本發(fā)明涉及一種射氣巖石介質(zhì)氡析出率測(cè)量裝置，特別是涉及一種壓差可調(diào)式射氣巖石介質(zhì)氡析出率測(cè)量裝置。本發(fā)明還涉及該壓差可調(diào)式射氣巖石介質(zhì)氡析出率測(cè)量裝置的使用方法。

背景技術(shù)：

射氣巖石介質(zhì)是含有鐳元素(²²⁶Ra)的巖石，它屬于多孔介質(zhì)的一種。常見(jiàn)的射氣巖石介質(zhì)包括天然建材、天然石材、天然巖礦、鈾礦石等，它們均可向外部介質(zhì)自發(fā)或人為地釋放出放射性有害氣體——氡(²²²Rn)。目前，被世人廣泛接受的氡在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移機(jī)理主要包括以下兩種：(1)以濃度梯度為動(dòng)力的氡擴(kuò)散，它促成氡的主動(dòng)運(yùn)移；(2)以壓力梯度為動(dòng)力的氡滲流(或?qū)α?，它促成氡的被動(dòng)運(yùn)移。氡的滲流問(wèn)題廣泛存在于有氡污染的地下礦山、人防工程、石材/建材廠、居室等受限空間內(nèi)，其所造成的空氣污染，往往較氡擴(kuò)散而言更為嚴(yán)重，長(zhǎng)期處于氡濃度超過(guò)限定標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境中極易誘發(fā)肺癌。通風(fēng)是解決上述問(wèn)題最為有效的方法之一，其作用具體體現(xiàn)在以下兩方面：(1)稀釋已從射氣巖石介質(zhì)表面析出至空氣中的氡的濃度，這必然能減少環(huán)境中的氡量；(2)通風(fēng)方式(主要為壓入式、抽出式或壓抽混合式，它們可營(yíng)造出正壓或負(fù)壓環(huán)境)影響氡在射氣巖石介質(zhì)內(nèi)部的運(yùn)移，可能是抑制氡的析出，但也有可能利于氡的析出。通常情況下，通風(fēng)方式的選擇涉及到風(fēng)機(jī)選擇與安裝位置、風(fēng)壓調(diào)節(jié)、風(fēng)管設(shè)置以及風(fēng)路規(guī)劃等一系列問(wèn)題，是通風(fēng)工程中的重中之重；氡析出率是綜合表征射氣巖石介質(zhì)中氡的運(yùn)移及析出情況的重要參數(shù)，它指的是單位面積、單位時(shí)間內(nèi)介質(zhì)表面析出的氡的放射性活度。為此，通過(guò)研究不同壓差作用下射氣巖石介質(zhì)氡的析出情況，可從理論上為通風(fēng)方式的選擇提供有益的啟示與指引，而目前尚無(wú)一套有效針對(duì)不同壓差作用下射氣巖石介質(zhì)氡析出率進(jìn)行有效測(cè)量的裝置以及計(jì)算方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種能有效針對(duì)不同壓差作用下射氣巖石介質(zhì)氡析出率進(jìn)行有效測(cè)量的壓差可調(diào)式射氣巖石介質(zhì)氡析出率測(cè)量裝置。

本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供該壓差可調(diào)式射氣巖石介質(zhì)氡析出率測(cè)量裝置的使用方法。

為了解決上述第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的壓差可調(diào)式射氣巖石介質(zhì)氡析出率測(cè)量裝置，試樣箱的上端連接有密封頂蓋，所述的試樣箱的下端連接有筒體底座且所述的試樣箱與筒體底座之間連接有多孔透氣板，所述的密封頂蓋的內(nèi)部構(gòu)成有集氡空間，所述的筒體底座的內(nèi)部構(gòu)成有緩沖空間，頂蓋空氣加注模塊的出口和頂蓋真空抽氣模塊的進(jìn)口經(jīng)乙烯樹(shù)脂管與所述的密封頂蓋的所述的集氡空間連接且所述的乙烯樹(shù)脂管上連接有第一精密數(shù)字氣壓表，底座氮?dú)饧幼⒛K的出口和底座真空抽氣模塊的進(jìn)口與所述的筒體底座的所述的緩沖空間經(jīng)乙烯樹(shù)脂管連接且所述的乙烯樹(shù)脂管上連接有第二精密數(shù)字氣壓表，頂蓋真空抽氣模塊的出口和底座真空抽氣模塊的出口經(jīng)乙烯樹(shù)脂管與真空泵模塊連接。通過(guò)頂蓋空氣加注模塊、頂蓋真空抽氣模塊和真空泵模塊可實(shí)現(xiàn)集密封頂蓋所構(gòu)成的集氡空間內(nèi)氣壓微調(diào)、空氣凈化及取樣測(cè)量于一體的功能；通過(guò)底座氮?dú)饧幼⒛K、底座真空抽氣模塊和真空泵模塊可實(shí)現(xiàn)集筒體底座所構(gòu)成的緩沖空間內(nèi)氣壓微調(diào)及取樣測(cè)量于一體的功能。

所述的試樣箱由有機(jī)玻璃制成，呈中空?qǐng)A筒狀；為便于柱狀的巖樣的取放，所述的試樣箱沿垂向?qū)Ψ譃閮蓚€(gè)規(guī)格相同的半圓筒，且在該半圓筒起點(diǎn)和終點(diǎn)沿徑向分別設(shè)置對(duì)稱的縱向法蘭，并在所述的縱向法蘭的上部和底部分別設(shè)置對(duì)稱的橫向法蘭；所述的縱向法蘭和所述的橫向法蘭分別設(shè)有第一連接孔和第二連接孔；使用螺栓穿過(guò)所述的縱向法蘭上預(yù)留的所述的第一連接孔將兩者緊密連接，構(gòu)成完整的圓柱狀的所述的試樣箱，所述的縱向法蘭之間設(shè)有密封墊圈；所述的試樣箱內(nèi)與巖樣之間墊有一層由彈性橡膠制成的密封套，為保證良好的密封效果，其厚度略大于所述的試樣箱內(nèi)徑與所述的巖樣直徑之差的一半。

