專利名稱：測(cè)氡用光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及放射性氣體測(cè)量、地震預(yù)報(bào)、環(huán)境保護(hù)、礦產(chǎn)勘察等領(lǐng)域，具體說(shuō)是一種測(cè)氡用光纖傳感器。
背景技術(shù)：
氡是由鐳衰變生成的惰性放射性氣體。由于其特殊的化學(xué)特性，現(xiàn)已成為我國(guó)地震水文地球化學(xué)最主要的觀測(cè)項(xiàng)目，并在地震預(yù)報(bào)中具有舉足輕重的作用。氡在活斷層監(jiān)測(cè)和礦產(chǎn)勘察中也有廣泛的應(yīng)用。另外，隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)，氡對(duì)人體健康具有強(qiáng)烈的危害。因此，氡的測(cè)量方法及技術(shù)一直科學(xué)家所重視。氡的測(cè)量方法無(wú)一另外地利用被取樣下來(lái)的氡及其子體的輻射特性來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。目前，測(cè)氡方法主要有以下幾種1空腔取樣的測(cè)量方法空腔取樣的空腔通常是閃爍室或電離室。
閃爍室法是在取樣空腔內(nèi)壁涂上對(duì)a輻射能產(chǎn)生激發(fā)發(fā)光的物質(zhì)(如ZnS)，取樣在空腔內(nèi)的氡及其子體衰變發(fā)出的a粒子轟擊這種發(fā)光物質(zhì)從而產(chǎn)生光子，這些光子通過(guò)光電倍增管的放大并以電脈沖數(shù)被記錄下來(lái)，就相當(dāng)于把氡及其子體發(fā)射的a粒子記錄下來(lái)。如果單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電脈沖數(shù)與氡濃度成正比，則氡濃度與脈沖數(shù)之間將有如下關(guān)系cRn=ks(n0-nb)V=ksnV---(1)]]>式中，CRn為空氣中的氡濃度；V為空氣取樣體積；n0為記數(shù)率；nb為儀器的本底記數(shù)率；ks為一刻度常數(shù)。因此可用已知濃度的氡氣來(lái)標(biāo)定閃爍室，來(lái)確定其刻度常數(shù)，從而進(jìn)行氡氣的測(cè)量。
電離室是一種圓柱形的或球形的或其它形狀的金屬空腔。中央裝有一個(gè)與室壁絕緣的中央電極，在中央電極與室壁之間需要加上一定的電壓。由于氡及其子體發(fā)射的a粒子對(duì)空氣具有一定的電離作用，使空氣產(chǎn)生正負(fù)離子，這樣正離子向負(fù)電極上運(yùn)動(dòng)并積累在負(fù)電極上，從而在電離室兩個(gè)電極之間形成電離電流。測(cè)出這種電離電流或電極上積累的電荷量，就可以與氡濃度聯(lián)系起來(lái)。
空腔取樣測(cè)量方法的主要缺點(diǎn)是1)人工取樣，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)測(cè)量；2)樣品是在地表或近地表獲得的，觀測(cè)資料明顯受到氣象、環(huán)境等因素的干擾；3)測(cè)量周期長(zhǎng)，通常需要靜置空腔1小時(shí)以上，待氡及其子體反應(yīng)平衡以后才能進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量完成以后，必須用空氣多次清洗空腔，以消除長(zhǎng)壽命氡子體對(duì)空腔本底的影響；4)需要較大體積的樣品；5)要進(jìn)行繁瑣的儀器標(biāo)定環(huán)節(jié)。
2雙濾膜取樣的測(cè)量方法雙濾膜取樣法是用兩張過(guò)濾膜，兩濾膜之間有一定的衰變?nèi)萜鳌Ｓ贸闅獗贸闅鈺r(shí)，含氡空氣首先經(jīng)過(guò)容器進(jìn)口處的第一張濾膜去除掉氡子體，只含有氡氣的空氣進(jìn)入衰變?nèi)萜?，在其出口中的第二張濾膜將衰變出的RaA被收集在第二張濾膜上，通過(guò)測(cè)量第二張濾膜上的RaA的a活度來(lái)推算出空氣中的氡濃度。
雙濾膜取樣雖然大大縮短了氡測(cè)量的周期，但其測(cè)量精度不夠高，另外還需要大體積的樣品。在壤中氣測(cè)量時(shí)往往會(huì)破壞地下氣體的平衡狀態(tài)，測(cè)量的準(zhǔn)確性很難得到保證。
另外，還有一些氡的的測(cè)量方法，如活性碳吸附取樣測(cè)量方法、被動(dòng)式取樣測(cè)量方法等。這些方法都有其不足之處。
