一種利用活性炭盒測量空氣氡濃度的方法與流程

2023-05-14 06:59:26

本發明涉及氡濃度測量領域，尤其涉及一種利用活性炭盒測量空氣氡濃度的方法。

背景技術：

氡氣是一種示蹤劑，它能夠指示地下礦床、地質構造、地震等等，因此氡氣測量廣泛應用於礦產地質、水文地質、工程地質、災害地質、環境地質等方面。氡氣的放射性對人體的健康是有害的，十幾年前，美國環保局(EPA)在《NATURE》雜誌上公開指出：氡是關係到公共健康的大眾問題；氡氣作為自然放射物存在於土壤、磚、水泥、花崗巖等主要的建築裝修材料中，被認為是僅次於吸菸的第二大致癌因素，世界衛生組織已將氡列為使人致癌的19種最主要的物質之一。隨著我國居民生活水平的不斷提高，人們在追求寬敞的住房面積、優美的住房周邊環境和豪華室內裝修的同時，對居室的環境也越來越重視，人們不僅關注裝修材料中的有害化學物質(如甲醛，苯等)所帶來的危害，也關注另外一個「隱形殺手」氡的危害。因此，室內氡的檢測具有巨大的市場需求。

活性炭是一種多孔性含碳物質，其發達的微孔構造和巨大的比表面積，使其對多種物質具有較強的吸附能力，並在空氣淨化、廢水治理等許多領域得到廣泛應用。由於活性炭對氡具有很強的吸附能力，對吸附了氡氣的活性炭進行γ測量，可以推算活性炭所在環境的氡濃度。目前，活性炭γ能譜測氡法因其價格低廉、測量靈敏度高、操作簡單等特點已經成為當前環境空氣中主流測氡方法之一。

目前，傳統的活性炭測氡方法需要活性炭採集完氡後密封靜置3h後才開始測量氡及其子體的γ計數，當需要同時測量多個樣本時，該方法較為不便。另外，按照我國採用「擬合值」t0.49進行校正的方法，當採樣時間相差較大時，校正誤差也會很大。

技術實現要素：

本發明目的在於提供一種利用活性炭盒測量空氣氡濃度的方法，該方法能夠便捷、精準地測量空氣氡濃度，可以滿足樣本批量測量的要求。

為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：

一種利用活性炭盒測量空氣氡濃度的方法，其測量裝置包括採集器、計時器、低本底γ輻射能譜儀、氡及其子體計算軟體，所述方法包括以下步驟：

步驟S1：將活性炭烘烤後存入磨口瓶中,待用；

步驟S2:稱取適量上述烘烤過的活性炭裝入採樣盒中，並在採樣盒口蓋以濾膜，然後將活性炭盒密封包裝以隔絕外界空氣，即得到空載採集器；

步驟S3：按照國家標準中活性炭測量空氣氡濃度方法的要求進行空載採集器的待測現場布置；

步驟S4：將活性碳盒的密封包裝去除，使活性炭盒暴露於空氣中以吸附氡，即開始採樣，同時用計時器記錄活性炭盒在空氣中的暴露時間，即採樣時間T1；

步驟S5：採樣終止時，將已吸附氡的負載採集器密封，迅速送回實驗室；

步驟S6：採用低本底γ輻射能譜儀對負載採集器內已吸附氡的活性炭進行活性炭γ測量，獲得吸附後總γ計數，將該吸附後總γ計數扣除低本底γ輻射能譜儀本底的總γ計數，獲得實測得到的總γ淨計數COUNTS_M；

同時，用計時器記錄負載採集器的靜置時間T2，所述靜置時間T2是指採樣終止至活性炭γ測量開始的時間間隔；

步驟S7：根據上述得到的採樣時間T1、靜置時間T2、實測得到的總γ淨計數COUNTS_M，由氡及其各子體計算軟體獲得空氣氡濃度，具體如下：

步驟S7-1：設定活性炭盒單位時間內從空氣中吸附的氡原子數為n；

步驟S7-2：基於活性炭盒單位時間內從空氣中吸附的氡原子數n以及原子的衰變鏈分別確定在採樣時間T1內任一時刻和靜置時間T2內任一時刻的氡及其各子體原子數目的理論推導公式；