所述的密封頂蓋采用有機(jī)玻璃制成，呈中空?qǐng)A筒狀，所述的密封頂蓋上設(shè)有排氣孔、頂蓋法蘭、第三連接孔和連接氣管；所述的排氣孔共兩個(gè)，對(duì)稱設(shè)在密封頂蓋筒壁下緣，每個(gè)所述的排氣孔均配套有橡皮塞；所述的密封頂蓋的筒體內(nèi)徑與所述的巖樣一致；所述的頂蓋法蘭及其上預(yù)留的所述的第三連接孔與所述的試樣箱的所述的橫向法蘭及其上預(yù)留的第二連接孔完全對(duì)應(yīng)；所述的連接氣管為有機(jī)玻璃材質(zhì)，從所述的密封頂蓋的中心位置插入，并使用有機(jī)玻璃膠將其與所述的密封頂蓋固接，其插入所述的集氡空間內(nèi)的部分均布密集微孔，其目的一是為了均勻排除所述的集氡空間內(nèi)的空氣，二是為了提高采樣的代表性。

所述的多孔透氣板為有機(jī)玻璃材質(zhì)，其外邊緣輪廓與所述的試樣箱的所述的橫向法蘭一致，并在對(duì)應(yīng)位置設(shè)有第四連接孔；在所述的多孔透氣板正中心與所述的巖樣橫截面大小相同的區(qū)域內(nèi)均布若干直徑4mm～6mm的通氣孔。

所述的筒體底座采用有機(jī)玻璃制成，呈中空?qǐng)A筒狀，內(nèi)徑與所述的巖樣直徑相同；所述的筒體底座帶有底面，底面中心位置連有采用有機(jī)玻璃材質(zhì)制成的連接管路，另外，在底面下設(shè)有多根實(shí)心有機(jī)玻璃柱作為整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的支架；底座法蘭及其上預(yù)留的第五連接孔與所述的多孔透氣板吻合。

所述的試樣箱與所述的密封頂蓋分別通過(guò)橫向法蘭與頂蓋法蘭由螺栓相應(yīng)地穿過(guò)第二連接孔與第三連接孔連為一體，且中間設(shè)有第一橡膠密封墊圈；所述的試樣箱、多孔透氣板與所述的筒體底座由螺栓對(duì)應(yīng)穿過(guò)第二連接孔、第四連接孔與第五連接孔連接在一起，且在所述的橫向法蘭與所述的多孔透氣板之間、底座法蘭與所述的多孔透氣板之間分別設(shè)有第二橡膠密封墊圈和第三橡膠密封墊圈。

所述的頂蓋空氣加注模塊的作用為對(duì)集氡空間內(nèi)的氣壓進(jìn)行調(diào)節(jié)(主要為微調(diào)增壓)以及通風(fēng)排氡，由充氣泵、干燥管、第一微量調(diào)節(jié)閥、第一微小數(shù)顯流量計(jì)以及第一閥門、第二閥門、第三閥門、第四閥門經(jīng)乙烯樹(shù)脂管連接而成，充氣泵的出口連接第一閥門，進(jìn)口對(duì)空連接的第二閥門的出口和第一閥門的出口均與干燥管的進(jìn)口連接，干燥管的出口一路與第四閥門的進(jìn)口連接，一路與依次串聯(lián)的第一微量調(diào)節(jié)閥、第一微小數(shù)顯流量計(jì)和第三閥門中的第一微量調(diào)節(jié)閥的進(jìn)口連接，第三閥門的出口和第四閥門的出口與所述的第一精密數(shù)字氣壓表連接；所述的干燥管內(nèi)裝滿有無(wú)水CaSO₄干燥劑，其作用為排除進(jìn)氣濕度的影響；由充氣泵、第一閥門、干燥管及第四閥門經(jīng)乙烯樹(shù)脂管(20)連接構(gòu)成的氣流管路為快速凈化集氡空間提供新鮮空氣；由第二閥門、干燥管、第一微量調(diào)節(jié)閥、第一微小數(shù)顯流量計(jì)和第三閥門經(jīng)乙烯樹(shù)脂管連接構(gòu)成的另一支氣流管路，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述的集氡空間內(nèi)氣壓的精密微調(diào)。

所述的底座氮?dú)饧幼⒛K的作用為對(duì)所述的緩沖空間內(nèi)的氣壓進(jìn)行調(diào)節(jié)(主要為微調(diào)增壓)，它由高壓氮?dú)馄俊p壓穩(wěn)壓閥、第二微量調(diào)節(jié)閥、第二微小數(shù)顯流量計(jì)及第五閥門經(jīng)乙烯樹(shù)脂管連接而成；所述的底座氮?dú)饧幼⒛K用于為底部緩沖空間注氮加壓。

所述的頂蓋真空抽氣模塊的作用為對(duì)集氡空間內(nèi)的氣壓進(jìn)行調(diào)節(jié)(主要為減壓)以及采樣測(cè)氡，它由第一濾塵器、第一球型閃爍室以及第六閥門、第七閥門、第八閥門、第九閥門經(jīng)乙烯樹(shù)脂管連接而成，第九閥門與依次串聯(lián)的第六閥門、第一濾塵器、第七閥門、第一球型閃爍室和第八閥門并聯(lián)，一端與第一精密數(shù)字氣壓表連接，另一端與真空泵模塊連接；第六閥門、第一濾塵器、第七閥門、第一球型閃爍室、第八閥門和真空泵模塊經(jīng)乙烯樹(shù)脂管連接構(gòu)成的氣流管路，用于采集集氡空間內(nèi)的空氣至球型閃爍室；第六閥門和真空泵模塊經(jīng)乙烯樹(shù)脂管連接構(gòu)成的氣流管路，用于抽排集氡空間內(nèi)的空氣，降低集氡空間內(nèi)的氣壓。

