閃爍探測器測氡儀的研制與應(yīng)用

張兆山，王 瑋，王海洋，梁樹紅

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

閃爍探測器測氡儀的研制與應(yīng)用

張兆山，王 瑋，王海洋，梁樹紅

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

介紹了閃爍探測器測氡儀的工作原理，闡述了應(yīng)用新型材料及技術(shù)達到的技術(shù)指標。通過儀器的應(yīng)用試驗與測量結(jié)果比對證明了儀器設(shè)計方案的可行性和性能的可靠性。

閃爍探測器；測氡儀；研制；應(yīng)用

在放射性地質(zhì)勘查領(lǐng)域，氡測量一直是尋找深部隱伏鈾礦床的最有效方法之一。氡測量的方法和儀器有很多，本文介紹一種以閃爍法為基礎(chǔ)的小型化、數(shù)字化、智能化的測氡儀設(shè)計及其應(yīng)用效果。

1 工作原理

閃爍室法測氡是氡測量的經(jīng)典方法之一［1］。儀器以閃爍室法為基礎(chǔ)，用氣泵將含氡的氣體吸入閃爍室，氡及其子體發(fā)射的α粒子使閃爍室內(nèi)的 ZnS（Ag）涂層發(fā)光［2-3］， 光電倍增管再把這種光訊號變成電脈沖［4］。測量電路由單片機控制，把探測器輸出的電脈沖整形，進行定時計數(shù)。根據(jù)單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)與氡濃度的正比關(guān)系，來確定空氣中氡的濃度。原理方框圖如圖1所示。

2 主要技術(shù)指標

（1）靈敏度： ≥1.1 計數(shù)/s（1 000 Bq·m-3）；

（2）本底計數(shù)率： ≤0.04計數(shù)/min（氮氣）；

（3）測量范圍

環(huán)境空氣氡： 3～10 000 Bq·m-3，

土 壤 氡： 300～100 000 Bq·m-3；

（4）探測器： 硫化鋅 ZnS（Ag）和光電倍增管組合系統(tǒng)；

（5）取氣方式：主動泵吸式；

圖1 閃爍室法測氡儀原理框圖Fig.1 Framework of the principle of radon meter by scintillation chamber

（6）響應(yīng)時間；

空 氣：30 min，

土壤氡：10 min；

（7）打印數(shù)據(jù)：日期、時間、點號和氡濃度；

（8）外型尺寸： 330 mm×210 mm×170 mm。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

儀器采用球型閃爍室，使用高強度材料注塑而成，外型如圖2。球體內(nèi)部均勻噴涂ZnS（Ag）涂層，四面窗的光電倍增管置于球體底部凹槽內(nèi)，能有效收集ZnS涂層發(fā)出的光信號，同時這樣的氣室設(shè)計使儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊。

圖2 閃爍室外型Fig.2 Exterior of the scintillant chamber

儀器內(nèi)部采用整體機架式設(shè)計。將電路板、探測器、氣泵及電池等部件先固定在機架上，然后用固定螺栓將機架固定在機箱內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計有效避免了儀器的線路和氣路易出現(xiàn)的問題，同時也為儀器生產(chǎn)線式的商品化生產(chǎn)提供了可能。

儀器機箱采用高強度的ABS工程塑料，防水、抗壓，重量輕，是當今國內(nèi)、外采用的主流儀器機箱。

4 硬件設(shè)計

4.1 電源設(shè)計

儀器采用電源模塊化分離設(shè)計，數(shù)字部分和模擬部分分開供電，減少了數(shù)字電路對模擬電路中信號的干擾。在數(shù)字地和模擬地之間跨接鐵氧體磁珠，可有效防止數(shù)字部分的高頻開關(guān)噪聲串入模擬地，減少對模擬信號的干擾。高壓電源模塊外部使用金屬外殼，能有效屏蔽升壓變壓器產(chǎn)生的電磁干擾，內(nèi)部灌封環(huán)氧樹脂防止高壓放電損傷電路；在高壓電源的供電端設(shè)計放電電路，防止了斷電瞬間高壓線圈對后續(xù)電路的損傷。

4.2 信號設(shè)計

光電倍增管將收集的光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，經(jīng)探測器上的跟隨器輸出到模擬信號處理板，由板上的跟隨、倒向、電壓比較及整形電路處理成脈寬可調(diào)節(jié)的脈沖信號。將此脈沖信號輸入到單片機的計數(shù)器上，即完成了信號的收集、處理和計數(shù)操作［5］，其過程如圖3所示。

