[发明专利]测量空气中水蒸气分子电离率的装置及方法

权利要求书

1.采用测量空气中水蒸气分子电离率的装置测量空气中水蒸气分子电离率的方法，所述测量空气中水蒸气分子电离率的装置包括测量箱、氡室、泵、高压模块、第一调节阀及第二调节阀；

所述的测量箱为一个矩形的箱体，箱体内为测量腔，测量腔的长宽高分别为L₁、L₂、L₃，箱体四周侧壁为塑料材质，在箱体两个对应的侧壁上分别设有第一接头及第二接头，箱体的面板及底板均为导电金属板，在面板上设有半径为R的圆形半导体探测器；

测量箱的第一接头通过管道与第一调节阀的一端连接，第一调节阀的另一端通过管道与氡室的第一接头连接，测量箱的第二接头通过管道与第二调节阀的一端连接，第二调节阀的另一端通过管道与泵的一端连接，泵的另一端通过管道与氡室的第二接头连接，从而在测量箱的第一接头与第二接头之间形成一个气体回路；

测量箱的面板通过导线与高压模块的负极连接，测量箱的底板通过导线与高压模块的正极连接；在高压模块打开的状态下，测量箱测量腔内的面板与底板之间能形成均匀的平行电场；

其特征是：包括测量过程和计算过程，其具体操作过程如下：

A、测量过程：

恒温恒湿条件下，打开第一调节阀、第二调节阀和泵，氡室内的空气通过泵抽送进入测量箱的测量腔中，并将氡室中氡及其子体传送到测量腔中，经过一段时间混合均匀后，关闭第一调节阀、第二调节阀及泵，打开高压模块，在测量箱的测量腔内，面板与底板之间形成均匀的静电场，其中面板上半径为R的圆形半导体探测器与底板之间形成圆柱形的均匀静电场，带正电的Po-218在均匀静电场的作用下被收集到圆形半导体探测器的表面；

Po-218衰变产生的α粒子进入圆形半导体探测器产生电脉冲，经过前放和多道分析器处理形成能谱，能谱识别后得到Po-218衰变产生的脉冲数，并记录每秒钟产生的脉冲数N；

其脉冲数N表示圆形半导体探测器每秒钟探测到N个Po-218衰变产生的α粒子；

重复以上步骤，分别记录不同电压下每秒Po-218产生的脉冲数；

B、计算过程：

当电压为U₀，已知Po-218在电场中的迁移率k，设测量箱测量腔内某一个氡衰变的Po-218距圆形半导体探测器的距离为x，测量腔中圆形半导体探测器与测量箱底板之间形成圆柱形的均匀电场E，E为常数：

收集时间t与初始位置距圆形半导体探测器的距离x的关系：

其中k为Po-218的迁移率；

当x＝0时，t＝0，则c＝0

收集效率公式为：

其f是带正电的Po-218与OH^-碰撞频率，τ是带正电的Po-218与OH^-复合的概率；

氡室浓度为C，测量箱测量腔内氡浓度与氡室浓度相同，即每立方米每秒钟产生C个Po-218，半径为R的圆形半导体探测器与测量箱底板形成圆柱形静电场，且圆柱形静电场的体积为V，圆柱形探测区域内产生的Po-218总数为VC，则圆柱形探测区域的圆形半导体探测器对Po-218的收集效率为：

其中η为圆形半导体探测器对收集到其表面的Po-218衰变产生的α粒子的探测效率；

将(7)式代入(6)式进行计算:

实验得到不同电压下圆柱形探测区域的圆形半导体探测器对Po-218的收集效率，根据公式(8)，进行拟合就能够得到Po-218与OH^-的碰撞频率f和与OH^-的复合概率τ的值，将得出的Po-218与OH^-的碰撞频率f代入公式(9)：

其中d_i为带正电的Po-218离子的直径，d_c为空气中OH^-离子的直径，w为空气中单位体积的OH^-离子数；由于在弱电场条件下，空气中的热运动速度远远大于在电场中的漂移速度，Po-218离子与OH^-离子的碰撞频率取决于其热运动速度，则带正电的Po-218离子的平均速度公式为：

其中K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，m为Po-218离子的质量；

根据公式(9)(10)能够推出单位空气体积中OH^-离子数为：

根据公式(11)，已知空气中水蒸气单位体积的分子数为G，则空气中水蒸气分子的电离率ξ为：

根据公式(12)，就能够得到空气中水蒸气分子的电离率ξ。