核地球物理第六章 氡的基本特性和氡測(cè)量方法

1、核地球物理第六章 氡的基本特性和氡測(cè)量方法6.1 氡釷射氣及其衰變產(chǎn)物6.2 土壤中氡的來(lái)源及遷移6.3 土壤氡及氡析出率測(cè)量方法6.4 氡測(cè)量方法的應(yīng)用氡測(cè)量方法是一種常用的地球物理方法1900年，發(fā)現(xiàn)氡-2221904年，在加拿大開(kāi)始出現(xiàn)測(cè)量土壤和河水中氡氣測(cè)量的裝置和方法20世紀(jì)20年代成為野外找礦方法主要應(yīng)用于尋找鈾礦也廣泛應(yīng)用于找水、確定構(gòu)造位置、地震預(yù)報(bào)環(huán)境評(píng)價(jià)及保護(hù)-氡潛勢(shì)填圖分類(lèi)土壤氣氡測(cè)量氡析出率測(cè)量氡氣測(cè)量（大氣環(huán)境中）瞬時(shí)測(cè)量連續(xù)測(cè)量累積測(cè)量氡的特性氣態(tài)氡：無(wú)色無(wú)味液態(tài)氡：起初是無(wú)色透明的，然后由于衰變產(chǎn)物，它能使容器的玻璃壁發(fā)綠色熒光固態(tài)氡：不透明，能發(fā)出明亮的淺藍(lán)色光

2、氡的特性-氡的理化性質(zhì)元素周期表第周期的零族元素 原子半徑：?jiǎn)卧臃派湫詺怏w分子直徑為惰性氣體，不活潑，無(wú)色無(wú)味。氡轉(zhuǎn)化為固態(tài)的溫度約為-113。熔點(diǎn)為-71。沸點(diǎn)為-62。氡氣的密度比空氣要重，在O C和101325Pa下，氣態(tài)氡的密度為9.7310-3g/cm ，常溫下氡及子體在空氣中能形成放射性氣溶膠而污染空氣。6.1 氡釷射氣及其衰變產(chǎn)物氡的物理特性輻射（衰變）特性溶解性易被固體吸附具遷移性（擴(kuò)散對(duì)流為主）氡的衰變特性-三個(gè)天然放射性同位素RaC氡的短壽命子體Rn222鈾-238衰變鏈氡最重要的同位素是三個(gè)天然放射系（鈾系、釷系和錒系）中鐳的子體222Rn、220Rn和219Rn。21

3、9Rn半衰期不到4秒，從它產(chǎn)生的地點(diǎn)到人類(lèi)呼吸帶之前就衰變完了。220Rn的半衰期為秒。通常所說(shuō)的氡僅指222Rn。222Rn是鈾系衰變的中間產(chǎn)物,它的半衰期為天，衰變過(guò)程產(chǎn)生一系列新的放射性核素。習(xí)慣上將這些新生的放射性核素稱(chēng)做氡子體。氡子體分為短壽命子體(從218Po到214Po)和長(zhǎng)壽命子體(210Pb以后)。氡的三個(gè)天然同位素Rn-222Rn-220Rn-219總結(jié)：半衰期、衰變類(lèi)型、粒子能量、衰變產(chǎn)物氡同位素的輻射性質(zhì) 同位素半衰期（T1/2）衰變常數(shù)，s-1射線類(lèi)型能量（Mev）在空氣中的射程（cm）222Rn3.825d2.09710-45.4814.04220Rn54.5s1.

4、27210-26.2874.09219Rn3.92s0.17686.423（7.5%）5.566.551（11.5%）6.817（1.0%）6.527（0.1%）核素符號(hào)俗稱(chēng)半衰期核衰變類(lèi)型粒子能量/Mev 218PoRaA3.05min6.002 214PbRaB26.8min 214BiRaC19.7min 214PoRaC1.6410-4s7.687232Th系衰變圖232Th228Ra208Pb208Tl220Rn216Po224RaT1/2109aT1/2 55 sec 228Ac228Th溶解性放射性氣體能以不同的速度溶解于不同的液體中，其中尤為顯著者是溶解于各種油脂和煤油中。根據(jù)

5、格林定律，液體中的氡濃度（Rn氣/V氣）和氣體中的氡濃度（Rn氣/V氣）成正比，即：式中，氡氣的溶解系數(shù)；V液和V氣相應(yīng)為液體和氣體的體積；Rn液和Rn氣相應(yīng)為液體和氣體中氡的濃度。氡在水中的溶解系數(shù)同溫度的關(guān)系更為密切，有下式： 式中，t溫度，oC溶解系數(shù)與溫度的關(guān)系 t,（ 0C）05102030405060708090100 0.5100.4200.3510.2540.1950.1590.1380.1250.1170.1120.1100.108易被固體吸附所有的固體在不同沉度上吸附氡活性炭對(duì)氡的吸附能量最強(qiáng)粘土、石臘、橡膠、煤等吸附能量很強(qiáng)環(huán)境中的氡水平低通風(fēng)率6.2 土壤中氡的來(lái)源及遷

