同步测量环境220Rn、 222Rn混合浓度的方法

摘要

一种同步测量环境220Rn、222Rn混合浓度的方法，操作步骤为：关闭第一阀门，启动泵，环境220Rn、222Rn混合空气通过流量计、调节阀、过滤器进入三通，再通过第一真空表、泵进入环境，泵的流率非常高，使得三通内220Rn、222Rn与环境中的浓度一致。调节低压单闪烁室内的气压到P1，使其对222Rn、220Rn及其子体衰变放出的α粒子具有相同的探测效率。将三通阀的a-b端关闭，b-c端打开，对低压单闪烁室抽真空，然后关闭三通阀的b-c端，打开三通阀的a-b端，再同时打开阀门进行采样。采样后，关闭阀门，记录低压单闪烁室当前的气压值P2，P2小于或等于P1。启动闪烁室测量装置开始测量，利用测量得到的每个周期的计数，就可以利用相应的计算方法得到环境中的220Rn、222Rn浓度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种核辐射探测技术，特别是一种利用低压单闪烁室对²²⁰Rn、 ²²²Rn混合浓度同步测量的方法。

背景技术

环境中的²²²Rn是人类所受天然辐射的主要来源，近年来，对环境²²⁰Rn水平调查的兴趣呈明显上升趋势，调查发现有些环境中²²⁰Rn浓度较高，而我国土壤中²³²Th的含量与世界均值比较明显偏高。²²⁰Rn由于其半衰期只有55.6秒，其测量具有特殊性。当前利用闪烁室同步测量²²²Rn、²²⁰Rn浓度的方法都需要复杂的实验或计算。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种利用低压单闪烁室对²²⁰Rn、 ²²²Rn浓度同步测量的方法。

本发明的技术方案是：一种同步测量环境²²⁰Rn、 ²²²Rn混合浓度的方法，其具体操作步骤如下：

关闭第一阀门，启动泵，环境²²⁰Rn、²²²Rn混合空气通过流量计、调节阀、过滤器进入三通，再通过第一真空表、泵进入环境。泵的流率非常高，使得三通内²²⁰Rn、²²²Rn的浓度与环境中的²²⁰Rn、²²²Rn浓度一致。

低压单闪烁室上连接有第二真空表和三通阀，假设低压单闪烁室内任意一点到涂敷有硫化锌的表面最大距离为L，降低低压单闪烁室内的气压， ²²²Rn、²²⁰Rn及其子体衰变放出的α粒子具有不同的能量，相应的射程也不同，其中²²²Rn衰变放出的α粒子能量最小，射程也最小。调节低压单闪烁室内的气压到P₁，使得²²²Rn衰变放出的α粒子在该气压下射程大于L，这样使得低压单闪烁室在低压下对²²²Rn、²²⁰Rn及其子体衰变放出的α粒子具有相同的探测效率。用h来表示探测效率，平均一次α衰变，能测量到h个计数。

调节调节阀，使得三通内的气压小于或等于P₁。

将三通阀的a-b端关闭，b-c端打开，外接真空泵对低压单闪烁室抽真空，抽真空后关闭三通阀的b-c端，打开三通阀的a-b端，再同时打开阀门进行采样。快速完成采样后，同时关闭阀门，读第二真空表的读数，记录低压单闪烁室当前的气压值P₂，P₂小于或等于P₁。启动闪烁室测量装置开始测量，由于滤膜过滤了所有的子体，因此认为采样时，没有²²²Rn、²²⁰Rn的子体进入低压单闪烁室。

在采样结束及测量开始的瞬间，设在低压单闪烁室内²²²Rn及其子体²¹⁸Po、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi的活度分别为                                                、0、0、0；衰变常数分别为、、、。由于²¹⁴Po的半衰期只有164μs，其半衰期很短，因此人们常把²¹⁴Po的放射性归结为²¹⁴Bi的放射性。低压单闪烁室内²²⁰Rn的初始活度为，设在低压单闪烁室内²²⁰Rn的活度为，其子体²¹⁶Po 的活度为，由于²¹⁶Po半衰期非常短，与²²⁰Rn很快达到平衡，²²⁰Rn 衰变常数为，本底活度为A₀，不考虑其他长寿命子体，则根据放射性衰变规律有：