所述的底座真空抽氣模塊與頂蓋真空抽氣模塊相同，其作用為對(duì)緩沖空間內(nèi)的氣壓進(jìn)行調(diào)節(jié)(主要為減壓)以及采樣測(cè)氡，它由第二濾塵器、第二球型閃爍室以及第十閥門、第十一閥門、第十二閥門、第十三閥門經(jīng)乙烯樹(shù)脂管連接而成，第十三閥門與依次串聯(lián)的第十閥門、第二濾塵器、第十一閥門、第二球型閃爍室和第十二閥門并聯(lián)，一端與第二精密數(shù)字氣壓表連接，另一端與真空泵模塊連接。

所述的真空泵模塊由真空泵和真空表經(jīng)乙烯樹(shù)脂管串聯(lián)連接而成。

所述巖樣可以是工程現(xiàn)場(chǎng)鉆切而成的原巖，也可以是與原巖成一定相似比的類射氣巖石相似材料，其高徑比大于1.5，小于2；所述的試樣箱內(nèi)壁高度分別為集氡空間、緩沖空間內(nèi)壁高度的3倍與10倍左右；所述的第一精密數(shù)字氣壓表、第二精密數(shù)字氣壓表的量程均為150kPa，精度0.05％/FS；所述的第一微小數(shù)顯流量計(jì)、第二微小數(shù)顯流量計(jì)量程均為2L/min，精度為1.5％/FS；所述的充氣泵充氣速率為60L/min；所述的真空泵轉(zhuǎn)速為320r/min，抽氣速率4L/s。

為了上述第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的壓差可調(diào)式射氣巖石介質(zhì)氡析出率測(cè)量裝置的使用方法，包括對(duì)射氣巖石介質(zhì)氡析出率的測(cè)量及計(jì)算：

步驟1、先將頂蓋空氣加注模塊、頂蓋真空抽氣模塊、第一精密數(shù)字氣壓表同密封頂蓋連接，再將底座氮?dú)饧幼⒛K、底座真空抽氣模塊、第二精密數(shù)字氣壓表同筒體底座連接，然后將多孔透氣板與筒體底座連接在一起，并將制備好的巖樣放置在多孔透氣板上，最后將試樣箱組裝并與密封頂蓋及筒體底座連接；實(shí)驗(yàn)組裝過(guò)程中，將所有閥門關(guān)閉；

步驟2、打開(kāi)第九閥門和第十三閥門，并開(kāi)啟真空泵，3-5分鐘后關(guān)閉第九閥門和第十三閥門，同時(shí)記錄第一精密數(shù)字壓力表和第二精密數(shù)字壓力表顯示的壓力值；再將整個(gè)裝置靜置約20min，再次記錄第一精密數(shù)字壓力表和第二精密數(shù)字壓力表顯示的壓力值；若兩個(gè)精密數(shù)字壓力表前后兩次所記錄的壓力值均幾乎為零，那么認(rèn)為裝置氣密性良好；否則，應(yīng)檢查裝置連接處是否連接完好、存在漏氣現(xiàn)象，直到保證良好氣密性為止；

步驟3、打開(kāi)第二閥門和第三閥門，通過(guò)調(diào)節(jié)第一微量調(diào)節(jié)閥，使第一微小數(shù)顯流量計(jì)顯示的瞬時(shí)流量值為1L/min左右，當(dāng)?shù)谝痪軘?shù)字壓力表顯示的集氡空間壓力值為某一預(yù)定值(記為P_j)后，關(guān)閉第二閥門和第三閥門；同樣地，打開(kāi)高壓氮?dú)馄?，調(diào)節(jié)減壓穩(wěn)壓閥，保持較小的輸氣壓力，然后打開(kāi)第五閥門，小心調(diào)節(jié)第二微量調(diào)節(jié)閥，使第一微小數(shù)顯流量計(jì)顯示的瞬時(shí)流量值為1L/min左右，當(dāng)?shù)诙軘?shù)字壓力表顯示的緩沖空間壓力值(記為P_h)與集氡空間壓力值P_j一致時(shí)，關(guān)閉高壓氮?dú)馄颗c第五閥門；

步驟4、將實(shí)驗(yàn)裝置靜置，使巖樣內(nèi)的氡以純擴(kuò)散的方式在集氡空間與緩沖空間內(nèi)積累，一周后，緩沖空間內(nèi)的氡因反擴(kuò)散及自身衰變作用的影響，其濃度穩(wěn)定到某一最大值后將保持不變；再打開(kāi)第一閥門和第四閥門，拔掉排氣孔上的橡皮塞，并開(kāi)啟充氣泵排氣5min以凈化集氡空間，使其內(nèi)氡濃度與外界大氣本底值(記為C₀)一致后，先后關(guān)閉充氣泵、第一閥門、第四閥門及重新將排氣孔塞上橡皮塞；再打開(kāi)第九閥門，并開(kāi)啟真空泵對(duì)集氡空間進(jìn)行抽真空，3-5分鐘后關(guān)閉第九閥門與真空泵；然后重復(fù)上述步驟3對(duì)頂蓋空氣加注模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)的部分，使集氡空間內(nèi)的氣壓為P_j1(P_j1≤P_h)；

