馬爾科夫法氣球測(cè)氡儀的研制

楊 強(qiáng) 葛良全 花永濤 朱國(guó)禎 王爾奇

1(成都理工大學(xué) 地學(xué)核技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610059)2(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心 北京 100082)

氡氣的危害已經(jīng)得到廣泛的重視，由于氡具有級(jí)聯(lián)衰變的特性，對(duì)其的測(cè)量一直是核物理實(shí)驗(yàn)方法領(lǐng)域的較困難課題[1]。在我國(guó)環(huán)境空氣中氡的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法中推薦了四種測(cè)定方法，即徑跡蝕刻法、活性炭盒法、雙濾膜法和氣球法[2]。前兩者屬于被動(dòng)測(cè)量法，主要用于氡濃度的累積測(cè)量不能測(cè)量子體濃度。研究表明，222Rn/220Rn子體對(duì)人體有效當(dāng)量劑量的貢獻(xiàn)要遠(yuǎn)大于222Rn/220Rn本身，因此測(cè)量222Rn/220Rn子體濃度特別是a潛能濃度比測(cè)量222Rn/220Rn更能反映他們對(duì)人體的危害[3]。氣球法測(cè)氡是一種主動(dòng)式測(cè)量方法，利用托馬斯(Thomas)絕對(duì)測(cè)氡公式，無需達(dá)到放射性衰變平衡即可同時(shí)測(cè)量氡及其子體的潛能濃度，可廣泛應(yīng)用于礦山及環(huán)境中氡及其子體濃度的快速測(cè)量[4]。以往使用的氣球法測(cè)氡儀往往將測(cè)量設(shè)備和抽氣泵分開，使用時(shí)需人工取下氣球更換接口，容易造成漏氣影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。新研制的氣球法測(cè)氡儀將抽氣泵與采樣器集成在一體，提高了儀器的整體穩(wěn)定性和可靠度。

1 氣球法測(cè)氡原理

氣球法測(cè)氡屬于主動(dòng)式采樣法，測(cè)量時(shí)無需達(dá)到放射性平衡，可同時(shí)得出采樣瞬間空氣中氡及其子體濃度，其探測(cè)下限為氡 2.2Bq/m3，子體5.7′10-7J/m3。采樣時(shí)必須嚴(yán)格按照馬爾科夫測(cè)量程序工作，如圖1。

圖1 氣球法測(cè)氡儀工作時(shí)間程序Fig.1 Time program of balloon radon measure instrument.

1.1 氡的潛能濃度的測(cè)量

馬爾科夫法計(jì)算氡子體潛能濃度的公式為：

式中，Cp為a潛能濃度，單位是 J/m3；Km為馬爾科夫法系數(shù)，單位是J/(m3·計(jì)數(shù))；NE是入口濾膜總a計(jì)數(shù)；R是儀器本底。其中Km由下式給出：

式中，KK為庫(kù)斯尼茨法系數(shù)。能夠通過測(cè)氡儀的特性指標(biāo)直接計(jì)算得到，計(jì)算公式為：

式中n為采樣流速單位L/min；E為探測(cè)器計(jì)數(shù)效率；h為濾膜過濾效率；b為濾膜對(duì)a粒子的自吸收因子；tm為第二次a計(jì)數(shù)時(shí)間；K(T)與等待時(shí)間有關(guān)。按照下節(jié)方法可測(cè)定上式中各參數(shù)值，即可直接計(jì)算氡子體的潛能濃度。當(dāng)然，馬爾科夫系數(shù)Km也可在氡室中由相對(duì)測(cè)量法計(jì)算得到。

1.2 馬爾科夫法系數(shù)的確定

1.2.1 抽氣速率

濾膜上氡子體數(shù)量變化規(guī)律滿足巴特曼方程[5]：

式中，Ni(t)為取樣t分鐘時(shí)濾膜上子體i的原子數(shù)；li為子體i的衰變常數(shù)；Qi單位體積空氣中所含原子數(shù)；V是抽氣速率。由上式可以看出，抽氣速率與濾膜上子體的數(shù)量成正比。速率若太小計(jì)數(shù)值的放射性統(tǒng)計(jì)誤差增大，對(duì)于便攜式儀器來講一般取30L/min，在整個(gè)采樣過程中應(yīng)該保持恒定。

