一种快速氡析出率测量仪的设计

刘应龙 刘良军

（1、湖南鸿业变压器有限公司，湖南 衡阳421001 2、南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳421001）

氡及其子体所产生辐射是人类受到天然辐射的主要贡献者, 控制生产和生活环境的氡辐射是辐射防护的重要任务之一。氡析出率是寻找氡污染来源,检验建材是否适合用于居民室内装修,铀矿及其废石场、铀矿冶尾矿库、放射性污染土地退役治理是否合格的重要指标。氡析出率的准确测量受很多因素的影响:收集的氡的泄漏、反扩散、测量现场的本底、测量时的湿度等[1]。目前的主要测量手段是活性碳吸附法,仪器测量等。氡析出率测量仪器主要测量方法是局部静态法,测量累积的氡可以采用多段取样测量法,闪烁室直接测氡法,静电收集氡子体测氡法等[2]。本氡析出率测量仪采用局部静态法收集介质表面析出的氡,用静电收集氡子体测氡法,用快速氡析出率测量程序。测量速度快,能够有效解决泄漏、反扩散、测量现场的本底、测量时的湿度等问题。

1 仪器工作原理

局部静态收集法如图1 所示。收集介质表面析出的氡的密闭容器中氡浓度随时间变化规律为[2]:

C:积累空间内的氡浓度,Bq.m-3;V:积累空间的体积,m3;

λe:包含积累空间氡的泄漏、氡的自然衰变等在内的氡的等效衰变常数,s-1;

δe:射气介质表面的氡析出率,Bq. m-2. s-1; S:积累空间包含的射气收集面积,m2。

设C|t=0=C0,测量氡析出率是满足λet ＜＜1 的条件下,得到氡析出率的近似计算公式:

C0为积累空间外的氡浓度,单位为Bq.m-3。与待测量表面及其周围的氡析出率,天气等有关,特别是雨、风等因素密切。

2 仪器硬件系统设计

仪器由氡积累箱、空气干燥剂盒和静电收集法氡测量仪器三部分构成。氡积累箱中氡的取样采用一台取样泵完成。静电收集法氡测量仪器采用测RaA 的方式测氡, 测量仪器由静电收集室和测量仪器两部分构成。为测量RaA,仪器电路部分设置了二个计数通道和二个阈值电路,一个用于测量总α 计数,一个用于测量RaC’的α 计数,由总α 计数减去RaC’的α 计数和扣除系数的乘积得到RaA 的α 计数[3]。仪器系统组成框图如图2所示。

图2 仪器系统组成框图

仪器采用MCS51 系列单片机作为控制核心, 完成收集高压的开关控制、测量程序、数据的计算管理和通讯。仪器部分还设计有: 实时时钟、数据保存用EEPROM、RS-232 标准通讯接口,4*20 字符型LCD 显示器和6 个按键。仪器交直流工作自动切换,电池采用12V 锂离子电池供电,可外接也可内置。用半导体探测器测量静电收集的氡子体衰变产生的α 粒子。仪器电路部分包括低压电源、偏压电源、前置放大电路、主放大电路、计数控制电路等。配合半导体探测器的前置放大电路为电荷灵敏前置放大器。

为保证仪器的便携性和工作的可靠性,整个测量仪器的结构分成2 个部分,集氡罩分立,其余部分设计进一个机箱。2 个部分之间采用橡皮管和气嘴连接。

图1 局部静态法测氡析出率示意图

公式（2）为表面氡析出率的快速测量方法的计算公式。

3 仪器软件方案设计

仪器底层控制软件采用keil C51 语言编制, 采用模块化设计。软件由主程序、键盘扫描、数据显示、通讯、参数测量、氡析出率测量等子程序组成。主程序框图如图3 所示。根据算法需要并考虑实际测量过程,设计的氡析出率测量流程为:本底取样→测量本底→提示扣集氡罩, 等待按键命令→累积析出的氡→氡样品取样→测量氡样品→计算、显示和保存结果→提示取出集氡罩,等待按键命令→排氡,结束。