步驟5、打開(kāi)第八閥門與真空泵，對(duì)第一球型閃爍室進(jìn)行抽真空，3-5分鐘后關(guān)閉第八閥門及真空泵；在集氡時(shí)間達(dá)0.5h時(shí)，迅速打開(kāi)第六閥門和第七閥門，待第一精密數(shù)字壓力表顯示的集氡空間壓力值穩(wěn)定后(記為P_js1)，即表示通過(guò)預(yù)抽真空的第一球型閃爍室完成取樣；關(guān)閉第六閥門和第七閥門，使用FD-125型室內(nèi)氡釷分析器與GW1016型智能定標(biāo)器測(cè)定第一球型閃爍室所采集氣體樣品的氡濃度，記為C_sj1；

步驟6、多次重復(fù)上述步驟4和步驟5，分別測(cè)定并記錄在某恒定壓差條件下，恒定壓差記為ΔP，ΔP＝P_h－P_j1，時(shí)間間隔即1h、2h、4h、…、32h、…、256h后集氡空間(35)內(nèi)的氡濃度，記為C_sj2、C_sj3、C_sj4、…、C_sj7、…、C_sj10；

步驟7、打開(kāi)閥門(185)與真空泵，對(duì)第二球型閃爍室進(jìn)行抽真空，3-5分鐘后關(guān)閉第十二閥門及真空泵；打開(kāi)第十閥門和第十一閥門，待第二精密數(shù)字壓力表顯示的緩沖空間壓力值穩(wěn)定后記為P_hs，即表示通過(guò)預(yù)抽真空的第二球型閃爍室完成取樣；關(guān)閉第十閥門(181)和第十一閥門，使用FD-125型室內(nèi)氡釷分析器與GW1016型智能定標(biāo)器測(cè)定第二球型閃爍室所采集氣體樣品的氡濃度，記為C_sh；

步驟8、采用閃爍室法所測(cè)得的氡濃度C_sj系列與C_sh并非集氡空間或緩沖空間的真實(shí)值，應(yīng)作如下轉(zhuǎn)換，以集氡空間為例進(jìn)行說(shuō)明：

集氡空間內(nèi)的氡，視為等溫流動(dòng)的理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程：

P_j,RnV_j＝n_RnRT_j (1)

式中，P_j,Rn為氡對(duì)集氡空間氣壓的貢獻(xiàn)，Pa；V_j為集氡空間的體積，m³；n_Rn為集氡空間內(nèi)氡的物質(zhì)的量，mol；R為比例常數(shù)，R＝8.314J/(mol·K)；T _j為集氡空間內(nèi)的溫度，取293.15K；

根據(jù)放射性衰變理論可知：

式中，C_j為集氡空間內(nèi)的氡濃度，Bq/m³；λ為氡的衰變常數(shù)，λ＝2.1×10^-6s^-1；N_A為阿伏伽德羅常數(shù)，N_A＝6.02×10²³mol^-1；

結(jié)合式(1)、(2)可得：

P_j,Rn＝1.93×10^-15C_j (3)

由式(3)可知，在絕大多數(shù)情況下，P_j,Rn<<1Pa，即說(shuō)明雖然實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，并在集氡空間內(nèi)一直伴隨著氡濃度的增長(zhǎng)，但其對(duì)集氡空間內(nèi)氣壓的貢獻(xiàn)完全可以忽略不計(jì)；

令采樣后集氡空間及有關(guān)管路即連接第一精密數(shù)字氣壓表(13)的一段管路損失的空氣體積占集氡空間總體積包括有關(guān)管路儲(chǔ)氣體積的比例為f，那么易知：

f·P_j(V_j+V_g1)＝(P_j-P_js)(V_j+V_g1) (4)

式中，P_j為集氡空間內(nèi)的氣壓，Pa；P_js為完成采樣后集氡空間內(nèi)的氣壓，Pa；V_g1為連接精密數(shù)字氣壓表(13)的一段管路儲(chǔ)氣體積，m³；

f·(V_j+V_g1)C_j＝(V_s+V_g2)C_sj (5)

式中，C_sj為球型閃爍室(174)內(nèi)的氡濃度，Bq/m³；V_g2為連接球型閃爍室(174)的一段管路儲(chǔ)氣體積，m³；

結(jié)合式(4)、(5)可得：

根據(jù)式(6)，即求得集氡空間真實(shí)氡濃度C_j；同樣地，可推知緩沖空間真實(shí)氡濃度計(jì)算式；

巖樣的氡析出率由下式確定：

式中，J為巖樣的氡析出率，Bq/(m²·h)；ΔC_j為Δt(單位：h)時(shí)間內(nèi)集氡空間內(nèi)氡濃度的變化值，Bq/m³；h_j為集氡空間高度，m；

步驟9、根據(jù)換算所得的濃度數(shù)據(jù)，令參數(shù)Y＝h_jC_j，作出參數(shù)Y與對(duì)應(yīng)時(shí)間t的關(guān)系圖，再擬合出兩者關(guān)系式，并依據(jù)微分原理求出dY/dt，即得到巖樣的氡析出率J隨時(shí)間t變化的關(guān)系式；需要注意的是，在初始時(shí)刻，所對(duì)應(yīng)的氡濃度并非為零，而是外界大氣本底值C₀。

采用上述技術(shù)方案的壓差可調(diào)式射氣巖石介質(zhì)氡析出率測(cè)量裝置及其使用方法，其有益效果如下：

1、試樣箱、密封頂蓋、多孔透氣板及筒體底座由有機(jī)玻璃經(jīng)加工制成，材料及加工成本較低，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便，易于組裝與拆卸，經(jīng)久耐用。

2、試樣箱呈中空?qǐng)A筒狀，且沿垂向?qū)⑵鋵?duì)分為兩個(gè)規(guī)格相同帶有縱向法蘭的半圓筒，便于巖樣以及巖樣與試樣箱之間所墊設(shè)密封套的取放，這有助于對(duì)巖樣周壁及試樣箱內(nèi)壁的密封，有效防止底座緩沖空間內(nèi)的氡泄露至頂蓋集氡空間，從而可保證測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)、有效。

