闪烁室测氡仪采样方式对刻度系数的影响研究

张雄杰， 张 叶， 瞿金辉， 王仁波， 闵友华

(1.东华理工大学核技术应用教育部工程研究中心，江西 南昌 330013；2.东华理工大学，江西 抚州 344000)

闪烁室测氡仪采样方式对刻度系数的影响研究

张雄杰1,2， 张 叶2， 瞿金辉1,2， 王仁波1,2， 闵友华2

(1.东华理工大学核技术应用教育部工程研究中心，江西 南昌 330013；2.东华理工大学，江西 抚州 344000)

针对闪烁室测氡仪在多种采样方式的刻度系数，以FD125氡钍分析仪为实验仪器，分别对真空法、循环法和连续监测法等3种采样方式得到的刻度系数进行对比研究。结果表明，不区分采样方式使用同一刻度系数会引入较大的测量误差。通过对比分析3种采样方式的效率因子，得出循环采样法采样时间为10 min的采样效率最高，真空采样法的效率最低，而且循环采样法其采样时间越长，采样效率越高，但循环采样时间过长会影响氡与其子体的平衡，降低效率因子。

闪烁室测氡仪；氡；刻度系数

张雄杰，张叶，瞿金辉，等.闪烁室测氡仪采样方式对刻度系数的影响研究[J].东华理工大学学报：自然科学版，37(4)：429-432.

Zhang Xiong-jie,Zhang Ye,Qu Jin-hui,et al.2014.Impact from sampling methods of scintillation chamber emanometer to calibration coefficient[J].Journal of East China Institute of Technology (Natural Science), 37(4)：429-432.

氡被公认为是一种对公众健康有危害的放射性气体，大气中氡及其子体吸入人体造成的内照射，构成了天然辐射对公众受照剂量的主要部分。同时，氡作为一种很好的“示踪剂”在环境监测、地矿勘查、海洋调查等领域广泛应用(吴慧山等，1995；吴慧山，2001；刘菁华等，2009；杨亚新等，2007；张叶等，2010；温廷宇，2013)。氡测量方法一直伴随着氡的应用与防护迅速发展，闪烁室测氡法是一种常用的氡测量方法，其探测原理是将氡采集到闪烁室内，氡及其子体发射的α粒子使闪烁室壁上的ZnS(Ag)产生闪光，光电倍增管把这种光信号变成电脉冲，经过电子学线路把电脉冲放大，并记录下来，使用刻度系数换算后可以得出氡浓度(吴慧山，2001；肖拥军等，2004)。

闪烁室测氡法采集氡的方法一般有真空法、循环法和连续监测法等采样方式，需要在上述三种采样方式下分别作刻度，闪烁室测氡仪使用时如果不区分采样方式而使用同一个刻度系数，将导致测量结果产生较大的误差。本文以FD125氡钍分析仪为实验仪器，借助核技术应用教育部工程研究中心的氡室平台，分别对真空法、循环法和连续监测法等3种采样方式得到的刻度系数进行对比研究。

1 闪烁室测氡仪标定原理与刻度系数推导

被采集到闪烁室内的氡(222Rn)，其放射性衰变链一直到稳定核素206Pb。衰变链上各子体的半衰期长短不同，210Po的半衰期最长，其后的子体核素对于闪烁室测氡的研究没有实际的意义，同时由于218Po，210Po，214Po，214Bi等氡子体的衰变分支比、半衰期等因素(张雄杰，2008)，氡及其子体的衰变链可以简化为图1所示的衰变链。

图1 氡及其短寿子体的简化衰变链Fig.1 The simplified decay chain of radon and its short-lived daughters

从图1中可看出，222Rn衰变到子体210Po的整个衰变链中有222Rn，218Po和214Bi三个核素都产生α射线，而ZnS(Ag) 闪烁室探测器不能区分不同能量的α射线，因此为了准确测量氡浓度，闪烁室测氡仪一般要求在采集氡气后需静置3 h，待氡及其短寿子体达到放射性平衡后进行测量(Abbady et al.，2004)。此时的闪烁室测氡仪的总计数可以表示为：

Nall=(CRn·V+CPO·V+CBi·V)·ηs·ηm·60=3×60·ηs·ηm·CRnBegin·V·e-λt

(1)

式中，Nall为闪烁室内氡及其子体放射性平衡后，仪器测量得到每分钟的总α计数(cpm)；CRn，CPO，CBi为仪器测量时闪烁室内222Rn，218Po和214Bi核素的浓度(Bq/m3)；V为闪烁室体积(m3)；ηs为采样效率；ηm为探测效率；CRnBegin为采样气体中的氡浓度(Bq/m3)；λ为氡的衰变常数(s-1)；t为静置时间，即采样结束到测量的时间(s)。

对于一个特定仪器探测效率ηm；氡的衰变常数λ；闪烁室体积V为常数，当采用同样的采样方式及采样效率ηs相同，且静置时间t一般为10 800s，

(2)

式中，K为仪器的刻度系数(Bq·m-3/min)。

当采样进入闪烁室的氡为已知浓度的氡气时，则可以通过公式(2)，求解出刻度系数K，这个过程也称作仪器刻度。

从上述分析可以看出，对于同一台仪器来说，刻度系数主要与采样方式有关。若设探测效率ηm和采样效率ηs都为1，则可以通过刻度系数K的定义计算刻度系数的最小值Kmin，即闪烁室测氡仪的理想刻度系数。

以FD125氡钍分析仪为例，其闪烁室体积为0.5 L，静置时间t也固定为10 800s，则FD125氡钍分析仪理想刻度系数Kmin为11.37 Bq·m-3/min。

