基于土壤氡源的湿度可调控的氡室系统

茅钰才，王云祥，张 磊，郭秋菊

(1.北京大学物理学院核物理与核技术国家重点实验室，北京 100871；2.军事科学院防化研究院核防护研究所，北京 102205)

铀系衰变链中放射性惰性气体氡(222Rn)测量在辐射环境监测、地质勘探、地震预报、大气科学及地球物理学等领域有着广泛的应用[1-4]。为确保测量质量，在氡计量体系内，氡测量仪器需要在可溯源的氡室内进行刻度校准。目前国际上公认的Alpha GUARD测氡仪(PQ2000，Saphymo，法国)因其良好的稳定性，其扩散模式测量可以用来传递氡活度浓度(以下简称“氡浓度”)基准(GB/T 13163《辐射防护仪器 氡及氡子体测量仪》)。

迄今为止，氡室的设计、建造、发展已经有30多年的历史。国际上有诸如美国的EML、EPA，德国的PTB、BfS，英国的NRPB，澳大利亚的ARL，日本的NIRS，韩国的KRISS等相关科研机构和政府监管部门研发的氡室[5-10]。

我国自从1988年原核工业第六研究所(湖南衡阳，现南华大学)研制了国内的第一个氡室之后[11]，相继发展诞生了东华理工学院研制的HD-3型氡室，南华大学的PWM控制法调控换气量的氡室，国家建筑工程室内环境检测中心的DSZ-3型标准氡室，国家计量科学院的自动调控气溶胶粒径和浓度的氡室[12-15]等等。这些氡室按照浓度调控原理，可以分为动态的循环式控制和静态的非连续走气调控两种类型。从氡源类型上有固体和液体镭源的不同形式[16-17]。

无论是国家级或行业内的大型标准氡室，还是体积相对较小的二级或三级氡室，通常调控系统复杂，成本昂贵。标准镭源无论活度大小，存在购买和使用许可申请、放射源安全保存保管、镭源的科学校准等实际问题。在实际工作中，例如地震台站、辐射环境监测站或大多数实验室，日常工作及科研活动并不需要大型氡室的诸多优异性能，只要有一台在国家计量系统刻度认证过的Alpha GUARD测氡仪和能够对测氡仪器开展检验或刻度校准的简易箱体，即能满足绝大多数仪器检验或刻度的应用需求。

联合国原子辐射影响科学委员会(UNCSEAR)2000年报告中指出，土壤气体中含有很高的氡[18]。国外研究者也有使用罐装式土壤氡气或是直接挖出土壤作为氡源的做法[19-21]。另外，在关于土壤氡气的研究中，发现在地质条件稳定区域，深层土壤氡气浓度能长时间的维持在一个较高的稳定水平[22]。鉴于土壤气体中氡气浓度较高、稳定性好这两个理想特性，我们研发了一套基于土壤氡源的湿度可调控的简易氡室系统。

该氡室系统使用土壤气体作为氡源，选用有机塑料等可视材料作为箱体，设计了独特的湿度调控及氡浓度调控系统，搭建方便，成本低廉、调控方式简单。本文将对此氡室系统基本构成、浓度和湿度调控操作方式以及相关的性能参数进行介绍，希冀为国内同行提供参考和借鉴。

1 材料和方法

氡室系统的装置示意图如图1所示。具体各模块组成、功能、使用方法叙述如下。

图1 基于土壤氡源的湿度可调氡室系统实验装置示意图

1.1 采气处理

为获取稳定的较高浓度的氡气，将不锈钢采气长管打入室外地表土壤深度大于1 m的位置，并长期固定。在露出地面的一端接气管和气泵并以恒定流速向外抽气。在采气管和气泵之间使用具有较长回路的衰变通路以避免220Rn干扰，使得气体经过通路的时间大于5 min，令220Rn充分衰变。得益于土壤氡浓度的长期稳定性和稳定的取气流速，采用流气法采气，可以使得土壤氡取气管出口处的氡浓度能够较长时间保持稳定。

