核物探氡及子体解析

核物探氡及子体解析第1页/共74页氡测量方法是一种常用的地球物理方法1900年，F.Dorn发现氡-2221904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2页/共74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3页/共74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4页/共74页氡的特性-氡的理化性质元素周期表第Ⅵ周期的零族元素原子半径：0.13nm单原子放射性气体分子直径为0.46nm惰性气体，不活泼，无色无味。氡转化为固态的温度约为-113℃。熔点为-71℃。沸点为-62℃。氡气的密度比空气要重，在OC和101325Pa下，气态氡的密度为9.73×10-3g/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气。6.1氡钍射气及其衰变产物第5页/共74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6页/共74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Rn222铀-238衰变链第7页/共74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8页/共74页氡的三个天然同位素Rn-222Rn-220Rn-219总结：半衰期、衰变类型、粒子能量、衰变产物第9页/共74页氡同位素的辐射性质同位素半衰期（T1/2）衰变常数，s-1射线类型能量（Mev）在空气中的射程（cm）222Rn3.825d2.097×10-4α5.4814.04220Rn54.5s1.272×10-2α6.2874.09219Rn3.92s0.1768α6.423（7.5%）5.566.551（11.5%）6.817（1.0%）6.527（0.1%）第10页/共74页核素符号俗称半衰期核衰变类型粒子能量/Mev

218PoRaA3.05minα6.002

214PbRaB26.8minββ

214BiRaC19.7minββ

214PoRaC`1.64×10-4sα7.687第11页/共74页第12页/共74页232Th系衰变图232Th228Ra208Pb208Tl220Rn216Po224RaT1/24.46×109aT1/255sec228Ac228Th第13页/共74页第14页/共74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：第15页/共74页式中，ω——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第16页/共74页溶解系数与温度的关系t,（

0C）05102030405060708090100

ω0.5100.4200.3510.2540.1950.1590.1380.1250.1170.1120.1100.108第17页/共74页易被固体吸附所有的固体在不同沉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18页/共74页环境中的氡水平低通风率第19页/共74页6.2土壤中氡的来源及迁移6.2.1氡在土壤中的迁移

扩散作用对流作用6.2.2氡在土壤中的迁移规律

6.2.3土壤中镭含量与氡浓度的关系第20页/共74页氡在介质中的产生镭衰变时，氡原子与α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20—70nm，空气中是60μm,水中是0.1μm。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21页/共74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(ε)。发射系数是决定土壤中可迁移的有效氡含量的源项。第22页/共74页氡在土壤中的反冲机制第23页/共74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ε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24页/共74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95nm[25]。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25页/共74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26页/共74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度和压力梯度两种，即两种运移方式。扩散作用对流作用第27页/共74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28页/共74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)。第29页/共74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30页/共74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31页/共74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32页/共74页

对流作用-用Dacy定律式中：-流体的对流速度(m/s)；

Ｋ＿介质的渗透率，(m2)

；μ－空气动态粘滞系数（viscosity）(Ns/m2)

；P－压力。第33页/共74页其中空气压力梯度是产生渗流作用的原动力，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34页/共74页氡在土壤中的迁移规律第35页/共74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,%；ρ－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。第36页/共74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：第37页/共74页地表面氡的析出率可表示为：式中，RB－为氡的扩散长度第38页/共74页土壤氡浓度分布规律-二层模型第39页/共74页计算公式第40页/共74页土壤中镭含量与氡浓度的关系第41页/共74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42页/共74页第43页/共74页土壤氡测量瞬时测量（常规测量）连续测量累积测量第44页/共74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45页/共74页土壤氡测量-瞬时测量仪器：FD—3017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46页/共74页第47页/共74页仪器工作原理方框图：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48页/共74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)第49页/共74页Kf-换算系数，Bq/L·cpm；CRa-镭-226的活度，Bq;λRa–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50页/共74页由液体镭源中镭形成的氡量计算公式第51页/共74页CRa——镭的活度，Bq；t-液体镭源密封时间第52页/共74页野外测量:打孔；抽气；测量；计算氡浓度第53页/共74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54页/共74页土壤和建筑材料的氡－222和氡－220的析出率参数核素土壤建筑材料典型值范围典型值范围发射率

εRadon0.10.01-0.50.050.005-0.3Thoron0.050.01-0.20.010.002-0.06密度（103kgm-3）20.8-31.50.8-2.5有效孔隙度

(peff)0.250.1-0.50.250.1-0.5扩散系数（ms-1）5×10-610-8-10-55×10-710-8-10-6扩散长度

RB(m)Radon1.50.1-30.50.005-1Thoron0.020.0050.001-0.01活度aB(Bqkg-1)Ra-226405-120602-1200Th-232405-120505-200析出率（Bqm-2s-1）Radon0.0210-3-0.055×10-410-4-0.003Thoron10.050.01-0.2第55页/共74页土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α卡210Po法第56页/共74页氡浓度测量方法比较累积测量瞬时测量连续测量第57页/共74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（SolidStateNuclearTrackDetector）第58页/共74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α粒子碰撞到径迹片上沿着它们的轨迹造成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。α径迹探测器ATD(AlphaTrackDetectors)←滤膜氡浓度的长期（累积）测量←扩散杯径迹片α粒子第59页/共74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60页/共74页固体核径迹探测器结晶:(云母)非结晶:玻璃塑料:CR-39CR-39烯丙基二甘醇碳酸酯第61页/共74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：（１）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；（２）每批样品必须留空白样；（３）必须有质量保证措施，仪器的检查、重复样，监控样第62页/共74页每批样品应在氡室刻度，求得刻度系数。CRn－氡浓度，Bqm-3nR－净径迹密度；Ｔ－暴露时间，h；FR－刻度系数。参考国家标准：《环境空气中氡的标准测量方法》GB/T14582-93第63页/共74页现场布样室内氡浓度测量：30天-90天土壤氡浓度测量：一周左右第64页/共74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μm级；氢氧化钾溶液：16%化学蚀刻液：氢氧化钾溶液与C2H2OH的体积比为1:2，将烧杯放入洹温器内，在60℃下放置４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65页/共74页计算氡浓度按刻度公式计算每个测点的氡浓度第66页/共74页优点:

可进