核物探氡及子体解析课件.pptx

1、氡测量方法 是一种常用的地球物理方法 1900年，F.Dorn发现氡-222 1904年，在加拿大开始出现测量土壤和河水中氡气测量的装置和方法 20世纪20年代成为野外找矿方法 主要应用于寻找铀矿 也广泛应用于找水、确定构造位置、地震预报 环境评价及保护-氡潜势填图第1页/共81页分类 土壤气氡测量 氡析出率测量 氡气测量（大气环境中）瞬时测量 连续测量 累积测量第2页/共81页氡的特性 气态氡：无色无味 液态氡：起初是无色透明的，然后由于衰变产物，它能使容器的玻璃壁发绿色荧光 固态氡：不透明，能发出明亮的浅蓝色光第3页/共81页氡的特性-氡的理化性质元素周期表第元素周期表第周期的零族元素周期

2、的零族元素 原子半径：原子半径：0.13nm0.13nm单原子放射性气体分子直径为单原子放射性气体分子直径为0.46nm0.46nm惰性气体，不活泼，无色无味。惰性气体，不活泼，无色无味。氡转化为固态的温度约为氡转化为固态的温度约为-113-113。熔点为。熔点为-71-71。沸点为沸点为-62-62。氡气的密度比空气要重，在。氡气的密度比空气要重，在O CO C和和101325Pa101325Pa下，气态氡的密度下，气态氡的密度为为9.739.731010-3-3g/cmg/cm ，常温下氡及子体在空气中能形成放射性气溶胶而污染空，常温下氡及子体在空气中能形成放射性气溶胶而污染空气。气。6.

3、1 6.1 氡钍射气及其衰变产物氡钍射气及其衰变产物第4页/共81页氡的物理特性 辐射（衰变）特性 溶解性 易被固体吸附 具迁移性（扩散对流为主）第5页/共81页氡的衰变特性-三个天然放射性同位素RaC氡的短寿命子体Rn222Rn222铀-238衰变链第6页/共81页 氡最重要的同位素是三个天然放射系（铀系、钍系和锕系）中镭的子体222Rn、220Rn和219Rn。219Rn半衰期不到4秒，从它产生的地点到人类呼吸带之前就衰变完了。220Rn的半衰期为55.6秒。通常所说的氡仅指222Rn。222Rn是铀系衰变的中间产物,它的半衰期为3.82天，衰变过程产生一系列新的放射性核素。习惯上将这些新

4、生的放射性核素称做氡子体。氡子体分为短寿命子体(从218Po到214Po)和长寿命子体(210Pb以后)。第7页/共81页氡的三个天然同位素 Rn-222 Rn-220 Rn-219 总结：半衰期、衰变类型、粒子能量、衰变产物第8页/共81页氡同位素的辐射性质 同位素同位素半衰期半衰期（T1/2）衰变常数，衰变常数，s-1射线射线类型类型能量能量（Mev）在空气中的射程在空气中的射程（cm）222Rn3.825d2.09710-45.4814.04220Rn54.5s1.27210-26.2874.09219Rn3.92s0.17686.423（7.5%）5.566.551（11.5%）6.8

5、17（1.0%）6.527（0.1%）第9页/共81页Po21884Pb21482Bi21483Po21484核素符号核素符号俗称俗称半衰期半衰期核衰变类型核衰变类型粒子能量粒子能量/Mev 218PoRaA3.05min6.002 214PbRaB26.8min 214BiRaC19.7min 214PoRaC1.6410-4s7.687第10页/共81页Data of radon decay productsNuclidePo-218Pb-214Bi-214Po-214Halflife3.05 min26.8 min19.7 min1.610-4 secDecayaBbaa-Energy6

6、.00MeV007.68 MeVpot.aEnergy/atom13.68MeV7.68MeV7.68 MeV7.68 MeVAtoms/Bq264232017100.2310-3pot.a-Energy/Bq3612MeV17820MeV13130MeV1.8 10-3MeVpot.aEnergy/100pCi13350MeV65890MeV48460MeV6.6 10-3MeV第11页/共81页232Th系衰变图232Th228Ra208Pb208Tl220Rn216Po224RaT1/2 4.4610109 9a aT1/2 55 sec 228Ac228Th第12页/共81页 Data