步驟S7-3：通過上述理論推導公式結合得到的採樣時間T1和靜置時間T2，獲得靜置時間終止時刻即開始活性炭γ測量時的理論計算得到的總γ淨計數COUNTS_C的計算公式；

步驟S7-4：將理論計算得到的總γ淨計數COUNTS_C與實測得到的總γ淨計數COUNTS_M進行比較並不斷校正n，得到精確的活性炭盒單位時間內從空氣中吸附的氡原子數為n；

步驟S7-5：計算獲得空氣氡濃度C_Rn222，其計算公式如下：C_Rn222＝k*n，其k為活性炭盒吸附氡刻度係數，即由刻度實驗得到的活性炭盒單位時間從空氣中吸附的氡原子量與所暴露空氣中的氡濃度關係。

進一步，所述步驟S7-2，採樣時間T1內任一時刻t的氡及其各子體原子數目的理論推導公式如下：

NA(t)＝n+0.9999979NA(t-1)；

NB(t)＝0.99621NB(t-1)+2.1×10-6NA(t-1)；

NC(t)＝0.999569NC(t-1)+0.00379NB(t-1)

ND(t)＝0.999414ND(t-1)+0.000431NC(t-1)；

所述步驟S7-2，靜置時間T2內任一時刻t的氡及其各子體原子數目的理論推導公式如下：

NA(t)＝0.9999979NA(t-1)；

NB(t)＝0.99621NB(t-1)+2.1×10-6NA(t-1)；

NC(t)＝0.999569NC(t-1)+0.00379NB(t-1)；

ND(t)＝0.999414ND(t-1)+0.000431NC(t-1)；

其中，NA(t)為t秒時刻活性炭中222Rn原子數；

NB(t)為t秒時刻活性炭中218Po原子數；

NC(t)為t秒時刻活性炭中214Pb原子數；

ND(t)為t秒時刻活性炭中214Bi原子數。

所述步驟S7-3：理論計算得到的總γ淨計數COUNTS_C的計算公式如下；

COUNTS_C＝0.00431NC(T1+T2)+0.00586ND(T1+T2)]η*TM

其中，η為γ射線探測效率；TM為活性炭γ測量時間，300s。

進一步，步驟S7-4中所述n的初始值為1，在n的校正過程中，以1為n的增量，計算理論計算得到的總γ淨計數COUNTS_C並與實測得到的總γ淨計數COUNTS_M比較，直至理論計算得到的總γ淨計數COUNTS_C不小於實測得到的總γ淨計數COUNTS_M時，將對應的n的值作為精確的活性炭盒單位時間內從空氣中吸附的氡原子數n。

所述步驟S7-4的校正過程藉由計算軟體輔助實現。

所述的低本底γ輻射能譜儀為BH1936低本底多道γ能譜儀。

所述步驟S1：活性炭在115-125℃下烘烤5至6小時。

所述氡及其各子體計算軟體為根據氡及其子體放射性衰變規律編寫的軟體。

所述計時器為具有秒表功能的電子手錶等設備。

本發明採用上述技術方案，通過氡及其子體計算軟體對傳統的活性炭測氡方法做出改進，在活性炭盒測氡實驗中認為活性炭盒均勻地從空氣中吸附氡原子，且單位時間吸附的量正比於空氣的氡濃度，由氡及其各個子體開始採樣計時時刻各自的原子數目(為0)以及它們各自在採樣時間段隨時間變化的一階微分方程關係式可以推得採樣時間內任一時刻氡及其各個子體原子數目，採樣時間終止時刻氡及其各個子體的原子數目即作為靜置時間段初始時刻的氡及其各個子體的原子數目，再由它們各自在靜置時間段隨時間變化的一階微分方程關係式可以推得靜置時間內任一時刻氡及其各個子體原子數目，因此可以得到靜置時間終止時刻(即活性炭γ測量開始時刻)氡及其各個子體的原子數目。由放射性核子數及其衰變常數可以計算活性炭盒在γ測量放出的總γ射線數，由探測效率可以獲得理論計算得到總γ淨計數。通過理論計算與實測結果來不斷校正n(初始設為1，比實際的偏小)，直到得到n的精準值為止。因此，採樣時間或靜置時間的不同不會影響n的計算值，且在n的校正過程中，每次n的增量為1，n的校正誤差絕對值不會超過1。最後由n乘以活性炭盒的刻度係數即得到空氣氡濃度值。

