地底深處氡濃度的測量方法探究

曹海濤 張文濤 伊小娟 謝榮強

（四川省核工業(yè)輻射測試防護院（四川省核應急技術(shù)支持中心）,四川 成都 610000）

1 地底深處氡濃度測量的必要性

氡及其子體在各種工程隧道開挖的過程中對人體的輻射劑量已經(jīng)引起了人們的重視，在隧道開挖前無法估量地底深處氡濃度及氡析出率的大小，在開挖時便無法做出相應的預防措施，對深層的氡濃度及析出率的測量顯得尤為重要。目前國內(nèi)氡濃度的測量的主要依據(jù)是《氡及其子體在大氣環(huán)境中的測量方法》（NFM 60—763）和《氡及其子體測量規(guī)范》（EJ/T 605—91）。僅針對淺表層土壤中氡濃度進行測量，對地底深處幾百米處的氡濃度及其析出率尚無明確的測量方法和標準。全文總共分為4個部分來解析該方法的實驗過程：1） 現(xiàn)有的氡濃度的測量儀器和方法簡介利用現(xiàn)有的儀器和方法對地底深處氡的測量所面臨的難點。2） 針對所需要攻克的難點進行理論推導，結(jié)合現(xiàn)有的儀器初步總結(jié)整套測量方法的理論依據(jù)和實操的可行性。3） 用初步設計的測量方法及測量儀器對各深度的地下進行監(jiān)測，從而驗證測量方法的可行性。4） 根據(jù)實驗的結(jié)果有針對性地對儀器和方法進行調(diào)整。通過該課題研究，初步擬定了針對地下深處的氡濃度及其子體的測量方法。

2 地底深處氡濃度測量系統(tǒng)

2.1 地底深處氡濃度測量的意義

目前，我國高速公路和鐵路發(fā)展迅猛，隨著大量隧道的開挖，在開挖的過程中，人們越來越重視氡及其子體對工作人員的危害，有研究表明氡及其子體對人體所產(chǎn)生的輻射劑量占人體所受到的天然輻射劑量的50%以上。由于地底環(huán)境的未知性和不可達性，因此不能準確地判斷開挖隧道的巖石圈的氡濃度和氡析出率，工作人員未能及時地采取有效的防護措施，從而會對其人身產(chǎn)生傷害。如果在施工前就能夠預先測試出隧道開挖點的氡濃度或氡析出率，那么就能及時制定相應的防護措施及方案，可以選擇避開高輻射區(qū)域，也可以提前進行監(jiān)控，從而達到保護工人免受氡及其子體所帶來的危害的目的。

現(xiàn)有的監(jiān)測方法及儀器只能監(jiān)測土壤中的氡濃度，也就是表層范圍內(nèi)的氡濃度，目前亟需一種在初勘階段就能監(jiān)測出地底一定深度的氡濃度的方法為隧道開挖提供基礎數(shù)據(jù)，且可以及時采取有效的防護措施。

2.2 現(xiàn)有儀器和測量方法

該實驗選用的測氡儀為PQ2000型測氡儀，該測氡儀是目前公認的測氡標準儀器，具有測量精度高、誤差較小以及可連續(xù)測量等一系列特點。PQ2000的測量原理是基于成熟的脈沖電離室原理（α能譜儀），測量方法為《氡及其子體測量規(guī)范》（EJ/T 605—91）[1]。但是該方法僅能對淺層土壤中的氡濃度進行測量，測量深度為70 cm~100 cm，遠遠達不到幾百米的深度?，F(xiàn)有的測氡原理是利用1 m長的空心鋼釬打入地底，再連接抽氣泵、測氡儀器以及干燥器，對土壤中的氡濃度進行測量[2]。根據(jù)現(xiàn)有的儀器，在原有的方法原理上進行改進。實驗表明，改進后的方法總體上是可行的。

2.3 地底深處氡濃度測量方法理論假設

現(xiàn)有測量方法的總體思路是要將地底含有氡濃度的氣體采集到地面，再在PQ2000連續(xù)測氡儀內(nèi)進行測量。為了能將地底析出的氡氣采集到地面，可以利用在地質(zhì)初勘階段使用的鉆井，鉆井通常會鉆探到地底隧道所要開挖的深度。目前地質(zhì)勘查上的鉆井所使用的鉆桿為中空，如果將連續(xù)測氡儀與鉆桿連接起來，使地底析出的氡氣通過鉆桿被抽進測量儀器中，就能測量到該深度氡濃度的數(shù)值。因為氡氣是不斷地析出的，所以在鉆桿中會存在富集，這樣就需要一個真空泵將原有富集的氡氣全部抽出地面，氡濃度隨著真空泵的工作會一直下降，同時氡又按照一定的速率均勻地析出，當氡濃度下降到一定數(shù)值時，氡濃度趨于穩(wěn)定，通過該氡濃度值、采樣時間及抽氣體積可以算得氡析出率。