1.2 氡浓度调控设计

采用流气式方法对氡室内氡浓度进行调控。如图1所示，我们设计了由5个转子流量计(A～E)构成的浓度调节系统，通过调节5个转子流量计的限流来控制土壤氡气和室外大气气体的混合比，从而实现对注入氡室气体的氡浓度调节。具体描述如下：

a)使用流量计A控制抽气流速，确保以恒定流速采集和获取氡气。北京大学氡室系统中使用的流速值vA为3 Lpm。

b)引入转子流量计B、C、D。其中转子流量计B控制土壤气流的分流流速，C控制气泵从大气中抽取气体的流速，两者混合实现对土壤氡气稀释比的调控，从而实现调控氡浓度的目的。两个流量计可调节范围为0～5 Lpm。流量计D不限流，为了使得土壤氡气和大气气体可以充分混合，且确保不会出现回流的情况，同时也有观察分流流速，确定稀释比的效果，进而实现对浓度调节的预估。

c)为了便于湿度稳定调控，需确保E处的流量稳定。在浓度调节的最后加入不限流的流量计E，通过调节B和C处的流量，保证E处的流量稳定。经过氡浓度调节后的混合气体以恒定的流速，通过湿度调节系统，进入氡室系统。北京大学氡室系统中，进入氡室的恒定流速设定为3 Lpm。

根据以上设计，得到的流量计E处的混合气体的氡浓度CE满足以下方程：

(1)

在连续流气式调控的氡室系统中，在一段时间的稳定后，CE浓度即可代表氡室内的浓度，稳定所需时长将在下文中展示。上式中Csoil为土壤气中的氡浓度，可以通过调节空气气路流速使得vC为零，即土壤气体完全不被混合的情况下由氡室内的标准仪器AlphaGUARD测量得到Csoil数值。在得知土壤气体氡浓度的前提下，就可以通过调节两路气体混合比，实现对进入氡室的气体的浓度调控。

1.3 湿度调节设计

为了实现对氡室内环境的湿度调节，以满足不同湿度条件下测氡仪器的刻度需求，氡浓度调节后的气体需要经过湿度调节模块进行二次处理。湿度调节模块由一个鼓泡瓶和电子除湿器(正源电热机械有限公司，DH-1，中国)构成，气体以稳定流速经过鼓泡瓶，加湿至接近于饱和空气湿度，再通过电除湿器，除湿至设定的稳定湿度。电除湿器温度可以设定在1 ℃至室温之间，进而稳定调控进入氡室内的气体湿度，实现氡室内的湿度调控。

1.4 氡浓度与湿度测量

北京大学氡室系统中，较高浓度氡气在完成浓度和湿度调节之后，将鼓入一个体积约300 L的方形腔室。该方形腔室内置入一台风扇确保氡气在腔室内均匀分布。放置Alpha GUARD PQ2000测氡仪在腔室内作为标准仪器，以其扩散模式测量腔室内的氡浓度和湿度。如图1所示，该氡室中，待测仪器可以通过上盖，直接放入腔室内测量。另外，氡室上方开有4个进出气口，合计两条循环气路，可供待测仪器测试标定使用。这两种不同的使用方式，可以为多种不同原理的测氡仪进行刻度校正或检验。

2 结果和讨论

为了检验氡室系统的性能，我们进行了两轮分别调控氡浓度和湿度的实验，以期检验该氡室系统的调节范围与稳定性。

2.1 湿度恒定的氡浓度调控实验

在氡浓度调控期间，固定电除湿的温度为12.5 ℃(室温25 ℃左右)，Alpha GUARD的测量周期设置为1 h，以扩散模式对氡室内的氡浓度和湿度进行测量记录，并对浓度调节模块的各个转子流量计进行调节。利用公式(1)，可以根据流量计B、C的流速和实测的Csoil，计算得到预估的氡室浓度Ccal，并将其与Alpha GUARD测氡仪实测的氡室内浓度进行比对。三次调节的流量计流速参数设置以及得到的氡室内氡浓度如表1所示。

表1 氡浓度调节参数及氡室内氡浓度实测值和预估值

在3 Lpm取气流速情况下，北京大学氡室系统取气点位上，取气出口处的氡浓度约为5 852 Bq/m3，此时可认为CE=Csoil，理论浓度基于此可通过(1)式计算。不同的土壤气体和大气气体混合比情况下，可以实现氡室内氡浓度的调控，且实测的氡室内浓度值同理论预估值基本符合。实验表明，通过气体氡浓度调控系统，实现不同比例土壤气体的稀释，可以简单有效地调控氡室内的氡浓度。