為解決以上問(wèn)題，尤其隨著地震前兆數(shù)字化觀測(cè)的需要，國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)不少不同類型的自動(dòng)測(cè)氡儀，這些設(shè)備體積龐大、維修困難、輔助設(shè)備眾多，因此也未廣泛得以推廣。數(shù)字化測(cè)氡中探頭部分和人工取樣測(cè)氡一樣采用了閃爍計(jì)數(shù)法，其原理都是氡原子在閃爍室中發(fā)生衰變，然后利用衰變過(guò)程中產(chǎn)生的a粒子轟擊硫化鋅閃爍體后發(fā)出熒光的強(qiáng)度來(lái)確定氡的含量。氡的數(shù)字化觀測(cè)測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)諸如大大降低了工作量及人為誤差、提供了豐富的數(shù)據(jù)觀測(cè)資料等都是顯而易見(jiàn)的。但氡的數(shù)字化遙測(cè)已暴露和潛在著以下問(wèn)題1)氡測(cè)量不穩(wěn)定，受流量、氣溫等因素的干擾現(xiàn)象較為嚴(yán)重，受這些因素的影響，氡測(cè)值可能出現(xiàn)一定的變化形態(tài)，這種變化中既有隨機(jī)因素的干擾又有非隨機(jī)因素的影響，因此嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性；2)出現(xiàn)了一些新的影響因素，如探測(cè)儀器長(zhǎng)期在地下流體的作用下，難免會(huì)產(chǎn)生水垢沉淀物或發(fā)生生物化學(xué)污染，降低了探測(cè)儀器的靈敏度等；3)儀器的標(biāo)定等面臨著新的難題；4)儀器體積龐大，要求另外一些配套設(shè)施和設(shè)備(如要新建觀測(cè)室、解決野外電力資源等問(wèn)題)；5)閃爍室老化嚴(yán)重。閃爍室需要較為干燥的觀測(cè)環(huán)境，目前數(shù)字化測(cè)氡中采用了所謂的流通方式，即含氡的氣體源源不斷地從閃爍室中流過(guò)，采集器定時(shí)采集數(shù)據(jù)，在這個(gè)過(guò)程中，大量的水蒸氣的通過(guò)勢(shì)必會(huì)嚴(yán)重影響閃爍室的壽命。
總之，傳統(tǒng)的測(cè)量方法存在著諸多的不足，氡的數(shù)字化遙測(cè)雖然有一定的先進(jìn)性，但確實(shí)也存在不少的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種體積小、重量輕，能將傳感器直接放在氣體樣品中，用光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)氡的在線、快速和準(zhǔn)確遙測(cè)，及測(cè)后無(wú)需用空氣沖洗閃爍室的一種測(cè)氡用光纖傳感器。
實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)方案為一種測(cè)氡用光纖傳感器，包括光纖熒光探頭、傳輸光纖、能譜儀及數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)設(shè)備四部分組成，所述的光纖熒光探頭通過(guò)傳輸光纖與能譜儀連通，能譜儀與數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)設(shè)備連通。
光纖熒光探頭的上端設(shè)一光學(xué)耦合器件，光學(xué)耦合器件上接有出射光纖，探頭中部設(shè)有光纖線圈，探頭內(nèi)壁涂有熒光物質(zhì)，探頭外壁包裹有聚合物膜。
所述的光纖熒光探頭也可以是底部設(shè)一反射鏡，上端設(shè)一光學(xué)耦合器件，光學(xué)耦合器件上接有出射光纖，探頭中部為空腔，探頭內(nèi)壁涂有熒光物質(zhì)，外壁包裹有聚合物膜。
本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1)利用能譜分離技術(shù)，因此可以消除子體對(duì)氡測(cè)量影響，作到快速測(cè)量；2)利用光信號(hào)來(lái)傳遞被測(cè)量信息，因此具有較高的抗電磁干擾能力；3)體積小(如10cm×10mm)，因此可以將傳感器放在較小的空隙內(nèi)；4)用光纖傳輸測(cè)量信號(hào)，尺寸小、重量輕、靈敏度高和被測(cè)量范圍廣；5)光纖的應(yīng)用使遠(yuǎn)距離測(cè)量和地下測(cè)量成為可能，信號(hào)利用目前新型號(hào)的光纖進(jìn)行長(zhǎng)途傳輸(長(zhǎng)達(dá)幾十公里)而無(wú)須任何中繼放大，因此測(cè)試儀器和泉點(diǎn)可以保持相當(dāng)?shù)木嚯x，這一點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中重要的意義。