàn)，嚴(yán)重制約了相關(guān)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展[2-4]。

2 Rn析出機(jī)理及影響因素

土壤或巖石等固體介質(zhì)中的Rn從產(chǎn)生到最終在地表析出主要分為3個(gè)階段:（1）固體晶格中的鐳（Ra）衰變形成Rn，經(jīng)核反沖作用進(jìn)入介質(zhì)孔隙中形成自由Rn。（2）介質(zhì)孔隙中的自由Rn在對(duì)流與擴(kuò)散的作用下向地表遷移。（3）Rn到達(dá)地-空交界面，從地表析出進(jìn)入大氣[5]，詳見(jiàn)圖1。

圖1 Rn運(yùn)移與析出過(guò)程

松散介質(zhì)中Rn運(yùn)移析出公式如下:

國(guó)內(nèi)外大量研究表明，介質(zhì)的環(huán)境因素和其本身物化特性與表面Rn析出率有強(qiáng)相關(guān)性[6-10]。環(huán)境因素主要包括:振動(dòng)擾動(dòng)、溫度、超聲波等，介質(zhì)物化性質(zhì)主要包括:鐳含量、粒徑分布、含水率、孔隙度等。振動(dòng)擾動(dòng)、溫度、超聲波等因素會(huì)改變松散介質(zhì)體的Rn 擴(kuò)散系數(shù)（ΔD）和滲流速度（Δv），Ra含量、粒徑分布等因素會(huì)影響松散介質(zhì)自由Rn的產(chǎn)生能力，即

3 試驗(yàn)裝置的總體設(shè)計(jì)及組成

基于環(huán)境對(duì)Rn析出的影響機(jī)理，南華大學(xué)自主研制了“模擬復(fù)雜條件下Rn耦合析出試驗(yàn)裝置”，該儀器注重對(duì)多重環(huán)境因素場(chǎng)的還原模擬，可實(shí)現(xiàn)在不同溫度、振動(dòng)、超聲擾動(dòng)等條件下實(shí)驗(yàn)介質(zhì)Rn析出率的測(cè)定。該試驗(yàn)裝置主要由試驗(yàn)臺(tái)支架及其底座、析出罐及3個(gè)不同環(huán)境參數(shù)（溫度、振動(dòng)和聲波）的模擬系統(tǒng)組成，詳見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)原理圖

圖3 Rn析出實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

3.1 析出罐

析出罐由內(nèi)、外2個(gè)鑲嵌罐體組成。內(nèi)罐為試驗(yàn)罐，用于存放實(shí)驗(yàn)試塊、進(jìn)行Rn氣的收集，主要材質(zhì)為有機(jī)玻璃，包括罐體底部滑軌、罐體、法蘭密封蓋和振動(dòng)傳遞連接部分。內(nèi)罐為密閉的長(zhǎng)圓柱形罐體，可將有限厚的均勻多孔射氣介質(zhì)等效為半無(wú)限大的情形進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，罐體上表面留有進(jìn)氣孔、出氣孔可進(jìn)行密閉腔體累積測(cè)量法測(cè)定Rn。外罐體主要材質(zhì)為不銹鋼，主要為內(nèi)罐提供水（油）浴加溫和保溫作用。

3.2 溫度環(huán)境模擬系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)析出罐內(nèi)罐溫度的高精度控制，用以還原不同環(huán)境溫度場(chǎng)。試驗(yàn)時(shí)設(shè)置環(huán)境溫度參數(shù)，溫度傳感器感應(yīng)實(shí)驗(yàn)溫度，溫度過(guò)低時(shí)控溫裝置自動(dòng)打開(kāi)加熱裝置加溫，達(dá)到實(shí)驗(yàn)溫度停止加熱，并在溫度低于實(shí)驗(yàn)溫度0.5℃時(shí)自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償?？紤]環(huán)境溫度模擬需要及溫度對(duì)Rn析出影響的關(guān)系，最大可控溫度在60℃，控制精度為±1℃。

3.3 振動(dòng)環(huán)境模擬系統(tǒng)

該系統(tǒng)由JZK-50激振器、YE1311掃頻信號(hào)發(fā)生器和HY5872A功率放大器3部分組成。JZK-50激振器為實(shí)驗(yàn)提供振動(dòng)動(dòng)力，通過(guò)振動(dòng)連接桿直接與析出罐內(nèi)罐相連；YE1311掃頻信號(hào)發(fā)生器和HY5872A功率放大器輸出信號(hào)，控制激振器的振動(dòng)頻率、振幅和波形。析出罐箱體下端安裝有滑軌和凹槽用來(lái)減小罐體的滑動(dòng)阻力。系統(tǒng)最大激振力為1 000 N，最大振幅為±10 mm，激振頻率范圍為5~20 kHz，可模擬的波形包括正弦波、方波、三角波等。

