壤氡辐射场理论研究与测氡仪器研制

论文摘要

众所周知,自然界的氡主要来自地下地质体中放射性元素铀镭等的衰变释放,因此对壤氡辐射场的研究意义重大:即可通过对其异常场的研究解决找矿、油气勘探、灾害地质监测、地震预报、考古、环境工程地质等领域中的应用问题;又可通过研究氡在土壤的迁移规律,使环境氡研究与相关的地质背景相联系,提高环境氡的评价水平。本文对壤氡辐射场的研究,以后者为目的。论文通过氡迁移的扩散—对流理论模型,建立地空界面氡浓度定解问题,并提出定解问题新的边界条件,即地空界面上氡气流密度连续,进而得到地空界面两侧氡浓度分布随土壤深度、地表高度及地表介质铀镭含量变化的数学表达式。提出氡逸出率与迁移率比的物理概念,较好地解释了壤中氡浓度与大气氡浓度的变化特征及二者间的相互关联。论文根据实验研究的特点,有针对性的开发了三种土壤氡测量仪器:（1）土壤连续测氡系统埋入地下长期连续测量,采用CAN总线设计,可组网实现几公里范围内的多点同时测量,在两小时测量周期其探测灵敏度达到GB50325-2001对室内空气氡的检测要求（“所选用方法的探测下限不应大于10 Bq/m3”）,表现出良好的探测性能;（2） IED-3000型测氡仪通过计算气压校正系数,校正FD3017类泵吸式测氡仪进气量难以预计引起的测量误差。通过金花镇剖面测线的实测数据表明,由进气量原因引起的平均相对偏差高达39%,可由该项校正技术解决。其性能根据氡室比对结果,在探测灵敏度、相对标准偏差等指标方面均优于FD3017:（3）自动移片测氡仪首次实现非接触式（即α衰变不在探测器表面进行）静电收集测氡仪的抽气—收集—探测全自动化测量,免去了一次测量过程中抽排气、取放片的多次人工干预,把收集室和探测室集成在主机箱内的一体化设计,省去了外部的连接电缆,使仪器的操作更简便快捷,工作更可靠。经标定测试,包括稳定性、灵敏度在内,仪器各项指标均优于IED-3000型测氡仪。对壤氡辐射场的实验研究主要包括:（1）通过对不同深度（高度）土壤（空气）氡浓度的观测,验证地空界面两侧氡浓度分布数学表达式。观测结果表明,理论计算值与实测值符合性较好,尤其地下实验的最大相对误差仅为55%;（2）通过对土壤氡场扰动的实验观测发现,某地下0.28米处氡浓度在一个月内的前后变化幅度超过4倍,且壤氡辐射场的变化受土壤温度、气压影响,与温度呈现正相关,与气压呈现负相关。（3）通过对成都经济区两条测线包括氡浓度、镭比活度、含水率、孔隙度等参数的实地测量,经误差分析、多元回归处理、反演拟合计算,得出按四种土壤类型细化的含水率修正模型。在对实测剖面CDF1的理论计算中,有近60%的样品理论值与实测值吻合较好,其中含水率修正前后,各测点平均相对偏差由97%减小到50%。在对实测剖面CDF3的验证性计算中,理论值与实测值平均相对偏差为70%。（4）利用修正模型,对区域氡浓度分布情况做出预测,可得出氡浓度平面分布的等值线图和随深度变化的表面图。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 引言
• 1.1 研究课题来源
• 1.2 研究现状
• 1.3 选题依据与研究意义
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 理论基础
• 2.1 氡的主要迁移机理
• 2.1.1 自由氡的产生
• 2.1.2 氡的扩散迁移
• 2.1.3 氡的对流迁移
• 2.2 土壤测氡原理
• 2.2.1 氡放射性平衡的建立
• 2.2.2 测量方式与原理
• 第3章 地空界面氡辐射场的数理模型
• 3.1 氡浓度的定解问题
• 3.1.1 地表介质中氡的稳态传播方程
• 3.1.2 空气中氡的稳态传播方程
• 3.1.3 边界条件
• 3.2 优化数理模型的建立
• 3.2.1 地表介质中氡浓度分布表达式
• 3.2.2 地表氡的逸出率表达式
• 3.2.3 空气中氡浓度分布表达式
• 3.3 氡浓度与铀镭含量的关系
• 第4章 土壤连续测氡仪的研制
• 4.1 系统组成
• 4.2 测量机设计
• 4.2.1 安装结构与工作原理
• 4.2.2 α射线探测电路设计与调试
• 4.2.3 气压、温湿度测量电路的标定校准
• 4.2.4 CAN总线接口电路与通信配置
• 4.2.5 其它总线通信接口
• 4.3 便携操控器设计
• 4.4 CAN-HUB设计
• 4.5 网络应用层协议制定
• 4.6 系统软件设计
• 4.7 仪器标定与性能测试
• 第5章 土壤瞬时测氡仪的研制
• 5.1 IED-3000型测氡仪系统设计
• 5.1.1 硬件结构
• 5.1.2 软件编程
• 5.2 气压校正原理与应用效果
• 5.2.1 校正原理
• 5.2.2 应用效果
• 5.3 自动移片测氡仪系统组成
• 5.3.1 机械结构
• 5.3.1.1 自动移片装置结构
• 5.3.1.2 机箱面板设计
• 5.3.2 单元电路与功能模块的实现
• 5.3.2.1 无变压器高压偏置电源设计
• 5.3.2.2 移片装置的机电控制
• 5.3.2.3 多机通信在系统中的应用
• 5.3.2.4 功能键盘设计
• 5.3.3 软件设计
• 5.3.3.1 软件功能结构
• 5.3.3.2 主控程序设计
• 5.3.3.3 PC机通讯程序设计
• 5.4 仪器标定与性能测试
• 第6章 模型的实验研究
• 6.1 实验方案设计
• 6.2 参数的测量方法
• 6.2.1 土壤密度与含水率的测量
• 6.2.2 土壤镭含量的测量
• 6.2.3 土壤类型的划分
• 6.2.4 其它参数的测量
• 6.3 氡浓度在地空界面两侧变化的实验验证
• 6.3.1 土壤氡辐射场扰动分析
• 6.3.2 数理模型的实验验证
• 6.3.3 相关量对模型影响的数值模拟
• 6.4 含水率对土壤氡浓度的影响及修正
• 6.4.1 镭含量与氡浓度的实测关系
• 6.4.2 误差分析
• 6.4.3 多元回归修正
• 6.4.4 修正公式的实验验证
• 6.5 CDF3测线土壤氡浓度随深度变化预测
• 6.6 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果
• 附录 A 国家实用新型专利证书
• 附录 B 仪器样机及工作照片
• 附录 C 自动移片装置机械设计总图
• 附录 D 论文部分相关数据表