6、移6. 2. 1 氡在土壤中的遷移 擴(kuò)散作用 對(duì)流作用6. 2. 2 氡在土壤中的遷移規(guī)律 6.2.3 土壤中鐳含量與氡濃度的關(guān)系氡在介質(zhì)中的產(chǎn)生 鐳衰變時(shí)，氡原子與 粒子之間由于動(dòng)量守恒使氡原子獲得86keV 的動(dòng)能23，正是在這個(gè)反沖動(dòng)能的作用下，新衰變產(chǎn)生的氡原子將離開(kāi)衰變前鐳原子的位置而運(yùn)動(dòng)一段距離，這段距離稱(chēng)為反沖距離。反沖距離的大小依賴(lài)于發(fā)生衰變介質(zhì)的密度和組成，氡氣在礦物顆粒中的的射程是2070nm，空氣中是60m,水中是。在普通密度的礦物中，如果Ra原子離顆粒表面的距離大于70nm時(shí)，它就會(huì)阻止在晶格里面，那么就不會(huì)對(duì)發(fā)射部分作出貢獻(xiàn)。所以固體中鐳衰變后，產(chǎn)生的氡原子并不全是可

7、遷移的。因?yàn)榉礇_的氡原子可能在進(jìn)入微裂隙前便阻留在周?chē)Ц裰?，也可能穿過(guò)微裂隙重新進(jìn)入附近的固體晶格而阻留。上述在晶格中的氡原子在常溫下僅靠分子熱運(yùn)動(dòng)是很難擴(kuò)散出晶格的，故可認(rèn)為是不可遷移的。固體中鐳衰變產(chǎn)生的所有氡原子中，進(jìn)入孔隙中的可遷移部分所占的份額叫做發(fā)射系數(shù)()。發(fā)射系數(shù)是決定土壤中可遷移的有效氡含量的源項(xiàng)。氡在土壤中的反沖機(jī)制 Emanation ：發(fā)射，指在介質(zhì)內(nèi)部 recoil （反沖） diffusion （擴(kuò)散）Exhalation ：析出，孔隙中的射氣擴(kuò)散到大氣中 發(fā)射率，發(fā)射系數(shù) 土壤顆粒中形成并逃到孔隙中的氡稱(chēng)為發(fā)射率，由反沖和擴(kuò)散兩部分組成。氣體在固體中的擴(kuò)散系數(shù)是

8、很小的，以反沖為主。發(fā)射系數(shù)的影響因素研究表明，濕度對(duì)氡發(fā)射率的影響很大。這是因?yàn)殡痹谒械姆礇_射程遠(yuǎn)比在空氣中的反沖射程小，氡原子在空氣中的反沖射程為64,000nm，在水中的反沖射程為95nm25。進(jìn)入充水的空隙中的氡原子，在水膜中結(jié)束其反沖的可能性很大，從而使氡原子越過(guò)孔隙進(jìn)入另一顆粒中的可能性減小。由于水膜的截留，逃出顆粒束縛的自由氡量會(huì)增大，相應(yīng)的氡發(fā)射率就會(huì)增大。對(duì)樣品加熱能引起物質(zhì)的變化（濕度減小、晶格缺陷退火、相轉(zhuǎn)變），從而導(dǎo)致射氣擴(kuò)散能力的改變。物質(zhì)的變化能直接引起射氣作用的改變；當(dāng)潤(rùn)濕樣品被加熱時(shí)，若溫度不是很高，在孔隙中會(huì)恢復(fù)部分水膜，從而使氡發(fā)射率增大。若對(duì)樣品加熱到高

9、溫時(shí)，則能減少水膜的面積，從而使氡發(fā)射率減小。此外，其它因素如物質(zhì)的粒度也會(huì)對(duì)氡發(fā)射率造成影響。氡的遷移根據(jù)氡在多孔介質(zhì)中運(yùn)移的理論，推動(dòng)氡通過(guò)充滿(mǎn)流體（空氣和水）的空隙中行進(jìn)的動(dòng)力主要有體積活度梯度和壓力梯度兩種，即兩種運(yùn)移方式。擴(kuò)散作用對(duì)流作用擴(kuò)散作用氡氣是一種可隨時(shí)間變化而衰變的放射性氣體，它的分子由于熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果而向濃度?。w積活度低）的方向移動(dòng)，稱(chēng)為擴(kuò)散。氡的擴(kuò)散服從一般氣體擴(kuò)散的Fick第一定律 J1 氡的擴(kuò)散流密度，(Bq/m2s) ；C 介質(zhì)孔隙中的氡濃度(Bq/m3)；D 氡在介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；C 介質(zhì)孔隙中的氡濃度梯度(Bq/m4)。氡氣的擴(kuò)散遷移可以在氣體、液

