一種簡易表面氡析出率測量裝置的設(shè)計

楊志輝，覃國秀，楊慶華

（1.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013； 2.江西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，江西 南昌 330038）

一種簡易表面氡析出率測量裝置的設(shè)計

楊志輝1，覃國秀1，楊慶華2

（1.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013； 2.江西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，江西 南昌 330038）

氡及其子體是天然本底輻射劑量的主要貢獻(xiàn)者，是當(dāng)前的一個研究熱點。設(shè)計了一種簡易的表面氡析出率測量裝置，可以用來測量某些樣品表面的氡析出率。為了了解所設(shè)計裝置的性能，對不同氡析出率大小的樣品進行了測量，同時對這種防氡涂料的防氡效果進行了測評。測量結(jié)果表明，該測量裝置可較為準(zhǔn)確地給出所測樣品的表面氡析出率，且性能穩(wěn)定、操作簡便，可改進余地較大，缺點是測量耗時較長。

氡；氡析出率；測量裝置；防氡涂料

氡是由放射性元素鐳衰變產(chǎn)生的，是自然界惟一的天然放射性惰性氣體。常溫下氡及其子體在空氣中形成放射性氣溶膠而污染空氣，由于它無色無味，很容易被人們忽視，但卻容易被呼吸系統(tǒng)截留，并在體內(nèi)局部不斷累積。人在長期吸入高濃度氡后可誘發(fā)肺癌。聯(lián)合國原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會（UNSCEAR）2000年報告估計，來自天然輻射對公眾的年有效劑量當(dāng)量為2.4 mSv，其中外照射占37.5%，內(nèi)照射（主要是氡）占62.5%。氡被國際癌癥機構(gòu)（IARC）列為第一類致癌物質(zhì)，也是世界衛(wèi)生組織（WHO）公布的19種主要環(huán)境致癌物質(zhì)之一［1］。

人們所處的生活環(huán)境中的氡，一般來源于建筑材料釋放和地下水輸運及大地釋放等，可以說，人們所處的生活環(huán)境中無時無刻不存在著氡，氡對人體影響的程度自然也和環(huán)境中氡的濃度密不可分［2-3］。如果可以較直觀地了解周圍含氡介質(zhì)所析出的氡量，也就可以對該環(huán)境受氡的污染程度有一個清晰的了解。通常可通過測量射氣介質(zhì)表面氡析出率來估算周圍環(huán)境氡濃度和氡污染水平［4］。

1 測量裝置的結(jié)構(gòu)與原理

1.1 測量裝置的結(jié)構(gòu)

目前，在測量建材和土壤的表面氡析出率時，外界的溫度、濕度和氣壓等的變化都會影響介質(zhì)的氡析出率，且現(xiàn)行的測量方法基本都會受到 “反擴散”和 “邊緣效應(yīng)”的影響［5-7］。但是，為了減少這些因素的影響，又會造成測量裝置的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，成本上升。因此，在設(shè)計該裝置的時候，既要考慮其實用性，同時也要留有較大的可改進余地。所設(shè)計的測量裝置由累積箱、測氡儀、干燥管等設(shè)備組成，其結(jié)構(gòu)見圖1。將兩根軟管分別插入累積箱頂部的孔洞（一高一低），縫隙用環(huán)氧樹脂或者密封膠封好。將位置稍高一點的軟管接出來后通過干燥劑連接到測氡儀的進氣口，測氡儀的出氣口用軟管連接至累積箱中位置稍低的一根軟管。樣品應(yīng)輕放在累積箱中央的鐵絲網(wǎng)上。為了便于觀察箱內(nèi)的情況，累積箱由有機玻璃制成。箱子尺寸長、寬、高均為40 cm，累積箱容積為0.064 m3。

圖1 測量裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of measurement device

本實驗裝置采用Rad7測氡儀，通過Rad7測氡儀連續(xù)監(jiān)控累積箱內(nèi)氡濃度。為了克服“泄漏效應(yīng)”，將樣品放入累積箱中，在密閉條件下，由于待測樣品中氡的析出，其箱內(nèi)的氡濃度必然會隨著密閉時間的增長而逐漸升高。累積箱內(nèi)的樣品在不斷地析出氡的同時，析出的氡也會因衰變而逐漸減少。此外，做到絕對的密封是不可能的，或多或少會有一些氡從縫隙中泄露。隨著密閉時間的增長（趨于∞時），氡的析出量逐漸接近于減少量。這時，累積箱內(nèi)的氡濃度也就達(dá)到了其最大濃度（即平衡濃度）。