具體的測量方法如下：1） 用真空泵連接鉆桿，經(jīng)過一定時間的抽氣，抽空鉆桿內(nèi)富集的空氣，新析出的氡氣逐漸擴散至整個鉆桿。2） 將鉆桿與連續(xù)測氡儀連接，通過連續(xù)測氡儀自帶的抽氣泵開始抽氣，使用連續(xù)測氡儀對新析出的氡氣進行測量，從而得出地底深處的氡濃度，并算出氡析出率。

2.4 監(jiān)測系統(tǒng)的初步設計

根據(jù)理論假設的方法，整個系統(tǒng)由連續(xù)測氡儀、鉆桿、真空泵、連接管線及閥門組成。詳細連接方式如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

監(jiān)測時：先關(guān)閉閥門B，打開閥門A，打開真空泵，根據(jù)真空泵的流量和鉆桿內(nèi)空氣的體積，算出真空泵抽氣的時間，將已富集的氡氣全部抽出后，關(guān)閉真空泵，關(guān)閉閥門A，打開閥門B，打開抽氣泵及連續(xù)測氡儀，開始測量新析出的氡氣。一定要保證整個系統(tǒng)的閥門及管線鏈接處的氣密性。在測氡儀的進氣端應連接安全瓶。

2.5 現(xiàn)場試驗測量及數(shù)據(jù)分析

考慮到氡氣在液體和固體中的吸附性，該現(xiàn)場試驗選擇2個鉆井為干孔，巖層結(jié)構(gòu)均為花崗巖，鉆井中無液體存在。

2.5.1 現(xiàn)場監(jiān)測工作方案

為了得到可靠的試驗數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場測量之前必須做好相應的監(jiān)測工作方案，在試驗過程中嚴格按照監(jiān)測工作方案實施。該監(jiān)測工作方案如下：1） 監(jiān)測依據(jù)。該監(jiān)測是基于《氡及其子體測量規(guī)范》（EJ/T 605—91）[1]。2） 監(jiān)測因子?？諝庵械碾睗舛?。3） 監(jiān)測環(huán)境說明?，F(xiàn)場監(jiān)測時，收集環(huán)境溫度、環(huán)境濕度以及天氣狀況等信息。4） 使用儀器和方法。到達現(xiàn)場后首先檢查儀器的完整性和有效性，查看儀器的電壓是否正常，干燥劑是否完好。用套管將測氡儀、真空泵與鉆桿連接起來，連接完畢后檢查氣密性。按照鉆井的深度、管口直徑以及真空泵的流量計算出第一階段的抽氣時間。5） 測量操作嚴格按儀器操作規(guī)程進行，測量實行全過程質(zhì)量控制，按照統(tǒng)計學原則處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測前后檢查儀器的工作狀態(tài)是否正常。

2.5.2 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果

該試驗監(jiān)測了孜拉山的2個鉆孔，鉆孔的深度相對比較深，測量前檢查了鉆孔的完整性，滿足相應的實驗要求。該監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 空氣中氡濃度監(jiān)測結(jié)果

該監(jiān)測過程嚴格按照監(jiān)測工作方案執(zhí)行，數(shù)據(jù)結(jié)果真實可信，隨后對DE-孜拉山-深-07孔及DE-孜拉山-深-01孔2個深孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算分析。

數(shù)據(jù)分析如下。

已知鉆桿的長度為380 m，直徑為50 mm，根據(jù)圓柱體的體積公式（如公式（1）所示）計算出鉆桿中空氣體積為745.75 L。

在套管及整個管線內(nèi)裝滿水，再用量筒測得其體積約為1.2 L。整個測量系統(tǒng)中的空氣體積為746.95 L，約為747 L。

該測量選用的真空泵速率為240 L/min，將原鉆桿富集的氡氣全部抽離共需要4 min。然后再用PQ2000連續(xù)測氡儀進行測量，測量時間為10 min。在DE-孜拉山-深-07孔測得氡濃度值為32 Bq/m3，氡析出率為3.2 Bq/m3·min。

在DE-孜拉山-深-01孔測量得出的數(shù)據(jù)小于30 Bq/m3。經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，發(fā)現(xiàn)該鉆井的下方疑似存在大裂隙，整個系統(tǒng)未封閉，因此該試驗結(jié)果不成立。

