闪烁室法现场水中氡浓度测量及其仪器功能开发

李金凤，张兆山，胡小华，韩耀照

（核工业北京地质研究院，北京100029）

闪烁室法现场水中氡浓度测量及其仪器功能开发

李金凤，张兆山，胡小华，韩耀照

（核工业北京地质研究院，北京100029）

ZnS（Ag）闪烁室法水中氡浓度测量仪具有准确度高，探测下限低，操作简便，受湿度影响小的优点。从方法原理、测量装置及软硬件设计进行阐述，探讨了影响仪器测量准确性的因素。用液体镭源测试的结果验证了仪器的线性和准确性，其线性相关系数为0.981 1，相对误差为-17.16%～10.21%；并与RAD7测氡仪水中氡浓度测量的数据作对比，相对误差在-14.28%～18.57%。

水；氡浓度；ZnS（Ag）闪烁室法

氡（Rn）是一种天然放射性惰性气体，溶解于水，其溶解度系数取决于水的温度和压力。水中氡作用于人体有两种方式:一种为释放到空气中后被人体吸入；另一种为人体直接饮入含氡的水。这两种方式都会造成氡对人体的内照射，形成很大危害。美国国家环保局（EPA）估计，每年死于由水中氡引起的癌症168人，其中89%为肺癌，11%为胃癌［1］。为此，1991年美国建立饮用水中氡浓度的MCL（最大污染水平）限值为11.1Bq·L-1［2］。随后EU和WHO相继建立了水中氡的控制标准［3］。我国针对水中氡浓度的控制，目前还没有相关的标准出台。

为了减小和控制水中氡对人体的危害，科学准确地测量水中氡浓度显得尤为重要。因此，世界上有许多国家都在积极探索和研究水中氡测量方法及仪器。常用的水中氡测量方法有闪烁室法、静电收集法、电离室法、固体径迹法、驻极体法等［3］；目前，国内、外具有水中氡测量功能的仪器有:美国的RAD7测氡仪、德国SARAD公司生产的RTM1688-2连续测氡仪、EQF3200型测氡仪，国内有FD3017测氡仪、FD125氡钍测量仪、RLM-I测氡仪、HDC型测氡仪等。本文着重于ZnS（Ag）闪烁室法在水中氡浓度测量中的应用研究及测量仪软硬件开发。结果表明，ZnS（Ag）闪烁室法是一种快速、准确、可满足现场测量的方法。

1 水中氡浓度测量原理

1.1 方法简介

静电收集法以使用金硅面垒探测器为例，虽然探测下限低，但是它的收集效率受相对湿度影响，在高浓度测量时，响应因子因辐射损伤而降低，且金硅面垒探测器的损伤是不可逆的［4］；电离室法方法可靠，测量速度较快，但灵敏度较闪烁室法低，现场使用不方便；固体径迹法、驻极体法体积较小，适宜携带，但因测量时间较长，不适合水中氡的现场测量；闪烁室法探测下限低，操作简便，灵敏度高，受湿度影响小，但闪烁室易受污染。

综合分析，由于闪烁室的灵敏面积大，测量灵敏度比RAD7、FD3017等使用的半导体探测器高很多；再加上由ZnS（Ag）组成的闪烁室，受湿度影响小，在60%～70%的相对湿度条件下对测量结果影响不大［5］。虽然闪烁室易受污染，但可以采取措施减小影响。因此，对于现场水中氡浓度测量仪器的开发，选用了ZnS（Ag）闪烁室法。

1.2 测量方式—闭环循环法

水中氡浓度测量关键环节:1）如何把水中氡“赶”出来；2）如何收集和准确测量从水中释放的氡浓度。

首先用取样瓶取水样，仪器与取样瓶连接形成一个闭环、密封的回路，内置泵通过排气回路与取样瓶连接，从采样水中鼓出气泡，将溶解于采样水中的氡气释放并转移至仪器的循环回路，通过仪器进气口进入闪烁室测量（图1）。

图1 闭环循环法水中氡测量装置Fig.1Water radon measurement device with closed-loop circulation method

取样瓶的出气口装有干燥剂，进气口有定向阀门，避免因水气吸入或不正当操作而损坏探测器。反复循环鼓气，由于气泡表面积很大，可以十分有效地提高氡从水中的释放效率。当鼓气时间足以使气体回路中的氡浓度和水中氡浓度达到平衡时，就可以通过测量闪烁室内的气体氡浓度来得到水中的氡浓度值。

计算水中氡浓度公式如下［6］:

式中:CRn，水—水样中的氡浓度，Bq·L-1；K—仪器的刻度系数，s·（Bq·L-1）-1，K＝1/体积活度响应；N—包含了本底在内的样品计数率，s-1；n—本底计数率，s-1；V总—循环系统总体积，L；V水—取水样体积，L；exp（-λt）—氡衰变指数函数，本仪器为现场测量仪，取样后立即测量，可视衰变时间为0，因此软件中此项值为1。

