双流气准静态法测量气体扩散系数的方法

摘要

一种采用双流气准静态法测量气体扩散系数的方法，它采用扩散管的管路用于气体扩散，扩散管的长度为L，扩散管的管路两端气压相等，在扩散管的两端分别形成第一气流回路A和第二气流回路B。第一气流回路A中的第一气流管安装在扩散管的一端，在第一气流管的两端通过管道依次串接有第一气泵、气体罐或放射性气源及第一气体浓度测量装置，组成第一气流回路A，保证该回路中的气体浓度恒定；第二气流回路B中的第二气流管安装在扩散管的另一端，第二气流管两端的进出气口与扩散管的端口部位形成气体混合腔，在第二气流管的两端通过管道依次串接有第二气泵和第二气体浓度测量装置，组成第二气流回路，用于测量扩散后的气体浓度。

主权项

1.一种采用双流气准静态法测量气体扩散系数的方法，其特征是：它包括非放射性气体扩散系数的测量和放射性气体扩散系数的测量，测量时采用扩散管用于气体扩散，扩散管的长度为L，扩散管的两端气压相等，在扩散管的两端分别形成闭环式或开环式第一气流回路A和闭环式或开环式第二气流回路B；所述的第一气流回路A包括第一气流管，第一气流管安装在扩散管的一端，在第一气流管的两端通过管道依次串接有第一气泵、气体罐或放射性气源及第一气体浓度测量装置，组成闭环式第一气流回路A，保证该回路中的气体浓度恒定；所述的开环式第一气流回路A是将第一气流回路A中的第一气泵与放射性气源断开，组成开环式第一气流回路A，同样能够保证该回路中的气体浓度恒定；所述的第二气流回路B包括第二气流管，第二气流管安装在扩散管的另一端，第二气流管两端的进出气口与扩散管的端口部位形成气体混合腔，气体混合腔的体积为V，第二气流管的一端通过管道与第二气泵的一端连接，第二气泵的另一端通过管道与第二气体浓度测量装置的一端连接，第二气体浓度测量装置的另一端通过管道与第二气流管的另一端连接，从而组成闭环式第二气流回路B, 用于测量扩散后的气体浓度；所述的开环式第二气流回路B是将上述闭环式第二气流回路B中的第二气体浓度测量装置与第二气流管另一端连接的管道断开，组成开环式第二气流回路B，同样能够测量扩散后的气体浓度；所述的非放射性气体扩散系数的具体测量方法如下：在扩散管一端的闭环式第一气流回路A中采用一个大体积的气体罐，气体罐内的气体通过第一气泵和管道与第一气流管的两端相连；在第一气泵的作用下，气体在闭环式第一气流回路A中循环，由于气体罐体积足够大，在扩散过程中，闭环式第一气流回路A中的气体浓度认为不变，看做浓度恒定的扩散源；在扩散管另一端的开环式第二气流回路B中，通过第二气泵和第二气体浓度测量装置测量扩散过来的气体的浓度；由于在扩散管的闭环式第一气流回路A中建立了恒定的气体浓度C₁，闭环式第一气流回路A中的气体通过长度为L扩散管进入开环式第二气流回路B中，开环式第二气流回路B中测量点的气体浓度为C₂，第一气泵和第二气泵的流率较低，使得闭环式第一气流回路A和开环式第二气流回路B中气体的流态为层流，认为是准静态；在扩散管内根据扩散方程有：（1）式中：C为扩散管内的气体浓度，x为扩散管内的位置，k为扩散系数；当扩散作用稳定后有，根据斐克定律有：（2）式中为扩散管单位时间通过其截面积S扩散到开环式第二气流回路B的扩散通量；令当x=L时，扩散管内气体浓度为C¹；对于开环式第二气流回路B中与扩散管相连的气体混合腔内有扩散过来的气体，同时在流动空气作用下被稀释，气体混合腔的体积为V，气体混合腔的平均浓度有：(3)q为开环式第二气流回路B的空气流率；当扩散稳定时，，，式（3）变化为：（4）由式（2）得：(5)由于开环式第二气流回路B中管道直径非常小，则认为在气体混合腔内的气体浓度平均浓度近似为C¹，且近似等于；结合式（4）、（5）得到：（6）式（6）的误差主要来源：当x=L时，扩散管内气体浓度C¹与气体混合腔内气体浓度平均浓度的误差，及与开环式第二气流回路B中测量点气体浓度的误差；测量中调节开环式第二气流回路B的流率，使得，就能够减少由于开环式第二气流回路B的气体混合腔内的气体浓度不确定所带来的误差；所述的放射性气体扩散系数的具体测量方法如下：在扩散管一端的第一气流回路A中采用一个放射性气源，放射性气源内的放射性气体通过第一气泵、第一气体浓度测量装置和管道与第一气流管的两端相连，在第一气泵的作用下，放射性气体在第一气流回路A中循环，循环过程中，由于放射性气源以恒定的速率释放出气体，同时又会衰变成其他物质，经过一段时间达到平衡，这时能够认为扩散过程中，第一气流回路A中的放射性气体浓度不变，看做浓度恒定的扩散源；在扩散管另一端的第二气流回路B中，通过第二气泵和第二气体浓度测量装置测量扩散过来的放射性气体的浓度；由于在扩散管的第一气流回路A中建立了恒定的放射性气体浓度C₁，第一气流回路A中的放射性气体通过长度为L扩散管进入第二气流回路B中，第二气流回路B中测量点的放射性气体浓度为C₂，第一气泵和第二气泵的流率较低，使得第一气流回路A和第二气流回路B中放射性气体的流态为层流，认为是准静态；在扩散管内根据扩散方程有：（7）式中：为放射性气体的衰变常数；当扩散作用稳定后有，式（7）变化为：（8）式（8）的解为：（9）当x=0时，扩散管内放射性气体浓度为C₁，带入式（9）得：（10）当x=L时，对于第二气流回路B中与扩散管相连的气体混合腔内有扩散过来的放射性气体，同时在流动空气作用下被混合，气体混合腔内的放射性气体平均浓度为，气体混合腔的体积为V；x=L时，扩散管内气体浓度为C¹，第二气流回路B的管道直径较小，则C¹与近似相等，根据此边界条件及式（10），式(9)变化为：(11)当x=L时，(12)当第一气流回路A为闭环式，第二气流回路B为开环式，或者第一气流回路A为开环式，第二气流回路B为开环式时，由于引入的空气中放射性气体浓度极小，认为为零，气体混合腔内的放射性气体平均浓度：（13）q为第二气流回路B的空气流率；当扩散稳定时，，式（13）变化为：（14）第二气流回路B中测量点放射性气体浓度为C₂，则：（15）式中t₁是放射性气体从气体混合腔到测量点的延迟时间；这样由式（14）、（15）就能够解得x=L时的J，再利用式（12）、（2）就能够得到扩散系数K。