闪烁探测器测氡仪的研制与应用

张兆山，王 玮，王海洋，梁树红

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

闪烁探测器测氡仪的研制与应用

张兆山，王 玮，王海洋，梁树红

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

介绍了闪烁探测器测氡仪的工作原理，阐述了应用新型材料及技术达到的技术指标。通过仪器的应用试验与测量结果比对证明了仪器设计方案的可行性和性能的可靠性。

闪烁探测器；测氡仪；研制；应用

在放射性地质勘查领域，氡测量一直是寻找深部隐伏铀矿床的最有效方法之一。氡测量的方法和仪器有很多，本文介绍一种以闪烁法为基础的小型化、数字化、智能化的测氡仪设计及其应用效果。

1 工作原理

闪烁室法测氡是氡测量的经典方法之一［1］。仪器以闪烁室法为基础，用气泵将含氡的气体吸入闪烁室，氡及其子体发射的α粒子使闪烁室内的 ZnS（Ag）涂层发光［2-3］， 光电倍增管再把这种光讯号变成电脉冲［4］。测量电路由单片机控制，把探测器输出的电脉冲整形，进行定时计数。根据单位时间内的脉冲数与氡浓度的正比关系，来确定空气中氡的浓度。原理方框图如图1所示。

2 主要技术指标

（1）灵敏度： ≥1.1 计数/s（1 000 Bq·m-3）；

（2）本底计数率： ≤0.04计数/min（氮气）；

（3）测量范围

环境空气氡： 3～10 000 Bq·m-3，

土 壤 氡： 300～100 000 Bq·m-3；

（4）探测器： 硫化锌 ZnS（Ag）和光电倍增管组合系统；

（5）取气方式：主动泵吸式；

图1 闪烁室法测氡仪原理框图Fig.1 Framework of the principle of radon meter by scintillation chamber

（6）响应时间；

空 气：30 min，

土壤氡：10 min；

（7）打印数据：日期、时间、点号和氡浓度；

（8）外型尺寸： 330 mm×210 mm×170 mm。

3 结构设计

仪器采用球型闪烁室，使用高强度材料注塑而成，外型如图2。球体内部均匀喷涂ZnS（Ag）涂层，四面窗的光电倍增管置于球体底部凹槽内，能有效收集ZnS涂层发出的光信号，同时这样的气室设计使仪器内部结构更加紧凑。

图2 闪烁室外型Fig.2 Exterior of the scintillant chamber

仪器内部采用整体机架式设计。将电路板、探测器、气泵及电池等部件先固定在机架上，然后用固定螺栓将机架固定在机箱内。这种结构设计有效避免了仪器的线路和气路易出现的问题，同时也为仪器生产线式的商品化生产提供了可能。

仪器机箱采用高强度的ABS工程塑料，防水、抗压，重量轻，是当今国内、外采用的主流仪器机箱。

4 硬件设计

4.1 电源设计

仪器采用电源模块化分离设计，数字部分和模拟部分分开供电，减少了数字电路对模拟电路中信号的干扰。在数字地和模拟地之间跨接铁氧体磁珠，可有效防止数字部分的高频开关噪声串入模拟地，减少对模拟信号的干扰。高压电源模块外部使用金属外壳，能有效屏蔽升压变压器产生的电磁干扰，内部灌封环氧树脂防止高压放电损伤电路；在高压电源的供电端设计放电电路，防止了断电瞬间高压线圈对后续电路的损伤。

4.2 信号设计

光电倍增管将收集的光信号转换成电流信号，经探测器上的跟随器输出到模拟信号处理板，由板上的跟随、倒向、电压比较及整形电路处理成脉宽可调节的脉冲信号。将此脉冲信号输入到单片机的计数器上，即完成了信号的收集、处理和计数操作［5］，其过程如图3所示。

图3 信号处理Fig.3 Flow chart of singlar processing

4.3 时钟设计

仪器时钟设计由高精度时钟芯片DS 3231及备用电池构成。DS 3231内部集成温度补偿晶体振荡器，提高了器件在各种环境下的长期精确度。双线IIC接口，减少了引脚个数，简化了布板难度，并包含电池输入端，能在主电源掉电后自动切换到备用电池工作，在电池供电状态下时钟保持其耗电电流1 μA左右，利用CR 2032型纽扣电池供电工作时间约 6 a，在仪器使用过程中完全可以接受。DS 3231时钟芯片提供的时钟数据包括秒、分、时、星期、日期、月和年信息，并自动调整月末日期及闰年补偿，提供两个可编程闹钟和一路可编程方波输出。该设计不仅满足了仪器使用要求，还为后期软件设计打下了良好的基础。

4.4 通信部分

仪器通信包括两部分：与PC机通信的USB接口和与蓝牙打印机通信的蓝牙模块。

与PC机通信的USB接口是使用一个USB总线的通用设备接口芯片CH 372来实现。CH 372内置了USB通讯中的底层协议，在内置固件模式下，CH 372自动处理默认端点0的所有事务，本地端单片机只负责数据交换，所以单片机程序非常简洁。其接口标准为全速USB 2.0接口，通信速度完全可以满足仪器数据上传要求。

与蓝牙打印机通信使用一款内置虚拟串口协议固件的蓝牙模块实现。该模块在单片机的控制下，可完成对外部蓝牙打印机的搜索和配对工作。在配对成功后可以在仪器和蓝牙打印机之间构建一个虚拟的透明串口，仪器可以通过这个虚拟串口完成打印操作。