1.2 裝置的原理

本裝置測量表面氡析出率所采用的原理為累積法（局部靜態(tài)法）。累積法基本思想是：在待測物質(zhì)表面設(shè)置一個由不透氣、不吸氡、不溶氡材料制成的累積箱，測量積累空間內(nèi)氡濃度隨時間的增長值，并根據(jù)氡積累的規(guī)律計算氡析出率［8-9］。累積箱中氡濃度在線性增長的范圍內(nèi)取樣，并測量其氡濃度值。根據(jù)累積箱體積、含氡物質(zhì)表面積和集氡時間等參數(shù)計算出表面氡析出率。這種方法靈敏度高，針對性強，使用范圍廣，但代表性較差。

在累積箱內(nèi)氡變化可用（1）式表示為：

式中：V——累積箱體積，m3；S——樣品的表面積，m2；C——密封t時刻累積箱內(nèi)的氡濃度， Bq·m-3； λe＝λ＋R， λ 為氡的衰變常數(shù)，2.06×10-6s-1；R——氡的泄露率，s-1；δe——樣品的平均表面氡析出率，Bq·m-2·s-1。（1）式的含義是：左邊第 1項為氡濃度隨時間的變化量，第2項為氡由于衰變或泄漏而減少的量，右邊項是氡的析出量。由此可得出：

式中：C0——初始濃度，一般情況下，在樣品剛放到累積箱里面時，箱內(nèi)氡的濃度比含氡介質(zhì)孔隙中的氡濃度要低得多，所以可認(rèn)為C0＝0， 則有：

當(dāng)封閉積累時間相當(dāng)長時（即t→∞），箱內(nèi)222Rn濃度漸趨平衡，并達(dá)到最大濃度。根據(jù)以上條件計算出表面氡析出率是有困難的，因為公式中有兩個未知數(shù)λe和δe。為確定λe，可使用積累等時間間隔測量法［10］。所謂等時間間隔測量法，即是每隔相同的時間間隔測量集氡罩內(nèi)的氡濃度。在封好累積箱后，時刻監(jiān)控箱內(nèi)氡濃度，每T時間記錄一次，共n次。 箱內(nèi)氡濃度用 Cn（Bq·m-3）表示， 腳標(biāo) n表示測量序號，這樣，第1次記錄的氡濃度C1為：

依此類推，不難寫出第n次取樣氡濃度的表達(dá)式：

由此導(dǎo)出相鄰兩次取樣測量值有如下關(guān)系：

由于采用等時間間隔取樣，T為常數(shù)，對同一裝置及同一樣品，δe、λe、S和V也均為常數(shù)，故（6）式可寫為

式中：a、b皆為常數(shù)。通過線性擬合的方法由擬合方程可求得a、b值，進而得到包括泄露和衰變影響在內(nèi)的等效衰變常數(shù)，未知數(shù)確定，便很容易計算出氡析出率。

2 裝置的測試

2.1 測試步驟

為了了解所設(shè)計裝置的性能，制作了4塊鈾含量不同的水泥塊樣品，其中2塊鈾含量較高，另外2塊鈾含量較低。同時，為驗證某種防氡涂料的防氡效果，在測量完未涂涂料的水泥塊后，在所有水泥塊的表面均涂上該種涂料。