3.4 超聲環(huán)境模擬系統(tǒng)

超聲環(huán)境模擬系統(tǒng)由KMD-M1超聲波發(fā)生器和超聲波振子組陣組成，通過(guò)超聲波發(fā)生器控制超聲波振子的輸出，可為實(shí)驗(yàn)提供不同功率大小的超聲波。超聲頻率范圍為20～40kHz，最大輸出功率900W。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用RAD7型連續(xù)測(cè)氡儀進(jìn)行Rn測(cè)量，主要包括RAD7連續(xù)測(cè)氡儀、柱狀干燥管（配備DRIERITE指示型無(wú)水硫酸鈣干燥劑）、針式過(guò)濾器和乙烯樹(shù)脂軟管。采用密閉腔體法，NORMAL模式進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量范圍為 0.1～20000pCi/L，靈敏度 0.25～0.5pCi/L。 每次測(cè)量時(shí)間10min，測(cè)量循環(huán)24次，單次測(cè)試時(shí)間4h。

測(cè)得Rn濃度后，依據(jù)公式（3）可得到測(cè)試試樣的Rn析出率:

其中:J—Rn 析出率，Bq/（m2·s）；S—析出面積，m2；V—集 Rn 總空間，m3；Ct—t時(shí)刻的 Rn 濃度，Bq/m3；Δt—積累時(shí)間，s；λ—等效衰敗系數(shù)，s-1。

4.1 不同溫度下的Rn析出實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用水浴控溫，所采用的實(shí)驗(yàn)溫度組（T）為10℃、20℃、30℃、40℃和 50℃。

實(shí)驗(yàn)流程:將試樣封存24h，選擇一個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度，通過(guò)控溫裝置設(shè)置對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)溫度，待溫度升至實(shí)驗(yàn)溫度，溫度漂移在±1℃時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行Rn濃度測(cè)量。試驗(yàn)完成后，用儀器PURGE模式凈化實(shí)驗(yàn)腔體，選擇另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度重復(fù)上述過(guò)程。通過(guò)測(cè)量和計(jì)算，可得到不同溫度下Rn析出變化關(guān)系，詳見(jiàn)圖4。

圖4 不同溫度下的Rn析出率

4.2 低頻振動(dòng)荷載下Rn析出實(shí)驗(yàn)

測(cè)試前實(shí)驗(yàn)溫度恒定為30℃（誤差±1℃），實(shí)驗(yàn)所采用的低頻振動(dòng)頻率組（f）為 0（對(duì)照組）、0～16、17～32、33～48、49～64 和 54～80 Hz。

實(shí)驗(yàn)流程:預(yù)先低頻振動(dòng)處理10 min，采用儀器PURGE模式凈化實(shí)驗(yàn)腔體；選擇一個(gè)實(shí)驗(yàn)振動(dòng)頻率，打開(kāi)功率放大器，設(shè)置對(duì)應(yīng)激振頻率，進(jìn)行Rn濃度測(cè)量。試驗(yàn)完成后，選另一個(gè)實(shí)驗(yàn)振動(dòng)頻率重復(fù)上述過(guò)程。通過(guò)測(cè)量和計(jì)算，可得到低頻振動(dòng)下的Rn析出變化關(guān)系，詳見(jiàn)圖5。

圖5 不同振動(dòng)荷載下的Rn析出率

4.3 超聲作用下Rn析出實(shí)驗(yàn)

測(cè)試前實(shí)驗(yàn)溫度恒定為20℃（誤差±1℃），實(shí)驗(yàn)所采用的超聲功率組（P）為:110、220、330 和 440 W。實(shí)驗(yàn)流程:預(yù)先超聲處理10 min，采用儀器PURGE模式凈化實(shí)驗(yàn)腔體；選擇一個(gè)實(shí)驗(yàn)超聲頻率，打開(kāi)功率放大器，設(shè)置對(duì)應(yīng)超聲功率，進(jìn)行Rn濃度測(cè)量。試驗(yàn)完成后，另選一個(gè)實(shí)驗(yàn)超聲功率重復(fù)上述過(guò)程。通過(guò)測(cè)量和計(jì)算，可得到超聲作用下的Rn析出變化曲線，詳見(jiàn)圖6。

圖6 不同超聲作用下的氡析出率

5 結(jié)語(yǔ)

南華大學(xué)自行研制的“模擬復(fù)雜條件下Rn耦合析出試驗(yàn)裝置”可實(shí)現(xiàn)多重環(huán)境因素場(chǎng)的還原模擬，完成多種條件下放射介質(zhì)Rn析出率的測(cè)定。儀器的研發(fā)實(shí)現(xiàn)了核類專業(yè)課程和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)，深化學(xué)生對(duì)Rn析出規(guī)律和機(jī)理的學(xué)習(xí)，加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。