基于TASLIMAGE系统的CR-39氡探测器测量氡的蚀刻条件研究*

王 晨 丁艳秋 邓 君 武云云 王恺怡 郭 文*

人类所受的天然辐射剂量有将近50%来源于氡，氡对人类的影响及危害不容忽视，而氡的测量是评价其辐射危害的基础，其测量方法和探测装置也在不断的完善和提高[1-2]。被动累积式氡剂量计是一种基于粒子蚀刻轨道探测器的测量装置，广泛应用于氡气暴露的累积测量。CR-39作为氡剂量计中的固体核径迹探测器塑料，一直是氡个人剂量计中应用最为广泛的材料，且CR-39相比于其他径迹探测器塑料能取得更好的监测效果，同时还具有灵敏度高、潜径迹相对稳定、受环境湿度和温度等影响小、对β射线、γ射线和电子射线不敏感、体积小以及价格低廉等优点[3]。

影响CR-39化学蚀刻的主要因素有蚀刻时间、蚀刻液种类和浓度以及蚀刻温度，加之由于制作原料和生产工艺的不同，不同厂家不同批次的CR-39具有不同的灵敏度和辐射响应，人工读取和自动读取时要求也不相同，因此需要通过实验确定最佳蚀刻条件[4]。为此，本研究基于TASLIMAGE核径迹图像自动分析(Radon and neutron dosimetry system TASLIMAGE系统)，针对CR-39固体核径迹探测器化学蚀刻的蚀刻时间、蚀刻液种类与浓度和蚀刻温度3个主要影响因素，采用正交法设计实验，分析径迹图像和净径迹密度，得出的最佳蚀刻条件与推荐化学蚀刻条件对比，综合考虑确定CR-39固体核径迹探测器在实验范围内的最佳化学蚀刻条件。

1 材料和方法

1.1 实验器材

(1)CR-39固体核径迹探测器：采用TASTRAK聚烯丙基碳酸二乙二醇酯(Poly allyl diglycol carbonate，TASTRAK PADC)[英国Track Analysis Systems(TASL)公司]，规格为25 mm×25 mm×1.0 mm。

(2)蚀刻溶剂：使用麦克林生化科技有限公司生产的有效成分≥95%的NaOH固体粉末，分别配置5.0 mol·L-1、6.25 mol·L-1和7.0 mol·L-1的NaOH溶液。

(3)读取系统：采用英国Track Analysis Systems公司的TASLIMAGE核径迹图像自动分析系统，该系统是一套自动扫描分析系统，包括显微镜、步进电机控制器、数码CCD相机、显示器、蚀刻槽(恒温水浴箱)、蚀刻架及干燥箱等，可以自动记录CR-39固体核径迹探测器的径迹图像特征和径迹数。

1.2 实验方法

(1)正交实验设计：正交实验为蚀刻温度T(℃)、NaOH蚀刻液浓度C(mol·L-1)和蚀刻时间t(h)3个主要因素和3种不同条件的3水平实验。依据L9(34)正交表安排实验，分别表述为实验1～9组，TASL公司推荐的蚀刻条件表述为对照10组。

(2)正交实验条件：影响CR-39化学蚀刻的3个主要因素为蚀刻温度T(℃)、NaOH蚀刻液浓度C(mol·L-1)和蚀刻时间t(h)。每个因素取3个水平，蚀刻温度T取80 ℃、90 ℃和98 ℃；蚀刻液浓度C取5.0 mol·L-1、6.25 mol·L-1和7.0 mol·L-1；蚀刻时间t取1 h、2 h和3 h。TASL公司推荐的蚀刻时间为1 h，蚀刻液为6.25 mol·L-1的NaOH溶液，蚀刻温度为98 ℃。

(3)照射：将80个CR-39探测器分别置于圆柱形滤膜式氡剂量计中，根据实验要求共分为10组，每组8个氡剂量计，其中每组包括照射组(5个)和本底组(3个)。将10组中的照射组共50个氡剂量计放于氡室中90.4 h，至氡剂量剂中氡浓度完全平衡。放置时氡室条件为：温度为18.2～23.7 ℃，相对湿度为4%～9%，平均浓度稳定在(1796±85)Bq·m-3。同时将10组中作为本底组的30个氡个人剂量计放在氡室外的房间内。

(4)蚀刻：照射后将氡剂量计全部收回，从中取出CR-39探测器，按照正交实验设计的9种蚀刻条件和公司推荐的1种蚀刻条件对10组CR-39探测器进行蚀刻实验。化学蚀刻时，蚀刻液浓度配制时使用有效成份≥95%的NaOH固体粉末，配置所用水为去离子水。