7、 of Thoron decay productsNuclidePo-216Pb-212Bi-212Po-212Halflife0.15 s10.65 h60.6 min3.04-10-7 sDecayaBAAa-Energy6.774 MeV06.051 MeV8.785 MeV第13页/共81页溶解性 放射性气体能以不同的速度溶解于不同的液体中，其中尤为显著者是溶解于各种油脂和煤油中。根据格林定律，液体中的氡浓度（Rn气/V气）和气体中的氡浓度（Rn气/V气）成正比，即：气气液液VRnVRn第14页/共81页 式中，氡气的溶解系数；V液和V气相应为液体和气体的体积；Rn液和Rn气相应为液体

8、和气体中氡的浓度。氡在水中的溶解系数同温度的关系更为密切，有下式：式中，t温度，oC)0502.0(405.01057.0te第15页/共81页溶解系数与温度的关系 t,t,（0C0C）0 05 510102020303040405050606070708080909010100 0 0.0.51510 00.0.42420 00.0.35351 10.0.25254 40.0.19195 50.0.15159 90.0.13138 80.0.12125 50.0.11117 70.0.11112 20.0.11110 00.0.10108 8第16页/共81页易被固体吸附 所有的固体在不同沉

9、度上吸附氡 活性炭对氡的吸附能量最强 粘土、石腊、橡胶、煤等吸附能量很强第17页/共81页环境中的氡水平低通风率第18页/共81页6.2 6.2 土壤中氡的来源及迁移土壤中氡的来源及迁移6.2.1 氡在土壤中的迁移氡在土壤中的迁移 扩散作用扩散作用 对流作用对流作用6.2.2 氡在土壤中的迁移规律氡在土壤中的迁移规律 6.2.3 6.2.3 土壤中镭含量与氡浓度的关系土壤中镭含量与氡浓度的关系第19页/共81页氡在介质中的产生 镭衰变时，氡原子与 粒子之间由于动量守恒使氡原子获得86keV 的动能23，正是在这个反冲动能的作用下，新衰变产生的氡原子将离开衰变前镭原子的位置而运动一段距离，这段距

10、离称为反冲距离。反冲距离的大小依赖于发生衰变介质的密度和组成，氡气在矿物颗粒中的的射程是2070nm，空气中是60m,水中是0.1m。在普通密度的矿物中，如果Ra原子离颗粒表面的距离大于70nm时，它就会阻止在晶格里面，那么就不会对发射部分作出贡献。第20页/共81页 所以固体中镭衰变后，产生的氡原子并不全是可迁移的。因为反冲的氡原子可能在进入微裂隙前便阻留在周围晶格中，也可能穿过微裂隙重新进入附近的固体晶格而阻留。上述在晶格中的氡原子在常温下仅靠分子热运动是很难扩散出晶格的，故可认为是不可迁移的。固体中镭衰变产生的所有氡原子中，进入孔隙中的可迁移部分所占的份额叫做发射系数()。发射系数是决定

11、土壤中可迁移的有效氡含量的源项。第21页/共81页氡在土壤中的反冲机制 第22页/共81页 Emanation：发射，指在介质内部 recoil（反冲）diffusion （扩散）Exhalation：析出，孔隙中的射气扩散到大气中 发射率，发射系数 土壤颗粒中形成并逃到孔隙中的氡称为发射率，由反冲和扩散两部分组成。气体在固体中的扩散系数是很小的，以反冲为主。第23页/共81页发射系数的影响因素 研究表明，湿度对氡发射率的影响很大。这是因为氡在水中的反冲射程远比在空气中的反冲射程小，氡原子在空气中的反冲射程为64,000nm，在水中的反冲射程为95nm25。进入充水的空隙中的氡原子，在水膜中结

12、束其反冲的可能性很大，从而使氡原子越过孔隙进入另一颗粒中的可能性减小。由于水膜的截留，逃出颗粒束缚的自由氡量会增大，相应的氡发射率就会增大。第24页/共81页 对样品加热能引起物质的变化（湿度减小、晶格缺陷退火、相转变），从而导致射气扩散能力的改变。物质的变化能直接引起射气作用的改变；当润湿样品被加热时，若温度不是很高，在孔隙中会恢复部分水膜，从而使氡发射率增大。若对样品加热到高温时，则能减少水膜的面积，从而使氡发射率减小。此外，其它因素如物质的粒度也会对氡发射率造成影响。第25页/共81页氡的迁移 根据氡在多孔介质中运移的理论，推动氡通过充满流体（空气和水）的空隙中行进的动力主要有体积活度梯