                               （1）

              （2）

             （3）

            （4）

                              （5）

                             （6）

                                  （7）

对式（2）、（3）、（4）求解后，可以得到总的α放射性活度随时间的变化规律为：

   （8）

由于低压单闪烁室对不同能量的α粒子探测效率相同，都为h，有：

                        （9）

为低压单闪烁室测量装置测量到的计数随时间的变化规律。

以短时间间隔T为测量周期，T的值为1-10分钟。采用低压单闪烁室测量装置测量计数，其周期数量大于或等于3个，每个测量周期的计数为，i为测量周期。

根据第i个测量周期的计数求得第i个测量周期的单位时间的平均计数，该平均计数与在该测量周期中点的总α放射性活度的关系为：

                       （10）

利用式（10）对的数据进行非线性拟合，能得到、、的值。

                                       (11)

式中为²²²Rn的浓度；V为低压单闪烁室的体积；P₂为低压单闪烁室内的气压；P₀为环境气压。

                                        (12)

式中为²²⁰Rn的浓度，然后就可依据式（11）、（12）求得²²²Rn、²²⁰Rn的浓度。

上述方法采用的测量装置由泵、第一真空表、三通、阀门、第二真空表、低压单闪烁室测量装置、低压单闪烁室、三通阀、滤膜、过滤器、调节阀及流量计组成，泵通过管道与第一真空表连接，然后连接到三通的a端，三通的b端通过管道依次与过滤器、调节阀及流量计连接，三通的c端通过管道依次与阀门、滤膜、三通阀、第二真空表及低压单闪烁室连接，低压单闪烁室测量装置对低压单闪烁室进行计数测量。

本发明的进一步技术方案是：

以时间间隔T为测量周期，T的值为1-120分钟。采用低压单闪烁室测量装置测量计数，其周期数量大于或等于3个，每个测量周期的计数为，i为测量周期。

求总α放射性活度在第i个测量周期的积分：

         （13）

式中是总α放射性活度。

                    (14)

式中是总α放射性活度在第i个测量周期的积分。

应用最小二乘法求解，引入残差：

                      （15）

式中w_i是第i个测量周期的权重因子，权重因子的引入是考虑每个测量周期的计数统计误差不同对拟合结果的误差影响。

根据最小二乘法原理，使得残差取最小值，能得到、、的值，然后就可依据式（11）、（12）求得²²²Rn、²²⁰Rn的浓度。

本发明的再进一步技术方案是：

以较长的时间间隔t₁，t₂，t₃为测量周期，t₁，t₂，t₃的值分别为10-240分钟。测量周期为3个，3个测量周期的计数分别为，，。

                               （16）

                             （17）

                            （18）

对式（16）、（17）、（18）、求解，能得到、、的值，然后就可依据式（11）、（12）求得²²²Rn、²²⁰Rn的浓度。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

本发明提供的测量方案简单，计算方法方便。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

附图说明

附图1为本发明提供的测量装置示意图。

具体实施方式

实施例一、一种同步测量环境²²⁰Rn、 ²²²Rn混合浓度的方法，其具体操作步骤如下：

关闭第一阀门4，启动泵1，环境²²⁰Rn、²²²Rn混合空气通过流量计12、调节阀11、过滤器10进入三通3，再通过第一真空表2、泵1进入环境。泵1的流率非常高，使得三通3内²²⁰Rn、²²²Rn的浓度与环境中的²²⁰Rn、²²²Rn浓度一致。