如①地下壤中氡氣測(cè)量傳統(tǒng)的測(cè)量方法使用特制的取樣器，將氣樣取回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。該方法缺點(diǎn)甚多，一是取樣深度較淺，樣品易受地表環(huán)境因素的影響，實(shí)現(xiàn)深部取樣較為困難；二是實(shí)驗(yàn)室分析易受環(huán)境和氣象因素的影響，氣氡測(cè)值的時(shí)間序列資料可能含有較多的非地震異常信息。若采用新型測(cè)氡用光纖傳感器，我們可以將傳感器沿鉆機(jī)鉆孔直接置于地下深部，這樣無(wú)疑就解決了以上問(wèn)題。②.遠(yuǎn)距離遙測(cè)而無(wú)須要新建觀測(cè)室、無(wú)須要解決野外電力資源等問(wèn)題，比如我們可以將光纖傳感器的信號(hào)利用將光纖傳到距離較遠(yuǎn)、觀測(cè)條件較好的地方，而無(wú)須將儀器放在泉點(diǎn)周圍，這樣可以節(jié)省大量資金，也便于儀器檢修。
6)光纖耐輻射、耐高溫，因此完全可以用于高溫氣氡的測(cè)定等；7)光纖電絕緣，消除了與地面隔離的問(wèn)題，安全可靠；8)多個(gè)測(cè)項(xiàng)可以復(fù)用同一條光纖，如可將CO2、CH4等的被測(cè)量信號(hào)用同一條光纖傳到遠(yuǎn)處的臺(tái)站；9)光纖傳感器性質(zhì)穩(wěn)定，不與水氣、酸堿等反應(yīng)，因此儀器一旦標(biāo)定，使用壽命將很長(zhǎng)；

圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖圖2為本實(shí)用新型探頭結(jié)構(gòu)示意圖圖3為本實(shí)用新型另一種探頭的結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型利用熒光技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。氡通過(guò)自然擴(kuò)散作用進(jìn)入光纖熒光探頭1，光纖熒光探頭1將氡及其子體發(fā)出a離子的能量轉(zhuǎn)化為光能，利用光纖將熒光傳輸至能譜儀3，能譜儀3可直接測(cè)量出氡及其子體RaA的濃度，從而實(shí)現(xiàn)氡測(cè)量。
光纖熒光探頭1的主要作用是完成將a離子的能量轉(zhuǎn)化為光能。其中的聚合物膜9允許氣體可以自由進(jìn)入，但它可以阻止直徑較大的灰塵進(jìn)入探頭腔10內(nèi)，聚合物膜還有一定屏光作用，以防止自然光的進(jìn)入。
熒光物質(zhì)主要用于換能作用，它可將a離子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽堋?br> 光纖線圈去除掉部分反射層，其主要用于收集熒光。
光學(xué)耦合器件及其出射光纖，主要將光纖線圈收集熒光的熒光傳輸至探測(cè)器。
在制造光纖熒光探頭時(shí)，也可直接將熒光物質(zhì)涂于探頭的內(nèi)壁，用透鏡來(lái)會(huì)聚產(chǎn)生的熒光。
氡子體的產(chǎn)生過(guò)程與氡類似，不過(guò)氡子體的母體核素是氡，表1為氡及其子體的放射性特征。在鐳積累氡的過(guò)程中，氡子體也隨之增長(zhǎng)。
表1氡及其子體的放射性特征
在這個(gè)連續(xù)衰變系列中，可得任何一個(gè)放射性中間子體的原子數(shù)和放射性活度隨時(shí)間的變化關(guān)系Nn=λN0(h0e-λt+h1eλ1t+h2e-λ2t+..........hne-λnt)---(2)]]>An=λnA0(h0e-λt+h1e-λ1t+h2e-λ2t+.........hne-λnt)---(3)]]>其中h=λ1λ2...λn-1(λ1-λ)(λ2-λ)...(λn-λ)----(4)]]>h1=λ1λ2...λn-1(λ-λ1)(λ2-λ1)...(λn-λ1)---(5)]]>................................................................................hn=λ1λ2...λn-1(λ-λn)(λ1-λn)...(λn-1-λn)---(6)]]>綜上所述，連續(xù)衰變系列中任一中間子體的衰變規(guī)律不再是簡(jiǎn)單的指數(shù)衰減了，它們隨時(shí)間的變化不僅與本身的衰變常數(shù)有關(guān)，而且與前面所有放射性同位素(包括母體)的衰變常數(shù)都有關(guān)。由式(2)、式(3)可以計(jì)算出，由于在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間以后(t≥10T，T衰變系列中壽命最長(zhǎng)的中間子體的半衰期)，這個(gè)系列必然會(huì)達(dá)到長(zhǎng)期平衡，即各個(gè)放射體的放射性活度彼此相等A＝A1＝A2＝A3＝A4＝A5 (7)在長(zhǎng)期平衡建立以后，任何時(shí)候任一不穩(wěn)定子體的增長(zhǎng)率都等于它自身的衰變率，即所有中間子體的放射性活度等于母體的活度，它們均按母體的半衰期呈指數(shù)衰減。氡子體的性質(zhì)與氡不同，它們不是氣體，而是重金屬的固體顆粒。這些粒子的直徑為0.001-0.04μm，滿足大氣中氣溶膠的存在條件(d＜0.5μm)，所以氡子體形成很穩(wěn)定的微分散氣溶膠。