2 闪烁室测氡仪的刻度方法

2.1 真空采样法

真空法是将待标定的探测器的容器抽成真空，再将其连接到标准源(或标准装置)吸入已知浓度氡气，进行静置、测量，计算出刻度系数的方法，其原理图如图2所示。

图2 真空法采样原理图Fig.2 The principle diagram of vacuum sampling method

本实验采样时先将闪烁室成抽真空(约定真空度小于10 mTorr时为真空)，然后打开K1，缓慢打开K2，待压力表的示数到0，则完成整个取样过程。取样完成后静置闪烁室3 h后测量总α计数，其测量结果见表1。

表1 真空采样法FD125测量结果Table 1 FD125 measuring results usingvacuum sampling method

2.2 循环采样法

循环法是将己知的氡室和待标定的探测器连接成循环密封系统，通过气泵(或双连球)进行气体循环取样后，进行静置3 h后测量闪烁室中的总α计数，计算出刻度系数的方法，其原理图如图3所示。

图3 循环法采样原理图Fig.3 The principle diagram of circulation sampling method

循环法采样时，采样时间的选择决定了采样效率，不同的循环采样间其刻度系数也将有所差别，本实验循环采样时间分别选用1 min，5 min和10 min进行实验，其测量结果见表2。

2.3 连续监测法

连续监测法是与循环法采样相似，也是将己知的氡室和待标定的探测器连接成循环密封系统，通过气泵(或双连球)进行气体循环，但不再进行密封静置，而是连续循环3 h后直接测量闪烁室中的总α计数，其原理图与循环法相同。本实验使用连续监测法测量结果见表3。

表2 循环采样法FD125测量结果Table 2 FD125 measuring results usingcirculation sampling method

表3 连续监测法FD125测量结果Table 3 FD125 measuring results usingcontinuous monitoring method

3 实验数据分析

3.1 相对固有误差分析

测量结果显示，同一台闪烁室测氡仪采用不同的采样方式时其刻度系数相差较大。假设以连续监测法为参考，如果在真空法或循环法采样测量时使用连续监测法得到的刻度系数计算氡浓度，则将产生较大的测量误差(对比数据见表4)，因此，使用闪烁室测氡仪作氡浓度测量时，不同的采样方式应该使用相对应的刻度系数。

表4 测量误差对比表Table 4 The comparison of measurement error

3.2 采样效率分析

根据公式(2)和理想刻度系数Kmin的定义，将刻度系数K和理想刻度系数Kmin求比，则可以得到探测效率ηm和采样效率ηs的乘积ηms，η称之为效率因子是对比闪烁室测氡仪仪器性能、测量方法优劣的一个重要指标。

(3)

根据公式(3)分别计算出真空法、循环法和连续监测法等3种采样方式的效率因子η，计算结果见表5。

表5 效率因子对比表Table 5 The comparison of efficiency factor

本次实验是同一台仪器不同采样方法进行对比分析，相同仪器其探测效率是相同的，则效率因子的变化反映的是不同采样方法造成采样效率的差异。故从表5中可以发现，使用循环采样法采样时间为10 min的采样效率最高，真空采样法的效率最低。

对于循环采样法其采样时间越长，采样效率越高。连续监测法可以认为是循环采样法采样时间为3 h的一种特例，从数据中可以看出，连续监测法效率因子低于循环采样法采样时间为10 min的效率因子。其主要原因是并非连续监测法采样效率低，而是由于连续监测法不断向闪烁室内引入新的氡气，闪烁室内的氡及其子体达到“动态稳定”的关系(肖拥军，2004)，从而使得相同条件下连续监测法测量得到的总α计数小于循环采样法的测量结果。

4 结论

综上所述，使用闪烁室测量氡浓度时应针对所采用的采样方式选择对应的刻度系数，否则会引入较大的测量误差。通过分析真空法、循环法和连续监测法等3种采样方式，循环采样法采样时间为10 min的采样效率最高，真空采样法的效率最低，而且循环采样法其采样时间越长，采样效率越高，但循环采样时间不能过长，否则会影响氡与其子体的平衡，导致效率因子降低。

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ImpactfromSamplingMethodsofScintillationChamberEmanometertoCalibrationCoefficient

ZHANG Xiong-jie1,2, ZHANG Ye2, QU Jin-hui1,2, WANG Ren-bo1,2, MIN You-hua2

(1.Engineering Research Center of Nuclear Technology Application, Ministry of Education, East China Institute of Technology, Nanchang, JX 330013，China;2. East China Institute of Technology, Fuzhou,JX 330013, China)

In order to research the calibration coefficients of scintillation chamber emanometer in multiple sampling methods, FD125 radon-thoron analysis instrument is used. The calibration coefficient values which are obtained from vacuum method, circulation method and continuous monitoring method are compared. The results show that the large measurement error would be caused by using uniform coefficient without distinguishing sampling methods. According to the comparison and analysis of the efficient factors of three sampling methods, conclusions can be found that the sampling efficiency of circulation method with 10-minutes sampling time is the highest and the efficiency of vacuum method is the lowest. Moreover, the more time circulation method uses, the more efficient sampling efficiency is. However, the circulation sampling time cannot be too long, for it would affect equilibrium of radon and its progeny and reduce efficiency factors.

scintillation chamber emanometer; radon; calibration coefficient

2014-10-22

国家自然科学基金项目(11165002)；江西省自然科学基金项目(20132BAB213023)；江西省教育厅科学技术研究项目(赣教技字[12754]号)；核技术应用教育部工程研究中心项目(HJSJYB2010-14)

张雄杰(1983—)，硕士研究生，讲师，主要从事核数据处理与计算机模拟研究。E-mail：fbear1983@163.com

10.3969/j.issn.1674-3504.2014.04.012

TL84

A

1674-3504(2014)04-0429-04