活性炭测氡法.doc

活性炭测氡法一 基本原理自然界存在三大天然放射性系列，即：铀系(238U)、钍系(232Th)和锕铀系(235U)。这些元素的半衰期均很长(7.041081.41010年)，所以它们均赋存在目前的岩石中。放射性核素放出射线，同时变成另一种核素的现象叫做衰变。通常，我们把原来的核素称为母体, 新产生的核素称为子体。子体核素还会衰变,一直持续到衰变的产物不再具有放射性为止。铀镭衰变系的衰变过程及各代子体核素的放射性特征如表1。 从其衰变过程中可以看出: 氡既是铀系的子体, 又是唯一呈气态的惰性气体, 也是人们感兴趣的子体, 因为它可以由地下深部迁移至地表, 并可显示出地层深部各种变化的信息。氡(222Rn)具有以下特性:1)氡是一种无色、无味、无嗅的放射性惰性气体。其密度为9.73克/升, 是目前已知的最重的气体。当温度为-65时,由气体变为液体；在-71时, 又由液体变为固体。2)氡是一种惰性气体，一般不参加化学反应，能溶于水、油等液体中，在液体中的溶解度随液体温度的升高而下降。表1 铀 镭 衰 变 系核素名称符 号辐射方式射线能量MeV半衰期T1/2衰变常数1/S铀1238U(UI)a,4.184.47109年4.88310-18铀X1234Th(UZ1),0.19324.1日3.32810-7铀X2234Pa(UZ2),2.291.17分9.83110-3铀234U(UII)a,4.742.44105年8.87410-14钍230Tha,4.657.7104年2.8510-13镭226Raa,4.771602年1.38410-11氡222Rna,5.483.825日2.09710-6镭A218Po(Ra)a6.003.05分3.78810-3镭B214Pb(RaB),1.0326.8分4.3110-4镭C214Bi(RaC)a,3.2319.7分5.86410-4镭C214Po(RaC)a7.681.6410-4 秒4.234103镭C210Tl(RaC)1.961.32分8.7510-3镭D210Pb(Ra),0.06122.3年9.9810-5镭E210Bi(RaE)1.165.0日1.60810-6镭F210Po(RaF)a5.30138.4日5.810-8镭G206Pb(Ra)稳 定稳 定半衰期: 放射性强度减少到它最初期的二分之一所需的时间。衰变常数: 在单位时间内每一个原子核的衰变几率。3)氡能被固体物质所吸附。所有固体物质都不同程度地吸附氡，其中尤以活性炭、煤、橡胶、蜡最为突出，其吸附能力随温度的增加而减弱。4)氡具有衰变性。氡是由镭衰变来的，氡又继续衰变并产生系列子体。氡气可由地下深部迁移到地表附近,这为了解地下深部的地质信息提供了新的途径。煤矿采空区形成后，改变了地下地质体的应力分布状态，促使地质体发生变形，从而改变了地下气体的运移与集聚环境，对氡气的运移与富集具有一定的控制作用。主要表现为三个方面：（1）储气作用：相对于周围完整岩体来说，采空区冒落带及裂隙带是相对松散带，其中岩石块体之间空隙大，连通性好，是储存气体与地下水的理想场所。（2）集气作用：如上所述，采空区煤层顶板塌陷冒落后，应力集中向围岩内部迁移，在采空区周边形成一个低应力区，一般来说，气体与液体总是由压力较高的部位向压力较低的部位运移。因此，采空区及其周边派生变形区就成为地下抽吸气体的容器，不断把围岩中的气体抽到采空区中来，造成氡元素在采空区的聚集。同时，由于采空区及其周边裂隙带的存在，还可以其它方式促使放射性元素向采空区运移、富集。（3）通道作用：采空区冒落带及其派生裂隙形成后，都是气体自下向上运移的良好通道。在地温与地压作用下，氡气必然与其他气体（CO，CO2，CH4，H2S等）一起自地下深处向地表迁移，在地表形成氡异常区。度与煤层倾角的函数，可由下述公式来计算：冒落带高度： 裂隙带高度：式中：M为煤层高度 为煤层倾角 K为顶板岩石碎胀系数，位于1.11.4之间对于煤层厚度为10m，煤层倾角为10缓倾斜厚煤层（山西省二叠系山西组主采煤层大多是这种情况），取K值为1.2，则冒落带高度可达51m左右，裂隙带高度可达150m左右，两带总高度可达200m左右，对于山西省许多地区来说，这一高度已达到或接近地表，足以引发浅、表层变形，对氡气向上运移起控制作用。总之，通过上述种种作用，氡射气元素向采空区运移，在采空区集聚，在地表形成一个与采空区形态相应的氡异常区。因此，可以通过测量地表氡元素的浓度（实际是测量氡及其子体衰变所释放的射线的强度）来准确圈定煤矿采空区的位置和范围。2.野外施工方法将使用的活性炭烘烤干燥，冷却后按适量标准装入采样器中，并用硅胶塞口防止地下湿气的影响，然后密封待用。接着，如图2将装好的采样器口朝下放入探坑中，平稳固定好采样器和探杯，盖上塑料布并用土密封住坑口。待埋杯时间达到预定时间后（至少5天），取出采样器，认真填写取样时间和当时气候等状况。将采样器放入检验和标定好的活性炭测氡仪，同时记录每个采样器的线号和点号。图2活性炭吸附装置3.质量控制对观测数据质量检测主要可以分为室内检测和室外重复测量两部分。室内主要以系统检查观测来衡量，对于质量检查点的测量数据应符合放射性测量的统计涨落规律，即放射性衰变现象中，各个原子的衰变完全是独立进行的，哪个先衰变，哪个后衰变是带有一种偶然性的。因此，单位时间内衰变的原子数目是有多有少，有起有伏的，而且放射性测量数据服从泊松分布，满足下列关系式： (1.1)式中，P(n)为计数是n的出现的几率。它和出现次数P(n)有下面关系： （1.2）检查点测量数据质量误差的衡量公式： （1.3）式中，是均方误差。相对标准误差计算公式：100% （1.4）式中，nc放射源加本底时的计数率； nb本底的计