由于氡的第一代子體RaA的半衰期很短，所以可認(rèn)為在瞬間測(cè)量時(shí)，氡和RaA的放射性活度相等，用α能譜儀很容易測(cè)量出氡和RaA的活度或濃度。同時(shí)，采用α能譜儀后，雖然氡的其它具有α放射性的長(zhǎng)壽命子體可能累積在光纖熒光探頭內(nèi)，但在氡測(cè)量時(shí)不采用這些譜信息，所以這些子體的存在并不影響氡的準(zhǔn)確測(cè)量。
測(cè)量時(shí)，將傳感器的探頭1直接放在待測(cè)量的氣樣中，對(duì)地下壤中氣進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可沿鉆機(jī)鉆孔將探頭放在底下深處，氣樣中的氡氣通過(guò)自然擴(kuò)散作用進(jìn)入探頭空腔中，由于氡及其子體在放射性衰變過(guò)程中發(fā)出的a離子致使涂在探頭內(nèi)壁上的熒光物質(zhì)7發(fā)出激發(fā)光，這種激發(fā)光通過(guò)收集并通過(guò)光纖傳輸?shù)侥茏V儀3，能譜儀可以測(cè)量出氡及其子體的放射性活度，其中可用氡的活度或RaA的活度來(lái)計(jì)算氡的濃度。
權(quán)利要求1.一種測(cè)氡用光纖傳感器，包括光纖熒光探頭、傳輸光纖、能譜儀及數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)設(shè)備四部分組成，其特征在于所述的光纖熒光探頭(1)通過(guò)傳輸光纖(2)與能譜儀(3)連通，能譜儀(3)與數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)設(shè)備(4)連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)氡用光纖傳感器，其特征在于所述的光纖熒光探頭(1)的上端設(shè)一光學(xué)耦合器件(6)，光學(xué)耦合器件(6)上接有出射光纖(5)，探頭(1)中部設(shè)有光纖線圈(8)，探頭(1)內(nèi)壁涂有熒光物質(zhì)(7)，探頭(1)外壁包裹有聚合物膜(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)氡用光纖傳感器，其特征在于所述的光纖熒光探頭(1)的底部設(shè)一反射鏡(11)，光纖熒光探頭(1)的上端設(shè)一光學(xué)耦合器件(6)，光學(xué)耦合器件(6)上接有出射光纖(5)，探頭(1)中部為空腔，探頭(1)內(nèi)壁涂有熒光物質(zhì)(7)，外壁包裹有聚合物膜(9)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種測(cè)氡用光纖傳感器,包括光纖熒光探頭、傳輸光纖、能譜儀及數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)設(shè)備四部分組成,光纖熒光探頭通過(guò)傳輸光纖與能譜儀連通,能譜儀與數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)設(shè)備連通。光纖熒光探頭的上端設(shè)一光學(xué)耦合器件,光學(xué)耦合器件上接有出射光纖,探頭內(nèi)壁涂有熒光物質(zhì),探頭外壁包裹有聚合物膜,探頭中部也可設(shè)一光纖線圈。本實(shí)用新型體積小、重量輕,能將傳感器直接放在氣體樣品中,用光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸,實(shí)現(xiàn)氡的在線、快速和準(zhǔn)確遙測(cè),測(cè)后無(wú)需用空氣沖洗閃爍室。
文檔編號(hào)G01N21/64GK2510860SQ0127673
公開日2002年9月11日 申請(qǐng)日期2001年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月14日
發(fā)明者潘樹新, 劉耀煒, 高安泰, 施錦, 曹玲玲 申請(qǐng)人:中國(guó)地震局蘭州地震研究所