仪器配备有运行于windows 系统的数据管理软件。能够从仪器读取数据,生成报表,分析数据等。

图3 主程序流程框图

4 仪器工作参数的确定和性能测试

4.1 静电收集高压和扣除系数的确定

静电收集法测氡,受环境湿度的影响较大,收集高压直接影响收集效率。为了达到稳定测量的目的,仪器的进气口加干燥器使收集腔为干燥环境,经测试收集腔的相对湿度RH〈10%。在湿度变化范围为3%～10%的干燥条件下对静电收集腔进行了收集效率与收集高压的关系测试, 在收集高压1200V～800V 之间收集效率约75%,变化不大,意味着氡衰变产生的新子体都得到有效的收集。相对湿度为47%时,在收集高压1200V～900V 之间,收集效率约63%,变化不大。故此将仪器的收集高压设定为900V。RaC’对RaA 测量的贡献系数,我们称之为RaC’的扣除系数,测量方法:往静电收集室中注入已知浓度的氡,干燥并密闭。然后开高压收集氡子体1 小时,断开高压等待30 分钟,在断开高压状况下测量RaA 和RaC’的α 计数1 小时。由于测量时,收集膜上已没有RaA, 此时总道和RaC’道测量的α 计数全部是RaC’的贡献。仪器测量条件和氡析出率测量时的条件一致。

4.2 稳定性测试

仪器设计完成后,用241Am 源做了常温、低温和高温情况下的仪器计数稳定性、不同湿度的常温下长期工作稳定性测试。结果显示测量仪在不同测试温度和湿度条件下其计数差异变化在统计误差内,扣除系数变化小于2%,符合设计要求。

4.3 抗电源干扰性能测试与取样流率稳定性实验

仪器抗干扰测试使用干扰源法,即:仪器置于办公室环境中工作, 采用交流供电。仪器旁边放置500W 的交流鼠笼电机、100L/min 的直流取样泵、手电钻各一台、40W 的日光灯四盏,干扰设备与仪器共交流电源插座。不断的开、关干扰设备,同时观察仪器的计数变化情况,多次试验未见异常计数。同样的测试也在纯电池供电的工作状态下多次进行,结果与交流供电相同。

取样流率的变化可能影响氡取样量的变化,为此测试了取样流率的稳定性,测量了5 天,流率一直稳定在开机时的流量看不出变化。

4.4 氡析出率测量实验

我们在石膏氡析出率模型上对仪器进行刻度,刻度前先将仪器的刻度系数设置为1。在氡析出率模型(石膏模型)上选取1 个刻度点, 该点用活性炭累积法的氡析出率测量结果为1.40±0.03, 用积累法测量结果为1.42±0.11, 取二个的平均1.41±0.07。由此得到本仪器刻度系数为0.00152±0.00001。

仪器刻度好后,分别在石膏模型,水泥模型,平整好的室外露天土壤表面测点进行测量,并用活性炭累积测量法(活性炭-γ谱法)测量对比,测量结果见表1。对测量结果进行比较,2 种测量误差小于5%,说明仪器测量结果是可信的。

表1 氡析出率测量结果

结束语

用静电收集测氡法和局部静态累积测氡析出率法,设计了一台氡析出率瞬时测量仪器。采用快速测氡数学模型,仪器工作在析出率累计的线性段。仪器采用进口取样泵抽取累积箱中的氡,用高效无机除湿剂吸附样品中的水蒸气。测量前,用析出率测量相同的程序测量待测点的本底,在计算时扣除。

通过测试,仪器抗干扰能力好,温度湿度稳定性优于2%,通过在水泥模型、石膏模型、室外的对比测量,结果表明与活性炭累积法测量结果的误差小于5%。可见,仪器能适用不同介质表面的氡析出率的快速测量,克服了反扩散的影响,测量结果可靠。