引言

靜電收集α能譜法測氡是一種能有效甄別出 Rn—222和Rn—220的快速連續(xù)測氡方法,故該方法成為連續(xù)測氡的主流方法。

基于該方法研制的連續(xù)測氡儀器較多,如南華大學(xué)研制的NRL型連續(xù)測氡儀^[1—2],該測氡儀在抽氣取樣過程中未計(jì)數(shù)的測氡模型其氡濃度的計(jì)算較為簡單,但該方法在較低濃度條件下測量時(shí)粒子數(shù)較少,測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)漲落較大。

為提高NRL型連續(xù)測氡儀的探測效率,提出全程收集粒子計(jì)數(shù)的新測量方法,該方法在實(shí)驗(yàn)標(biāo)定儀器的標(biāo)準(zhǔn)刻度因子后,再根據(jù)氡的衰變規(guī)律計(jì)算任意測量周期的刻度因子。

1連續(xù)測氡刻度因子的理論計(jì)算

新測量模式下在開始測量時(shí)刻測量腔內(nèi)的氡會經(jīng)過一段時(shí)間先增加至待測環(huán)境氡濃度,然后動態(tài)穩(wěn)定在這一氡濃度上直至測量結(jié)束,故該模式下儀器測量腔內(nèi)抽氣取樣時(shí)刻的氡濃度C(t_x)與取樣時(shí)間tx的關(guān)系如下^[3]:

式中:C(t_x)為抽氣取樣不同時(shí)刻測量腔內(nèi)的氡濃度;C₀為待測環(huán)境氡濃度;L為抽氣泵流率;t_x為抽氣取樣時(shí)間;V為測氡儀測量腔體積。

式(1)為新測量模式下測氡儀在抽氣取樣時(shí)刻測量腔內(nèi)氡濃度的理論變化規(guī)律。根據(jù)式(1),當(dāng)測氡儀測量腔體積V=0.8 L,氣泵流率L=2.25 L/min時(shí),測量腔內(nèi)氡濃度的理論變化規(guī)律如圖1所示。

根據(jù)靜電收集α能譜法的測量原理,利用測得的粒子數(shù)反推出氡濃度需得到粒子數(shù)與氡濃度之間的函數(shù)關(guān)系即儀器的刻度因子,而儀器的刻度因子需要在開始測量時(shí)刻儀器測量腔內(nèi)的氡濃度為穩(wěn)定氡濃 度時(shí)方可得到。

在新測量模式下,儀器開始測量時(shí)腔內(nèi)的氡濃度變化情況如圖1所示,故需要用抽氣取樣時(shí)間段內(nèi)測量腔的平均氡濃度替代取樣結(jié)束后腔內(nèi)穩(wěn)定氡濃度,然后利用得到的平均氡濃度求得腔內(nèi)達(dá)到該濃度所需的對應(yīng)時(shí)間,即為等效時(shí)間t_n',最后依據(jù)等效時(shí)間可以得到儀器任意周期的刻度因子。

因此,若要得到新測量模式下儀器的刻度因子,就需要得到該模式下抽氣取樣時(shí)間段內(nèi)測量腔內(nèi)氡濃度與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系,故對式(1)化簡得到式(2):

式中:ΔCtx為氡濃度變化率。

式(2)為抽氣取樣時(shí)刻腔內(nèi)氡濃度的理論變化率,其理論圖形如圖2所示。

利用積分面積法,以抽氣取樣的結(jié)束時(shí)刻和開始時(shí)刻分別作為積分上下限,對ΔCt_x進(jìn)行積分,得到在該時(shí)間段內(nèi)測量腔的氡濃度C_總,如式(3)所示。

利用C_總和抽氣取樣總時(shí)間t_n,求得其在抽氣取樣時(shí)間段內(nèi)的平均氡濃度C_tn' ,如式(4)所示。

利用式(1),也可得到平均氡濃度C_tn',如式 (5)所示。

聯(lián)立式(4)和式(5),化簡得出對應(yīng)的時(shí)間即為等效時(shí)間tn',其計(jì)算公式如式(6)所示。

由式(6)可知,等效時(shí)間tn'與儀器抽氣取樣時(shí)間tn、儀器泵流率L和儀器測量腔的體積V有關(guān)。

利用開始測量時(shí)測量腔內(nèi)氡濃度即為穩(wěn)定氡濃度時(shí)測量周期為T的標(biāo)準(zhǔn)刻度因子k₀和等效時(shí)間tn',通過理論公式計(jì)算出新模式下任意測量周期的理論刻度因子Kx,其理論計(jì)算公式如式(7)所示^[4-6]。