10、體和固體中進(jìn)行，它的擴(kuò)散主要取決于以下因素：孔隙度、滲透性、溫度、結(jié)構(gòu)和濕度等 。這里所說(shuō)的擴(kuò)散系數(shù)D是指氡在作為一個(gè)整體的介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)，而實(shí)際科學(xué)研究中經(jīng)常用到的是有效擴(kuò)散系數(shù)De 的概念，有效擴(kuò)散系數(shù)是指氡在介質(zhì)孔隙空間中的擴(kuò)散系數(shù)。 擴(kuò)散系數(shù) D在數(shù)值上等于濃度梯度為一個(gè)單位時(shí)，單位時(shí)間通過(guò)單位面積的射氣量。對(duì)流作用對(duì)流是僅次于擴(kuò)散作用的另一種重要作用，當(dāng)介質(zhì)與環(huán)境中存在著壓力差時(shí)，氣體可以從壓力高的部位向壓力低的部位遷移。氣體的對(duì)流服從達(dá)西定律 。對(duì)流作用-用Dacy定律式中： -流體的對(duì)流速度(m/s)； 介質(zhì)的滲透率，(m2) ；空氣動(dòng)態(tài)粘滯系數(shù)（viscosity）(Ns/m

11、2) ； P壓力。其中空氣壓力梯度是產(chǎn)生滲流作用的原動(dòng)力，氣壓、風(fēng)力和溫度的變化都會(huì)造成土壤內(nèi)部孔隙與地面空氣之間的壓力差。土壤滲透性K與土壤粒徑大小、土壤成分、孔隙度大小以及孔隙的連通情況有密切關(guān)系。很多研究都表明，土壤的滲透性是決定土壤氡潛勢(shì)的重要因素。 氡在土壤中的遷移規(guī)律從均勻介質(zhì)中到達(dá)介質(zhì)表面氡濃度剖面的穩(wěn)態(tài)方程為式中：peff介質(zhì)中的有效孔隙度,%；介質(zhì)密度, g/cm3；aB介質(zhì)中的鐳含量, Bq/kg；CB深度為Z時(shí)的氡濃度，Bq/m3 CBS深度為無(wú)限大時(shí)氡的濃度, Bq/m3。僅考慮分子擴(kuò)散作用時(shí)，穩(wěn)態(tài)方程的解為，當(dāng)z=0時(shí)，CB =0式中：地表面氡的析出率可表示為：式中，

12、 RB為氡的擴(kuò)散長(zhǎng)度土壤氡濃度分布規(guī)律-二層模型計(jì)算公式土壤中鐳含量與氡濃度的關(guān)系6.3 氡測(cè)量方法土壤氡測(cè)量大氣氡測(cè)量氡析出率測(cè)量土壤氡測(cè)量瞬時(shí)測(cè)量（常規(guī)測(cè)量）連續(xù)測(cè)量累積測(cè)量瞬時(shí)測(cè)量測(cè)網(wǎng)：與伽馬能譜測(cè)量相同測(cè)量孔深：60-80cm測(cè)量次數(shù)：1次/點(diǎn)檢查測(cè)量：可疑地段、異常地段100% 一般地段：20%資料處理：按地質(zhì)單元作統(tǒng)計(jì)規(guī)范：氡及其子體測(cè)量EJ/T605-91土壤氡測(cè)量-瞬時(shí)測(cè)量?jī)x器：FD3017鐳A測(cè)氡儀硅半導(dǎo)體探測(cè)器，單道alpha能譜儀通過(guò)測(cè)量218Po的脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算氡的濃度儀器框圖 儀器工作原理方框圖：由操作臺(tái)、抽氣泵和取樣器三部分組成儀器測(cè)量結(jié)果顯示： 218Po（采樣時(shí)間

13、內(nèi)）刻度：用液體鐳源，或在氡室刻度用真空法刻度連接圖：計(jì)算公式：p.170 (6-3-10)Kf -換算系數(shù)，Bq/Lcpm； CRa - 鐳-226的活度，Bq;Ra 氡-222的衰度常數(shù)，s-1;t- 液體鐳源密封積累時(shí)間，s；n- 儀器示值的平均值，cpm;V- 循環(huán)體積，L。由液體鐳源中鐳形成的氡量計(jì)算公式CRa鐳的活度，Bq；t-液體鐳源密封時(shí)間野外測(cè)量: 打孔；抽氣；測(cè)量；計(jì)算氡濃度 資料整理與伽馬能譜測(cè)量類(lèi)似按地質(zhì)單元做統(tǒng)計(jì)分析土壤和建筑材料的氡222和氡220的析出率參數(shù)核素土壤建筑材料典型值范圍典型值范圍發(fā)射率 Radon0.10.01-0.50.050.005-0.3Tho

