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基于双滤膜原理的氡及其子体测量方法研究

(03006 山西太原120信箱 中国辐射防护研究院  张文涛)
1.引言
据UNSCEAR1993年报告的估计,和正常本底地区的广大公众因吸入氡及其子体所致辐射照射的年剂量当量为1.2mSv,约占全部天然辐射致辐射照射的1/2,氡子体是诱发肺癌主要因素之一,氡及其子体的是环境空气中放射性的主要贡献者。2002年12月18日我国第一部《室内空气质量标准》出台,2003年3月1日实施,2006年版GB50325《民用建筑工程室内环境污染治理规范》实施,此外,有关核设施场所、铀矿山、公共环境等氡污染对人体健康的影响也开始受到重视。研究氡及其子体测量方法与开发新型氡及其子体连续监测仪来满足核设施场所、矿山、井下、室内外环境等的氡水平调查与其剂量估算,以及在科研、环保和卫生防护等职能部门的科学实验与现场应用等,对研究氡的来源与危害,设计防氡降氡方案等都具有重要意义。
2. 测量方法与原理
在抽气过程中,入口滤膜滤掉空气中已有的氡子体,其滤膜上聚集的氡子体被硅探测器所探测进行实时测量;纯氡在通过收集衰变室的过程中又生成新的子体(主要是218Po),其中的主要部分由于静电高压的作用下加速聚集到收集衰变室的出口处,被出口处金硅面垒探测器直接探测,由于氡子体的增长遵循固有的积累和衰变规律,通过测出口探测器所得的α计数就可确定氡浓度。
连续运行方式下,在给定计数时间间隔(积分时间)内测量收集室的总计数是此时间间隔的氡气浓度,此期间沉积的子体活度和前一次测量沉积的子体活度的函数。考虑了对本底的扣除;也考虑在高浓度测量以后仪器关机所引起的本底行为;伴随的氡及子体在收集室的残留可能影响下一次测量,也估算了这种残留。
实时测量入口滤膜聚集的氡子体,得出α计数;每取样5分钟就运算一次氡子体α潜能,每个取样时间间隔即据氡浓度估算平衡因子,保存数据并连续测量。
3. 结构设计
    外部带1500V静电高压的铝制圆柱型收集衰变室(200mm长,Φ150mm,V=3.0L)、2L/min抽气泵、流量传感器、湿度传感器、气流缓冲与干燥装置、特殊设计的气路系统、两个探测器、计数与处理电路、显示与串口通讯、微型打印机等。

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4.材料与器件的选择
1)探测器
   采用CANBERRA公司生产的Φ20mm标准PIPSα(硅)探测器测氡子体,采用北京核仪器厂生产的Φ22mm金硅面垒探测器测量氡浓度(也可采用国外的)。
2)传感器
   湿度传感器    0~98%Rf,DC5V. 型号MS-1,安徽安庆无线电一厂。
   流量传感器    0~5L/min,DC5V.
3)采样泵        0~3L/min可调,DC5V.型号PB8505。成都锐意机械设计中心。
4)采样气管:外径Φ6mm、内径Φ4mm的无色透明的软塑料管。
5)大面积液晶显示模块:采用精电蓬远公司QH2001字符点阵液晶显示模块。
6)微型打印机:采用Tpu-40型热敏式串口微打。
7)外接电源:输入AC220V,输出+24V。
8)DC-DC转换器:输入+24V,输出+5V、+15V、-15V。
9)可充电电池:一次带泵运行8小时以上。
5.机加工设计要求
1)特殊设计的氡子体采样装置
   用聚乙烯材料,采样室灵敏体积为25*Φ20。取样装置采用“气流迂回”过滤而聚集氡子体的设计结构。拟参考附一图的结构设计与加工。
2)收集衰变室
   用铝材加工,其灵敏体积约3.6L。为了使气流分布均匀,采用“入口处四孔进气,出口处四孔出气”的设计方案。收集衰变室出口端中央开Φ30通孔来安置金硅面垒探测器。整个收集衰变室安装在一个固定支架上,确保其衰变室外壳浮地绝缘。拟参考附图二的结构设计与加工。
3)仪器外型
   采用轻质铝合金材料或聚乙烯材料,长方体箱形状,尺寸为350*250*300。箱体两端的中央位置分别开通孔Φ52和Φ60,以便安装进气、出气、外接电源、串口接线等。
4)操作面板
   大面积液晶显示,设9个按键,实时显示计数,按转换键可显示氡浓度、氡子体浓度、α潜能浓度和平衡因子。具有电池电量报警指示。

