土壤氡浓度测量.doc

引言一、设计目的 课程设计是工程类本科教学的重要环节，是学生综合运用本专业课程和前修课程的基础理论，进行工程设计的尝试，是让学生把课堂理论知识转化为实际工程设计能力的重要手段，是培养学生创新能力和创新意识的关键过程。本专业的课程设计根据辐射防护与环境工程专业的培养目标，结合南华大学该专业的办学特色，从教学中存在的实际问题出发，对课程设计进行了一系列的探索和实践。本着“真题真做，环环相扣”的教学思路，与工程实际紧密结合。使学生的理论知识得到深化，综合设计能力全面提升。二、设计内容1、 详细了解氡浓度的变化特性及测量意义。2、 熟悉氡浓度测量的基本方法和注意事项。3、 重点掌握野外土壤氡浓度的测量方法。4、 应用FD-3017对南华大学校园内土壤的氡浓度进行测量和分析5、 提交课程设计报告。三、具体要求1、 要求学习态度认真，及时出勤参与课程设计。2、 要求严格听从开课教师的安排，按质按量的完成设计任务。3、 要求严格遵守实验室的规章制度，严格按照实验仪器的操作规范进行实验。不按规范要求而造成仪器设备损坏的，将追究赔偿责任，并考虑课程作不及格处理。4、 要求得到测量区域的土壤氡浓度分布图。正文氡(222Rn) 是一种无色、无味的放射性气体,存在于人类活动的各个角落。氡的半衰期为3.823d ,氡衰变主要产生218Po (RaA) 、214Pb (RaB) 、214Bi ( RaC) 和214Po ( RaC ) 四种短寿命氡子体。210Pb 及其以后的子体单靠氡的衰变在空气中不会达到可察觉的放射性浓度,一般不予考虑。对广大居民而言,室内氡的照射是他们所受到天然辐射最主要的来源。关于环境氡(222Rn)的辐射照射,世界各国都给予了高度重视,特别是美、英等发达国家,他们不仅进行了全国性的氡水平调查,绘出了全国氡潜势图,而且制定了室内氡监测与防治的政策【1】。我国分别于2000年和2005 年召开了“全国天然辐射照射与控制研讨会”,力争早日绘制出我国氡水平分布的潜势图。2001年国家建设部和国家质量监督检验检疫总局颁布了室内空气质量标准GB5032522001【2】,其中氡是5 项控制指标之一。地基土壤中的氡是室内(特别是毗邻地面的建筑物室内) 氡的主要源项之一【3】。室内空气中的氡56 %来自住房下的土壤,21 %来自建材,20 %来自室外空气,2 %来自供水, 1%来自燃气【4】。因此,近年来人们对土壤氡的测量与研究给予了越来越多的关注。研究房屋地基土壤中氡的积累、迁移与析出特性,是采取有效措施控制室内氡污染的基础。建立土壤氡浓度的可靠测量方法,为执行国家建设部、国家质量监督检验检疫总局关于室内氡污染强制性控制标准的可操作性、提高室内氡污染源项评价水平及效率提供技术支持 ,为改善人们的居室环境、保护人身健康起到积极作用,具有十分重要的现实意义和应用价值。一、土壤氡的测量原理1、仪器原理FD-3017RaA【5】 测氡仪基本结构由图1所示,主要由抽气泵和操作台组成。由抽气泵抽取水中或土壤中的氡气 ,氡衰 变成218Po( RaA) , 218Po主要以正离子的形式存在 ,在静电场的作用下被收集在带负高压的金属薄片上,收集结束后取出金属片,放入操作台中的探测器内进行测量。探测器选用的是半导体金硅面垒探测器,测量218Po释放的 6MeV粒子活度,粒子活度与氡浓度成正比,即可得到所测土壤氡浓度。218Po 的半衰期很短,为3.05min,在金属片上收集和测量的过程中较快地衰变,收集和测量时间的微小差别就会产生较大的误差,因此,该测氡仪受人为因素影响较大。另一个问题是该仪器在设计上没有考虑220Rn的干扰。220Rn的半衰期虽然很短 ,但其子体212Bi( ThC ) 半衰期为60.6min,放射出的粒子能量为6.05MeV ,与218Po接近,会随着218Po一起被采集测量，对结果造成一定的影响。因此，该类仪器作定量测量存在一定的缺陷。FD-3017RaA测氡仪是一种瞬时测氡仪器，利用静电收集氡衰变的第一代子体RaA作为测量对象，不存在氡射气的干扰影响。氡射气衰变产生子体RaA，在初始形成的瞬间为带正电的离子，本仪器就是利用它的带电特性，采用加电场的方式对它进行收集，使RaA离子在电场作用下被收集在带负电高压的金属收集片上，在经过一段时间加电收集后，测量RaA的放射性，其强度与氡浓度成正比，按下式可直接计算氡浓度：CRn=J*NaRaA式中：CRn 氡浓度（Bq/m3）;J 换算系数（Bq/m3）/脉冲，由标定确定，此系数包含了装置的子体收集效率和探测器效率等因素。NaRaA - RaA的放射性计数。在本次测量中J的数值与操作台的不同而有稍微变化，换算系数在实际测量时标在数据记录纸上。