1.3 仪器原理

在天然放射性衰变系列中，氡及其子体辐射出不同能量的α粒子。水中氡从取样瓶进入闪烁室后，其辐射的α粒子使闪烁室内的ZnS（Ag）涂层发光，光电倍增管将光信号转变成电脉冲，再经过放大、整形、脉冲幅度分析和数据处理，由单片机构成的控制及测量电路对其定时计数（图2）。在一定条件下，根据单位时间内的计数率N与氡浓度CRn成正比，经刻度后的仪器，可以根据单位时间的计数率得到氡的浓度值CRn。

2 ZnS（Ag）闪烁法水中氡浓度测量仪软硬件设计

本仪器是在已有环境空气氡测量仪的基础上，根据水中氡的测量需求进行功能扩展而设计的。

2.1 硬件设计

主要介绍水中氡浓度循环收集回路设计。

仪器内置薄膜泵，进行主动吸气。主机外接的鼓气装置采用硅胶管连接，避免橡胶管对氡子体的吸附［7］，密闭性好，防止氡泄漏。连接线各条长80 cm左右，过长或过短都会影响到测量准确度（与刻度条件一致）；取样瓶内的鼓气管由硅胶软管、有机玻璃鼓气管和鼓气嘴组成（图3）。取样瓶分400 mL和80 mL两种规格，前者用于测量水样品中低氡浓度，后者用于测量水样品中高氡浓度。当浓度很高时，测量前需要对样品进行稀释。

图2 闪烁室法测量水中氡原理图Fig.2Diagram showing water radon measuring principle with scintillation chamber method

图3 取样瓶剖面图Fig.3Profile of sampling bottle

关键环节:①鼓气系统设计:对于水中氡测量，如何将水中氡“赶”干净，这已成为测量是否准确的关键问题。因此，对于鼓气装置的设计和材料的选择很关键。本设计内置薄膜泵对循环系统进行吹气，与叶轮泵相比，密闭性很好，不漏气，吹气效果好；取样瓶的设计，利于氡气从水中逸出；采用硅胶管连接，与橡胶材料相比氡子体不易粘在内壁上，减少氡的损失。②冷凝水问题:如果采样水温度高于测量腔室温度，在测量过程中就容易产生冷凝水而影响测量结果。本设计在采样瓶的出气口装有干燥剂，可以有效解决这一问题。

2.2 软件设计

程序采用C51语言编写，模块化结构程序设计，包括:主程序main、定时器中断服务子程序Time2、外部秒中断服务子程序Exinter 0、计数中断服务子程序Time0、运算子程序CalAndDis和外设驱动程序等，水中氡测量软件流程图如图4所示。

图4 水中氡浓度测量软件流程图Fig.4Flow chart of water radon measurement software

3 水中氡浓度测量

3.1 仪器刻度

本仪器由中国计量科学研究院的氡室刻度。具体刻度过程:将由氡室引出的已知浓度的氡气通过硅胶管连接引入仪器内置闪烁室内，而后通过抽气泵进行抽气，使整个密封系统达到氡均匀分布，进行多次测量计算测量系统的读数与气体氡浓度之间的关系，即刻度系数［6］。

式中:CRn—由水中析出至空气的气体氡浓度，Bq·L-1（常用单位为Bq·m-3，这里因需与水中氡浓度单位保持一致，全部取体积为L）；K—仪器刻度系数，s·（Bq·L-1）-1；N—包含了本底在内的样品计数率，s-1；n—本底计数率，s-1。

测出气体氡浓度之后，由公式（1）计算出水中氡浓度。

3.2 测量流程及注意事项

1）将采样水缓慢倒入取样瓶，加至规定容量，盖紧取样瓶。连接好仪器主机与闭环鼓气系统。2）仪器预热15 min后，启动“水中氡测量”，进行取样瓶体积的选择，仪器将自动顺序完成下列全部的测量过程:①本底测量10 min；②充气阶段，闭合回路中的气体开始循环流动，产生鼓气泡，充气5 min；等待氡由水转移至空气的过程基本完成，达到平衡状态；③仪器进入“正在测量”状态，测量11 min，此时将取样瓶与仪器连接的2根硅胶管断开；④测量完毕，排气5 min；3）测量周期结束后，读取水中氡浓度值。

在测量样品时需注意:①减少和消除仪器本底:ZnS（Ag）闪烁室法测量水中氡浓度最大的缺点是闪烁室易受污染。为了确保测量数据的准确性，必须排除测量前测氡仪探测器的污染，实际操作过程中，一般都是用空气净化，为了尽量减小本底影响，需进行本底校正。②采集样品放置时间不宜过长，应采样后立刻测量，如果时间过长就应考虑衰变校正。

3.3 测试数据及分析

仪器水中氡浓度测量范围为:0.003～100 Bq·L-1，水中氡测量时间周期:31 min。

3.3.1 液体镭源测试仪器的线性和准确性

准备7个不同含量、同一体积的液体镭源:0.36、0.401 2、0.410、0.428、29.2、40.79和49.26 Bq。为得到更多不同已知含量的样品，对3个较高活度样品鼓气后进行密封，根据密封时间的不同由公式（3）来计算累积氡的活度。

