1.静电收集法测氡仪快速测量氡在薄膜材料中有效扩散系数的装置,其特征是:包括测量室、静电收集法测氡仪、主泵、环形密封垫、一端开口的第一圆柱形进气腔、一端开口的第二圆柱形进气腔、副泵及标准氡室;
所述的测量室包括一个两端带螺纹的圆柱形筒体及连接在圆柱形筒体两端的螺纹端盖,圆柱形筒体的筒壁上对称设有出气接头及进气接头,圆柱形筒体的内径为D1,螺纹端盖内设有环形沟槽,在环形沟槽内安装有环形密封垫,螺纹端盖端盖板上的孔径为D2,其中,D1=D2;
所述的第一圆柱形进气腔的腔壁上对称设有进气接头及出气接头;
所述的第二圆柱形进气腔的结构与第一圆柱形进气腔的一样,其腔壁上对称设有进气接头及出气接头;
第一圆柱形进气腔及第二圆柱形进气腔分别安装在测量室两端的螺纹端盖上;
测量室上的出气接头通过管道与测氡仪上的进气端连接,测氡仪上的出气端通过管道与主泵的进气端连接,主泵的出气端通过管道与测量室上的进气接头连接;
标准氡室的出气口通过管道与第一圆柱形进气腔的进气接头连接,第一圆柱形进气腔的出气接头通过管道与副泵的进气端连接,副泵的出气端通过管道与第二圆柱形进气腔的进气接头连接,第二圆柱形进气腔的出气接头通过管道与标准氡室的进气口连接。
2.采用如权利要求1所述的测量装置快速测量氡在薄膜材料中有效扩散系数的方法,其特征是:它包括测量过程和计算过程;
一、测量过程:
A、将需要测量的薄膜切割成直径与圆柱形筒体端口外径相同的圆形薄膜片,薄膜片分别贴在圆柱形筒体的两端,并用螺纹端盖压紧密封,其中,薄膜片暴露在空气中的表面为外表面,在圆柱形筒体内的表面为内表面;
B、启动主泵,在主泵的作用下,将测量室内的气体与测氡仪测量腔内气体混合均匀;
C、启动副泵,标准氡室内的氡进入第一圆柱形进气腔及第二圆柱形进气腔内,氡通过扩散效应穿过薄膜片进入测量室,然后开始测测量室内氡浓度的变化趋势;
二、计算过程:
由于主泵的流率较大,静电收集法测氡仪测量腔内的氡浓度与测量室内的氡浓度相等,外界环境空气氡浓度非常低,其初始氡浓度近似为0;
氡在薄膜片中的一维扩散方程为:
(1)
式(1)中, De是氡在薄膜片中有效扩散系数,λ是氡的衰变常数,C(z,t)是不同时间点薄膜内离外表面不同垂直距离点的氡浓度,t是时间,z是薄膜片中的任一点到薄膜片外表面的垂直位置;
扩散稳定后,根据菲克定律有:
(2)
式(2)中,J为薄膜片内表面的氡析出率;
由于薄膜片的厚度d非常小,当氡扩散穿透薄膜片后,能对薄膜片中的氡浓度垂直分布做线性近似,式(2)可变化为: (3)
式(3)中,C是标准氡室的氡浓度, 为测量室腔体内及静电收集法测氡仪测量腔内的氡浓度;
静电收集法测氡仪测量腔内的氡浓度可由下式描述: (4)
式(4)中,S为测量室腔体内的圆面积;V为测量室腔体内体积、连接测量室出气接头、测氡仪、测量室进气接头的气流管道体积及静电收集法测氡仪测量腔体积之和;N为薄膜片数量,式(4)中,N=2;
将式(3)代入式(4)得:
(5)
静电收集法测氡仪测量氡浓度,测量周期为T,在氡浓度上升曲线段任意取n个测量周期的数据,假设从第m个测量周期开始选取测量数据,每个测量周期的测量值能近似认为是该测量周期中点的氡浓度值;
式(5)变化为:
(6)
设第m个测量周期测量值为K,即C1[(m-0.5)T]=K,式(6)的解为: (7)
由于静电收集法测氡仪是通过测量Po-218的浓度来反推氡的浓度,将静电收集法测氡仪的所有周期的测量数据都利用快速测量氡浓度的计算公式反推重新计算后得到每个周期的实际氡浓度;
第m个测量周期开始选取n个周期的实际氡浓度数据,然后利用式(7)对这些数据进行非线性数据拟合,就能够快速得到有效扩散系数。
3.如权利要求2所述的测量方法,其特征是:所述的快速测量氡浓度的计算公式为:第n个周期的氡浓度an为:
(8)
式中, 为第n-1个周期的Po-218的浓度, 为Po-218的衰变常数, 为第n个测量周期静电收集法测氡仪的读数;
第n个周期的Po-218的浓度为:
(9)
利用式(8)和式(9)就可反推得到每个测量周期的真实氡浓度。