(5)烘干处理：蚀刻后将装有CR-39探测器的蚀刻架放在超声波清洗机中用去离子水清洗3次，放入干燥箱中0.5～1 h至完全烘干取出。

1.3 数据读取

使用TASLIMAGE系统读取10组实验中的CR-39探测器数据。实验中每片CR-39探测器读取5次，系统分别记录每片CR-39探测器每次的径迹密度和径迹图像，后借助统计学中Grubbs法去掉异常数据之后计算实验中10组CR-39的净径迹数以及净径迹密度平均值。

1.4 计算方法

(1)氡浓度计算：根据TASLIMAGE系统中测得径迹数以及径迹密度，计算监测周期内的累积浓度[5]；其计算为公式1：

式中CRn为监测周期内的浓度(Bqhm-3)；nR为监测用氡个人剂量计中的CR-39经蚀刻后测读得到的净径迹密度(tr·cm-2)；T为暴露时间(h)；FR为刻度系数(Trcm-2/BqhBq-3)。

(2)探测限计算：固体核径迹测量方法的探测限[6]LD的估算为公式2：

式中LD为固体核径迹测量方法的探测限；Kβ为第一类错误(α错误)发生概率；Kα为第二类错误(β错误)发生概率；Nb为固体核径迹元件的本底径迹密度(tr·cm-2)；在95%的置信区间α和β均取5%，则Kα=Kβ=1.645。

(3)正交实验极差分析法计算：在正交实验极差分析法计算中，因素T、C、t各水平对应蚀刻条件下的净径迹密度之和及净径迹密度算数平均值记为K1、K2、K3和。R为各因素各水平下的极差。例如对于温度T这一因素，记为第一水平80 ℃时对应的实验1组、实验2组、实验3组的净径迹密度之和及净径迹密度算数平均值。依次计算各因素K2、以及极差R。

(4)净径迹数计算：净径迹数等于照射组的径迹数减去本底组的径迹数。

2 结果

2.1 径迹图像特征

实验过程中，CR-39经过化学蚀刻、去离子水清洗及干燥处理后，使用TASLIMAGE系统中获得CR-39在实验中各个蚀刻条件下的径迹图像。整理分析后得到的径迹图像特征见表1。

表1显示，实验1组由于蚀刻不足，图像中几乎看不出径迹，实验7组、实验组8出现了过蚀刻现象，径迹图像大部分呈灰色，达不到仪器识别的灰度值。实验3组图像特征最合适，圆形和楔形径迹图像清晰，较大。其他各组实验也呈现了不同的径迹图像特征，表明基于TASLIMAGE系统，不同时刻条件下对于CR-39的蚀刻程度有很大的差异。

2.2 净径迹密度

在TASLIMAGE系统中读取的10组不同蚀刻条件下的净径迹数以及净径迹密度实验结果见表2。

表1 不同蚀刻条件下的径迹图像特征

表2中的净径迹密度显示，不同化学蚀刻条件下蚀刻的CR-39在TASLIMAGE径迹自动读取识别系统中读出的径迹密度有很大差异，与对照10组的径迹密度相比，实验2组和实验3组对应的化学蚀刻条件下读取的径迹密度提高了37.1%和40.7%，而实验1组、实验8组对应的化学蚀刻条件下读取的径迹密度很小，其他实验组读取的径迹密度与实验2组、实验3组比较而言也相对较少。

2.3 最佳化学蚀刻条件的对比

实验刻度系数FR在中国原子能科学研究院标准氡室进行刻度得出。用实验所得出的最佳化学蚀刻条件和推荐的化学蚀刻条件，对放在标准氡室的5个柱形氡剂量计及放在环境中的3个本底剂量计中的CR-39进行蚀刻，在TASLIMAGE系统中测得径迹密度，求得的两种蚀刻条件下的刻度系数列于表3中。同时，由公式(2)求得最低可探测水平LD，见表3。

表2 不同蚀刻条件下的净径迹数实验结果

表3 标准氡室中最佳化学蚀刻条件与公司推荐蚀刻条件的对比

表3显示，两种不同蚀刻条件的刻度系数不同，表明CR-39在不同蚀刻条件基于TASLIMAGE系统响应有差异。最低可探测水平越低，灵敏度越高，CR-39在最佳蚀刻条件下的灵敏度较好。

2.4 蚀刻条件影响分析

极差分析法是分析正交数据的常用方法[7]之一，根据表2的实验数据处理后结果见表4。

表4 极差分析法实验数据处理结果

表4显示，对于净径迹密度而言，蚀刻液浓度极差最大，表明蚀刻液浓度在研究的3个影响因素中对径迹密度的影响最大，而蚀刻时间极差最小，表明蚀刻时间的影响最小。

2.5 径迹图的对比

TASLIMAGE系统显微镜的放大倍数为200倍，正交实验得出的最佳蚀刻条件下读取的径迹图像(图1A)与公司推荐蚀刻条件下读取的径迹图像(图1B)。两种蚀刻条件下径迹均清晰可见，大小合适。

