空气中氡快速向上运移机理研究

研究表明，氡在理想条件下具有远超扩散机理可以解释的快速向上运移能力。一些研究者提出了"氦氡团簇"假说来解释该现象，但理论分析和实验研究已发现该解释不够完善。深入研究氡快速向上运移机理和规律可以为地球物理、找矿、地震的监测、大气输运等领域中的氡示踪新方法与新技术研究提供理论基础，具有重大的科学意义和实用价值。本研究首次提出两种使氡具有快速向上运移能力的新机理：氡衰变产生的高能α粒子轰击空气形成"热泡"效应；氡衰变的固态子体吸附空气中气态水分子释放潜热效应。这些效应都会产生上升的微气流，可能携带氡快速上升。本项目将设计并试制氡垂直运移模拟实验装置、计算机自动测量控制系统，建立同步连续监测模拟实验装置不同位置氡浓度变化的方法。利用最小二乘法对这些测量数据序列进行非线性拟合，分别定量研究这些效应的强度，并得到这些效应对氡垂直运移影响的理论模型。

发现了222Rn及其子体衰变产生的高能α粒子释放的能量远大于222Rn及其子体衰变使得空气电离后的可能物理化学过程放出的能量和222Rn衰变的固态子体吸附水分子释放的水蒸气潜热的能量之和；得到静电收集法连续测氡仪的测量延迟原因-体积延迟及衰变平衡延迟，建立了基于静电收集法跟踪测量变化氡浓度时反演得到真正氡浓度的修正方法；在相关测量实验中发现当测量周期较长时，反演得到的氡浓度数据与实际氡浓度符合的很好；当测量周期较短时，通过该修正方法反演得到的氡浓度数据抖动非常大，数据不可用；提出了数据反演失败的原因：测量误差在我们提出的修正算法中向后面的测量周期传递和叠加，导致这一反常现象；提出了反演数据稳定的条件；由于氡析出率的测量需要测量集氡罩内变化的氡浓度，将静电收集法连续测氡仪的测量延迟两种修正方法应用于氡析出率测量，得到了一系列较准确的氡析出率测量方法；提出了新的小型化的测量222Rn运移能力的方法并建立了相关装置，可以减少温度的不均匀性对实验结果的影响；在恒温、恒湿条件下，我们分别测量了不同浓度222Rn在水平、垂直方向上的扩散系数，实验数据表明：即使在222Rn浓度高达数万Bq m-3，其在水平、垂直方向上的扩散系数差异也在统计涨落误差范围之内。实际上，环境中只有土壤中的氡浓度可以高达数万Bq m-3。前人在实验中发现氡在空气中具有远超扩散机理可以解释的快速向上运移能力，并没有在我们的实验中得到验证。我们认为：前人的测量技术手段和测量过程中不能控制环境温、湿度的实验条件的局限性导致了不同的实验结果。从理论计算能得到：浓度高达数万Bq m-3的222Rn对宏观温度的影响是极小的。因此，我们提出的两种可能机理在222Rn浓度达到数千万Bq m-3才会在实验中体现。而如此高的氡浓度远远超出了常规氡测量仪器的上限，且在环境中根本不会出现。