式中:Kx為新測量模式下測量周期為Tx的刻度因子;K₀為標(biāo)準(zhǔn)刻度因子;T為測量周期;Tx為任意測量周期。

由式(7)可知,同一臺測氡儀的理論刻度因子Kx 與測量周期、等效時(shí)間有關(guān),與采集檢測效率無關(guān)。由此可以根據(jù)K0、測量周期和等效時(shí)間計(jì)算出新測量模式下任意周期、任意采樣時(shí)間的刻度因子。

當(dāng)tn=180s,λR=2.1×10-6s-1,λA=3.8 ×10-3s-1 時(shí),根據(jù)式(7)和L=2.25 L/min、V=0.8 L等相關(guān)參數(shù)得到tn/=46 s;當(dāng)新測量模式下的測量周期Tx分別為3 600、1800、900s時(shí),刻度因子K60、K30和K15分別表示為:

式(7)表明,當(dāng)采樣時(shí)間固定時(shí),較長的測量周期對應(yīng)較低的刻度因子;儀器的刻度因子與等效時(shí)間tn'有關(guān),而與儀器抽氣取樣時(shí)間tn、泵的流率L和測量腔的體積V有關(guān),即新測量模式下儀器的刻度因子

由儀器抽氣取樣時(shí)間、泵的流率和測量腔的體積共同決定。

2結(jié)果與討論

新測量模式下測氡儀刻度因子的研究實(shí)驗(yàn)裝置主要由NRL連續(xù)測氡儀、南華大學(xué)25m3 的標(biāo)準(zhǔn)氡室 和 儀 器 Alpha GUARDPQ2000Pro(GenitorInstruments GmbH,Germany)等組成。

實(shí)驗(yàn)步驟如下:為減少放射性的統(tǒng)計(jì)誤差,調(diào)節(jié)南華標(biāo)準(zhǔn)氡室氡濃度在5 000 Bq.m^-3范圍內(nèi)。溫度穩(wěn)定在(30±2)℃,濕度穩(wěn)定在 (65±5)%。

當(dāng)氡室的氡濃度調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定 后 , 首 先將新測 量 模 式 下NRL 連 續(xù) 測 氡 儀 和PQ2000Pro打開1 h,使這些儀器同步工作。

實(shí)驗(yàn)分三步:

1)用流率計(jì)測出儀器氣泵的流率L。

2)連接好實(shí)驗(yàn)裝置,關(guān)閉儀器高壓,從南華大學(xué)標(biāo)準(zhǔn)氡室取樣3min后 (儀器開機(jī)后默認(rèn)立刻開啟高壓和計(jì)數(shù),選擇關(guān)閉高壓則儀器在抽氣取樣時(shí)刻是未開啟高壓和計(jì)數(shù)),測量60min內(nèi)Po-218衰變產(chǎn)生的α粒子數(shù)作為N₀。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氡室內(nèi)PQ2000 Pro

的參考氡濃度C,根據(jù)公式K₀=C/N₀求出儀器標(biāo)準(zhǔn)刻度因子K₀^[7],實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果如表1所示。

3)測量不同測量周期的刻度因子,依據(jù)測得的粒子數(shù)求出不同周期的實(shí)驗(yàn)刻度因子,并與理論刻度因子比較。

新測量模式下使用連續(xù)測氡儀進(jìn)行三次周期為60 min且在開始測量時(shí)測量腔內(nèi)氡濃度即平衡的測量。將PQ2000 Pro的氡濃度值作為當(dāng)次測量腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)濃度,因此,通過公式K₀=C/N₀ 可以得到周期為60 min的氡測量儀三次刻度因子K₀的測量值,并將其平均值作為儀器的標(biāo)準(zhǔn)刻度因子,其測量數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知新測量模式下連續(xù)測氡儀標(biāo)準(zhǔn)刻度因子K0的平均值,其平均值為2.12 Bq.m^-3·cpm^-1。