傳統的活性炭測氡方法，活性炭吸附氡終止後需密封靜置3h作為校正，而不同的採樣時間會對最終結果產生不同程度的誤差，需要的靜置時間不同，因此不能完全校正；本發明方法不受採樣時間、靜置時間的影響，可根據需要自行安排靜置時間，然後由氡及其各子體計算軟體給出精準校正，因此本發明方法較傳統方法具有便捷、精準的優點。

附圖說明

圖1為活性炭盒單位時間內從空氣中吸附的氡原子數n的校正過程示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。

如圖1所示，一種利用活性炭盒測量空氣氡濃度的方法，其測量裝置包括採集器、計時器、低本底γ輻射能譜儀、氡及其各子體計算軟體，所述氡及其子體計算軟體為根據氡及其各子體放射性衰變規律編寫的軟體，所述方法包括以下步驟：

步驟S1：將活性炭在115-125℃下烘烤5至6小時後,存入磨口瓶中,待用；

步驟S2:稱取適量上述烘烤過的活性炭裝入採樣盒中，並在採樣盒口蓋以濾膜，然後將活性炭盒密封包裝以隔絕外界空氣，即得到空載採集器；

步驟S3：按照國家標準中活性炭測量空氣氡濃度方法的要求進行空載採集器的待測現場布置；

步驟S4：將活性碳盒的密封包裝去除，使活性炭盒暴露於空氣中以吸附氡，即開始採樣，同時用計時器記錄活性炭盒在空氣中的暴露時間，即採樣時間T1；

步驟S5：採樣終止時，將已吸附氡的負載採集器密封，迅速送回實驗室；

步驟S6：採用低本底γ輻射能譜儀對負載採集器內已吸附氡的活性炭進行活性炭γ測量，獲得吸附後總γ計數，將該吸附後總γ計數扣除低本底γ輻射能譜儀本底的總γ計數，獲得實測得到的總γ淨計數COUNTS_M；

同時，用計時器記錄負載採集器的靜置時間T2，所述靜置時間T2是指採樣終止至活性炭γ測量開始的時間間隔；

步驟S7：根據上述得到的採樣時間T1、靜置時間T2、實測得到的總γ淨計數COUNTS_M，由氡及其各子體計算軟體獲得空氣氡濃度，具體如下：

步驟S7-1：設定活性炭盒單位時間內從空氣中吸附的氡原子數為n(當計時單位為妙時取每秒吸附的氡原子數，為分時取每分鐘吸附的氡原子數)，假定n的初始值為1，在後續n的校正過程中，每次n的增量為1；

步驟S7-2：基於活性炭盒單位時間內從空氣中吸附的氡原子數n以及原子的衰變鏈分別確定在採樣時間T1內任一時刻和靜置時間T2內任一時刻的氡及其各子體原子數目的理論推導公式；

具體的，採樣時間T1內任一時刻t的氡及其各子體原子數目的理論推導公式如下：

NA(t)＝n+0.9999979NA(t-1)；

NB(t)＝0.99621NB(t-1)+2.1×10-6NA(t-1)；

NC(t)＝0.999569NC(t-1)+0.00379NB(t-1)

ND(t)＝0.999414ND(t-1)+0.000431NC(t-1)；

靜置時間T2內任一時刻t的氡及其各子體原子數目的理論推導公式如下：

NA(t)＝0.9999979NA(t-1)；

NB(t)＝0.99621NB(t-1)+2.1×10-6NA(t-1)；

NC(t)＝0.999569NC(t-1)+0.00379NB(t-1)；

ND(t)＝0.999414ND(t-1)+0.000431NC(t-1)；

步驟S7-3：通過上述理論推導公式結合得到的採樣時間T1和靜置時間T2，獲得靜置時間終止時刻即開始活性炭γ測量時的理論計算得到的總γ淨計數COUNTS_C的計算公式，具體如下:

COUNTS_C＝0.00431NC(T1+T2)+0.00586ND(T1+T2)]η*TM

其中，η為γ射線探測效率；TM為活性炭γ測量時間，300s。

步驟S7-4：將理論計算得到的總γ淨計數COUNTS_C與實測得到的總γ淨計數COUNTS_M進行比較並不斷校正n，n的初始值為1，在n的校正過程中，以1為n的增量，計算理論計算得到的總γ淨計數COUNTS_C並與實測得到的總γ淨計數COUNTS_M比較，直至理論計算得到的總γ淨計數COUNTS_C不小於實測得到的總γ淨計數COUNTS_M時，將對應的n的值作為精確的活性炭盒單位時間內從空氣中吸附的氡原子數n。校正過程藉由計算軟體輔助實現，具體如圖1所示；