圖3 信號處理Fig.3 Flow chart of singlar processing

4.3 時鐘設(shè)計

儀器時鐘設(shè)計由高精度時鐘芯片DS 3231及備用電池構(gòu)成。DS 3231內(nèi)部集成溫度補償晶體振蕩器，提高了器件在各種環(huán)境下的長期精確度。雙線IIC接口，減少了引腳個數(shù)，簡化了布板難度，并包含電池輸入端，能在主電源掉電后自動切換到備用電池工作，在電池供電狀態(tài)下時鐘保持其耗電電流1 μA左右，利用CR 2032型紐扣電池供電工作時間約 6 a，在儀器使用過程中完全可以接受。DS 3231時鐘芯片提供的時鐘數(shù)據(jù)包括秒、分、時、星期、日期、月和年信息，并自動調(diào)整月末日期及閏年補償，提供兩個可編程鬧鐘和一路可編程方波輸出。該設(shè)計不僅滿足了儀器使用要求，還為后期軟件設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ)。

4.4 通信部分

儀器通信包括兩部分：與PC機通信的USB接口和與藍牙打印機通信的藍牙模塊。

與PC機通信的USB接口是使用一個USB總線的通用設(shè)備接口芯片CH 372來實現(xiàn)。CH 372內(nèi)置了USB通訊中的底層協(xié)議，在內(nèi)置固件模式下，CH 372自動處理默認端點0的所有事務(wù)，本地端單片機只負責數(shù)據(jù)交換，所以單片機程序非常簡潔。其接口標準為全速USB 2.0接口，通信速度完全可以滿足儀器數(shù)據(jù)上傳要求。

與藍牙打印機通信使用一款內(nèi)置虛擬串口協(xié)議固件的藍牙模塊實現(xiàn)。該模塊在單片機的控制下，可完成對外部藍牙打印機的搜索和配對工作。在配對成功后可以在儀器和藍牙打印機之間構(gòu)建一個虛擬的透明串口，儀器可以通過這個虛擬串口完成打印操作。

5 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用多級中斷及子程序嵌套的模塊化結(jié)構(gòu)。全部軟件包括主程序、定時器中斷服務(wù)子程序Time 2、外部秒中斷服務(wù)子程序ExInter 0、計數(shù)中斷服務(wù)子程序Time 0、運算子程序CalAndDis和外設(shè)驅(qū)動程序等，測量程序流程如圖4。

圖4 測量程序流程Fig.4 Flow chart of measuring program

定時器中斷服務(wù)子程序為整個儀器控制系統(tǒng)提供運行節(jié)拍，該中斷服務(wù)程序中主要完成對鍵盤的定時掃描，根據(jù)按鍵切換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到不同運行狀態(tài)；外部秒中斷服務(wù)子程序為測量過程中的倒計時間提供標準時基；計數(shù)中斷服務(wù)子程序完成對探測器脈沖信號的累計計數(shù)處理；運算子程序則是將計數(shù)結(jié)果進行運算、處理得出測量結(jié)果；外設(shè)驅(qū)動程序完成鍵盤掃描輸入、LCD顯示、USB接口及打印功能。

6 儀器的應(yīng)用試驗與對比測量結(jié)果

儀器采用ZnS（Ag）閃爍探測器，其優(yōu)點是測量靈敏度高，受濕度影響??；缺點是氡子體的污染嚴重，在測量高氡濃度后，必須要清洗或設(shè)法消除子體污染的本底。儀器設(shè)計的主要功能是測量環(huán)境空氣氡濃度、土壤氡濃度和物體表面氡析出率。以下為不同儀器間的測量比對數(shù)據(jù)和實際應(yīng)用結(jié)果。

6.1 3種測氡儀器的空氣氡測量試驗對比

參加比對測量的儀器除本儀器外，還有德國產(chǎn)α Guard和美國產(chǎn)RAD 7兩款測氡儀。為了獲得穩(wěn)定的試驗條件，測量比對選在標準氡室中進行。所取濃度范圍包含了國家檢定部門檢定環(huán)境氡濃度和土壤氡濃度范圍， 即取700～8 000 Bq·m-3。試驗比對結(jié)果見表1。