將K₀=2.12 Bq·m^-3·cpm^-1代入式(8)(9)和(10)確定K60、K30和K15的理論值。使用連續(xù)測氡儀進(jìn)行測量,每個(gè)周期分為3組且每組重復(fù)測量3次,周期分別為15、30、60 min。將PQ2000 Pro的值作為測量腔的標(biāo)準(zhǔn)濃度,實(shí)驗(yàn)刻度因子Kex可根據(jù)公式C=K₀N₀計(jì)算,理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知新測量模式下連續(xù)測氡儀各周期理論刻度因子kx和實(shí)驗(yàn)刻度因子kex的比較結(jié)果,其中各個(gè)周期理論刻度因子和實(shí)驗(yàn)刻度因子的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均在5%以內(nèi),表示該方法計(jì)算得到的理論刻度因子準(zhǔn)確可靠。

在測量過程中實(shí)驗(yàn)值和理論值不會完全相等,會有一定誤差,造成這種不準(zhǔn)確的原因可能有:

1)儀器在抽氣取樣這段時(shí)間內(nèi),其流率不會一直保持不變,會有一定波動,從而給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來誤差;

2)等效時(shí)間tn/是近似值,會存在計(jì)算誤差;

3)在測量過程中,測量腔的溫度和濕度會存在波動,影響Po-218的收集效率^[8-10];

4)放射性測量存在統(tǒng)計(jì)漲落,在周期為15 min時(shí)較為明顯,其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯要大于長周期。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于全程計(jì)數(shù)的氡濃度計(jì)算方法,該方法在確定儀器的標(biāo)準(zhǔn)刻度因子K₀后,根據(jù)氡的衰變規(guī)律得到不同測量周期的理論刻度因子。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:不同測量周期的實(shí)驗(yàn)刻度因子與理論刻度因子相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均在5%以內(nèi)。

該方法簡化了全程計(jì)數(shù)測氡模型的計(jì)算,在提高測氡儀探測效率的同時(shí)也確保了氡濃度計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李志強(qiáng),肖德濤,趙桂芝,等.新型連續(xù)測氡儀研制[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2015,35(12):1246-1250.

[2]何正忠,肖德濤,趙桂芝,等.連續(xù)測氡方法迭代修正因子的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測定[J].原子能科學(xué)技術(shù),2013,47

(6):1040-1043.

[3]譚延亮,肖德濤,趙桂芝,等.靜電收集法測量氡濃度的兩種技術(shù)路線比較[J].輻射防護(hù),2011,31(6):376-378.

[4] LI ZQ,XIAODT,ZHAOGZ,etAl.RApid determinAtion ofrAdonmonitor,scAlibrAtionfActors [J].NucleArScienceAndTechniques , 2016 , 27(5 ) :16-121.

[5]張書燕,李志強(qiáng),徐勇,等.閃爍室測氡不同時(shí)刻的刻度因子研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2023,60 (2):122-127.

[6]王政霞,李志強(qiáng),李彥秋,等.基于小閃爍室測氡儀快速定值方法研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2022,59

(2):146-150.

[7] 肖德濤,周青芝.連續(xù)可靠測量空氣中氡濃度的方法及裝置:201010258564.7[P].2011-01-26.

[8] TAKEUCHIY,OKUMURAK,KAJITAT,etAl.DevelopmentofhighsensitivityrAdondetectors[J].NucleArInstrumentsAndMethods inPhysicsReseArch, SectionA :AccelerAtors,Spectrometers,Detectors And AssociAted Equipment,1999,421(1/2): 334-341.

[9]DUA SK ,KOTRAPPAP ,GUPTAPC . Influenceof relAtivehumidityonthechArgedfrActionof decAy productsofrAdonAnd thoron [J].HeAlth Physics,1983,45(1): 152-157.

[10] ROCA V,DE FELICE P,ESPOSITOA M,et Al.Theinfluence of environmentAl pArAmeters inelectrostAticcellrAdonmonitorresponse[J].Applied RAdiAtion AndIsotopes: includingdAtA,instrumentAtionAnd methods foruse inAgriculture,industryAndmedicine,2004,61 (2/3): 243-247.

2024年第10期第15篇