低压单闪烁室7上连接有第二真空表5和三通阀8，假设低压单闪烁室7内任意一点到涂敷有硫化锌的表面最大距离为L，降低低压单闪烁室7内的气压， ²²²Rn、²²⁰Rn及其子体衰变放出的α粒子具有不同的能量，相应的射程也不同，其中²²²Rn衰变放出的α粒子能量最小，射程也最小。调节低压单闪烁室7内的气压到P₁，使得²²²Rn衰变放出的α粒子在该气压下射程大于L，这样使得低压单闪烁室7在低压下对²²²Rn、²²⁰Rn及其子体衰变放出的α粒子具有相同的探测效率。用h来表示探测效率，平均一次α衰变，能测量到h个计数。

调节调节阀11，使得三通3内的气压小于或等于P₁。

将三通阀8的a-b端关闭，b-c端打开，外接真空泵对低压单闪烁室7抽真空，抽真空后关闭三通阀8的b-c端，打开三通阀8的a-b端，再同时打开阀门4进行采样。快速完成采样后，同时关闭阀门4，读第二真空表5的读数，记录低压单闪烁室7当前的气压值P₂，P₂小于或等于P₁。启动闪烁室测量装置6开始测量，由于滤膜9过滤了所有的子体，因此认为采样时，没有²²²Rn、²²⁰Rn的子体进入低压单闪烁室7。

在采样结束及测量开始的瞬间，设在低压单闪烁室7内²²²Rn及其子体²¹⁸Po、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi的活度分别为、0、0、0；衰变常数分别为、、、。由于²¹⁴Po的半衰期只有164μs，其半衰期很短，因此人们常把²¹⁴Po的放射性归结为²¹⁴Bi的放射性。低压单闪烁室7内²²⁰Rn的初始活度为，设在低压单闪烁室7内²²⁰Rn的活度为，其子体²¹⁶Po 的活度为，由于²¹⁶Po半衰期非常短，与²²⁰Rn很快达到平衡，²²⁰Rn 衰变常数为，本底活度为A₀，不考虑其他长寿命子体，则根据放射性衰变规律有：

                               （1）

              （2）

             （3）

            （4）

                              （5）

                             （6）

                                  （7）

对式（2）、（3）、（4）求解后，可以得到总的α放射性活度随时间的变化规律为：

   （8）

由于低压单闪烁室7对不同能量的α粒子探测效率相同，都为h，有：

                        （9）

为低压单闪烁室测量装置6测量到的计数随时间的变化规律。

以短时间间隔T为测量周期，T的值为1-10分钟。采用低压单闪烁室测量装置6测量计数，其周期数量大于或等于3个，每个测量周期的计数为，i为测量周期。

根据第i个测量周期的计数求得第i个测量周期的单位时间的平均计数，该平均计数与在该测量周期中点的总α放射性活度的关系为：

                       （10）

利用式（10）对的数据进行非线性拟合，能得到、、的值。

                                       (11)

式中为²²²Rn的浓度；V为低压单闪烁室7的体积；P₂为低压单闪烁室7内的气压；P₀为环境气压。

                                        (12)

式中为²²⁰Rn的浓度。然后就可依据式（11）、（12）求得²²²Rn、²²⁰Rn的浓度：

上述方法采用的测量装置由泵1、第一真空表2、三通3、阀门4、第二真空表5、低压单闪烁室测量装置6、低压单闪烁室7、三通阀8、滤膜9、过滤器10、调节阀11及流量计12组成，泵1通过管道与第一真空表2连接，然后连接到三通3的a端，三通3的b端通过管道依次与过滤器10、调节阀11及流量计12连接，三通3的c端通过管道依次与阀门4、滤膜9、三通阀8、第二真空表5及低压单闪烁室7连接，低压单闪烁室测量装置6对低压单闪烁室7进行计数测量。

实施例二、一种同步测量环境²²⁰Rn、 ²²²Rn混合浓度的方法，其具体操作步骤如下：

关闭第一阀门4，启动泵1，环境²²⁰Rn、²²²Rn混合空气通过流量计12、调节阀11、过滤器10进入三通3，再通过第一真空表2、泵1进入环境。泵1的流率非常高，使得三通3内²²⁰Rn、²²²Rn的浓度与环境中的²²⁰Rn、²²²Rn浓度一致。