14、ron0.050.01-0.20.010.002-0.06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擴(kuò)散系數(shù)（ms-1）510-610-8-10-5510-710-8-10-6擴(kuò)散長(zhǎng)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）Radon0.0210-3-0.05510-410-4-0.003Thoron10.050.0

15、1-0.2土壤氡累積測(cè)量方法固體核徑跡測(cè)量活性炭測(cè)量熱釋光測(cè)量218Po測(cè)量卡210Po法氡濃度測(cè)量方法比較累積測(cè)量瞬時(shí)測(cè)量連續(xù)測(cè)量固體核徑跡測(cè)量（SSNTD）探測(cè)器（CR-39等）裝置 刻度現(xiàn)場(chǎng)布樣（放置在測(cè)量點(diǎn)）室內(nèi)蝕刻及觀測(cè)徑跡計(jì)算氡濃度（Solid State Nuclear Track Detector） 中國(guó)疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所 ATD由擴(kuò)散杯、滲透膜和徑跡片三部分組成。測(cè)量原理如下：空氣中的氡氣通過(guò)濾膜擴(kuò)散到測(cè)量杯中，氡及其子體衰變產(chǎn)生的 粒子碰撞到徑跡片上沿著它們的軌跡造成原子尺度的輻射損傷,即潛跡。經(jīng)化學(xué)處理，這些潛徑跡能夠擴(kuò)大為可觀察的永久性徑跡。根據(jù)徑跡

16、密度和在標(biāo)準(zhǔn)氡濃度暴露下的刻度系數(shù)可計(jì)算出被測(cè)場(chǎng)所的平均氡濃度。徑跡探測(cè)器ATD(Alpha Track Detectors)濾膜氡濃度的長(zhǎng)期（累積 ）測(cè)量擴(kuò)散杯 徑跡片粒子徑跡的形成及固體核徑跡探測(cè)器的性質(zhì)徑跡的形成射線作用 輻射損傷 化學(xué)蝕刻 徑跡 固體核徑跡探測(cè)器結(jié)晶:(云母) 非結(jié)晶:玻璃 塑料:CR-39CR-39烯丙基二甘醇碳酸酯固體核徑跡裝置的刻度目的：將各臺(tái)儀器或每批測(cè)量裝置測(cè)得的儀器讀數(shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位示值。方法：（）在完全相同的測(cè)量條件、相同或近于相同的測(cè)量環(huán)境下，將儀器或測(cè)量裝置放在氡室（或用標(biāo)準(zhǔn)源）測(cè)定已知氡濃度下的示值（或響應(yīng)），求得換算系數(shù)；（）每批樣品必須留空白

17、樣；（）必須有質(zhì)量保證措施，儀器的檢查、重復(fù)樣，監(jiān)控樣每批樣品應(yīng)在氡室刻度，求得刻度系數(shù)。CRn氡濃度， Bqm-3nR凈徑跡密度；暴露時(shí)間，h；FR刻度系數(shù)。參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：環(huán)境空氣中氡的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法GB/T 14582-93現(xiàn)場(chǎng)布樣室內(nèi)氡濃度測(cè)量：30天-90天土壤氡濃度測(cè)量：一周左右室內(nèi)蝕刻及觀測(cè)徑跡化學(xué)蝕刻，將輻射損傷粒徑放大至幾百m級(jí)；氫氧化鉀溶液：16%化學(xué)蝕刻液：氫氧化鉀溶液與C2 H2OH的體積比為1:2，將燒杯放入洹溫器內(nèi)，在60下放置小時(shí)；在生物顯微鏡下觀察蝕坑的個(gè)數(shù)，由孔洞數(shù)目可以確定放射粒子的數(shù)目（或用電火花自動(dòng)計(jì)數(shù)），計(jì)算徑跡密度，扣除本底后計(jì)算凈計(jì)數(shù)計(jì)算氡濃度按刻度公式計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)的氡濃度優(yōu)點(diǎn): 可進(jìn)行環(huán)境水平氡濃度的累積測(cè)量，直接得到被測(cè)場(chǎng)所氡的年均照射量，從而避免了由于時(shí)間、季節(jié)，氣象因素變化所帶來(lái)的影響。方法穩(wěn)定、測(cè)量結(jié)果重現(xiàn)性好；在測(cè)量期間不需要電源；探測(cè)器的體積很小便于布放和郵寄；操作簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉?？捎糜诼殬I(yè)暴露劑量檢測(cè)。從近年UUNSCEAR報(bào)告發(fā)表的室內(nèi)氡濃度調(diào)查