3、通過(guò)頂蓋空氣加注模塊、頂蓋真空抽氣模塊和真空泵模塊可實(shí)現(xiàn)頂蓋集氡空間內(nèi)氣壓微調(diào)、空氣凈化及取樣的功能；通過(guò)底座氮?dú)饧幼⒛K、底座真空抽氣模塊和真空泵模塊可實(shí)現(xiàn)底座緩沖空間內(nèi)氣壓微調(diào)及取樣的功能。

4、頂蓋集氡空間與底座緩沖空間內(nèi)的氣壓可在小于150kPa的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)范圍大、精度高。

5、采用球型閃爍室間隔采樣的方式，且在每次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，保證底座緩沖空間內(nèi)的條件不變，將頂蓋集氡空間“清零”(即快速通風(fēng)排氡，稀釋集氡空間內(nèi)的氡濃度至大氣本底水平，進(jìn)而將其內(nèi)的氣壓抽真空，再重新調(diào)節(jié)為預(yù)定值)后再使氡積累至預(yù)定時(shí)間，這樣可以有效排除連續(xù)采樣及連續(xù)積累實(shí)驗(yàn)因氡損失、壓力降等原因所造成的測(cè)量誤差。

6、本發(fā)明涉及的射氣巖石介質(zhì)氡析出率測(cè)量及計(jì)算方法，充分考慮了因球型閃爍室采樣所造成的壓力降及輸氣管路中殘留含氡空氣的問(wèn)題，并推導(dǎo)出頂蓋集氡空間(或底座緩沖空間)內(nèi)真實(shí)氡濃度的換算式，再通過(guò)作圖及擬合獲知巖樣在預(yù)定壓差作用下氡的析出率隨集氡時(shí)間變化的關(guān)系式。

7、本發(fā)明適用于含有放射性巖石介質(zhì)工作場(chǎng)所的環(huán)境影響評(píng)價(jià)，以及為此類場(chǎng)所通風(fēng)防氡設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

本發(fā)明可為優(yōu)化存在氡問(wèn)題的地下礦山、人防工程、石材/建材廠、居室等受限空間內(nèi)排氡通風(fēng)設(shè)計(jì)提供有益參考。

綜上所述，本發(fā)明是一種通過(guò)對(duì)射氣巖石介質(zhì)中氡析出率的測(cè)定，為合理制定相關(guān)含有放射性巖石介質(zhì)工作場(chǎng)所的環(huán)境影響評(píng)價(jià)和通風(fēng)防氡設(shè)計(jì)提供有益參考的壓差可調(diào)式射氣巖石介質(zhì)氡析出率測(cè)量裝置及其使用方法。

附圖說(shuō)明

圖1為整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置立面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為試樣箱立面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為試樣箱平面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為密封頂蓋立面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為密封頂蓋平面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為多孔透氣板平面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為筒體底座立面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為筒體底座平面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明涉及一種可調(diào)式壓差作用下射氣巖石介質(zhì)氡析出率的測(cè)量裝置與計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)射氣巖石介質(zhì)中氡析出率的測(cè)定，為合理制定相關(guān)含有放射性巖石介質(zhì)工作場(chǎng)所的環(huán)境影響評(píng)價(jià)和通風(fēng)防氡設(shè)計(jì)提供有益參考。

參見(jiàn)圖1，一種壓差可調(diào)式射氣巖石介質(zhì)氡析出率測(cè)量裝置，試樣箱2的上端連接有密封頂蓋3，試樣箱2的下端連接有筒體底座5且試樣箱2與筒體底座5之間連接有多孔透氣板4，密封頂蓋3的內(nèi)部構(gòu)成有集氡空間35，筒體底座5的內(nèi)部構(gòu)成有緩沖空間55，頂蓋空氣加注模塊15的出口和頂蓋真空抽氣模塊17的進(jìn)口經(jīng)乙烯樹(shù)脂管20與密封頂蓋3的集氡空間35連接且乙烯樹(shù)脂管20上連接有第一精密數(shù)字氣壓表13，底座氮?dú)饧幼⒛K16的出口和底座真空抽氣模塊18的進(jìn)口與筒體底座5的緩沖空間55經(jīng)乙烯樹(shù)脂管20連接且乙烯樹(shù)脂管20上連接有第二精密數(shù)字氣壓表14，頂蓋真空抽氣模塊17的出口和底座真空抽氣模塊18的出口經(jīng)乙烯樹(shù)脂管20與真空泵模塊19連接。通過(guò)頂蓋空氣加注模塊15、頂蓋真空抽氣模塊17和真空泵模塊19實(shí)現(xiàn)集密封頂蓋3所構(gòu)成的集氡空間35內(nèi)氣壓微調(diào)、空氣凈化及取樣測(cè)量于一體的功能；通過(guò)底座氮?dú)饧幼⒛K16、底座真空抽氣模塊18和真空泵模塊19實(shí)現(xiàn)集筒體底座5所構(gòu)成的緩沖空間55內(nèi)氣壓微調(diào)及取樣測(cè)量于一體的功能。

參見(jiàn)圖2和圖3，試樣箱2由有機(jī)玻璃制成，呈中空?qǐng)A筒狀；為便于柱狀的巖樣1的取放，試樣箱2沿垂向?qū)Ψ譃閮蓚€(gè)規(guī)格相同的半圓筒，且在該半圓筒起點(diǎn)和終點(diǎn)沿徑向分別設(shè)置對(duì)稱的縱向法蘭21，并在縱向法蘭21的上部和底部分別設(shè)置對(duì)稱的橫向法蘭23；縱向法蘭21和橫向法蘭23分別設(shè)有第一連接孔22和第二連接孔24；使用螺栓6穿過(guò)縱向法蘭21上預(yù)留的8個(gè)第一連接孔22將兩者緊密連接，構(gòu)成完整的圓柱狀的試樣箱2，縱向法蘭21之間設(shè)有密封墊圈8；試樣箱2內(nèi)與巖樣1之間墊有一層由彈性橡膠制成的密封套7，為保證良好的密封效果，其厚度略大于試樣箱2內(nèi)徑與巖樣1直徑之差的一半。

