殷 蔭, 王南萍, 付 宸, 儲(chǔ)星銘
(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京 100083)
空氣伽馬吸收劑量率影響因素研究
殷 蔭, 王南萍, 付 宸, 儲(chǔ)星銘
(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京 100083)
為提高輻射環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度,對(duì)空氣伽馬吸收劑量率影響因素進(jìn)行了研究。針對(duì)空氣伽馬吸收劑量率兩個(gè)主要影響參數(shù)—空氣氡及其子體濃度和相對(duì)濕度,分別進(jìn)行了室內(nèi)外本底測量、增加氡濃度和改變相對(duì)濕度實(shí)驗(yàn)。采用閃爍室測氡儀(ZnS(Ag)型)、靜電收集室測氡儀(RAD7)和電離室測氡儀(AlphaGUARD)測量空氣氡濃度,用X-γ劑量率儀(CKL-3120)測量空氣伽馬吸收劑量率。聯(lián)合觀測空氣伽馬吸收劑量率、空氣氡濃度、溫度、相對(duì)濕度和大氣壓強(qiáng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:空氣氡濃度、相對(duì)濕度與空氣伽馬吸收劑量率呈現(xiàn)弱的正相關(guān)。
空氣伽馬吸收劑量率;空氣氡濃度;相對(duì)濕度
核電作為一種重要的清潔能源受到世界各國的普遍重視(吳仁貴等,2001)。隨著核電事業(yè)的發(fā)展,許多發(fā)達(dá)國家已建立了完善的人工輻射防護(hù)網(wǎng)(安鴻翔等,2010),其中環(huán)境地表伽馬輻射劑量率是輻射環(huán)境監(jiān)測的一個(gè)重要監(jiān)測參數(shù)(劉兆華等,2003)。環(huán)境地表伽馬吸收劑量率的測量反映了環(huán)境天然本底伽馬輻射水平及其分布和人類實(shí)踐活動(dòng)所引起的環(huán)境伽馬輻射水平變化信息,同時(shí)也為核設(shè)施或其他輻射裝置正常運(yùn)行和事故情況下,在環(huán)境中產(chǎn)生的伽馬輻射對(duì)關(guān)鍵人群組或公眾所致外照射劑量的估算提供數(shù)據(jù)資料(中國原子能科學(xué)研究院,1993)。在核事故應(yīng)急情況下掌握輻射劑量率的分布情況有利于及時(shí)、正確地決策防護(hù)行動(dòng)(仲崇軍等,2009)。尤其是近年來我國核電建設(shè)快速發(fā)展,潛在的核事故危險(xiǎn)隨之增加(周堅(jiān)鑫等,2006)??諝赓ゑR吸收劑量率影響因素的研究有助于排除其它因素的影響,準(zhǔn)確評(píng)價(jià)核設(shè)施周圍的電離輻射水平,同時(shí)對(duì)如何降低人們?nèi)粘I瞽h(huán)境中的伽馬輻射劑量照射有重要的參考價(jià)值。
空氣伽馬吸收劑量率受到多種因素的影響(Yoskihiro,2000;Miah,2004;Mercier et al.,2009),其中空氣氡對(duì)其影響備受關(guān)注。Toshio等(1982)在研究中發(fā)現(xiàn)氡子體濃度與劑量率有明顯的線性增長關(guān)系;Shinji(2003)和Fujimoto(1998)在日本分別進(jìn)行了大范圍的室內(nèi)氡濃度和空氣伽馬吸收劑量的調(diào)查和研究,發(fā)現(xiàn)空氣氡濃度與輻射吸收劑量率有正相關(guān)關(guān)系,且氡濃度隨空氣伽馬吸收劑量率增長的速率取決于建筑物的材料;劉小慧(2008)在日本Natasho和Kaminaka兩地的測量結(jié)果顯示大氣氡對(duì)劑量率的影響在0~17%范圍內(nèi)變化;在臺(tái)灣和香港的測量數(shù)據(jù)也顯示出空氣氡濃度與伽馬吸收劑量率的正相關(guān)性,只是相關(guān)性的強(qiáng)弱有 所 不 同(Takeshi et al.,2001;Chan et al.,2010)。而國內(nèi)主要針對(duì)城市、核工業(yè)及相關(guān)地區(qū)的空氣伽馬吸收劑量和氡及其子體濃度進(jìn)行調(diào)查(何振蕓等,2001;黃乃明等,2003),關(guān)于兩者相關(guān)性的研究較少(劉小慧,2008)。在國外空氣氡及其子體濃度對(duì)空氣伽馬吸收劑量率的影響的研究都是基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)。本文在室內(nèi)外設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn),改變空氣氡濃度和相對(duì)濕度,研究其對(duì)空氣伽馬吸收劑量率的影響,填補(bǔ)了國內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室定性研究空氣伽馬吸收劑量率影響因素的空白,對(duì)提高輻射環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有較重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。
