[工学]chapter6常规射气测量马.ppt

1、核物探技术,马永红 核技术与自动化工程学院,概 述,定义：射气测量是利用射气仪测量土壤空气中的放射性气体的浓度，并根据不同地点所测量到的放射性气体浓度的分布规律来勘查铀矿、解决某些地质问题的一种放射性测量方法。,应用核技术与自动化工程学院,分类： 常规射气测量 径迹测量 钋量测量 活性炭吸附测量 卡（杯）测量,5.1 射气的性质和射气晕的形成,（1）氡的物理常数 临界温度 104.4oC 临界压力 6.2108Pa 气态时的密度 9.72910-3g/cm3 液态时的密度 5.7g/cm3 沸点 65oC 固化温度 71oC 在空气中的扩散系数 0.105cm2/s 3.71010Bq氡的体积

2、 0.66mm3,应用核技术与自动化工程学院,5.1.1 射气的性质,5.1 射气的性质和射气晕的形成,（2）射气的溶解性 射气能溶解在其它液体中。 溶解在液体中的射气浓度与空气中的浓度成正比，其比例系数称为溶解度系数。 温度增加，溶解度降低。例在0oC时Rn溶解度系数为0.510； 30oC时，溶解度系数为0.20。,应用核技术与自动化工程学院,5.1.1 射气的性质,5.1 射气的性质和射气晕的形成,（3）固体物质对射气的吸附 所有固体物质都不同程度地吸附氡。 活性炭、煤、橡胶、蜡吸附氡性能较好。 岩石中，粘土是好的氡吸附剂。 金属的吸附氡能力很弱。 玻璃吸附氡的能力比金属更弱。,应用核技

3、术与自动化工程学院,5.1.1 射气的性质,5.1 射气的性质和射气晕的形成,（1）射气系数 射气系数定义为,应用核技术与自动化工程学院,5.1.2 岩石和矿石的射气作用,式中：N1、N2分别为在某一时间间隔内岩石析出的射气与产生的全部射气。,5.1 射气的性质和射气晕的形成,（2）影响射气系数的主要因素,应用核技术与自动化工程学院,5.1.2 岩石和矿石的射气作用,岩石破碎程度高，射气系数增大。 温度增高，岩石射气系数增大。 湿样品的射气系数略低于干样品。 风化岩石的射气系数高于原生岩石。,5.1 射气的性质和射气晕的形成,（1）扩散作用(1) 当存在浓度梯度时，射气由浓度高的地方向浓度低的

4、地方迁移称为扩散。,应用核技术与自动化工程学院,5.1.3 射气在介质中的迁移,描述扩散作用的参数为扩散系数K。,扩散系数当浓度梯度为一个单位时，单位时间内通过单位面积的气体量。其单位为：cm2/s。,5.1 射气的性质和射气晕的形成,（1）扩散作用(2) 除扩散系数外，尚用扩散长度来描述射气的扩散。,应用核技术与自动化工程学院,5.1.3 射气在介质中的迁移,扩散长度 l当某一点的射气浓度减少到原始射气浓度1/e时，该点离射气源的距离。,扩散长度反应了射气浓度随距离减弱的特性。,5.1 射气的性质和射气晕的形成,（2）对流作用 当存在压力差时，射气从压力高的地方向压力低的地方流动，称为对流。

5、,应用核技术与自动化工程学院,5.1.3 射气在介质中的迁移,对流作用的大小用对流速度来描述。单位：cm/d,对流作用的研究较少。被认为是影响射气运移的重要作用之一。,5.1 射气的性质和射气晕的形成,（3）抽吸作用 当土壤和空气的温度存在差异时，若空气温度高，由于热的作用，水蒸气蒸发，使地下氡气不断向上迁移，这种作用叫抽吸。,应用核技术与自动化工程学院,5.1.3 射气在介质中的迁移,温度差异越大，抽吸作用越大。,抽吸作用是近几年提出的氡气迁移方式之一。,5.1 射气的性质和射气晕的形成,（4）地下水的搬运作用 由于氡可以溶解在水中，所以氡可以在地下水的带动下，被迁移到很远的地方。,应用核技