13、度和压力梯度两种，即两种运移方式。扩散作用 对流作用第26页/共81页扩散作用 氡气是一种可随时间变化而衰变的放射性气体，它的分子由于热运动的结果而向浓度小（体积活度低）的方向移动，称为扩散。氡的扩散服从一般气体扩散的Fick第一定律 第27页/共81页 J1 氡的扩散流密度，(Bq/m2s)；C 介质孔隙中的氡浓度(Bq/m3)；D 氡在介质中的扩散系数(m2/s)；C 介质孔隙中的氡浓度梯度(Bq/m4)。1JD C 第28页/共81页 氡气的扩散迁移可以在气体、液体和固体中进行，它的扩散主要取决于以下因素：孔隙度、渗透性、温度、结构和湿度等。这里所说的扩散系数D是指氡在作为一个整体的介质

14、中的扩散系数，而实际科学研究中经常用到的是有效扩散系数De 的概念，有效扩散系数是指氡在介质孔隙空间中的扩散系数。第29页/共81页扩散系数 D在数值上等于浓度梯度为一个单位时，单位时间通过单位面积的射气量。第30页/共81页对流作用 对流是仅次于扩散作用的另一种重要作用，当介质与环境中存在着压力差时，气体可以从压力高的部位向压力低的部位迁移。气体的对流服从达西定律。第31页/共81页 对流作用-用Dacy定律 式中：-流体的对流速度(m/s)；介质的渗透率，(m2)；空气动态粘滞系数（viscosity）(Ns/m2)；P压力。2JCVKVP VV第32页/共81页 其中空气压力梯度是产生渗

15、流作用的原动力，气压、风力和温度的变化都会造成土壤内部孔隙与地面空气之间的压力差。土壤渗透性K与土壤粒径大小、土壤成分、孔隙度大小以及孔隙的连通情况有密切关系。很多研究都表明，土壤的渗透性是决定土壤氡潜势的重要因素。第33页/共81页氡在土壤中的迁移规律第34页/共81页 从均匀介质中到达介质表面氡浓度剖面的稳态方程为 式中：peff介质中的有效孔隙度,%；介质密度,g/cm3；aB介质中的镭含量,Bq/kg；CB深度为Z时的氡浓度，Bq/m3 CBS深度为无限大时氡的浓度,Bq/m3。effBBSBSRnBRnBdeffBeffBpaCCCdzCdPdzCdPD/0)(122*第35页/共8

16、1页 仅考虑分子扩散作用时，稳态方程的解为，当z=0时，CB=0 式中：zDCzCBRnBsB2/1)/(exp1)(effBBPDD/*第36页/共81页BRnBBBRadzzdCDe)0(*地表面氡的析出率可表示为：地表面氡的析出率可表示为：式中，式中，R RB B为氡的扩散长度为氡的扩散长度2/10)/(BBDR 第37页/共81页土壤氡浓度分布规律-二层模型第38页/共81页计算公式ACCVVCCDtC21111111222222222200dCd CdCDVCadtdxdxdCd CdCDVCadtdxdx第39页/共81页土壤中镭含量与氡浓度的关系effBRnpaC/RaRaRnR

17、nNN第40页/共81页6.3 氡测量方法 土壤氡测量 大气氡测量 氡析出率测量第41页/共81页第42页/共81页土壤氡测量 瞬时测量（常规测量）连续测量 累积测量第43页/共81页瞬时测量 测网：与伽马能谱测量相同 测量孔深：60-80cm 测量次数：1次/点 检查测量：可疑地段、异常地段100%一般地段：20%资料处理：按地质单元作统计 规范：氡及其子体测量EJ/T605-91第44页/共81页土壤氡测量-瞬时测量 仪器：FD3017镭A测氡仪 硅半导体探测器，单道alpha能谱仪 通过测量218Po的脉冲数来计算氡的浓度 仪器框图 P.83第45页/共81页第46页/共81页 仪器工作

18、原理方框图：P.83 由操作台、抽气泵和取样器三部分组成 仪器测量结果显示：218Po（采样时间内）第47页/共81页刻度：用液体镭源，或在氡室刻度 用真空法刻度p.170 连接图：p.170 计算公式：p.170 (6-3-10)nVeCktRaf)1(第48页/共81页 Kf-换算系数，Bq/Lcpm；CRa-镭-226的活度，Bq;Ra 氡-222的衰度常数，s-1;t-液体镭源密封积累时间，s；n-仪器示值的平均值，cpm;V-循环体积，L。第49页/共81页RnRnRaRaRnNNdtdN)(ttRaRnRaRaRnRnRaeeNN由液体镭源中镭形成的氡量计算公式第50页/共81页)