表1 3種測氡儀在氡室的測量比對數(shù)據(jù)Table 1 Comparison of measured data by three radon meters in radon chamber

由表1可見：3種測氡儀器在氡室中的測量比對結(jié)果，其最大相對誤差＜5%。

6.2 土壤氡濃度比對測量

在某地區(qū)已知鈾礦勘探剖面上做了3種儀器的比對測量，測量點距為100 m，參加比對的儀器為活性炭吸附測氡儀和美國產(chǎn)RAD 7測氡儀?；钚蕴课綔y氡儀采用挖坑埋設(shè)活性炭吸附器5 d的累積測氡法，本儀器和RAD 7測氡儀采用孔深80 cm抽氣的瞬時測氡法。試驗地區(qū)為砂巖型鈾礦區(qū)，地勢基本平坦，個別地段有沖刷切割，除個別測點外，適宜于打孔抽氣取樣和埋設(shè)活性炭吸附器。

測量比對結(jié)果示于賦存有鈾礦的斷面剖面圖上（圖5）。由圖5可見，3種測氡儀測得的曲線形狀非常相似。本測氡儀和RAD 7測氡儀的測量曲線相差不大，因為兩臺儀器在同一孔中抽氣測量，點位誤差和氣象因素的影響很小，故測量誤差一般不超過10%。而本測氡儀和RAD 7測氡儀與活性炭吸附測量法的相對誤差稍大，除個別兩個測點達到30%以上外，其余測點的相對誤差也都在20%的范圍以內(nèi)，這是由點位誤差、深度誤差和氣象條件等因素的綜合影響造成的。

圖5 某地質(zhì)剖面3種測氡儀測量結(jié)果Fig.5 Comparison of measured data by three radon meters in a geological profile

表2 南華大學(xué)氡室氡析出率裝置上的刻度數(shù)據(jù)Table 2 Radon exhalation rate calibrated by radon chamber in University of South China

表3 土壤氡析出率測量比對結(jié)果Table 3 Calibrated measuring result of radon exhalation in soil

6.3 氡析出率的測量

儀器在南華大學(xué)氡室的析出率裝置上的刻度數(shù)據(jù)見表2。

將表2中的刻度系數(shù)置入儀器后，編寫了新的測量軟件，對數(shù)據(jù)做了校準因子和氡與氡子體的不平衡校正，并消除了儀器本底。在北京某公園內(nèi)進行了氡析出率的測量試驗和相應(yīng)點的氡濃度測量（參考值），見表3。由表3可以看出，儀器在北京地區(qū)一般正常土壤中的測量結(jié)果與國內(nèi)其他研究機構(gòu)所測的氡析出率（0.014 Bq·（m-2·s-1））［6］基本相近。

7 結(jié) 論

由數(shù)據(jù)比對結(jié)果和實際應(yīng)用情況可看出，本儀器完全達到了設(shè)計的預(yù)期目標，相信該儀器在今后的應(yīng)用中具有良好的前景。

［1］奚大順.放射性物探儀器［M］.北京：原子能出版社，1987.

［2］汲長松.核輻射探測器及其實驗技術(shù)手冊［M］.北京：原子能出版社，2007.

［3］國營261廠.閃爍體說明書［M］.北京：國營261廠，1976.

［4］光電倍增管基礎(chǔ)及應(yīng)用［M］.北京：濱松光子學(xué)株式會社，1995.

［5］何為民，智能放射性勘查儀器［M］.北京：原子能出版社，1994.

［6］孫凱男，郭秋菊，程建平.我國部分地區(qū)土壤氡析出率的理論模型［J］.中華放射醫(yī)學(xué)與防護，2004， 24（06）： 581-584.

Development and application of emannometer of scintillation detector

ZHANG Zhao-shan， WANG Wei，WANG Hai-yang，LIANG Shu-hong
（Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China）

This article describes the working principle of scintillation detector for measuring radon，presentes the application of new materials and techniques to achieve the technical performance.Through the test application and measurement result comparison，the instrument is proven feasible in design and reliable in performance.

scintillation detector；radon detector； development；application

TL81

A

1672-0636（2012）01-0057-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2012.01.009

2012-01-05

張兆山（1967—），男，河北唐山人，高級工程師，主要從事儀器研發(fā)等工作。E-mail:zzs9818@163.com