參見(jiàn)圖4和圖5，密封頂蓋3采用有機(jī)玻璃制成，呈中空?qǐng)A筒狀，密封頂蓋3上設(shè)有排氣孔31、頂蓋法蘭32、第三連接孔33和連接氣管34；排氣孔31共兩個(gè)，對(duì)稱設(shè)在密封頂蓋3筒壁下緣，每個(gè)排氣孔31均配套有橡皮塞12；密封頂蓋3的筒體內(nèi)徑與巖樣1一致；頂蓋法蘭32及其上預(yù)留的所述的第三連接孔33與試樣箱2的橫向法蘭23及其上預(yù)留的第二連接孔24完全對(duì)應(yīng)；連接氣管34為有機(jī)玻璃材質(zhì)，從密封頂蓋3的中心位置插入，并使用有機(jī)玻璃膠將其與密封頂蓋3固接，其插入集氡空間35內(nèi)的部分均布密集微孔，其目的一是為了均勻排除集氡空間35內(nèi)的空氣，二是為了提高采樣的代表性。

參見(jiàn)圖6，多孔透氣板4為有機(jī)玻璃材質(zhì)，其外邊緣輪廓與試樣箱2的橫向法蘭23一致，并在對(duì)應(yīng)位置設(shè)有第四連接孔41；在多孔透氣板4正中心與巖樣1橫截面大小相同的區(qū)域內(nèi)均布若干直徑5mm的通氣孔42。

參見(jiàn)圖7和圖8，筒體底座5采用有機(jī)玻璃制成，呈中空?qǐng)A筒狀，內(nèi)徑與巖樣1直徑相同；筒體底座5帶有底面，底面中心位置連有采用有機(jī)玻璃材質(zhì)制成的連接管路53，另外，在底面下設(shè)有4根實(shí)心有機(jī)玻璃柱54作為整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的支架；底座法蘭51及其上預(yù)留的第五連接孔(2與多孔透氣板4吻合。

參見(jiàn)圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7和圖8，試樣箱2與密封頂蓋3分別通過(guò)橫向法蘭23與頂蓋法蘭32由螺栓6相應(yīng)地穿過(guò)第二連接孔24與第三連接孔33連為一體，且中間設(shè)有第一橡膠密封墊圈11；試樣箱2、多孔透氣板4與筒體底座5由螺栓6對(duì)應(yīng)穿過(guò)第二連接孔24、第四連接孔41與第五連接孔52連接在一起，且在橫向法蘭23與多孔透氣板4之間、底座法蘭51與多孔透氣板4之間分別設(shè)有第二橡膠密封墊圈9和第三橡膠密封墊圈10。

參見(jiàn)圖1，頂蓋空氣加注模塊15的作用為對(duì)集氡空間35內(nèi)的氣壓進(jìn)行調(diào)節(jié)(主要為微調(diào)增壓)以及通風(fēng)排氡，由充氣泵151、干燥管154、第一微量調(diào)節(jié)閥155、第一微小數(shù)顯流量計(jì)156以及第一閥門152、第二閥門153、第三閥門157、第四閥門158經(jīng)乙烯樹(shù)脂管20連接而成，充氣泵151的出口連接第一閥門152，進(jìn)口對(duì)空連接的第二閥門153的出口和第一閥門152的出口均與干燥管154的進(jìn)口連接，干燥管154的出口一路與第四閥門158的進(jìn)口連接，一路與依次串聯(lián)的第一微量調(diào)節(jié)閥155、第一微小數(shù)顯流量計(jì)156和第三閥門157中的第一微量調(diào)節(jié)閥155的進(jìn)口連接，第三閥門157的出口和第四閥門158的出口與第一精密數(shù)字氣壓表13連接；干燥管154內(nèi)裝滿有無(wú)水CaSO₄干燥劑，其作用為排除進(jìn)氣濕度的影響；由充氣泵151、第一閥門152、干燥管154及第四閥門158經(jīng)乙烯樹(shù)脂管20連接構(gòu)成的氣流管路為快速凈化集氡空間35提供新鮮空氣；由第二閥門153、干燥管154、第一微量調(diào)節(jié)閥155、第一微小數(shù)顯流量計(jì)156和第三閥門157經(jīng)乙烯樹(shù)脂管20連接構(gòu)成的另一支氣流管路，實(shí)現(xiàn)對(duì)集氡空間35內(nèi)氣壓的精密微調(diào)。

參見(jiàn)圖1，底座氮?dú)饧幼⒛K16的作用為對(duì)緩沖空間55內(nèi)的氣壓進(jìn)行調(diào)節(jié)(主要為微調(diào)增壓)，它由高壓氮?dú)馄?61、減壓穩(wěn)壓閥162、第二微量調(diào)節(jié)閥163、第二微小數(shù)顯流量計(jì)164及第五閥門165經(jīng)乙烯樹(shù)脂管20連接而成；底座氮?dú)饧幼⒛K16用于為底部緩沖空間55注氮加壓。