19、1(tRaRnRnRaeCN(RnRa Rn-RaRn)C CRaRa镭的活度，镭的活度，BqBq；t-t-液体镭源密封时间液体镭源密封时间第51页/共81页野外测量:打孔；抽气；测量；计算氡浓度 nkCfRn第52页/共81页资料整理 与伽马能谱测量类似 按地质单元做统计分析第53页/共81页土壤和建筑材料的氡222和氡220的析出率参数参数核素核素土壤土壤建筑材料建筑材料典型值典型值范围范围典型值典型值范围范围发射率发射率 Radon0.10.01-0.50.050.005-0.3Thoron0.050.01-0.20.010.002-0.06密度（密度（10103kgm-3）20.8-3

20、1.50.8-2.5有效孔隙度有效孔隙度 (peff)0.250.1-0.50.250.1-0.5扩散系数（扩散系数（msms-1）51010-610-8-10-551010-710-8-10-6扩散长度扩散长度 RB(m)Radon1.50.1-30.50.005-1Thoron0.020.0050.001-0.01活度活度a aB(Bqkg-1)Ra-226405-120602-1200Th-232405-120505-200析出率析出率（BqmBqm-2s-1）Radon0.0210-3-0.0551010-410-4-0.003Thoron10.050.01-0.2第54页/共81页土

21、壤氡累积测量方法 固体核径迹测量 活性炭测量 热释光测量218Po测量 卡210Po法第55页/共81页氡浓度测量方法比较累累积测积测量量瞬瞬时测时测量量连续测连续测量量第56页/共81页固体核径迹测量（SSNTD）探测器（CR-39等）装置 P.177 刻度 现场布样（放置在测量点）室内蚀刻及观测径迹 计算氡浓度（Solid State Nuclear Track Detector）第57页/共81页中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 ATD由扩散杯、渗透膜和径迹片三部分组成。测量原理如下：空气中的氡气通过滤膜扩散到测量杯中，氡及其子体衰变产生的 粒子碰撞到径迹片上沿着它们的轨迹造成

22、原子尺度的辐射损伤,即潜迹。经化学处理，这些潜径迹能够扩大为可观察的永久性径迹。根据径迹密度和在标准氡浓度暴露下的刻度系数可计算出被测场所的平均氡浓度。径迹探测器ATD(Alpha Track Detectors)(Alpha Track Detectors)滤膜氡浓度的长期（累积）测量扩散杯 径迹片粒子第58页/共81页径迹的形成及固体核径迹探测器的性质 径迹的形成 射线作用 辐射损伤 化学蚀刻 径迹 第59页/共81页 固体核径迹探测器 结晶:(云母)非结晶:玻璃 塑料:CR-39 CR-39 烯丙基二甘醇碳酸酯第60页/共81页固体核径迹装置的刻度 目的：将各台仪器或每批测量装置测得的仪

23、器读数换算成标准计量单位示值。方法：（）在完全相同的测量条件、相同或近于相同的测量环境下，将仪器或测量装置放在氡室（或用标准源）测定已知氡浓度下的示值（或响应），求得换算系数；（）每批样品必须留空白样；（）必须有质量保证措施，仪器的检查、重复样，监控样第61页/共81页每批样品应在氡室刻度，求得刻度系数。RRRnTFnCCRn氡浓度，氡浓度，Bqm-3nR净径迹密度；净径迹密度；暴露时间，暴露时间，h；FR刻度系数。刻度系数。参考国家标准：参考国家标准：环境空气中氡的标准测量方法环境空气中氡的标准测量方法GB/T 14582-93GB/T 14582-93第62页/共81页现场布样 室内氡浓度

24、测量：30天-90天 土壤氡浓度测量：一周左右第63页/共81页室内蚀刻及观测径迹化学蚀刻，将辐射损伤粒径放大至几百m级；氢氧化钾溶液：16%化学蚀刻液：氢氧化钾溶液与C2 H2OH的体积比为1:2，将烧杯放入洹温器内，在60下放置小时；在生物显微镜下观察蚀坑的个数，由孔洞数目可以确定放射粒子的数目（或用电火花自动计数），计算径迹密度，扣除本底后计算净计数第64页/共81页计算氡浓度 按刻度公式计算每个测点的氡浓度第65页/共81页 优点:可进行环境水平氡浓度的累积测量，直接得到被测场所氡的年均照射量，从而避免了由于时间、季节，气象因素变化所带来的影响。方法稳定、测量结果重现性好；在测量期间不

