核物探氡及子體解析

第六章氡的特性及氡測量方法6.1氡釷射氣及其衰變產(chǎn)物6.2土壤中氡的來源及遷移6.3土壤氡及氡析出率測量方法6.4氡測量方法的應(yīng)用氡測量方法是一種常用的地球物理方法1900年，F(xiàn).Dorn發(fā)現(xiàn)氡-2221904年，在加拿大開始出現(xiàn)測量土壤和河水中氡氣測量的裝置和方法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)報環(huán)境評價及保護-氡潛勢填圖分類土壤氣氡測量氡析出率測量氡氣測量（大氣環(huán)境中）瞬時測量連續(xù)測量累積測量氡的特性氣態(tài)氡：無色無味液態(tài)氡：起初是無色透明的，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)色光氡的特性-氡的理化性質(zhì)元素周期表第Ⅵ周期的零族元素原子半徑：0.13nm單原子放射性氣體分子直徑為0.46nm惰性氣體，不活潑，無色無味。氡轉(zhuǎn)化為固態(tài)的溫度約為-113℃。熔點為-71℃。沸點為-62℃。氡氣的密度比空氣要重，在OC和101325Pa下，氣態(tài)氡的密度為9.73×10-3g/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（擴散對流為主）氡的衰變特性-三個天然放射性同位素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天然放射系（鈾系、釷系和錒系）中鐳的子體222Rn、220Rn和219Rn。219Rn半衰期不到4秒，從它產(chǎn)生的地點到人類呼吸帶之前就衰變完了。220Rn的半衰期為55.6秒。通常所說的氡僅指222Rn。222Rn是鈾系衰變的中間產(chǎn)物,它的半衰期為3.82天，衰變過程產(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做氡子體。氡子體分為短壽命子體(從218Po到214Po)和長壽命子體(210Pb以后)。氡的三個天然同位素Rn-222Rn-220Rn-219總結(jié)：半衰期、衰變類型、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射線類型能量（Mev）在空氣中的射程（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%）核素符號俗稱半衰期核衰變類型粒子能量/Mev

218PoRaA3.05minα6.002

214PbRaB26.8minββ

214BiRaC19.7minββ

214PoRaC`1.64×10-4sα7.687232Th系衰變圖232Th228Ra208Pb208Tl220Rn216Po224RaT1/24.46×109aT1/255sec228Ac228Th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)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，ω——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

ω0.5100.4200.3510.2540.1950.1590.1380.1250.1170.1120.1100.108易被固體吸附所有的固體在不同沉度上吸附氡活性炭對氡的吸附能量最強粘土、石臘、橡膠、煤等吸附能量很強環(huán)境中的氡水平低通風(fēng)率6.2土壤中氡的來源及遷移6.2.1氡在土壤中的遷移

擴散作用對流作用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，氡原子與α粒子之間由于動量守恒使氡原子獲得86keV的動能[23]，正是在這個反沖動能的作用下，新衰變產(chǎn)生的氡原子將離開衰變前鐳原子的位置而運動一段距離，這段距離稱為反沖距離。反沖距離的大小依賴于發(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20—70nm，空氣中是60μm,水中是0.1μm。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，它就會阻止在晶格里面，那么就不會對發(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遷移的。因為反沖的氡原子可能在進入微裂隙前便阻留在周圍晶格中，也可能穿過微裂隙重新進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動是很難擴散出晶格的，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，進入孔隙中的可遷移部分所占的份額叫做發(fā)射系數(shù)(ε)。發(fā)射系數(shù)是決定土壤中可遷移的有效氡含量的源項。氡在土壤中的反沖機制Emanation：發(fā)射，指在介質(zhì)內(nèi)部recoil（反沖）diffusion（擴散）Exhalation：析出，孔隙中的射氣擴散到大氣中發(fā)射率，發(fā)射系數(shù)ε土壤顆粒中形成并逃到孔隙中的氡稱為發(fā)射率，由反沖和擴散兩部分組成。氣體在固體中的擴散系數(shù)是很小的，以反沖為主。發(fā)射系數(shù)的影響因素研究表明，濕度對氡發(fā)射率的影響很大。這是因為氡在水中的反沖射程遠(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95nm[25]。進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，從而使氡原子越過孔隙進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增大，相應(yīng)的氡發(fā)射率就會增大。對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)潤濕樣品被加熱時，若溫度不是很高，在孔隙中會恢復(fù)部分水膜，從而使氡發(fā)射率增大。若對樣品加熱到高溫時，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)的粒度也會對氡發(fā)射率造成影響。氡的遷移根據(jù)氡在多孔介質(zhì)中運移的理論，推動氡通過充滿流體（空氣和水）的空隙中行進的動力主要有體積活度梯度和壓力梯度兩種，即兩種運移方式。擴散作用對流作用擴散作用氡氣是一種可隨時間變化而衰變的放射性氣體，它的分子由于熱運動的結(jié)果而向濃度小（體積活度低）的方向移動，稱為擴散。氡的擴散服從一般氣體擴散的Fick第一定律J1—氡的擴散流密度，(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)。氡氣的擴散遷移可以在氣體、液體和固體中進行，它的擴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。這里所說的擴散系數(shù)D是指氡在作為一個整體的介質(zhì)中的擴散系數(shù)，而實際科學(xué)研究中經(jīng)常用到的是有效擴散系數(shù)De的概念，有效擴散系數(shù)是指氡在介質(zhì)孔隙空間中的擴散系數(shù)。擴散系數(shù)D在數(shù)值上等于濃度梯度為一個單位時，單位時間通過單位面積的射氣量。對流作用對流是僅次于擴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，氣體可以從壓力高的部位向壓力低的部位遷移。氣體的對流服從達(dá)西定律。