低压单闪烁室7上连接有第二真空表5和三通阀8，假设低压单闪烁室7内任意一点到涂敷有硫化锌的表面最大距离为L，降低低压单闪烁室7内的气压， ²²²Rn、²²⁰Rn及其子体衰变放出的α粒子具有不同的能量，相应的射程也不同，其中²²²Rn衰变放出的α粒子能量最小，射程也最小。调节低压单闪烁室7内的气压到P₁，使得²²²Rn衰变放出的α粒子在该气压下射程大于L，这样使得低压单闪烁室7在低压下对²²²Rn、²²⁰Rn及其子体衰变放出的α粒子具有相同的探测效率。用h来表示探测效率，平均一次α衰变，能测量到h个计数。

调节调节阀11，使得三通3内的气压小于或等于P₁。

将三通阀8的a-b端关闭，b-c端打开，外接真空泵对低压单闪烁室7抽真空，抽真空后关闭三通阀8的b-c端，打开三通阀8的a-b端，再同时打开阀门4进行采样。快速完成采样后，同时关闭阀门4，读第二真空表5的读数，记录低压单闪烁室7当前的气压值P₂，P₂小于或等于P₁。启动闪烁室测量装置6开始测量，由于滤膜9过滤了所有的子体，因此认为采样时，没有²²²Rn、²²⁰Rn的子体进入低压单闪烁室7。

在采样结束及测量开始的瞬间，设在低压单闪烁室7内²²²Rn及其子体²¹⁸Po、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi的活度分别为、0、0、0；衰变常数分别为、、、。由于²¹⁴Po的半衰期只有164μs，其半衰期很短，因此人们常把²¹⁴Po的放射性归结为²¹⁴Bi的放射性。低压单闪烁室7内²²⁰Rn的初始活度为，设在低压单闪烁室7内²²⁰Rn的活度为，其子体²¹⁶Po 的活度为，由于²¹⁶Po半衰期非常短，与²²⁰Rn很快达到平衡，²²⁰Rn 衰变常数为，本底活度为A₀，不考虑其他长寿命子体，则根据放射性衰变规律有：

                               （1）

              （2）

             （3）

            （4）

                              （5）

                             （6）

                                  （7）

对式（2）、（3）、（4）求解后，可以得到总的α放射性活度随时间的变化规律为：

   （8）

由于低压单闪烁室7对不同能量的α粒子探测效率相同，都为h，有：

                        （9）

为低压单闪烁室测量装置6测量到的计数随时间的变化规律。

以时间间隔T为测量周期，T的值为1-120分钟。采用低压单闪烁室测量装置6测量计数，其周期数量大于或等于3个，每个测量周期的计数为，i为测量周期。

求总α放射性活度在第i个测量周期的积分：

         （13）

式中是总α放射性活度。

                    (14)

式中是总α放射性活度在第i个测量周期的积分。

应用最小二乘法求解，引入残差：

                      （15）

式中w_i是第i个测量周期的权重因子，权重因子的引入是考虑每个测量周期的计数统计误差不同对拟合结果的误差影响。

根据最小二乘法原理，使得残差取最小值，能得到、、的值，然后就可依据式（11）、（12）求得²²²Rn、²²⁰Rn的浓度。

上述方法采用的测量装置由泵1、第一真空表2、三通3、阀门4、第二真空表5、低压单闪烁室测量装置6、低压单闪烁室7、三通阀8、滤膜9、过滤器10、调节阀11及流量计12组成，泵1通过管道与第一真空表2连接，然后连接到三通3的a端，三通3的b端通过管道依次与过滤器10、调节阀11及流量计12连接，三通3的c端通过管道依次与阀门4、滤膜9、三通阀8、第二真空表5及低压单闪烁室7连接，低压单闪烁室测量装置6对低压单闪烁室7进行计数测量。