25、需要电源；探测器的体积很小便于布放和邮寄；操作简便、价格低廉。可用于职业暴露剂量检测。从近年UUNSCEAR报告发表的室内氡浓度调查结果来看，ATD的应用率逐年增加,已成为环境氡测量的主要手段之一。灵敏度:3.7 Bq/m3/3个月,存在的问题:海拔高度和杯体材料产生静电的干扰。有些探测器为了提高灵敏度，设计了很高的空气交换率，致使测量时220Rn也同222Rn一起扩散到测量杯中，对结果造成干扰。第66页/共81页氡析出率测量 概念 氡析出率是单位时间单位面积上从介质表面释放到大气空间的氡的量。第67页/共81页氡析出率测量方法 用alpha谱仪进行测量 德国ERS-2测氡仪 活性炭累积吸附法

26、第68页/共81页氡析出率计算 通过测量不同累积时间内的氡浓度计算氡的析出率 线性拟合 指数拟合第69页/共81页线性拟合线性拟合 F=Slope V/A Bq/ms第70页/共81页指数拟合 C(t)=Cmax (1-exp-(t)(Exponential growth)F=Cmax V/A Bq/msF-氡析出率，V-测氡仪体积A-测氡仪底部面积第71页/共81页6.4 氡测量方法的应用-水工环 找矿：铀矿、石油与天然气 找断层 找水：冷水、热水（温泉）区域氡潜势填图 地震预报 煤田陷落柱、煤层气燃烧区第72页/共81页 式中，氡气的溶解系数；V液和V气相应为液体和气体的体积；Rn液和Rn

27、气相应为液体和气体中氡的浓度。氡在水中的溶解系数同温度的关系更为密切，有下式：式中，t温度，oC)0502.0(405.01057.0te第73页/共81页溶解系数与温度的关系 t,t,（0C0C）0 05 510102020303040405050606070708080909010100 0 0.0.51510 00.0.42420 00.0.35351 10.0.25254 40.0.19195 50.0.15159 90.0.13138 80.0.12125 50.0.11117 70.0.11112 20.0.11110 00.0.10108 8第74页/共81页氡在介质中的产生 镭

28、衰变时，氡原子与 粒子之间由于动量守恒使氡原子获得86keV 的动能23，正是在这个反冲动能的作用下，新衰变产生的氡原子将离开衰变前镭原子的位置而运动一段距离，这段距离称为反冲距离。反冲距离的大小依赖于发生衰变介质的密度和组成，氡气在矿物颗粒中的的射程是2070nm，空气中是60m,水中是0.1m。在普通密度的矿物中，如果Ra原子离颗粒表面的距离大于70nm时，它就会阻止在晶格里面，那么就不会对发射部分作出贡献。第75页/共81页发射系数的影响因素 研究表明，湿度对氡发射率的影响很大。这是因为氡在水中的反冲射程远比在空气中的反冲射程小，氡原子在空气中的反冲射程为64,000nm，在水中的反冲射

29、程为95nm25。进入充水的空隙中的氡原子，在水膜中结束其反冲的可能性很大，从而使氡原子越过孔隙进入另一颗粒中的可能性减小。由于水膜的截留，逃出颗粒束缚的自由氡量会增大，相应的氡发射率就会增大。第76页/共81页土壤中镭含量与氡浓度的关系effBRnpaC/RaRaRnRnNN第77页/共81页土壤氡测量-瞬时测量 仪器：FD3017镭A测氡仪 硅半导体探测器，单道alpha能谱仪 通过测量218Po的脉冲数来计算氡的浓度 仪器框图 P.83第78页/共81页RnRnRaRaRnNNdtdN)(ttRaRnRaRaRnRnRaeeNN由液体镭源中镭形成的氡量计算公式第79页/共81页固体核径迹装置的刻度 目的：将各台仪器或每批测量装置测得的仪器读数换算成标准计量单位示值。方法：（）在完全相同的测量条件、相同或近于相同的测量环境下，将仪器或测量装置放在氡室（或用标准源）测定已知氡浓度下的示值（或响应），求得换算系数；（）每批样品必须留空白样；（）必须有质量保证措施，仪器的检查、重复样，监控样第80页/共81页感谢您的观赏！第81页/共81页