1.2.2 濾膜過濾效率h的測(cè)定

取2張質(zhì)量厚度相近的濾膜，重疊在一起，濾膜之間留有2 mm的距離。按規(guī)定的流速采樣5 min。將2張濾膜在同一臺(tái)儀器上交替測(cè)量，得到兩條衰變曲線。取衰變曲線中同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)

1.2.3 自吸收因子b的測(cè)定

按規(guī)定抽氣速率將氡子體收集在濾膜上。等待30 min在相同條件下快速地測(cè)量濾膜正面、反面、正面蓋上同類質(zhì)量厚度相近的空白濾膜后的計(jì)數(shù)值，C1、C2、C3代入下式計(jì)算。每次測(cè)量 1min，對(duì)于每批濾膜至少測(cè)量3次，測(cè)量環(huán)境中氡濃度值應(yīng)較大，如取 4000Bq/m3。

1.3 氡濃度的測(cè)量

氣球法測(cè)氡儀氡濃度的測(cè)量按照相對(duì)測(cè)量法進(jìn)行： CRn= Kb( NR- 1 0 R )，式中CRn為氡濃度，單位Bq/m3；Kb為氣球法刻度常數(shù)，單位Bq/(m3·計(jì)數(shù))；NR為出口濾膜的總計(jì)數(shù)；R是儀器本底。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

IED3000F氣球法測(cè)氡儀的整體結(jié)構(gòu)框圖2。

圖2 氣球法測(cè)氡儀結(jié)構(gòu)框圖Fig. 2 Structure of radon measure instrument by balloon method.

在進(jìn)氣口和排氣口各安裝三通閥門，進(jìn)氣時(shí)，空氣經(jīng)過A-B-P-E-F通道進(jìn)入氣球法；排氣時(shí)氣球法經(jīng)F-D-P-C-A通道排出。無論進(jìn)氣和排氣都經(jīng)過了氣泵和流量計(jì)，因此實(shí)現(xiàn)了只用一個(gè)氣泵自動(dòng)切換氣路的功能。

系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。從電路結(jié)構(gòu)上講，系統(tǒng)分為探頭、采樣泵控制、數(shù)據(jù)處理電路三個(gè)部分。其中探頭將金硅面壘半導(dǎo)體探測(cè)器和電荷靈敏前置放大器封裝在一起，減少信號(hào)衰減提高信噪比。采樣泵的供電選擇 DC/DC隔離模塊電源直接從電池電源取電。數(shù)據(jù)處理核心選擇嵌入式ARM7微處理器LPC2148，并外配了I2C非易失只讀存儲(chǔ)器。

圖3 儀器電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Circuit structure of radon measure instrument.

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 探頭的設(shè)計(jì)

根據(jù)馬爾科夫測(cè)量程序可以看出，氣球法測(cè)氡的測(cè)量過程和氣泵要求同時(shí)工作。因此，探頭部分的設(shè)計(jì)必須充分考慮氣泵工作時(shí)產(chǎn)生的電磁脈沖及抖動(dòng)對(duì)探測(cè)器工作的干擾。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電荷靈敏前置放大器的結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 電荷靈敏前置放大器電路Fig.4 Circuit of charge sensitive preamplifier.

電路中放大器采用低噪聲運(yùn)算放大器擴(kuò)展結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)輸入級(jí)的設(shè)計(jì)方案。場(chǎng)效應(yīng)管型號(hào)是3DJ7，運(yùn)算放大器選用NE5534。3DJ7的跨導(dǎo)一般大于3000mW-1，電路中R12和R13是局部電壓負(fù)反饋穩(wěn)定電路工作，R13與R1構(gòu)成分壓器，通過放大器的負(fù)反饋?zhàn)饔迷O(shè)置場(chǎng)效應(yīng)管的直流工作點(diǎn)。此電路總的交流電壓增益由下式計(jì)算：

式中，K1是擴(kuò)展JFET輸入級(jí)的電壓增益，K2是引入電壓負(fù)反饋后運(yùn)算放大器的電壓增益，Gm是 3DJ7的跨導(dǎo)。根據(jù)上式計(jì)算電路交流總增益大于14100倍，輸出波形幅度達(dá)到100mV，成型時(shí)間300mS，下圖給出了前放輸出的實(shí)測(cè)波形。

圖5 電荷靈敏前置放大器輸出波形Fig. 5 Waveform of charge sensitive preamplifier.