式中:A—累积氡的活度，Bq；A0—的活度，Bq；λ—衰变常数，0.181 31 d-1（0.007 554 583 h-1）；t—衰变时间，h。

这3个液体镭源样品为国家标准样，样品体积小于仪器取样瓶最小量80 mL，为了测量准确，不便取出放在取样瓶中测试，因为它们的体积一样，因此在测试过程中属于同一条件测量。

根据公式（1），可导出:

式中:V水、V总为已知值。令K′＝K·V总，单位为s·Bq，导出:

测得数据如表1。

表1 液体镭源测试数据表Table 1Test data of liquid radium source

根据表1，得出累积活度与计数率之间的关系，如图5所示。

图5 累积活度与计数率关系Fig.5Relation between cumulative activity and count rate

累积活度与计数率线性相关系数为0.981 1。

将测得计数率值（表2）带入拟合公式y＝0.027x＋0.190 8中，得到仪器测量值及相对误差结果如表2所示。

由表2可见，液体镭源验证数据相对误差为-17.16%～10.21%，符合空气氡浓度测量要求，能够满足水中氡浓度测量（因水中氡浓度测量暂无国标）。

表2 液体镭源验证数据表Table 2Verification data of liquid radium source

3.3.2 与RAD7测氡仪对比测量自来水中氡浓度数据

编号分别为1309218、1309219、1309220的3台仪器及RAD7测氡仪均已由中国计量科学研究院氡室对空气氡标定并取得证书。取样地点为核工业北京地质研究院实验大楼，于2014年10月10日测量。

水中氡浓度值比较低，采用400 mL的采样瓶进行测量。用4次测量结果求平均值，测量数据如表3所示。

表3 不同仪器4次测量结果平均值对比Table 3Contrast of average measurement results by different instruments

与RAD7测氡仪测量数据对比可知，对于低含量的水样，相对误差为-14.28%～18.57%，满足水中氡浓度测量。

4 结论

本文选用ZnS（Ag）闪烁法及闭环循环的测量方式对水中氡浓度测量仪进行设计及软硬件开发，由7个液体镭源得出的16组测试数据验证了仪器的线性和准确性，仪器线性相关系数为0.981 1，测量数据相对误差为-17.16%～10.21%，能够满足水中氡浓度测量。将此次开发的3台仪器与RAD7测氡仪水中氡浓度测量的数据作对比，相对误差为-14.28%～18.57%。由于条件所限，不同浓度的液体镭源数量偏少，再加上时间仓促，笔者对于仪器测量样品的多样性及不同厂家生产的水氡测量仪之间的对比试验稍显欠缺，这在今后的工作中会不断去完善。

［1］李晓辉，申仲华，李建华.水中氡的危害及监管现状［J］.现代预防医学，2005，32（10）：1 313-1 323.

［2］Committee on Risk Assessment of Exposure to Radon in Drinking Water，NationalResearchCouncil. Risk Assessment of Radon in Drinking Water［M］. Washington D.C.：1999.

［3］崔宏兴，尚兵，武云云.水氡测量方法的研究［C］//第3次全国天然辐射照射与控制研讨会论文汇编，2010：687-689.

［4］谭亿平，刘良军，周剑良.静电收集法在测氡中的应用与研究［J］.核电子学和探测技术，2009，29（6）：1 369-1 373.

［5］冯延强，张兆山，易超，等.闪烁法土壤氡气测量在东胜砂岩型铀矿勘查中的应用［J］.世界核地质科学，2015，32（3）：164-171.

［6］吴慧山，林玉飞，白云生，等.氡测量方法与应用［M］.北京：原子能出版社，1995：35.

［7］张书达.矿石岩石中铀镭钍的物理测定［M］.北京:原子能出版社，1981：243.

In-situ water radon concentration measurement with scintillation chamber method and its function development

LI Jinfeng，ZHANG Zhaoshan，HU Xiaohua，HAN Yaozhao

（Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

Water radon concentration measurement by ZnS（Ag）scintillation chamber has the advantages of high accuracy，low detection limit，easy to operate and stable under different humidity conditions.The thesis descripted the principle method，the design of hardware and software of the measuring device，discussed the factors which influence the accuracy of the instrument.The tested results of several liquid radium source verified the linear and accuracy of the instrument.The linear correlation coefficient of the instrument is 0.981 1，the relative error value is between-17.16%to 10.21%.By comparing measuring data with RAD7 emanometer，the relative error is found between-14.28%to 18.57%.

Water；radon concentration；ZnS（Ag）scintillation chamber method

TL812＋.2

A

1672-0636（2016）01-0089-06

10．3969/j．issn．1672-0636．2016．01．007

2015-08-03；

2015-10-14

李金凤（1982—），女，天津人，工程师，主要从事放射性仪器研发与生产工作。E-mail：lijinfeng6401@foxmail.com