（1）將做好的水泥塊用砂紙磨平，并測出其表面積。

（2）將測量裝置連接好，并檢查累積箱各接合處有無縫隙，儀器工作是否正常。

（3）敞開累積箱，使箱內(nèi)外空氣流通，設(shè)置好儀器測量參數(shù)后開始測量箱內(nèi)本底，時間4 h，每1 h記錄一次。

（4）本底測量完后，放入水泥塊，密封累積箱，每1 h測量1次。當(dāng)氡濃度增長的速率逐漸減小，氡濃度曲線不再是線性，即可停止測量。

（5）待全部水泥塊測量完畢后，將全部數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機進行處理。

2.2 測試結(jié)果分析

通過對樣品的測量，共得到8組氡濃度數(shù)據(jù)，根據(jù)所獲數(shù)據(jù)繪制曲線（圖2和圖3）。其中，圖2為鈾含量較高的2塊樣品的測量數(shù)據(jù)曲線，圖3為鈾含量較低的2塊樣品的測量數(shù)據(jù)曲線。從得到的數(shù)據(jù)曲線上可以看出，累積箱封閉以后，箱中的氡濃度一直在不斷增高，且任一時刻未涂防氡涂料的水泥塊析出的氡濃度都要比涂了涂料的水泥塊析出的氡濃度高?？梢哉J(rèn)為，防氡涂料起到了一定防氡的效果。

根據(jù)式（7）和（8）可得到所測樣品的表面氡析出率及有效衰減系數(shù)。為了計算方便，

圖2 鈾含量較高樣品的氡濃度測量數(shù)據(jù)Fig.2 Radon measurement data of the samples with high uranium content

3 結(jié)論

圖3 鈾含量較低樣品的氡濃度測量數(shù)據(jù)Fig.3 Radon measurement data of the samples with low uranium content

通過對該測量裝置的設(shè)計與測試，得出以下結(jié)論：（1）該裝置可以進行表面氡析出率測量，為氡的污染與危害研究提供了一種較為簡易的測量裝置；（2）該方案具有經(jīng)濟、裝置結(jié)構(gòu)簡單、測量方式靈活的特點；（3）所設(shè)計的測量裝置性能較穩(wěn)定、操作簡便，可改進余地較大，可應(yīng)用于氡析出率測量中。

同時，也存在不足之處。主要問題為要想得到較為精確的結(jié)果，則需進行較長時間的測試；且最小檢出限較高。在Matlab環(huán)境下使用Polyfit函數(shù)可實現(xiàn)上述的計算，計算結(jié)果見表1。從表中可以看出，鈾含量較高的1號和2號水泥塊，其氡析出率明顯比鈾含量較低的3號和4號水泥塊高，所有樣品的有效衰變常數(shù)都略大于氡的衰變常數(shù)，這是因為裝置存在一定漏氣問題。此外，從氡析出率計算結(jié)果可知，該裝置在測量相似的樣品時，其偏差并不是很大，測量的結(jié)果比較可靠。至于所測試的防氡涂料，經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，該涂料對于鈾含量較低的樣品具有較好的防氡效果，而對于鈾含量較高的樣品效果一般，這可能是因為1號和2號水泥塊在剛涂好涂料到涂料完全干透的這一段時間內(nèi)，由于樣品的氡析出率較高，在涂料表面形成了孔隙，進而導(dǎo)致干燥后孔隙依然存在，這就大大降低了涂料的防氡效果。

表1 數(shù)據(jù)處理結(jié)果Table 1 Processed results of data

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Design of a simple radon surface exhalation rate measuring device

YANG Zhi-hui1，QIN Guo-xiu1，YANG Qing-hua2
（1.East China Institute of Technology， Nanchang， Jiangxi 330013， China；2.Institute of Jiangxi Nuclear Industry Geological Survey， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Radon and its daughters is a major contributor to natural background radiation dose，and it is a hot research topic now. In this paper，a simple radon measuring device of surface exhalation rate is designed，and it can be used to measure the radon exhalation rate of some sample surface. To understand the performance of the device， the radon exhalation rate of different samples are measured，and the measurement also verified the anti-radon effects of certain anti-radon coating.The measurement result shows that the radon surface exhalation rate of the sample can be given more accurate by the measuring device，but the measurement takes a long time. The device is of stable performance， easy to operate，but has some room to improve.

radon； exhalation rate； measuring device； anti-radon coating

TL75+2.3

A

1672-0636（2012）03-0164-04

10.3969/j.issn.1672-0636.2012.03.007

江西省教育廳青年科學(xué)基金（GJJ11148）；核技術(shù)教育部工程研究中心開放基金（HJSJYB2010-17）。

2012-03-19；

2012-05-25

楊志輝（1989—），男，江西撫州人，碩士研究生，研究方向：電路系統(tǒng)設(shè)計與智能化設(shè)備。E-mail:qinguoxiu198201@163.com