6、术与自动化工程学院,5.1.3 射气在介质中的迁移,5.1 射气的性质和射气晕的形成,（5）伴生气体的压力作用 氡是一种微量气态元素，在很多情况下它可以在其它浓度较大的土壤气体（如O、N、CO2）扩散压力的推动下向地表迁移。,应用核技术与自动化工程学院,5.1.3 射气在介质中的迁移,5.1 射气的性质和射气晕的形成,（6）地热作用 当存在地热梯度时，气体可以由温度高的部位向温度低的部位迁移。,应用核技术与自动化工程学院,5.1.3 射气在介质中的迁移,5.1 射气的性质和射气晕的形成,（7）其它作用 还有一些其它因素，如地震应力引起的毛细压力的变化，大气压力的纵深效应等，都可能引起氡的迁移。

7、,应用核技术与自动化工程学院,5.1.3 射气在介质中的迁移,氡气的迁移，一般不是单一因素，而应该是由综合因素引起的。在研究氡气迁移时，应该考虑各种影响因素。,5.1 射气的性质和射气晕的形成,核技术与自动化工程学院,5.1.4 射气在土壤气体中的分布与射气异常的形成,射气在土壤中的分布与下列因素有关：,岩石或土壤中放射性核素含量（主要是Ra、Th）；,射气系数；,射气的运移与射气的衰变；,由于决定射气析出、影响射气运移的因素众多，因此，一般说来，无法通过理论公式来计算射气的运移等。但理论公式对于工作方法选择、地质解释还是有价值的。,5.1 射气的性质和射气晕的形成,核技术与自动化工程学院,5

8、.1.4 射气在土壤气体中的分布与射气异常的形成,正常场：由土壤或岩石中正常放射性核素存在形成的射气浓度，称为射气底数或者射气正常场。,花岗岩地区射气底数：150260 Bq/L,异常场：通常把高于正常场2 3倍的射气浓度定为工作区的异常下限。大于等于异常下限的区域，称为异常场。,沉积岩地区射气底数：4075 Bq/L,5.1 射气的性质和射气晕的形成,核技术与自动化工程学院,5.1.4 射气在土壤气体中的分布与射气异常的形成,当浮土下有铀矿体时，能不断地放出射气。其中一部分射气可进入岩石孔隙或土壤及大气中。随着铀等核素的不断衰变，矿体内的射气浓度不断增大，驱使射气向四周浓度较小的地方逸散。使

9、部分氡可以从地下到达地表。形成以矿体为中心的向四周降低的射气异常。射气的浓度在矿体上方几至十几m的范围内都有显著的增高，所以可以根据氡射气浓度的增高来发现铀矿床。,铀矿体形成的射气场 分布示意图,5.2 射气分布的理论计算,当射气由矿体向地表迁移时，单位时间内dx层中射气量的改变与通过dx层底面和顶面的射气流之差、以及单位时间内在dx层中衰变的射气量有关，它们之间的关系为,核技术与自动化工程学院,5.2.1 层状矿体上面非放射性浮土中的射气分布,Ndx层中的射气浓度； S dx层的面积； Q通过dx层底面流入的射气量； NSdx dx层中的射气量。,只考虑扩散与对流时，单位时间内由扩散和对流引

10、起的射气量为：,K扩散系数 V对流速度,在放射性矿层上方，dx层中的射气浓度将达到稳定，即dN/dt0,由边界条件确定N1、N2：,1、浮土厚度很大时（h10m）, x，N0，由此可得：N20, x=0，NN0，由此可得：N1N0,讨论：, V0，浮土中射气浓度公式简化为,即：浮土中射气浓度由矿层界面向地面呈指数规律衰减。当,讨论：,若无扩散作用，即K0，则,由边界条件确定N1、N2：,2、浮土厚度有限时（h10m）, x0，NN0, x=h，N0，,由得 NN1N2N0 N2N0N1,由得,由此解得,将N1、N2代入N的一般公式得,分析：当x为一定值时，V越大，射气浓度N越大。,核技术与自动

