測氡用光纖傳感器的製作方法
2023-04-23 07:17:56 3
專利名稱：測氡用光纖傳感器的製作方法
技術領域：
技術領域：
本實用新型涉及放射性氣體測量、地震預報、環境保護、礦產勘察等領域，具體說是一種測氡用光纖傳感器。
背景技術：
氡是由鐳衰變生成的惰性放射性氣體。由於其特殊的化學特性，現已成為我國地震水文地球化學最主要的觀測項目，並在地震預報中具有舉足輕重的作用。氡在活斷層監測和礦產勘察中也有廣泛的應用。另外，隨著研究的深入發現，氡對人體健康具有強烈的危害。因此，氡的測量方法及技術一直科學家所重視。氡的測量方法無一另外地利用被取樣下來的氡及其子體的輻射特性來實現測量的。目前，測氡方法主要有以下幾種1空腔取樣的測量方法空腔取樣的空腔通常是閃爍室或電離室。
閃爍室法是在取樣空腔內壁塗上對a輻射能產生激發發光的物質(如ZnS)，取樣在空腔內的氡及其子體衰變發出的a粒子轟擊這種發光物質從而產生光子，這些光子通過光電倍增管的放大並以電脈衝數被記錄下來，就相當於把氡及其子體發射的a粒子記錄下來。如果單位時間內產生的電脈衝數與氡濃度成正比，則氡濃度與脈衝數之間將有如下關係cRn=ks(n0-nb)V=ksnV---(1)]]>式中，CRn為空氣中的氡濃度；V為空氣取樣體積；n0為記數率；nb為儀器的本底記數率；ks為一刻度常數。因此可用已知濃度的氡氣來標定閃爍室，來確定其刻度常數，從而進行氡氣的測量。
電離室是一種圓柱形的或球形的或其它形狀的金屬空腔。中央裝有一個與室壁絕緣的中央電極，在中央電極與室壁之間需要加上一定的電壓。由於氡及其子體發射的a粒子對空氣具有一定的電離作用，使空氣產生正負離子，這樣正離子向負電極上運動並積累在負電極上，從而在電離室兩個電極之間形成電離電流。測出這種電離電流或電極上積累的電荷量，就可以與氡濃度聯繫起來。
空腔取樣測量方法的主要缺點是1)人工取樣，無法實現在線自動測量；2)樣品是在地表或近地表獲得的，觀測資料明顯受到氣象、環境等因素的幹擾；3)測量周期長，通常需要靜置空腔1小時以上，待氡及其子體反應平衡以後才能進行測量。測量完成以後，必須用空氣多次清洗空腔，以消除長壽命氡子體對空腔本底的影響；4)需要較大體積的樣品；5)要進行繁瑣的儀器標定環節。
2雙濾膜取樣的測量方法雙濾膜取樣法是用兩張過濾膜，兩濾膜之間有一定的衰變容器。用抽氣泵抽氣時，含氡空氣首先經過容器進口處的第一張濾膜去除掉氡子體，只含有氡氣的空氣進入衰變容器，在其出口中的第二張濾膜將衰變出的RaA被收集在第二張濾膜上，通過測量第二張濾膜上的RaA的a活度來推算出空氣中的氡濃度。
雙濾膜取樣雖然大大縮短了氡測量的周期，但其測量精度不夠高，另外還需要大體積的樣品。在壤中氣測量時往往會破壞地下氣體的平衡狀態，測量的準確性很難得到保證。
另外，還有一些氡的的測量方法，如活性碳吸附取樣測量方法、被動式取樣測量方法等。這些方法都有其不足之處。
為解決以上問題，尤其隨著地震前兆數位化觀測的需要，國內外已出現不少不同類型的自動測氡儀，這些設備體積龐大、維修困難、輔助設備眾多，因此也未廣泛得以推廣。數位化測氡中探頭部分和人工取樣測氡一樣採用了閃爍計數法，其原理都是氡原子在閃爍室中發生衰變，然後利用衰變過程中產生的a粒子轟擊硫化鋅閃爍體後發出螢光的強度來確定氡的含量。氡的數位化觀測測，其優點諸如大大降低了工作量及人為誤差、提供了豐富的數據觀測資料等都是顯而易見的。但氡的數位化遙測已暴露和潛在著以下問題1)氡測量不穩定，受流量、氣溫等因素的幹擾現象較為嚴重，受這些因素的影響，氡測值可能出現一定的變化形態，這種變化中既有隨機因素的幹擾又有非隨機因素的影響，因此嚴重影響測量的準確性；2)出現了一些新的影響因素，如探測儀器長期在地下流體的作用下，難免會產生水垢沉澱物或發生生物化學汙染，降低了探測儀器的靈敏度等；3)儀器的標定等面臨著新的難題；4)儀器體積龐大，要求另外一些配套設施和設備(如要新建觀測室、解決野外電力資源等問題)；5)閃爍室老化嚴重。閃爍室需要較為乾燥的觀測環境，目前數位化測氡中採用了所謂的流通方式，即含氡的氣體源源不斷地從閃爍室中流過，採集器定時採集數據，在這個過程中，大量的水蒸氣的通過勢必會嚴重影響閃爍室的壽命。