2、技术指标 1、极限探测灵敏度：小于0.1爱曼（1Bq/L=0.2710-10 Ci/L=0.27em） 2、抽气泵密封性能：在700mm泵柱时，漏气速率20mmHg/分 3、探测器：金硅面垒探测器，直径26 mm，面积531mm2 4、探测效率：240（用pu239源活性区直径26mm） 5、本底：4脉冲/小时 6、计数容量：199999 7、定时：高压定时 ：1分、2分、3分、5分、10分和手控。测量定时：0.5分、1分、2分、3分、5分、10分和手控。 8、仪器显示： 1）加高压时左下角有“HV”和左上角有“”符号同时显示，当高压低于24502500v时，左上角符号消失。 2）测量时右上角有“M”显示。 3)电池电压低于3.3v时右下角有“LB显示。 9、仪器有高压定时报警和测量时间报警。 10、仪器在温度100 C400 C环境下及温度400 C相对湿度95的气候条件下正常工作，与常温常湿条件相比，计数误差10 11、仪器供电：三节一号电池，功耗300mW(包括高压） 12、仪器尺寸和重量：操作台：体积21097156mm3重量2.3公斤； 抽气泵：长540mm直径103，重量3.3公斤3、仪器工作条件 一般原则:土壤中氡浓度测量的关键是如何采集土壤中的空气。土壤中氡气的浓度一般大于数百Bq/m3，这样高的氡浓度的测量可以采用电离室法、静电收集法、闪烁瓶法、金硅面垒型探测器等方法进行测量。测试仪器性能指标要求: 工作条件:温度-1040 相对湿度90%； 不确定度20%； 探测下限400Bq/m3。测量区域范围应与工程地质勘察范围相同。在工程地质勘察范围内布点时，应以间距10m作网格，各网格点即为测试点(当遇较大石块时，可偏离2m)，但布点数不应少于16个。布点位置应覆盖基础工程范围。在每个测试点，应采用专用钢钎打孔。孔的直径宜为2040mm，孔的深度宜为600800mm。成孔后，应使用头部有气孔的特制的取样器，插入打好的孔中，取样器在靠近地表处应进行密闭，避免大气渗入孔中，然后进行抽气。正式现场取样测试前，应通过一系列不同抽气次数的实验，确定最佳抽气次数。所采集土壤间隙中的空气样品，宜采用静电扩散法、电离室法或闪烁瓶法、金硅面垒型探测器等测定现场土壤氡浓度。取样测试时间宜在8:0018:00之间，现场取样测试工作不应在雨天进行，如遇雨天，应在雨后24h后进行。现场测试应有记录，记录内容包括:测试点布设图，成孔点土壤类别，现场地表状况描述，测试前24h以内工程地点的气象状况等。地表土壤氡浓度测试报告的内容应包括:取样测试过程描述、测试方法、土壤氡浓度测试结果等。二、土壤氡的测量步骤1、测量区域的划分以及布点 本次土壤氡浓度的测量范围包括南华大学整个校园，为了顺利完成任务，全班分为五个小组，每小组3-4个人。鉴于实际情况，我们把校园分成了5个区域A、B、C、D、E，我们对负责对A区域的测量和数据处理。（A区覆盖南华园、北校体育场、宏辰篮球场、一栋教学楼、南华广场以及整个北校女生宿舍。）通过卫星地图我们A区布点62个，两个点之间的平均距离为50m。但在实际测量中，由于地形、建筑物等客观因素的影响，有些点我们无法测量，因此，为了保证数据的准确，我们在测量时采取了折中的原则。（具体的布点见附录）2、野外测量的方法和步骤 仪器检查合格后方可进行野外测量工作，测量时按照抽气加高压收集取片测量的次序在一个测量点上完成后移至下一个测量点上，逐点进行。 按照说明连接仪器，并用专用电缆线连接操作台和抽筒上的高压插座。用细钢杆打一个导向眼并插入取样器，用脚踩实上部的松土，防止大气渗入，然后用橡皮管连接干燥器。（在地表覆土比较松软的地区，可将取样器直接安装固定在抽泵脚蹬下面，直接将取样器踩入土中，不需要钢杆眼） 放片：将样片盒向外拉开，放入新的收集片，有符号面向上，光面朝下。 抽气：将阀门置于“抽”的位置，提拉抽气筒至第二个定位槽门处，把橡皮管内及取样器内的残留气体抽入筒内，然后将阀门置于“排”，压下抽泵，将气体排出，接着便可正式开始抽取地下土壤中气体，当抽筒提升至最上端“1.5升”位置时，即向右方旋转一个角度使之固定，此时被抽入的气体体积为1.5升，马上关闭阀门，使筒内气体与外界空气隔绝。 启动高压收集RaA：按下高压启动按钮，使收集片加上高压，开始收集累积RaA离子，时间为2分。 取片：当高压报警讯号发出后，马上取出收集片（注意：不要用手擦摸朝下的收集面）。同时把它放到操作台右面的测量盒内。（注意此时收集片的光面应该向上）取片过程应该控制在15秒内完成，因高压报警讯号发出后，电路内部将自动延迟15秒，并启动计数电路，经2分钟测量后，自动发出第二次报警讯号。 排气：当收集片放入测量盒后，在等待测量报警讯号期间，即可把筒内氡气排掉。 移点：每一个点上测量至少三组数据，取算术平均值，第三次测量时，即可去下一个布点出打眼并按照上述步骤进行测量操作，每次测量读取脉冲计数（Na），并把已测过的收集片从测量盒中取出，放入到专门的贮片筒内，待次日重复使用。 数据处理：氡浓度的计算，由于RaA法测量氡不受钍射气的干扰影响，因此可根据单次测量的计数Na，带入公式CRn=J*NaRaA，直接求出氡浓度，数据处理简单方便。