实施例三、一种同步测量环境²²⁰Rn、 ²²²Rn混合浓度的方法，其具体操作步骤如下：

关闭第一阀门4，启动泵1，环境²²⁰Rn、²²²Rn混合空气通过流量计12、调节阀11、过滤器10进入三通3，再通过第一真空表2、泵1进入环境。泵1的流率非常高，使得三通3内²²⁰Rn、²²²Rn的浓度与环境中的²²⁰Rn、²²²Rn浓度一致。

低压单闪烁室7上连接有第二真空表5和三通阀8，假设低压单闪烁室7内任意一点到涂敷有硫化锌的表面最大距离为L，降低低压单闪烁室7内的气压， ²²²Rn、²²⁰Rn及其子体衰变放出的α粒子具有不同的能量，相应的射程也不同，其中²²²Rn衰变放出的α粒子能量最小，射程也最小。调节低压单闪烁室7内的气压到P₁，使得²²²Rn衰变放出的α粒子在该气压下射程大于L，这样使得低压单闪烁室7在低压下对²²²Rn、²²⁰Rn及其子体衰变放出的α粒子具有相同的探测效率。用h来表示探测效率，平均一次α衰变，能测量到h个计数。

调节调节阀11，使得三通3内的气压小于或等于P₁。

将三通阀8的a-b端关闭，b-c端打开，外接真空泵对低压单闪烁室7抽真空，抽真空后关闭三通阀8的b-c端，打开三通阀8的a-b端，再同时打开阀门4进行采样。快速完成采样后，同时关闭阀门4，读第二真空表5的读数，记录低压单闪烁室7当前的气压值P₂，P₂小于或等于P₁。启动闪烁室测量装置6开始测量，由于滤膜9过滤了所有的子体，因此认为采样时，没有²²²Rn、²²⁰Rn的子体进入低压单闪烁室7。

在采样结束及测量开始的瞬间，设在低压单闪烁室7内²²²Rn及其子体²¹⁸Po、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi的活度分别为、0、0、0；衰变常数分别为、、、。由于²¹⁴Po的半衰期只有164μs，其半衰期很短，因此人们常把²¹⁴Po的放射性归结为²¹⁴Bi的放射性。低压单闪烁室7内²²⁰Rn的初始活度为，设在低压单闪烁室7内²²⁰Rn的活度为，其子体²¹⁶Po 的活度为，由于²¹⁶Po半衰期非常短，与²²⁰Rn很快达到平衡，²²⁰Rn 衰变常数为，本底活度为A₀，不考虑其他长寿命子体，则根据放射性衰变规律有：

                               （1）

              （2）

             （3）

            （4）

                              （5）

                             （6）

                                  （7）

对式（2）、（3）、（4）求解后，可以得到总的α放射性活度随时间的变化规律为：

   （8）

由于低压单闪烁室7对不同能量的α粒子探测效率相同，都为h，有：

                        （9）

为低压单闪烁室测量装置6测量到的计数随时间的变化规律。

以较长的时间间隔t₁，t₂，t₃为测量周期，t₁，t₂，t₃的值分别为10-240分钟。测量周期为3个，3个测量周期的计数分别为，，。

                               （16）

                             （17）

                            （18）

对式（16）、（17）、（18）、求解，能得到、、的值，然后就可依据式（11）、（12）求得²²²Rn、²²⁰Rn的浓度。

上述方法采用的测量装置由泵1、第一真空表2、三通3、阀门4、第二真空表5、低压单闪烁室测量装置6、低压单闪烁室7、三通阀8、滤膜9、过滤器10、调节阀11及流量计12组成，泵1通过管道与第一真空表2连接，然后连接到三通3的a端，三通3的b端通过管道依次与过滤器10、调节阀11及流量计12连接，三通3的c端通过管道依次与阀门4、滤膜9、三通阀8、第二真空表5及低压单闪烁室7连接，低压单闪烁室测量装置6对低压单闪烁室7进行计数测量。