3.2 采樣泵控制電路

采樣泵在工作時(shí)不僅產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)向外界發(fā)射大量的電磁輻射，并對(duì)電源地線造成較大干擾。為此設(shè)計(jì)了光耦和隔離電源的保護(hù)電路。光耦型號(hào)是 TLP521，隔離電源選用 25W DC/DC 可調(diào)模塊WD5-12S12，輸出電壓可通過5、6腳的電位器在±20%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

3.3 數(shù)據(jù)處理電路

數(shù)據(jù)處理電路包含了主放大器、脈沖甄別、溫/濕度傳感器、輸入/輸出控制、電源監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信等功能。

主放大器由雙運(yùn)算放大器NE5532組成。其特性指標(biāo)為輸入噪聲電壓 5nV/Hz，小信號(hào)帶寬10MHz，直流電壓增益50000，交流電壓增益10 kHz時(shí)2200，轉(zhuǎn)換速率9V/mS。脈沖甄別電路由兩路集成電壓比較器LM311構(gòu)成。其中一路用于排出噪聲信號(hào)，提高信噪比；另一路用于甄別能力大于6.4MeV的a射線。通過兩道計(jì)數(shù)值差，排除 RaC’的干擾。第一路閾值電壓通過測(cè)量探頭輸出噪聲波形幅值與比較器同相直流電位求得；另一路閾值利用241Am標(biāo)準(zhǔn)a源接多道脈沖幅度分析器(MCA)經(jīng)能譜測(cè)量求得。實(shí)測(cè)能量為 5.488MeV時(shí)道址是120，能量為5.545時(shí)道址是147，則6.4MeV射線能量所對(duì)應(yīng)的道址是 578道，對(duì)應(yīng)閾值電壓為：U=5′578/1024=2.82V，實(shí)際取該值為3.3V。

4 軟件設(shè)計(jì)

LPC2148是基于精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)的ARM7微處理器，在其上安裝mCOSII多任務(wù)操作系統(tǒng)，大大方便了程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中運(yùn)行了信號(hào)采集任務(wù)、溫/濕度采集任務(wù)、串口通信任務(wù)和輸入/輸出控制任務(wù)。根據(jù)各任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求，優(yōu)先級(jí)分配如下：信號(hào)采集最高為1；溫、濕度采集優(yōu)先級(jí)3；串口通信任務(wù)優(yōu)先級(jí)5；鍵盤掃描及顯示優(yōu)先級(jí)最低為10。

5 指標(biāo)測(cè)試

氣球法測(cè)氡儀性能指標(biāo)測(cè)試在南華大學(xué)氡實(shí)驗(yàn)室完成。實(shí)驗(yàn)得到了2種氡濃度在不同溫度和濕度下的氣球法測(cè)氡儀氡及其子體的計(jì)數(shù)結(jié)果，其中一組測(cè)量數(shù)據(jù)見表 1。測(cè)量結(jié)果表明新研制的氣球法測(cè)氡儀能夠較好的滿足氡濃度及其子體潛能濃度的測(cè)量要求，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

表1 氡及其子體濃度測(cè)量結(jié)果表 (溫度25 °C，濕度70%)Table 1 Measure result of radon and radon daughters (temperature: 25 °C, humidity: 70%).

6 結(jié)論

新型氣球法測(cè)氡儀具有靈敏度高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大(2000組數(shù)據(jù))，集成度高(無需卸下氣球法即可切換氣路)，體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)南華大學(xué)氡實(shí)驗(yàn)室測(cè)試新研制的馬爾科夫氣球測(cè)氡儀各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)達(dá)到同類型儀器水平，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，適合于礦山環(huán)境下氡濃度及其子體濃度的快速測(cè)量與評(píng)價(jià)。

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