11、化工程学院,若V0，则射气仅由于扩散作用而迁移，此时N之解为：,不同扩散条件时氡扩散距离(m)，h=2m,不同扩散条件时氡扩散距离(m)，h=5m,不同扩散条件时氡扩散距离(m)，h,分析1：若扩散系数为0.04cm2/s，离矿体10m时，射气浓度已经下降到原始浓度得千分之一。,结论：如果只考虑扩散作用，可以把10m厚的浮土看作为无限厚的浮土。即扩散距离最大为10m。,分析2：若扩散系数为0.04cm2/s，取样深度为1m，以可以探测到矿层表面射气浓度百分之一为可以发现异常，则射气测量的探测深度为510m。,核技术与自动化工程学院,Tn扩散距离讨论：,结论：Tn离开矿层后只能扩散十几厘米。因此

12、在地表测量时，所测量的Tn射气代表的是来自地表的射气。,核技术与自动化工程学院,不同扩散条件时Tn扩散距离(cm)，h,5.2 射气分布的理论计算,核技术与自动化工程学院,5.2.2 均匀放射性浮土中射气浓度的分布,a单位时间内放射层产生的射气浓度。,只考虑扩散与对流时，单位时间内由扩散和对流引起的射气量为：,0,核技术与自动化工程学院,核技术与自动化工程学院,由边界条件确定积分常数N1、N2：,当x0时，N0，有：,当x，NN，有：,N表示岩石深部的射气浓度。,1cm3浮土中有CRa.克镭，由其形成的自由氡浓度为：,核技术与自动化工程学院,当只考虑扩散作用，即V0，有,氡浓度随深度的变化规律

13、如右图所示。,均匀放射层的射气分布,5.2 射气分布的理论计算,核技术与自动化工程学院,5.2.3 射气流密度的确定,1、只考虑扩散和对流作用时，通过单位面积的射气流密度,若对流速度V0，则,(1) 经过地面进入大气的射气流密度q,若V0,核技术与自动化工程学院,(2) 经过矿层进入浮土的射气流密度qo,若V0,5.2 射气分布的理论计算,核技术与自动化工程学院,5.2.3 射气流密度的确定,2、表层被封闭时，浮土中的射气分布（仅考虑V0情况）,此时，射气从矿层向浮土传播的微分方程的一般解为,h=2m K=0.04,1,2,1表层封闭 2未封闭时,核技术与自动化工程学院,积分常数N1、N2由边

14、界条件确定：,当x0时，N0，有：,当xh，q0，有：,5.2 射气分布的理论计算,应用核技术与自动化工程学院,5.2.4 浮土下均匀放射性矿层界面上浓度的计算,x,QdQ,Q,dx,5.2 射气分布的理论计算,（一）曲线法,应用核技术与自动化工程学院,5.2.5 在野外条件下测定扩散系数,1、制作量板,0.110-2,0.310-2,310-2,5.2 射气分布的理论计算,（一）曲线法,应用核技术与自动化工程学院,5.2.5 在野外条件下测定扩散系数,2、野外测量,在出露地面的均匀放射性岩层上，在同一测点的不同深度上取样（如条件不具备，也可在相邻测点的不同深度上取样），将测量结果用N/N=f

15、(x)的形式，用图示曲线表示。,5.2 射气分布的理论计算,（一）曲线法,应用核技术与自动化工程学院,5.2.5 在野外条件下测定扩散系数,3、对比求K值,将实测曲线与理论曲线比较。,用内插法求出实测曲线的K值。,5.2 射气分布的理论计算,（二）计算法,应用核技术与自动化工程学院,5.2.5 在野外条件下测定扩散系数,当无法确定较深度处的N值时，可以利用h1、h2两个不同深度处的射气浓度测量值来确定系数K。,应用核技术与自动化工程学院,为了确定b值，将 展成级数，取前4项,应用核技术与自动化工程学院,由于测量影响因素多，一般应利用h1、h2两个深度处几组测量值计算几组K值，并以其平均值作为结