氡浓度调控期间，氡室内氡浓度及相对湿度随时间的变化情况如图2所示。

图2 湿度恒定的氡浓度调控变化曲线

从图2中可以得知，在整个调控过程中，氡室内的相对湿度可以较好地稳定在(50.8±1.7)%RH的水平。通过控制转子流量计流速来改变土壤气路和大气气路的流速混合比，可以实现在826～5 852 Bq·m-3范围内的氡浓度稳定调控，且每个浓度稳定平台能长达40小时。

同时还可以注意到，受限于腔室体积300 L、换气流量3 Lpm以及氡室潜在漏气影响，浓度降低过程需要时间约为22小时，浓度上升需要时间约为19小时。事实上，在实际操作过程中，可以通过氡室中其他气路快速补充氡和快速排空氡，或者依据实际的需求，提高换气率，降低腔室体积，有效缩短浓度调控的响应时间。

需要注意的是，土壤中氡浓度水平与采气点的地质环境、土壤镭含量和含水量等多种局地因素有关，也与连续采气的气体流速有关。故该实验系统可调节范围内的最高浓度在不同区域使用时会存在差异，选择更低的采气流速，也可以提高氡浓度调控上限。而实验所需的低浓度下限，可以通过已知的最高浓度值和更大的稀释比获得。

2.2 氡浓度恒定的湿度调控实验

为了实现单一变量的实验条件，将控制稀释比例的转子流量计B、C完全关闭，即不进行氡浓度调节。在氡室内温度稳定的情况下，电除湿器调控的露点温度和相对湿度之间存在一一对应的关系。湿度调节完成后，记录氡室内连续测量的Alpha GUARD的湿度浓度数据，测量周期同样为1 h。当腔室内湿度和氡浓度稳定达到一定时长后，再进行另外一个平台的湿度调节。实验中分别设置电除湿的温度为5.0 ℃、18.0 ℃、12.5 ℃三个档位，最终得到测量结果如图3所示。

图3 氡浓度恒定时湿度调控变化曲线

由图3可见，氡室内氡浓度在整个湿度调节期间能够保持长时间稳定。通过调节电除湿的温度档位，得到的三个不同湿度分别可以稳定在(30.8±0.8)%RH、(70.6±0.5)%RH、(50.2±0.7)%RH水平，且每个档位能够在长时间内维持湿度稳定。即可以通过上述的调控方式使得氡室在氡浓度稳定的情况下得到不同的湿度环境，通过调节电除湿的温度，可以实现湿度在(30.8～70.6)%RH范围内的连续调节。另外湿度上升和下降过程中达到平衡时间分别约为58和48 小时。相比于浓度调节过程，湿度调节则需要更长的平衡时间。

从图2和图3的结果中可以注意到，在氡浓度和湿度调节过程中，稳定平台之间的调控需要较长时间，需要时间的长短取决于氡室体积的大小和流速限值二方面因素。为缩短湿度平台之间的调控时间，实际操作中可以在图1装置图中氡室上方的循环气路中接入干燥剂或鼓泡瓶加快气体交换与湿度平衡。

3 结论

为满足氡测量仪器在实际使用中检验、刻度和校准需求，确保氡测量质控工作开展，本研究基于地表深层土壤中氡浓度高且长时间稳定的特性，研发建立了一种简易的流气式氡室系统。通过对土壤气体和大气气体的混合比例控制以及电子除湿器的温度设定控制，分别实现了对氡室内氡浓度和相对湿度的长时间稳定调控。

北京大学氡室系统，腔体体积300 L，在本研究实验条件下，可调控相对湿度范围为(30.8～70.6)%RH，可调控氡浓度范围为826～5 852 Bq·m-3，且在此范围内均可以实现连续稳定调节。本氡室系统符合中华人民共和国国家计量检定规程《测氡仪》(JJG 825—2013)[23]中关于检定的氡浓度和湿度条件，满足大多数工作场景中对测氡仪器的刻度校准需求。

本研究研制的简易氡室系统结构简单、易于制备、操作方便、成本低廉，性能方面具有可调范围大、稳定时间长的优点。同时还省去了标准镭源在购置及使用管理中的繁琐环节。有望推广应用于测氡仪的比对和质量控制，为教学、科研和辐射环境监测服务。