參見(jiàn)圖1，頂蓋真空抽氣模塊17的作用為對(duì)集氡空間35內(nèi)的氣壓進(jìn)行調(diào)節(jié)(主要為減壓)以及采樣測(cè)氡，它由第一濾塵器172、第一球型閃爍室174以及第六閥門171、第七閥門173、第八閥門175、第九閥門176經(jīng)乙烯樹(shù)脂管20連接而成，第九閥門176與依次串聯(lián)的第六閥門171、第一濾塵器172、第七閥門173、第一球型閃爍室174和第八閥門175并聯(lián)，一端與第一精密數(shù)字氣壓表13連接，另一端與真空泵模塊19連接；第六閥門171、第一濾塵器172、第七閥門173、第一球型閃爍室174、第八閥門175和真空泵模塊19經(jīng)乙烯樹(shù)脂管20連接構(gòu)成的氣流管路，用于采集集氡空間35內(nèi)的空氣至球型閃爍室174；第六閥門171和真空泵模塊19經(jīng)乙烯樹(shù)脂管20連接構(gòu)成的氣流管路，用于抽排集氡空間35內(nèi)的空氣，降低集氡空間35內(nèi)的氣壓。

參見(jiàn)圖1，底座真空抽氣模塊18與頂蓋真空抽氣模塊17相同，其作用為對(duì)緩沖空間55內(nèi)的氣壓進(jìn)行調(diào)節(jié)(主要為減壓)以及采樣測(cè)氡，它由第二濾塵器182、第二球型閃爍室184以及第十閥門181、第十一閥門183、第十二閥門185、第十三閥門186經(jīng)乙烯樹(shù)脂管20連接而成，第十三閥門186與依次串聯(lián)的第十閥門181、第二濾塵器182、第十一閥門183、第二球型閃爍室184和第十二閥門185并聯(lián)，一端與第二精密數(shù)字氣壓表14連接，另一端與真空泵模塊19連接。

參見(jiàn)圖1，真空泵模塊19由真空泵191和真空表192經(jīng)乙烯樹(shù)脂管20串聯(lián)連接而成。

巖樣1可以是工程現(xiàn)場(chǎng)鉆切而成的原巖，也可以是與原巖成一定相似比的類射氣巖石相似材料，其高徑比大于1.5，小于2；試樣箱2內(nèi)壁高度分別為集氡空間35、緩沖空間55內(nèi)壁高度的3倍與10倍左右；第一精密數(shù)字氣壓表13、第二精密數(shù)字氣壓表14的量程均為150kPa，精度0.05％/FS；第一微小數(shù)顯流量計(jì)156、第二微小數(shù)顯流量計(jì)164量程均為2L/min，精度為1.5％/FS；充氣泵151充氣速率為60L/min；真空泵191轉(zhuǎn)速為320r/min，抽氣速率4L/s。

參見(jiàn)圖1，壓差可調(diào)式射氣巖石介質(zhì)氡析出率測(cè)量裝置的使用方法，包括對(duì)射氣巖石介質(zhì)氡析出率的測(cè)量及計(jì)算：

步驟1、先將頂蓋空氣加注模塊15、頂蓋真空抽氣模塊17、第一精密數(shù)字氣壓表13同密封頂蓋3連接，再將底座氮?dú)饧幼⒛K16、底座真空抽氣模塊18、第二精密數(shù)字氣壓表14同筒體底座5連接，然后將多孔透氣板4與筒體底座5連接在一起，并將制備好的巖樣1放置在多孔透氣板4上，最后將試樣箱2組裝并與密封頂蓋3及筒體底座5連接；實(shí)驗(yàn)組裝過(guò)程中，將所有閥門關(guān)閉；

步驟2、打開(kāi)第九閥門176和第十三閥門186，并開(kāi)啟真空泵191，3-5分鐘后關(guān)閉第九閥門176和第十三閥門186，同時(shí)記錄第一精密數(shù)字壓力表13和第二精密數(shù)字壓力表14顯示的壓力值；再將整個(gè)裝置靜置約20min，再次記錄第一精密數(shù)字壓力表13和第二精密數(shù)字壓力表14顯示的壓力值；若兩個(gè)精密數(shù)字壓力表前后兩次所記錄的壓力值均幾乎為零，那么認(rèn)為裝置氣密性良好；否則，應(yīng)檢查裝置連接處是否連接完好、存在漏氣現(xiàn)象，直到保證良好氣密性為止；

步驟3、打開(kāi)第二閥門153和第三閥門157，通過(guò)調(diào)節(jié)第一微量調(diào)節(jié)閥155，使第一微小數(shù)顯流量計(jì)156顯示的瞬時(shí)流量值為1L/min左右，當(dāng)?shù)谝痪軘?shù)字壓力表13顯示的集氡空間35壓力值為某一預(yù)定值(記為P_j)后，關(guān)閉第二閥門153和第三閥門157；同樣地，打開(kāi)高壓氮?dú)馄?61，調(diào)節(jié)減壓穩(wěn)壓閥162，保持較小的輸氣壓力，然后打開(kāi)第五閥門165，小心調(diào)節(jié)第二微量調(diào)節(jié)閥163，使第一微小數(shù)顯流量計(jì)156顯示的瞬時(shí)流量值為1L/min左右，當(dāng)?shù)诙軘?shù)字壓力表14顯示的緩沖空間55壓力值(記為P_h)與集氡空間35壓力值P_j一致時(shí)，關(guān)閉高壓氮?dú)馄?61與第五閥門165；

步驟4、將實(shí)驗(yàn)裝置靜置，使巖樣1內(nèi)的氡以純擴(kuò)散的方式在集氡空間35與緩沖空間55內(nèi)積累，一周后，緩沖空間55內(nèi)的氡因反擴(kuò)散及自身衰變作用的影響，其濃度穩(wěn)定到某一最大值后將保持不變；再打開(kāi)第一閥門152和第四閥門158，拔掉排氣孔31上的橡皮塞12，并開(kāi)啟充氣泵151排氣5min以凈化集氡空間35，使其內(nèi)氡濃度與外界大氣本底值(記為C₀)一致后，先后關(guān)閉充氣泵151、第一閥門152、第四閥門158及重新將排氣孔31塞上橡皮塞12；再打開(kāi)第九閥門176，并開(kāi)啟真空泵191對(duì)集氡空間35進(jìn)行抽真空，3-5分鐘后關(guān)閉第九閥門176與真空泵191；然后重復(fù)上述步驟3對(duì)頂蓋空氣加注模塊15進(jìn)行調(diào)節(jié)的部分，使集氡空間35內(nèi)的氣壓為P_j1(P_j1≤P_h)；