16、果。,只有在放射性核素分布均匀地段测量的结果才具有意义。,应用核技术与自动化工程学院,1）矿层上方浮土中和放射性含量均匀的土壤中，射气浓度随深度变化规律明显不同,实际工作时，这是区分矿与非矿异常的标志。,几点认识：,离矿层越近，浓度变化梯度越大。,最终氡浓度趋于一饱和值。,应用核技术与自动化工程学院,2）如果土壤的孔隙度、扩散系数、放射性核素含量等参数已知，可以按照有关有关公式计算土壤中的射气浓度。当实测的射气浓度明显高于计算浓度时，则高出的浓度值可能意味深部存在矿（化）体，从而可以区分异常，确定有利地段。,3）利用射气分布理论，可以在野外条件下测定扩散系数。,几点认识（续）：,4）当存在构造

17、、破碎带等有利地质条件时，射气的迁移距离远远大于理论计算值。因此，在构造发育地区，射气测量可以发现埋深较大的矿体。如已有发现埋深100多米矿体的成功实例。,5.2 射气分布的理论计算,应用核技术与自动化工程学院,5.2.6 射气测量的应用,（一）射气仪器,FD-3017测氡仪原理框图,FD-3017是一种携带式、高灵敏、快速、准确的现场测氡仪，它利用静电场收集氡衰变的第一代子体-RaA（218Pb）作为测量对象。该仪器可应用于土壤和水中以及其他许多场合中定量测量氡的浓度。如地质和水文地质勘探中的普查和详测；亦可应用于放化测镭、寻找地下水源、地震预报、环境保护、科研教学等部门的测试工作。,测氡仪

18、RAD7,连续测氡仪1027 0.1-999pCi/L(3.7-37000Bq/m3),勘查隐伏放射性矿床 探测断层、裂隙 寻找基岩裂隙水 放射性环境评价 其它应用,(二)射气测量的应用,应用核技术与自动化工程学院,岩溶陷落柱在煤矿又称为“无炭柱”,其形成的主要原因是由于地下碳酸盐岩在水的溶蚀下产生喀斯特溶洞,溶洞的塌陷造成其上部地层垮落,从而形成在剖面上看呈柱状的陷落体因柱体内岩石的破碎程度较大,且裂隙发育,碎粒间的连通性较柱外正常地层好,有利于氡气的释放和向上运移,因此形成柱体内外的氡气浓度差异此外岩溶陷落柱大都为上小下大的形状,如同一个大“集气杯”,加上柱体内外存在着压差及氡气自身所具有

19、的向上运移能力,因此在柱体内外顶部的地表附近形成较高的氡气浓度差异,氡气测量用于地表探测岩溶陷落柱的位置与范围,5.3 其它射气测量方法简介,活性炭：用含炭物质为主的物质做原料，含有少量的 氧、氢、硫等核素及水分和灰分，经高温加 工制成的疏水性固体吸附剂。,应用核技术与自动化工程学院,5.3.1 活性炭吸附测氡法,特性：具有较高的比表面积（7001600m2/g），因此 具有较强的吸附能力。,方法分类： 1）微分法（又称瞬时法或称抽气法） 2）积分法（又称长时间法或称累积法） 目前，一般采用积分法。,5.3 其它射气测量方法简介,工作方法：,应用核技术与自动化工程学院,5.3.1 活性炭吸附测