5 软件设计

软件设计采用多级中断及子程序嵌套的模块化结构。全部软件包括主程序、定时器中断服务子程序Time 2、外部秒中断服务子程序ExInter 0、计数中断服务子程序Time 0、运算子程序CalAndDis和外设驱动程序等，测量程序流程如图4。

图4 测量程序流程Fig.4 Flow chart of measuring program

定时器中断服务子程序为整个仪器控制系统提供运行节拍，该中断服务程序中主要完成对键盘的定时扫描，根据按键切换系统转换到不同运行状态；外部秒中断服务子程序为测量过程中的倒计时间提供标准时基；计数中断服务子程序完成对探测器脉冲信号的累计计数处理；运算子程序则是将计数结果进行运算、处理得出测量结果；外设驱动程序完成键盘扫描输入、LCD显示、USB接口及打印功能。

6 仪器的应用试验与对比测量结果

仪器采用ZnS（Ag）闪烁探测器，其优点是测量灵敏度高，受湿度影响小；缺点是氡子体的污染严重，在测量高氡浓度后，必须要清洗或设法消除子体污染的本底。仪器设计的主要功能是测量环境空气氡浓度、土壤氡浓度和物体表面氡析出率。以下为不同仪器间的测量比对数据和实际应用结果。

6.1 3种测氡仪器的空气氡测量试验对比

参加比对测量的仪器除本仪器外，还有德国产α Guard和美国产RAD 7两款测氡仪。为了获得稳定的试验条件，测量比对选在标准氡室中进行。所取浓度范围包含了国家检定部门检定环境氡浓度和土壤氡浓度范围， 即取700～8 000 Bq·m-3。试验比对结果见表1。

表1 3种测氡仪在氡室的测量比对数据Table 1 Comparison of measured data by three radon meters in radon chamber

由表1可见：3种测氡仪器在氡室中的测量比对结果，其最大相对误差＜5%。

6.2 土壤氡浓度比对测量

在某地区已知铀矿勘探剖面上做了3种仪器的比对测量，测量点距为100 m，参加比对的仪器为活性炭吸附测氡仪和美国产RAD 7测氡仪。活性炭吸附测氡仪采用挖坑埋设活性炭吸附器5 d的累积测氡法，本仪器和RAD 7测氡仪采用孔深80 cm抽气的瞬时测氡法。试验地区为砂岩型铀矿区，地势基本平坦，个别地段有冲刷切割，除个别测点外，适宜于打孔抽气取样和埋设活性炭吸附器。

测量比对结果示于赋存有铀矿的断面剖面图上（图5）。由图5可见，3种测氡仪测得的曲线形状非常相似。本测氡仪和RAD 7测氡仪的测量曲线相差不大，因为两台仪器在同一孔中抽气测量，点位误差和气象因素的影响很小，故测量误差一般不超过10%。而本测氡仪和RAD 7测氡仪与活性炭吸附测量法的相对误差稍大，除个别两个测点达到30%以上外，其余测点的相对误差也都在20%的范围以内，这是由点位误差、深度误差和气象条件等因素的综合影响造成的。

图5 某地质剖面3种测氡仪测量结果Fig.5 Comparison of measured data by three radon meters in a geological profile

表2 南华大学氡室氡析出率装置上的刻度数据Table 2 Radon exhalation rate calibrated by radon chamber in University of South China

表3 土壤氡析出率测量比对结果Table 3 Calibrated measuring result of radon exhalation in soil

6.3 氡析出率的测量

仪器在南华大学氡室的析出率装置上的刻度数据见表2。

将表2中的刻度系数置入仪器后，编写了新的测量软件，对数据做了校准因子和氡与氡子体的不平衡校正，并消除了仪器本底。在北京某公园内进行了氡析出率的测量试验和相应点的氡浓度测量（参考值），见表3。由表3可以看出，仪器在北京地区一般正常土壤中的测量结果与国内其他研究机构所测的氡析出率（0.014 Bq·（m-2·s-1））［6］基本相近。

7 结 论

由数据比对结果和实际应用情况可看出，本仪器完全达到了设计的预期目标，相信该仪器在今后的应用中具有良好的前景。

［1］奚大顺.放射性物探仪器［M］.北京：原子能出版社，1987.

［2］汲长松.核辐射探测器及其实验技术手册［M］.北京：原子能出版社，2007.

［3］国营261厂.闪烁体说明书［M］.北京：国营261厂，1976.

［4］光电倍增管基础及应用［M］.北京：滨松光子学株式会社，1995.

［5］何为民，智能放射性勘查仪器［M］.北京：原子能出版社，1994.

［6］孙凯男，郭秋菊，程建平.我国部分地区土壤氡析出率的理论模型［J］.中华放射医学与防护，2004， 24（06）： 581-584.

Development and application of emannometer of scintillation detector

ZHANG Zhao-shan， WANG Wei，WANG Hai-yang，LIANG Shu-hong
（Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China）

This article describes the working principle of scintillation detector for measuring radon，presentes the application of new materials and techniques to achieve the technical performance.Through the test application and measurement result comparison，the instrument is proven feasible in design and reliable in performance.

scintillation detector；radon detector； development；application

TL81

A

1672-0636（2012）01-0057-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2012.01.009

2012-01-05

张兆山（1967—），男，河北唐山人，高级工程师，主要从事仪器研发等工作。E-mail:zzs9818@163.com