步驟S7-5：計算獲得空氣氡濃度C_Rn222，其計算公式如下：C_Rn222＝k*n，其k為活性炭盒吸附氡刻度係數，即由刻度實驗得到的活性炭盒單位時間從空氣中吸附的氡原子量與所暴露空氣中的氡濃度關係。

在活性炭盒測氡實驗中認為活性炭盒均勻地從空氣中吸附氡原子，且單位時間吸附的量正比於空氣的氡濃度，由氡及其各個子體開始採樣計時時刻各自的原子數目(為0)以及它們各自在採樣時間段隨時間變化的一階微分方程關係式可以推得採樣時間內任一時刻氡及其各個子體原子數目，採樣時間終止時刻氡及其各個子體的原子數目即作為靜置時間段初始時刻的氡及其各個子體的原子數目，再由它們各自在靜置時間段隨時間變化的一階微分方程關係式可以推得靜置時間內任一時刻氡及其各個子體原子數目，因此可以得到靜置時間終止時刻(即活性炭γ測量開始時刻)氡及其各個子體的原子數目。由放射性核子數及其衰變常數可以計算活性炭盒在γ測量放出的總γ射線數，由探測效率可以獲得理論計算得到總γ淨計數。通過理論計算與實測結果來不斷校正n(初始設為1，比實際的偏小)，直到得到n的精準值為止。具體推導過程，詳細說明如下：

衰變鏈：

當t＝0時：

NA(0)＝0；

NB(0)＝0；

NC(0)＝0；

ND(0)＝0；

當0<t<＝T1時：

當T1<t時：

NA(t)—t秒時刻活性炭中222Rn原子數；

NB(t)—t秒時刻活性炭中218Po原子數；

NC(t)—t秒時刻活性炭中214Pb原子數；

ND(t)—t秒時刻活性炭中214Bi原子數；

以1秒為時間步長，將上述微分方程組寫成差分方程組：

0<t<＝T1時：

T1<t時：

因此，

0<t<＝T1時：

NA(t)＝n+(1-λA)NA(t-1)

NB(t)＝λANA(t-1)+(1-λB)NB(t-1)

NC(t)＝λBNB(t-1)+(1-λC)NC(t-1)

ND(t)＝λCNC(t-1)+(1-λD)ND(t-1)

T1<t時：

NA(t)＝(1-λA)NA(t-1)

NB(t)＝λANA(t-1)+(1-λB)NB(t-1)

NC(t)＝λBNB(t-1)+(1-λC)NC(t-1)

ND(t)＝λCNC(t-1)+(1-λD)ND(t-1)

將λA＝2.1×10-6s-1

λB＝3.79×10-3s-1

λC＝4.31×10-4s-1

λD＝5.86×10-4s-1

代入上式得

0<t<＝T1時：

NA(t)＝n+0.9999979NA(t-1)

NB(t)＝0.99621NB(t-1)+2.1×10-6NA(t-1)

NC(t)＝0.999569NC(t-1)+0.00379NB(t-1)

ND(t)＝0.999414ND(t-1)+0.000431NC(t-1)

T1<t時：

NA(t)＝0.9999979NA(t-1)

NB(t)＝0.99621NB(t-1)+2.1×10-6NA(t-1)

NC(t)＝0.999569NC(t-1)+0.00379NB(t-1)

ND(t)＝0.999414ND(t-1)+0.000431NC(t-1)

根據編寫的程序可以計算開始γ測量時的NA(T1+T2)，NB(T1+T2)，NC(T1+T2)，ND(T1+T2)，此時的理論計算總γ淨計數為：

[λCNC(T1+T2)+λDND(T1+T2)]η*TM

η為γ射線探測效率；TM為γ測量時間300s。

本發明通過氡及其子體計算軟體對傳統的活性炭測氡方法作出改進，因採樣時間、靜置時間作為輸入參數對輸出結果不產生影響，因此較傳統方法在準確度上有所提高。此外，本發明可以根據需要合理安排靜置時間，在進行多個樣本的測量時較為便捷、精準。