20、氡法,1）按一定测网挖约50cm的坑； 2）将装有10g高吸附率活性炭及23g硅胶（干燥剂）的吸附器放入坑中，然后埋好； 3）至少埋置2天以后取出，并即刻密封，以防止已被吸附的氡解吸； 4）在现场或在实验室，用带有探测器和铅室的定标器测量活性炭吸附器的 射线照射量率。,如果需要进行相互比对，尚需对仪器进行刻度。,5.3 其它射气测量方法简介,（1）概述,应用核技术与自动化工程学院,5.3.2 卡(杯)测量,卡法或杯法，都是采用可以吸附氡子体的材料，埋在地下一段时间，当所吸附氡的子体达到一定量后，取出，用低本底测量仪器进行计数测量，以获取氡浓度的方法。 用于吸附氡子体的卡一般是聚酯薄膜等材料 曾

21、经有过静电卡、带电卡、自然卡等 杯法是在卡法的基础上发展起来的，采用大面积的吸附材料，以获取高的测量灵敏度。,1挖坑：逐测点挖掘深3040cm的探坑。 2埋杯：将探杯倒置于坑中，用土埋严。 3测量：埋杯一定时间后，取出探杯，立即将其放入电离室。探测仪内进行测量。为了工作方便，一股埋杯时间可大于4h，这时测量结果与埋杯时间近似无关。 4记录：记录内容包括：埋杯时刻、取杯时刻、测量时刻、测量计数等。 5检查仪器：施工前后，应进行仪器性能检查，保证仪器工作良好，确保野外获得的数据可靠。 6编制成果图：根据测量数据绘制。杯法测量剖面图、平面剖面图或平面等值图等。,（2）卡（杯）法的野外施工步骤,应用核

22、技术与自动化工程学院,(3)卡（杯）测量仪器,应用核技术与自动化工程学院,圆柱形脉冲电离室的结构极为简单。如图1所示。它由高压电极、收集电极和保护环等构成，其中高压电极包括电离室壁和电离室盖，保护环是个接地的金屑环，它的作用是消除高压漏电电流对收集电极的影响，减少高压漏电的噪声，井使收集电极在边缘处的电场保持均匀。电离室的探测面积约500cm2。, 杯 测 量 仪 器,由于圆柱形电离室采用同轴圆柱形电极，收集电极附近的电场强度远大于其它区域的场强，大部分电位降集中在收集电集周围，如图2所示。因此，它比平行板电极容易获得强电场区。灵敏体积大，极间电容小。电离产生的电子和正、负离子在靠近收集电极运

23、动时容易形成脉冲信号。 、 图3是脉冲电离室的工作原理。电荷在电场中作功，使电极电位发生变化，由于高压电极的电位衍定，所以电位变化集中在收集电极上，从而形成了电脉冲。脉冲形成始于离子的产生。止于离子对全部被收集，图中(3)、(4)是脉冲形成示意图。在圆柱形电离室中，正、负离子靠近中心电极时，运动速度突然加快，从而形成陡峭的脉冲上升前沿，图中脉冲A主要是由正离子运动形成的，脉冲B主要是由负离子运动形成的。而在平行板电离室中，电场分布均匀。 离子作匀速运动，脉冲形成的前沿较缓，如图中脉冲c所示。因此，当微分时间相同时，对微分后的脉冲：脉冲A和B可以得到宽度较窄、幅度较大的脉冲信号，而脉冲c的幅度则

24、很小。 一般机械振动等引起的干扰噪声频率较低，约为几十赫兹到几干赫兹，相应的脉冲宽度较宽，与圆柱形电离室形成的脉冲相比，噪声脉冲的前沿相对较缓，因而通过脉冲成形电路网络就可以减小低频噪声的干扰，提高信噪比。,D50 低本底测量仪,主要技术指标 探测器有效直径：50mm仪器本底：平均不大于3计数/小时探测效率：不小于65%(Pu-239源）计数容量：9999（有溢出指示）定时：自动定时分为30秒、1分、2分、5分、10分、20分、30分、60分、100分及不控制十档自检：分慢检和快检信号，可观察仪器计数部分是否正常。连续工作，不需要值班人员供电电源：六节一号电池或相同尺寸的GNY-3镉镍蓄电池（