總之，傳統的測量方法存在著諸多的不足，氡的數位化遙測雖然有一定的先進性，但確實也存在不少的問題。
發明內容本實用新型的目的是提供一種體積小、重量輕，能將傳感器直接放在氣體樣品中，用光纖進行遠距離信號傳輸，實現氡的在線、快速和準確遙測，及測後無需用空氣衝洗閃爍室的一種測氡用光纖傳感器。
實現本實用新型目的的技術方案為一種測氡用光纖傳感器，包括光纖螢光探頭、傳輸光纖、能譜儀及數據處理存儲設備四部分組成，所述的光纖螢光探頭通過傳輸光纖與能譜儀連通，能譜儀與數據處理存儲設備連通。
光纖螢光探頭的上端設一光學耦合器件，光學耦合器件上接有出射光纖，探頭中部設有光纖線圈，探頭內壁塗有螢光物質，探頭外壁包裹有聚合物膜。
所述的光纖螢光探頭也可以是底部設一反射鏡，上端設一光學耦合器件，光學耦合器件上接有出射光纖，探頭中部為空腔，探頭內壁塗有螢光物質，外壁包裹有聚合物膜。
本實用新型具有以下優點1)利用能譜分離技術，因此可以消除子體對氡測量影響，作到快速測量；2)利用光信號來傳遞被測量信息，因此具有較高的抗電磁幹擾能力；3)體積小(如10cm×10mm)，因此可以將傳感器放在較小的空隙內；4)用光纖傳輸測量信號，尺寸小、重量輕、靈敏度高和被測量範圍廣；5)光纖的應用使遠距離測量和地下測量成為可能，信號利用目前新型號的光纖進行長途傳輸(長達幾十公裡)而無須任何中繼放大，因此測試儀器和泉點可以保持相當的距離，這一點在實際應用中重要的意義。如①地下壤中氡氣測量傳統的測量方法使用特製的取樣器，將氣樣取回實驗室進行分析。該方法缺點甚多，一是取樣深度較淺，樣品易受地表環境因素的影響，實現深部取樣較為困難；二是實驗室分析易受環境和氣象因素的影響，氣氡測值的時間序列資料可能含有較多的非地震異常信息。若採用新型測氡用光纖傳感器，我們可以將傳感器沿鑽機鑽孔直接置於地下深部，這樣無疑就解決了以上問題。②.遠距離遙測而無須要新建觀測室、無須要解決野外電力資源等問題，比如我們可以將光纖傳感器的信號利用將光纖傳到距離較遠、觀測條件較好的地方，而無須將儀器放在泉點周圍，這樣可以節省大量資金，也便於儀器檢修。
6)光纖耐輻射、耐高溫，因此完全可以用於高溫氣氡的測定等；7)光纖電絕緣，消除了與地面隔離的問題，安全可靠；8)多個測項可以復用同一條光纖，如可將CO2、CH4等的被測量信號用同一條光纖傳到遠處的臺站；9)光纖傳感器性質穩定，不與水氣、酸鹼等反應，因此儀器一旦標定，使用壽命將很長；
圖1為本實用新型結構示意圖圖2為本實用新型探頭結構示意圖圖3為本實用新型另一種探頭的結構示意圖具體實施方式
本實用新型利用螢光技術來實現測量。氡通過自然擴散作用進入光纖螢光探頭1，光纖螢光探頭1將氡及其子體發出a離子的能量轉化為光能，利用光纖將螢光傳輸至能譜儀3，能譜儀3可直接測量出氡及其子體RaA的濃度，從而實現氡測量。
光纖螢光探頭1的主要作用是完成將a離子的能量轉化為光能。其中的聚合物膜9允許氣體可以自由進入，但它可以阻止直徑較大的灰塵進入探頭腔10內，聚合物膜還有一定屏光作用，以防止自然光的進入。
螢光物質主要用於換能作用，它可將a離子的動能轉變為光能。
光纖線圈去除掉部分反射層，其主要用於收集螢光。
光學耦合器件及其出射光纖，主要將光纖線圈收集螢光的螢光傳輸至探測器。
在製造光纖螢光探頭時，也可直接將螢光物質塗於探頭的內壁，用透鏡來會聚產生的螢光。
氡子體的產生過程與氡類似，不過氡子體的母體核素是氡，表1為氡及其子體的放射性特徵。在鐳積累氡的過程中，氡子體也隨之增長。
表1氡及其子體的放射性特徵
