氡析出试验装置的研制与应用

汪 弘 李向阳 罗才武 冯胜洋 洪昌寿

（南华大学资源环境与安全工程学院 湖南衡阳 421000）

1 前言

氡（Rn）是一种具有天然放射性的惰性气体，它能衰变产生Rn子体，在空气中形成放射性气溶胶，被世界卫生组织（WHO）列为19种主要环境致癌物质之一。南华大学作为一所老牌核工业院校，一直从事核放射性方面的教学与研究[1]，核类和安全类专业开设了多门与Rn相关的课程，但市场上针对该方面的仪器较为匮乏，难以进行高水平实验，严重制约了相关实验和实践教学活动的开展[2-4]。

2 Rn析出机理及影响因素

土壤或岩石等固体介质中的Rn从产生到最终在地表析出主要分为3个阶段:（1）固体晶格中的镭（Ra）衰变形成Rn，经核反冲作用进入介质孔隙中形成自由Rn。（2）介质孔隙中的自由Rn在对流与扩散的作用下向地表迁移。（3）Rn到达地-空交界面，从地表析出进入大气[5]，详见图1。

图1 Rn运移与析出过程

松散介质中Rn运移析出公式如下:

国内外大量研究表明，介质的环境因素和其本身物化特性与表面Rn析出率有强相关性[6-10]。环境因素主要包括:振动扰动、温度、超声波等，介质物化性质主要包括:镭含量、粒径分布、含水率、孔隙度等。振动扰动、温度、超声波等因素会改变松散介质体的Rn 扩散系数（ΔD）和渗流速度（Δv），Ra含量、粒径分布等因素会影响松散介质自由Rn的产生能力，即

3 试验装置的总体设计及组成

基于环境对Rn析出的影响机理，南华大学自主研制了“模拟复杂条件下Rn耦合析出试验装置”，该仪器注重对多重环境因素场的还原模拟，可实现在不同温度、振动、超声扰动等条件下实验介质Rn析出率的测定。该试验装置主要由试验台支架及其底座、析出罐及3个不同环境参数（温度、振动和声波）的模拟系统组成，详见图2、图3。

图2 系统设计及功能实现原理图

图3 Rn析出实验装置实物图

3.1 析出罐

析出罐由内、外2个镶嵌罐体组成。内罐为试验罐，用于存放实验试块、进行Rn气的收集，主要材质为有机玻璃，包括罐体底部滑轨、罐体、法兰密封盖和振动传递连接部分。内罐为密闭的长圆柱形罐体，可将有限厚的均匀多孔射气介质等效为半无限大的情形进行模拟实验，罐体上表面留有进气孔、出气孔可进行密闭腔体累积测量法测定Rn。外罐体主要材质为不锈钢，主要为内罐提供水（油）浴加温和保温作用。

3.2 温度环境模拟系统

该系统主要实现对析出罐内罐温度的高精度控制，用以还原不同环境温度场。试验时设置环境温度参数，温度传感器感应实验温度，温度过低时控温装置自动打开加热装置加温，达到实验温度停止加热，并在温度低于实验温度0.5℃时自动进行温度补偿。考虑环境温度模拟需要及温度对Rn析出影响的关系，最大可控温度在60℃，控制精度为±1℃。

3.3 振动环境模拟系统

该系统由JZK-50激振器、YE1311扫频信号发生器和HY5872A功率放大器3部分组成。JZK-50激振器为实验提供振动动力，通过振动连接杆直接与析出罐内罐相连；YE1311扫频信号发生器和HY5872A功率放大器输出信号，控制激振器的振动频率、振幅和波形。析出罐箱体下端安装有滑轨和凹槽用来减小罐体的滑动阻力。系统最大激振力为1 000 N，最大振幅为±10 mm，激振频率范围为5~20 kHz，可模拟的波形包括正弦波、方波、三角波等。

3.4 超声环境模拟系统

超声环境模拟系统由KMD-M1超声波发生器和超声波振子组阵组成，通过超声波发生器控制超声波振子的输出，可为实验提供不同功率大小的超声波。超声频率范围为20～40kHz，最大输出功率900W。

4 实验测试

实验采用RAD7型连续测氡仪进行Rn测量，主要包括RAD7连续测氡仪、柱状干燥管（配备DRIERITE指示型无水硫酸钙干燥剂）、针式过滤器和乙烯树脂软管。采用密闭腔体法，NORMAL模式进行测量，测量范围为 0.1～20000pCi/L，灵敏度 0.25～0.5pCi/L。 每次测量时间10min，测量循环24次，单次测试时间4h。

测得Rn浓度后，依据公式（3）可得到测试试样的Rn析出率:

其中:J—Rn 析出率，Bq/（m2·s）；S—析出面积，m2；V—集 Rn 总空间，m3；Ct—t时刻的 Rn 浓度，Bq/m3；Δt—积累时间，s；λ—等效衰败系数，s-1。

4.1 不同温度下的Rn析出实验

实验采用水浴控温，所采用的实验温度组（T）为10℃、20℃、30℃、40℃和 50℃。

实验流程:将试样封存24h，选择一个实验温度，通过控温装置设置对应的实验温度，待温度升至实验温度，温度漂移在±1℃时，开始进行Rn浓度测量。试验完成后，用仪器PURGE模式净化实验腔体，选择另外一个实验温度重复上述过程。通过测量和计算，可得到不同温度下Rn析出变化关系，详见图4。

图4 不同温度下的Rn析出率

4.2 低频振动荷载下Rn析出实验

测试前实验温度恒定为30℃（误差±1℃），实验所采用的低频振动频率组（f）为 0（对照组）、0～16、17～32、33～48、49～64 和 54～80 Hz。

实验流程:预先低频振动处理10 min，采用仪器PURGE模式净化实验腔体；选择一个实验振动频率，打开功率放大器，设置对应激振频率，进行Rn浓度测量。试验完成后，选另一个实验振动频率重复上述过程。通过测量和计算，可得到低频振动下的Rn析出变化关系，详见图5。

图5 不同振动荷载下的Rn析出率

4.3 超声作用下Rn析出实验

测试前实验温度恒定为20℃（误差±1℃），实验所采用的超声功率组（P）为:110、220、330 和 440 W。实验流程:预先超声处理10 min，采用仪器PURGE模式净化实验腔体；选择一个实验超声频率，打开功率放大器，设置对应超声功率，进行Rn浓度测量。试验完成后，另选一个实验超声功率重复上述过程。通过测量和计算，可得到超声作用下的Rn析出变化曲线，详见图6。

图6 不同超声作用下的氡析出率

5 结语

南华大学自行研制的“模拟复杂条件下Rn耦合析出试验装置”可实现多重环境因素场的还原模拟，完成多种条件下放射介质Rn析出率的测定。仪器的研发实现了核类专业课程和实验教学的精准对应，深化学生对Rn析出规律和机理的学习，加强了对学生实践能力和创新能力的培养。