對流作用-用Dacy定律式中：-流體的對流速度(m/s)；

Ｋ＿介質(zhì)的滲透率，(m2)

；μ－空氣動態(tài)粘滯系數(shù)（viscosity）(Ns/m2)

；P－壓力。其中空氣壓力梯度是產(chǎn)生滲流作用的原動力，氣壓、風(fēng)力和溫度的變化都會造成土壤內(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,%；ρ－介質(zhì)密度,g/cm3；aB－介質(zhì)中的鐳含量,Bq/kg；CB－深度為Z時的氡濃度，Bq/m3

CBS－深度為無限大時氡的濃度,Bq/m3。僅考慮分子擴散作用時，穩(wěn)態(tài)方程的解為，當(dāng)z=0時，CB=0式中：地表面氡的析出率可表示為：式中，RB－為氡的擴散長度土壤氡濃度分布規(guī)律-二層模型計算公式土壤中鐳含量與氡濃度的關(guān)系6.3氡測量方法土壤氡測量大氣氡測量氡析出率測量土壤氡測量瞬時測量（常規(guī)測量）連續(xù)測量累積測量瞬時測量測網(wǎng)：與伽馬能譜測量相同測量孔深：60-80cm測量次數(shù)：1次/點檢查測量：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)計規(guī)范：氡及其子體測量EJ/T605-91土壤氡測量-瞬時測量儀器：FD—3017鐳A測氡儀硅半導(dǎo)體探測器，單道alpha能譜儀通過測量218Po的脈沖數(shù)來計算氡的濃度儀器框圖P.83儀器工作原理方框圖：P.83由操作臺、抽氣泵和取樣器三部分組成儀器測量結(jié)果顯示：218Po（采樣時間內(nèi)）刻度：用液體鐳源，或在氡室刻度用真空法刻度p.170連接圖：p.170計算公式：p.170(6-3-10)Kf-換算系數(shù)，Bq/L·cpm；CRa-鐳-226的活度，Bq;λRa–氡-222的衰度常數(shù)，s-1;t-液體鐳源密封積累時間，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算公式CRa——鐳的活度，Bq；t-液體鐳源密封時間野外測量:打孔；抽氣；測量；計算氡濃度資料整理與伽馬能譜測量類似按地質(zhì)單元做統(tǒng)計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

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擴散系數(shù)（ms-1）5×10-610-8-10-55×10-710-8-10-6擴散長度

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土壤氡累積測量方法固體核徑跡測量活性炭測量熱釋光測量218Po測量α卡210Po法氡濃度測量方法比較累積測量瞬時測量連續(xù)測量固體核徑跡測量（SSNTD）探測器（CR-39等）裝置P.177刻度現(xiàn)場布樣（放置在測量點）室內(nèi)蝕刻及觀測徑跡計算氡濃度（SolidStateNuclearTrackDetector）中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護與核安全醫(yī)學(xué)所

ATD由擴散杯、滲透膜和徑跡片三部分組成。測量原理如下：空氣中的氡氣通過濾膜擴散到測量杯中，氡及其子體衰變產(chǎn)生的α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，這些潛徑跡能夠擴大為可觀察的永久性徑跡。根據(jù)徑跡密度和在標(biāo)準(zhǔn)氡濃度暴露下的刻度系數(shù)可計算出被測場所的平均氡濃度。α徑跡探測器ATD(AlphaTrackDetectors)←濾膜氡濃度的長期（累積）測量←擴散杯徑跡片α粒子徑跡的形成及固體核徑跡探測器的性質(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：將各臺儀器或每批測量裝置測得的儀器讀數(shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)計量單位示值。方法：（１）在完全相同的測量條件、相同或近于相同的測量環(huán)境下，將儀器或測量裝置放在氡室（或用標(biāo)準(zhǔn)源）測定已知氡濃度下的示值（或響應(yīng)），求得換算系數(shù)；（２）每批樣品必須留空白樣；（３）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；Ｔ－暴露時間，h；FR－刻度系數(shù)。參考國家標(biāo)準(zhǔn)：《環(huán)境空氣中氡的標(biāo)準(zhǔn)測量方法》GB/T14582-93現(xiàn)場布樣室內(nèi)氡濃度測量：30天-90天土壤氡濃度測量：一周左右室內(nèi)蝕刻及觀測徑跡化學(xué)蝕刻，將輻射損傷粒徑放大至幾百μm級；氫氧化鉀溶液：16%化學(xué)蝕刻液：氫氧化鉀溶液與C2H2OH的體積比為1:2，將燒杯放入洹溫器內(nèi)，在60℃下放置４小時；在生物顯微鏡下觀察蝕坑的個數(shù)，由孔洞數(shù)目可以確定放射粒子的數(shù)目（或用電火花自動計數(shù)），計算徑跡密度，扣除本底后計算凈計數(shù)計算氡濃度按刻