步驟5、打開(kāi)第八閥門175與真空泵191，對(duì)第一球型閃爍室174進(jìn)行抽真空，3-5分鐘后關(guān)閉第八閥門175及真空泵191；在集氡時(shí)間達(dá)0.5h時(shí)，迅速打開(kāi)第六閥門171和第七閥門173，待第一精密數(shù)字壓力表13顯示的集氡空間35壓力值穩(wěn)定后(記為P_js1)，即表示通過(guò)預(yù)抽真空的第一球型閃爍室174完成取樣；關(guān)閉第六閥門171和第七閥門173，使用FD-125型室內(nèi)氡釷分析器與GW1016型智能定標(biāo)器測(cè)定第一球型閃爍室174所采集氣體樣品的氡濃度，記為C_sj1；

步驟6、多次重復(fù)上述步驟4和步驟5，分別測(cè)定并記錄在某恒定壓差條件下，恒定壓差記為ΔP，ΔP＝P_h－P_j1，時(shí)間間隔即1h、2h、4h、…、32h、…、256h后集氡空間(35)內(nèi)的氡濃度，記為C_sj2、C_sj3、C_sj4、…、C_sj7、…、C_sj10；

步驟7、打開(kāi)閥門(185)與真空泵191，對(duì)第二球型閃爍室184進(jìn)行抽真空，3-5分鐘后關(guān)閉第十二閥門185及真空泵191；打開(kāi)第十閥門181和第十一閥門183，待第二精密數(shù)字壓力表14顯示的緩沖空間55壓力值穩(wěn)定后記為P_hs，即表示通過(guò)預(yù)抽真空的第二球型閃爍室184完成取樣；關(guān)閉第十閥門181和第十一閥門183，使用FD-125型室內(nèi)氡釷分析器與GW1016型智能定標(biāo)器測(cè)定第二球型閃爍室184所采集氣體樣品的氡濃度，記為C_sh；

步驟8、采用閃爍室法所測(cè)得的氡濃度C_sj系列與C_sh并非集氡空間35或緩沖空間55的真實(shí)值，應(yīng)作如下轉(zhuǎn)換，以集氡空間35為例進(jìn)行說(shuō)明：

集氡空間內(nèi)的氡，視為等溫流動(dòng)的理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程：

P_j,RnV_j＝n_RnRT_j (1)

式中，P_j,Rn為氡對(duì)集氡空間氣壓的貢獻(xiàn)，Pa；V_j為集氡空間的體積，m³；n_Rn為集氡空間內(nèi)氡的物質(zhì)的量，mol；R為比例常數(shù)，R＝8.314J/(mol·K)；T_j為集氡空間內(nèi)的溫度，取293.15K；

根據(jù)放射性衰變理論可知：

式中，C_j為集氡空間內(nèi)的氡濃度，Bq/m³；λ為氡的衰變常數(shù)，λ＝2.1×10^-6s^-1；N_A為阿伏伽德羅常數(shù)，N_A＝6.02×10²³mol^-1；

結(jié)合式(1)、(2)可得：

P_j,Rn＝1.93×10^-15C_j (3)

由式(3)可知，在絕大多數(shù)情況下，P_j,Rn<<1Pa，即說(shuō)明雖然實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，并在集氡空間內(nèi)一直伴隨著氡濃度的增長(zhǎng)，但其對(duì)集氡空間內(nèi)氣壓的貢獻(xiàn)完全可以忽略不計(jì)；

令采樣后集氡空間及有關(guān)管路即連接第一精密數(shù)字氣壓表(13)的一段管路損失的空氣體積占集氡空間總體積包括有關(guān)管路儲(chǔ)氣體積的比例為f，那么易知：

f·P_j(V_j+V_g1)＝(P_j-P_js)(V_j+V_g1) (4)

式中，P_j為集氡空間內(nèi)的氣壓，Pa；P_js為完成采樣后集氡空間內(nèi)的氣壓，Pa；V_g1為連接精密數(shù)字氣壓表(13)的一段管路儲(chǔ)氣體積，m³；

f·(V_j+V_g1)C_j＝(V_s+V_g2)C_sj (5)

式中，C_sj為球型閃爍室(174)內(nèi)的氡濃度，Bq/m³；V_g2為連接球型閃爍室(174)的一段管路儲(chǔ)氣體積，m³；

結(jié)合式(4)、(5)可得：

根據(jù)式(6)，即求得集氡空間真實(shí)氡濃度C_j；同樣地，可推知緩沖空間真實(shí)氡濃度計(jì)算式；

巖樣的氡析出率由下式確定：

式中，J為巖樣的氡析出率，Bq/(m²·h)；ΔC_j為Δt(單位：h)時(shí)間內(nèi)集氡空間內(nèi)氡濃度的變化值，Bq/m³；h_j為集氡空間高度，m；

步驟9、根據(jù)換算所得的濃度數(shù)據(jù)，令參數(shù)Y＝h_jC_j，作出參數(shù)Y與對(duì)應(yīng)時(shí)間t的關(guān)系圖，再擬合出兩者關(guān)系式，并依據(jù)微分原理求出dY/dt，即得到巖樣的氡析出率J隨時(shí)間t變化的關(guān)系式；需要注意的是，在初始時(shí)刻，所對(duì)應(yīng)的氡濃度并非為零，而是外界大氣本底值C₀。