25、带充电器），更换一次电池 或充电一次可工作台400小时以上（有电池更换指示）。体积：长250mm*宽115mm*高210mm重量：8kg,技术性能探测器有效直径： 12、16、20三种任选。仪器平均本底：分别不大于5、8、10计数/24小时。测量效率：对活性区面积为 7mm的 Pu源分别不小于60%（2 ）、65%、70%。测量灵敏度：5*10 Bq。计数容量：9999（有溢出指示）。定时：自动定时分为30、1、5、10、30、60、100、400、1000、1400十档及手控停止。自检：有快慢两种自检信号。液晶显示：计数溢出指示，计数时间，电池充电指示。供电电源：六节GNY-3镉镍蓄电池或六

26、节一号电池，新充电池可工作500小时以上。,埋杯最佳时间： 根据氡及其子体的放射性积累特征，埋杯最佳时间为4h或大于4h，不论何种累积测氡方法，若氡子体收集器埋置时间小于0.5h，则只能收集小部分氡子体信息，因此，此时氡子体的收集量正处于快速增加阶段,是不稳定的；只要埋杯时间达到4h，收集氡的短寿命子体就达到了饱和量，此后收集到的信息量始终为稳定值。 多参数测量： 氡的多参数测量是根据氡子体的放射性衰变规律，在取出探杯完成第一次测量的4h后，再次对探杯进行第二次测量，以获得222Rn和220Rn。 计算采用下列公式,杯法测量中的有关问题,式中，N1、N2分别为第一、第二次测量获得的计数率；是2

27、20Rn的子体212Pb衰变常数(0.065/h)；t是两次测量的时间间隔(h)。222Rn和220Rn都是自然界存在的放射性元素氡的同位素，它们分别来自不同的母体铀和钍。由于铀和钍的地球化学性质不同，以及222Rn和220Rn的衰变积累规律不同，220Rn主要反映近地表的信息，而222Rn可以反映地下深部的信息。多参数测量可以判别氡异常的性质，排除地表干扰因素，有利于确定地质构造的分布位置,222Rn+220Rn=N1220Rn=N2et222Rn=N1-220Rn222Rn/220Rn=(N1/N2)et-1,勘查隐伏构造中的放射性测量剖面,卡（杯）测量实例,浙江某地11号测线综合剖面图

28、1浮土；2一砂岩；3一大理岩；4一构造角砾岩；5一断层； 6地面测量曲线；7一孔中测量曲线；8一卡测量曲线,5.3 其它射气测量方法简介,硅半导体仪测量方法是1975年以后发展起来的一种累积测氡的新方法。,应用核技术与自动化工程学院,5.3.3 硅半导体仪测量,硅半导体仪由3部分组成：含有硅半导体探测器的电子探杯、测量数据储存器、读数仪。,野外工作时，在测点上挖坑，将硅半导体仪埋在坑中，露出仪器面板以便读数。埋置时间124小时。达到埋置时间后，对仪器进行读数。该读数可以代表测点氡浓度高低。,该方法灵敏度高，但成本高。国内尚未开展。,5.3 其它射气测量方法简介,（1）概述,应用核技术与自动化工

29、程学院,5.3.4 径迹测量,20世纪70年代发展的探测铀矿技术。 以粒子射入绝缘固体物质中时，在它们经过的路径上所造成物质的辐射损伤为探测对象。 采用化学蚀刻方法将辐射损伤扩大到光学显微镜可以观察的尺寸来加以记录。 用于记录辐射损伤的探测器一般为塑料，如醋酸纤维（电影胶片）等。 用于蚀刻的化学试剂一般为强酸或强碱。,三个阶段：电离、静电排斥、弹性松弛发生应变,当裂变碎片通过其一绝缘结晶固体物质的晶格时，就从沿途的原子中夺走电子，产生一条由正离子构成的电离区。 长1030m 。,（2）辐射损伤形成机理,具有一定动能的质子、粒子、重离子、宇宙射线等重带电粒子以及裂变碎片射入绝缘固体物质中时，在它们经过的路径上会造成物质的辐射损伤，留下微弱的痕迹(仅几十)，称为潜迹。,应用