3、测量中需注意事项(1) 在野外测量前务必检查装置的气密性。(2) 打孔深度60-80cm。(3) 收集片从抽气筒拿到操作台务必在15秒内完成。(4) 收集片放在操作台测量时光滑面向上。(5) 抽气时间40-60秒，不宜太快。(6) 多次测量，取平均值。三、数据处理 本小组四个人中我负责处理北校体育场范围内的数据。 由于操作台0613的计数时间只有一分钟，经查阅我们对所测数据均乘了一个修正系数1.795。计算出来的单位是：Bq/m3坐标A41A40A39A38A31A32A33A25A26A14A15Na1108232614274415463724167Na2633019120101474061573294Na39728198976505763594078Na89272111784465062633880CRn9701329425621427410248501454506758686746369760讨论: 1、 采样深度的影响。土壤氡浓度似随采样深度的增加而增加。采样深度达 60 cm以上时,土壤氡浓度变动较小。2、 抽气时间的影响。在测量时,分别用 10 s、 20 s、30 s的时间为抽气的全程时间进行实验。抽气时间对氡的测量影响不太明显。3、 微波对测量的影响。采样后进行仪器测量时,手机微波对仪器计数影响很大。4、 土壤湿度的影响。雨前(土壤含水少)的结果是雨后(土壤含水多)的1. 05倍。5、 测量仪内的干燥剂的影响。干燥剂对氡浓度的测量有明显影响。实验结果表明干燥剂越干燥测定的结果越高 ,干燥剂受潮测量结果偏低。结论1、 南华大学的土壤氡浓度明显按地域分布特征，北校的土壤氡浓度明显高于其他地方，其影响因素很多，加上本身就是在建筑地面上测量，有很多地方是填充的土壤，不是天然的土壤，这就大大影响了我们测量的比对性。2、 所有测点的土壤氡浓度范围在2562 Bq/m3-14274Bq/m3民用建筑工程室内环境污染控制规范GB 50325-2001 (2006年版)【6】已进行过土壤中氡浓度或土壤表面氡析出率区域性测定的民用建筑工程，当土壤氡浓度测定结果平均值不大于10000Bq/m3或土壤表面氡析出率测定结果平均值不大于0.02Bq/m2s时，且工程场地所在地点不存在地质断裂构造,可不再进行土壤氡浓度测定；其他情况均应进行工程场地土壤氡浓度或土壤表面氡析出率测定。 当民用建筑工程场地土壤氡浓度不大于20000 Bq/m3或土壤表面氡析出率测定结果平均值不大于0.05Bq/m2s时，可不采取防氡工程措施。当民用建筑工程场地土壤氡浓度测定结果大于20000 Bq/m3且小于30000 Bq/m3，或土壤表面氡析出率大于0.05Bq/m2s且少于0.1Bq/m2s时，应采取建筑物底层地面抗开裂措施。当民用建筑工程场地土壤氡浓度测定结果大于或等于30000 Bq/m3且小于50000 Bq/m3，或土壤表面氡析出率大于或等于0.1Bq/m2s且少于0.3Bq/m2s时，除采取建筑物内底层地面抗开裂措施外，还必须按现行国家标准地下工程防水技术规范GB50108中的一级防水要求，对基础进行处理。当民用建筑工程场地土壤氡浓度测定结果大于或等于50000 Bq/m3，或土壤表面氡析出率大于或等于0.3Bq/m2s时，除采取本规范4.2.5条防氡处理措施外，还应按照国家标准新建低层住宅建筑设计与施工中氡控制导则GB/T17785-1999的有关规定，采取综合建筑构造防氡措施。当I类民用建筑工程场地土壤中氡浓度大于或等于50000Bq/m3时，或土壤表面氡析出率大于或等于0.3Bq/m2s时，应进行建筑场地土壤中的镭-266、钍-232、钾-40的比活度的测定。当测定结果表明内照射指数（I Ra）大于1.0或外照射指数（I r）大于1.3时，工程场地土壤不得作为工程回填土使用。3、 综上：南华大学校园内土壤氡浓度属于正常范围，不需要采取防氡措施。参考文献：【1】BRE.Sumps :a BRE Guide to Remedial Mea sure s in Existing Dwellings (Building Research Establishment , Garston)BR211 (1992)【2】中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 ,等.GB 50325-2001.民用建筑工程室内环境污染控制规范 S .北京:中国标准出版社 ,2001.【3】UNSCEAR. UNSCEAR 1993 年报告电离辐射源与效应 R.北京:原子能出版社,北京 ,1995.【4】谈成龙.氡 2003J .世界核地质科学 ,2004 ,21(2) :115.【5】FD-3017A使用说明书.上海申核电子仪器有限公司,2003.