由于缺乏對地底深處的氡濃度進行測量的相應方法，因此研究人員無法有效地對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比對，該測量數(shù)據(jù)的有效性存疑。

整個系統(tǒng)按照最初的設計圖將測氡儀、抽氣泵、真空泵、相關(guān)的閥門及導管與地底的鉆桿連接起來，整個監(jiān)測系統(tǒng)如圖2~圖3所示。

圖2 DE-孜拉山-深-01孔現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)

圖3 DE-孜拉山-深-07孔現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)

2.6 測量方法的疑點及改進

經(jīng)過2次現(xiàn)場試驗及對最終數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)該方法存在不足的地方是無法對數(shù)據(jù)的有效性和準確性進行判定。

如果鉆井的深度超過一定數(shù)值，則新析出的氡氣擴散至整個系統(tǒng)的時間過長，不便于測量。

如果地下存在與外界相同的裂隙，則該方法存在較多的空氣稀釋，測量結(jié)果不準確。

針對以上的疑點，對整個實驗設計進行改進，決定在真空泵和鉆桿之間增加1個固定體積的采樣器。具體設計如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

改進后的測量系統(tǒng)的操作過程如下：1） 先關(guān)閉閥門B、C，開啟閥門A、D打開真空泵，抽出地下的空氣，讓地底的氡氣進入采樣器。2） 關(guān)閉閥門A、D，打開閥門B、C和連續(xù)測氡儀，10 min后記錄第一次監(jiān)測的數(shù)值。該數(shù)值由原有的氡氣及新析出的氡氣組成。3） 重復第一步和第二步，然后記錄第二次監(jiān)測的數(shù)值。4） 對比第二次的監(jiān)測數(shù)值和第一次的監(jiān)測數(shù)值，如果明顯減少，則繼續(xù)按照第一步和第二步進行操作，經(jīng)過多次測量，直到前后2次測量的氡濃度值相同時結(jié)束測量，該值即為該地底深度的氡濃度值。

改進后的測量系統(tǒng)的總體思路是采用空氣采樣的原理，先把地底的空氣采集到特定容積的采樣器中，再通過連續(xù)測氡儀對采集的空氣樣本進行測量。由于地勘的鉆井是一個漫長的過程，在該鉆勘的過程中會持續(xù)析出氡氣，最后在鉆桿中富集，因此第一次采集的空氣樣本所測到的氡濃度會很高，也不能反應該點的氡濃度的析出速率，要立即對空氣進行第二次采集，隨著鉆桿里富集的空氣被抽出，氡氣的析出速度趕不上抽氣的速度，這樣在第二次、第三次所采集的地底空氣樣本中的氡濃度會持續(xù)下降，直到鉆桿中富集的氡氣被全部抽出，只剩下該點持續(xù)析出的氡氣和抽離開的氣體氡濃度達到一種平衡，當前后2次測量的數(shù)值相同或相近時，就說明已經(jīng)達到平衡，這樣容器里面采集的氣體中氡的含量就為均勻析出的氡氣。測量結(jié)果就為該深度的氡濃度值，再根據(jù)測量時間及容器體積就能計算得出氡氣的析出速率。

由于之前選擇的2處測量鉆井在初勘結(jié)束后便進行封洞處理，并不能再次使用改進的測量系統(tǒng)對其進行測量，因此實驗前后的數(shù)據(jù)未能進行對比。該實驗方法在理論推導和計算中可行，在實際運用時還要另外選擇新的深孔鉆井進行測量，但是該方法已經(jīng)對地底深處氡濃度的測量探究提供了方向，使地底深處氡濃度的測量成為可能。

3 結(jié)論

該文對新方法的探究是以實際應用為前提的，經(jīng)過理論假設、推導、現(xiàn)場試驗和數(shù)據(jù)分析，最終得出新改進的方法，該方法總體上可行，能準確地測量地底一定深度的氡濃度及氡析出率；另外該方法也有相應的局限性，如果該地點的氡濃度相對較低或氡析出率較為緩慢，則需要延長監(jiān)測時間，該方法數(shù)據(jù)測量的檢測下限也相對較高，但是如果作為隧道開挖前的氡的防護監(jiān)測，該方法就完全適用，該點的氡濃度一旦被系統(tǒng)檢測出來，就說明該點的氡濃度及氡析出率的值均達到了需要防護的限值，提前為隧道的開挖與防護提供了數(shù)據(jù)支撐，避免人體受到氡及其子體的侵害。