在這個連續衰變系列中，可得任何一個放射性中間子體的原子數和放射性活度隨時間的變化關係Nn=N0(h0e-t+h1e1t+h2e-2t+..........hne-nt)---(2)]]>An=nA0(h0e-t+h1e-1t+h2e-2t+.........hne-nt)---(3)]]>其中h=12...n-1(1-)(2-)...(n-)----(4)]]>h1=12...n-1(-1)(2-1)...(n-1)---(5)]]>................................................................................hn=12...n-1(-n)(1-n)...(n-1-n)---(6)]]>綜上所述，連續衰變系列中任一中間子體的衰變規律不再是簡單的指數衰減了，它們隨時間的變化不僅與本身的衰變常數有關，而且與前面所有放射性同位素(包括母體)的衰變常數都有關。由式(2)、式(3)可以計算出，由於在相當長的時間以後(t≥10T，T衰變系列中壽命最長的中間子體的半衰期)，這個系列必然會達到長期平衡，即各個放射體的放射性活度彼此相等A＝A1＝A2＝A3＝A4＝A5 (7)在長期平衡建立以後，任何時候任一不穩定子體的增長率都等於它自身的衰變率，即所有中間子體的放射性活度等於母體的活度，它們均按母體的半衰期呈指數衰減。氡子體的性質與氡不同，它們不是氣體，而是重金屬的固體顆粒。這些粒子的直徑為0.001-0.04μm，滿足大氣中氣溶膠的存在條件(d＜0.5μm)，所以氡子體形成很穩定的微分散氣溶膠。
由於氡的第一代子體RaA的半衰期很短，所以可認為在瞬間測量時，氡和RaA的放射性活度相等，用α能譜儀很容易測量出氡和RaA的活度或濃度。同時，採用α能譜儀後，雖然氡的其它具有α放射性的長壽命子體可能累積在光纖螢光探頭內，但在氡測量時不採用這些譜信息，所以這些子體的存在並不影響氡的準確測量。
測量時，將傳感器的探頭1直接放在待測量的氣樣中，對地下壤中氣進行測量時，可沿鑽機鑽孔將探頭放在底下深處，氣樣中的氡氣通過自然擴散作用進入探頭空腔中，由於氡及其子體在放射性衰變過程中發出的a離子致使塗在探頭內壁上的螢光物質7發出激發光，這種激發光通過收集並通過光纖傳輸到能譜儀3，能譜儀可以測量出氡及其子體的放射性活度，其中可用氡的活度或RaA的活度來計算氡的濃度。
權利要求1.一種測氡用光纖傳感器，包括光纖螢光探頭、傳輸光纖、能譜儀及數據處理存儲設備四部分組成，其特徵在於所述的光纖螢光探頭(1)通過傳輸光纖(2)與能譜儀(3)連通，能譜儀(3)與數據處理存儲設備(4)連通。
2.根據權利要求1所述的一種測氡用光纖傳感器，其特徵在於所述的光纖螢光探頭(1)的上端設一光學耦合器件(6)，光學耦合器件(6)上接有出射光纖(5)，探頭(1)中部設有光纖線圈(8)，探頭(1)內壁塗有螢光物質(7)，探頭(1)外壁包裹有聚合物膜(9)。
3.根據權利要求1所述的一種測氡用光纖傳感器，其特徵在於所述的光纖螢光探頭(1)的底部設一反射鏡(11)，光纖螢光探頭(1)的上端設一光學耦合器件(6)，光學耦合器件(6)上接有出射光纖(5)，探頭(1)中部為空腔，探頭(1)內壁塗有螢光物質(7)，外壁包裹有聚合物膜(9)。
專利摘要本實用新型公開了一種測氡用光纖傳感器,包括光纖螢光探頭、傳輸光纖、能譜儀及數據處理存儲設備四部分組成,光纖螢光探頭通過傳輸光纖與能譜儀連通,能譜儀與數據處理存儲設備連通。光纖螢光探頭的上端設一光學耦合器件,光學耦合器件上接有出射光纖,探頭內壁塗有螢光物質,探頭外壁包裹有聚合物膜,探頭中部也可設一光纖線圈。本實用新型體積小、重量輕,能將傳感器直接放在氣體樣品中,用光纖進行遠距離信號傳輸,實現氡的在線、快速和準確遙測,測後無需用空氣衝洗閃爍室。
文檔編號G01N21/64GK2510860SQ0127673
公開日2002年9月11日 申請日期2001年12月14日 優先權日2001年12月14日
發明者潘樹新, 劉耀煒, 高安泰, 施錦, 曹玲玲 申請人:中國地震局蘭州地震研究所