【6】民用建筑工程室内环境污染控制规范GB 50325-2001 (2006年版).附录：附录1打孔布局图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13为一组数据14、15、25、26、31、32、33、38、39、40、41为一组数据16、17、18、22、23、24、28、29、30、35、36、37、42、43、44为一组数据45、46、47、48、49、50、57、58、59、60、61、62为一组数据附录2实际打孔位置布局图附录3南华大学校园土壤氡浓度分布的测量数据记录表时间：11月2日操作台编号：0613 刻度系数K=109 天气：晴朗坐标第一次第二次第三次第四次平均值测量时间地质说明备注A621315148:40土质松，湿润A618149149:30A603045489:58A5939717310:18A5867716510:43A57741111:10黄土 土质硬A4514314412111:29黄土 土质松 时间：11月3日操作台编号：0613 刻度系数K=109 天气：晴朗坐标第一次第二次第三次第四次平均值测量时间地质说明备注A501320128:35A49101579:00A481720219:30A472223259:56A4611232510:16A441061059610:41土质硬A4361464711:00土质非常硬A4257536211:28A4160355411:56土质硬时间：11月4日操作台编号：0613 刻度系数K=109 天气：晴朗坐标第一次第二次第三次第四次平均值测量时间地质说明备注A3725333414:16A3020282814:44A2933303214:58A2814252715:16坐标第一次第二次第三次第四次平均值测量时间地质说明备注A3679858115:40A3534513416:12A3330223216:36A3223262817:00A2535343517:30A2640323317:55时间：11月5日操作台编号：0612 刻度系数K=122 天气：晴朗坐标第一次第二次第三次第四次平均值测量时间地质说明备注A402330289:15A392619199:45A381421208910:20A31741017610:52A2230162811:21时间：11月5日操作台编号：0612 刻度系数K=122 天气：晴朗坐标第一次第二次第三次第四次平均值测量时间地质说明备注A2444444714:56A2336684315:15A1821232615:36土质松散A1727232515:50土质松散A1612014115116:08A1567947816:36土质很硬A1441324017:01A1026023224817:22A1164877517:36A1212121417:50土质很硬A1324323118:11土质很硬时间：11月6日操作台编号：0612 刻度系数K=122 天气：晴朗坐标第一次第二次第三次第四次平均值测量时间地质说明备注A95648:20A82324238:45A71301131209:15A67980839:45A472948610:03A552504710:20A367617010:40A2107910:59A196766311:20附录4数据处理坐标第一次第二次第三次第四次平均值测量时间备注土质说明氡浓度A621315141408:40测量时间1分钟 修正*1.795 刻度系数10925.13土质松湿润2739.17A6181491410.33309:3018.548332021.77A603045484109:5873.5958021.86A593971736110:18109.49511935A5867716567.66710:43121.461613239.3A5774117.333311:1013.16333黄土土质硬1434.8A4514314412113611:29244.12黄土土质松 26609.1A501320121508:3526.9252934.83A491015710.66709:0019.146662086.99A4817202119.33309:3034.703333782.66A4722232523.33309:5641.883334565.28A4611232519.66710:1635.301663847.88A4410610596102.3310:41183.6883土质硬20022A4361464751.33311:0092.14333土质非常硬10043.6A4257536257.33311:28102.913311217.6A4160355449.66711:5689.15166土质硬9717.53A3725333430.66714:1655.046666000.09A3020282825.3331