6.电路方框图设计
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7.计算方法与运算程序
    连续运行方式下,在给定计数时间间隔(积分时间)内测量收集室的总计数是此时间间隔的氡气浓度,此期间沉积的子体活度和前一次测量沉积的子体活度的函数。考虑了对本底的扣除;也考虑在高浓度测量以后仪器关机所引起的本底行为;伴随的氡及子体在收集室的残留可能影响下一次测量,也估算了这种残留。在j次计算期间的氡浓度方程为:
Qj=(Cj—Bj)/VαErT—(1—1/α)ΣHiQj-i. 
其中Cj为在积分时间T的第j个时间间隔内所观察到的总计数;α为在期间(j-i)中沉积的活度所致的计数与只有氡时在期间(j-i)的计数之比;Hi为在期间(j-i)内沉积的活度所致在期间j的计数与在期间(j-i)内沉积的活度所致在期间(j-i)内的计数之比值;Er为氡气计数效率;α和Hi为参数;BJ为本底计数。

氡子体浓度计算公式:Cn=[1/(η*V)]*ΣKji*Ci(Bq/m3)
(其中i=1~3,分别指218Po、214Pb、214Bi);

      氡子体α潜能浓度计算公式:PAEC=[1/(η*V)] *Σ*ΣXj*kji*Ci(10-8J/m3) ,(其中i=1~3);

      平衡因子计算公式: PAEC/Cn.
    以上公式中,η为氡子体的平均探测效率;V为取样流量,l/min;Ci为第i个计数时间测量的α计数;Xj为第j个氡子体α潜能浓度因子,wLm3/Bq;kji为氡子体浓度矩阵因子K的第j行i列的元素,Bq/dis.min。
8.仪器对氡浓度的变化响应与修正
    在25℃、相对湿度60%的环境条件下,把仪器置于我们自行设计的小型氡室中,迅速开启仪器,其稳定氡气流以3L/min的流量立即由泵吸入收集衰变室,已知从氡室中稳定的氡浓度调节在8000 Bq/m3,使仪器从正常本底测量转换到大于8000 Bq/m3,然后返回。如图3仪器随氡浓度变化的响应。我们还测量浓度几个Bq/m3的室外到高于100Bq/m3的多个场所检验了本底扣除能力,从高浓度到低浓度的测量之间只相隔几分钟的延迟,或者在开始室外测量之前使所测大气衰变几天,仪器的测量结果均较理想。

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                          图2 仪器对氡浓度变化的响应
(注:不规则曲线为实测值,规则曲线为对收集室内子体沉积作了修正)

9. 问题与讨论
由收集衰变室所提供的灵敏度和能消除收集室内氡子体沉积贡献的计算方法,确定了仪器的灵活实用性。通过实验与计算得到收集室对218PO的收集效率与外加电压的关系曲线,如图4所示,电压超过1500V以后,效率趋于饱和值。图5显示了收集效率受相对湿度的影响比较显著。
对仪器进一步的改进在于对本底的动态扣除,这样可使仪器从高浓度水平测量转换到低浓度测量,而相互间没有干扰,实现快速测量。

 主要参考文献:
1.张文涛,李正才,武彦英,孟丹,王彦良; 建筑材料表面氡析出水平调查 [J];工业卫生与职业病; 2007年04期
2.张文涛,相正志,李翔,李建龙,张永坚; 太原市居民室内氡水平抽样调查与所致剂量估算 [J];工业卫生与职业病; 2005
3.张强,邓跃全,董发勤,徐光亮,杨瑞,何登良; 工业废渣基建材的氡放射性污染及防护的研究现状与展望 [J];材料导报; 2007年10期
4.张文涛,李静,胡验军,张永坚; 居室中放射性污染调查与辐射剂量估算 [J];环境与健康杂志; 2005年02期
5.张强,邓跃全,古咏梅,董发勤,徐光亮,何登良; 建材制品中测定氡的影响因素及其在防氡建材分析中的应用 [J];核技术; 2007年03期
6.张文涛,2005年12月第6期,RHZM-I氡及其子体连续监测仪的研制,核电子与探测技术。


 

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