图1 不同蚀刻条件下的两组径迹图像

3 讨论

徐秀清等[8]在CR-39探测器应用于带电粒子识别的实验研究中，模拟出了不同能量的α粒子的径迹被读取最小直径时的蚀刻条件，其中模拟的5.48 MeV的α粒子的径迹被读取最小直径时的蚀刻条件是：蚀刻液浓度为6.25 mol·L-1、蚀刻温度为80 ℃及蚀刻时间为63 min，这与222Rn衰变产生的能量最为接近。许伟等[9]研究了日本生产的CR-39固体核径迹探测器在测量氡时的最佳蚀刻条件：蚀刻温度为70 ℃、蚀刻液浓度为6.25 mol·L-1及蚀刻时间为12 h。这些研究表明，不同的CR-39探测器需要通过实验的方法确定最佳化学蚀刻条件。良好的化学蚀刻条件下读取的径迹数量较多，大小适度，径迹轮廓清晰可见[10]。因此，通过径迹图像和径迹密度等确定正交实验1～9组中的最佳蚀刻条件。以下从径迹图像和径迹密度角度进行综合分析，确定CR-39在实验范围内的最佳蚀刻条件。

本研究中表1显示，98 ℃温度时各个蚀刻条件下的径迹很大，出现灰色过蚀刻区域较多，过蚀刻状态下的径迹数灰度值底，表2中相对应的净径迹数显示，TASLIMAGE系统可以自动测读出的径迹数和径迹密度也很少。90 ℃温度和80 ℃温度下的各组蚀刻条件存在很大差异，其中实验3组蚀刻条件下的圆形径迹和楔形径迹清晰可见，大小合适且容易分辨，数量较多，蚀刻效果最佳。实验3组中α粒子径迹图像与推荐蚀刻条件下对照10组的图像类似，两者图像均清晰可见，大小合适。可以得出结论，实验3对应的化学蚀刻条件与推荐的化学蚀刻条件相比取得了良好的蚀刻效果。因此，实验3组对应的化学蚀刻条件可以作为此次正交实验的最佳蚀刻条件。

本研究中表2表明，在正交实验的实验1～9组中，实验2组和实验3组相比于其他7组所测得的径迹数最多，径迹密度最大。在其他实验条件相同时，径迹数越多，径迹密度越大，对应的化学蚀刻条件越好，从这两个参数分析，可以认为实验2组和实验3组对应的化学蚀刻条件在9组正交实验中是最适合的。实验2组对应的化学蚀刻条件是蚀刻时间为2 h、NaOH蚀刻液浓度为6.25 mol·L-1、蚀刻温度为80 ℃。实验3组对应的化学蚀刻条件是蚀刻时间为3 h、NaOH蚀刻液浓度为7 mol·L-1，蚀刻温度为80 ℃。实验2组和实验3组相差不到6%，就节约实验时间而言，实验2组显然更适合，但是结合径迹图像分析，实验3组的径迹较大，容易清晰分辨，且实验3组条件下得出的数据在误差范围内优于实验2组。

根据表2中净径迹密度显示，实验3组比对照10组的净径迹数密度高约40.7%。因此，实验3组对应的化学蚀刻条件优于厂家推荐的化学蚀刻条件，径迹显示效率和测读效率更好。同时，由表3可知，本研究中正交实验得出的最佳化学蚀刻条件比公司推荐的化学蚀刻条件响应更好，探测下限更低且灵敏度更高。

通过对径迹图像和净径迹密度的综合分析，实验3组对应的化学蚀刻条件是9组正交实验中最佳的蚀刻条件，而且优于推荐的化学蚀刻条件。对处于实验3组条件下，通过TASLIMAGE系统保存的所有的径迹图像进行人工测读，其人工测读的净径迹数为516 tr，TASLIMAGE系统测读出的474 tr，二者之间的误差＜10%，可以认为实验3组的蚀刻条件满足TASLIMAGE系统的测读。

极差法分析正交法实验中，极差越大，该因素对实验影响就越大。本研究中表4显示，蚀刻液浓度极差最大，表明蚀刻液浓度的取值对于实验的净径迹密度而言起到的作用最大，而蚀刻时间极差最小，起到的作用就越小。

4 结论

化学蚀刻是固体核径迹探测探测技术中的一个重要环节，在实际的应用中需要通过实验得出所需的最佳蚀刻条件。基于TASLIMAGE系统的实验结果显示，CR-39探测器的最佳蚀刻条件是蚀刻时间为3 h，NaOH蚀刻液浓度为7 mol·L-1，蚀刻温度为80 ℃。影响CR-39探测器化学蚀刻的3个主要因素中，通过极差法分析表明，NaOH蚀刻液浓度对蚀刻后净径迹密度影响最大，而蚀刻时间的影响最小。