采用ZnS(Ag)閃爍室測氡儀(日本產(chǎn))、RAD7半導(dǎo)體測氡儀(美國產(chǎn))和AlphaGUARD電離室測氡儀(德國產(chǎn))測量空氣氡濃度,采用X-γ劑量率儀(CKL-3120,中國)測量空氣伽馬吸收劑量率,同時(shí)用NaI(TI)多道伽馬能譜儀進(jìn)行能譜分析。針對(duì)空氣伽馬吸收劑量率兩個(gè)主要影響因素——空氣氡濃度和相對(duì)濕度,進(jìn)行了室內(nèi)外本底測量、增加氡濃度實(shí)驗(yàn)、改變濕度實(shí)驗(yàn)。
增加氡濃度實(shí)驗(yàn)分別在模擬氡室和鉛室中進(jìn)行。模擬氡室在中國地質(zhì)大學(xué)北京輻射與環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的小房間(2 m×1.5 m×3 m)內(nèi)放入高放射性活度的鐳樣品,將其門窗關(guān)閉,并用膠帶封堵縫隙。通過改變含鐳樣品的種類和用量,增加模擬氡室的氡濃度。為了解模擬氡室的天然伽馬輻射水平,放入鐳樣品前在小房間內(nèi)進(jìn)行4次本底測量。實(shí)驗(yàn)中將X-γ劑量率儀、ZnS(Ag)閃爍室測氡儀和RAD7測氡儀(2010年用AlphaGUARD測氡儀代替RAD7測氡儀進(jìn)行氡濃度的測量)放入模擬氡室。在模擬氡室外用ZnS(Ag)閃爍室測氡儀進(jìn)行同步測量。X-γ劑量率儀的探頭和測氡儀的進(jìn)氣口距地面1 m高。X-γ劑量率儀和ZnS(Ag)閃爍室測氡儀的測量采樣時(shí)間為1 h。RAD7測氡儀在長期測量時(shí)采樣時(shí)間設(shè)置為2 h,短期測量時(shí)采樣時(shí)間設(shè)置為1 h。AlphaGUARD型電離室測氡儀采用10分鐘擴(kuò)散模式,并取每小時(shí)的平均值與ZnS(Ag)閃爍室測氡儀的測量結(jié)果進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)過程中同步記錄每天7:30至22:30期間每小時(shí)的溫度、相對(duì)濕度和大氣壓。
為進(jìn)一步研究由空氣氡濃度變化引起的空氣伽馬吸收劑量率的增加,將液體鐳源產(chǎn)生的氡氣鼓入馬林杯,并將其放入低本底鉛室中。用Alpha-GUARD測氡儀測量馬林杯內(nèi)的氡濃度。當(dāng)馬林杯內(nèi)氡濃度穩(wěn)定后,分別將X-γ劑量率儀和NaI伽馬能譜儀的探頭放入鉛室測量。兩個(gè)探頭放置在同一位置,且其幾何中心線與馬林杯的重合,測量裝置如圖1所示。AlphaGUARD測氡儀采用1分鐘流動(dòng)式的測量模式,X-γ劑量率儀和NaI伽馬能譜儀的采樣時(shí)間分別為5 min和20 min。
圖1 鉛室實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Lead chamber experimental sets
改變相對(duì)濕度實(shí)驗(yàn)即在模擬氡室內(nèi)增加氡濃度實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,用加濕器調(diào)節(jié)相對(duì)濕度。室外本底測量即通過對(duì)自然環(huán)境中空氣伽馬吸收劑量率、大氣氡濃度、溫度、相對(duì)濕度和大氣壓的同步測量,研究各因素對(duì)空氣伽馬吸收劑量率的影響。
與氡相比,氡子體對(duì)空氣伽馬吸收劑量有更大的影響。然而基于測氡方法和儀器較成熟,因此本實(shí)驗(yàn)主要研究氡與其子體處于放射性平衡時(shí),氡濃度對(duì)空氣伽馬吸收劑量率的影響。
模擬氡室內(nèi)的4次本底測量結(jié)果見表1。由于第四次測量使用了另一臺(tái)γ劑量率儀,因此僅將前三次本底測量進(jìn)行對(duì)比。圖2a為模擬氡室前三次本底測量的空氣氡濃度與空氣伽馬吸收劑量率相關(guān)性圖,兩者相關(guān)系數(shù)為0.66。表明空氣氡濃度和空氣伽馬吸收劑量率呈明顯的正相關(guān)。分別取三次本底測量期間每天同一時(shí)刻空氣氡濃度和空氣伽馬吸收劑量率的平均值,得到其日變化曲線。如圖2b所示,模擬氡室內(nèi)部和外部的空氣氡濃度符合氡濃度的日變規(guī)律(張立國等,2005;Sesana et al.,2003),空氣伽馬吸收劑量率的變化趨勢與空氣氡濃度相同,相關(guān)系數(shù)分別為0.7和0.69。
2.2.1 模擬氡室
2009年3月16~25日將富含鐳的粉末放入模擬氡室,并將模擬氡室密封。模擬氡室內(nèi)的氡氣主要來自樣品粉末、墻壁和地面的析出。
如圖3a所示,模擬氡室內(nèi)的氡濃度比其外部高(平均高約24.78 Bq·m-3),且兩者變化趨勢大致相同,但氡室內(nèi)氡濃度波動(dòng)幅度較大。表明將空間密封并放入粉末達(dá)到了增加空氣氡濃度的目的,但空氣氡濃度是波動(dòng)變化的,其變化趨勢與其外部氡濃度變化有一定關(guān)系。在此期間模擬氡室內(nèi)的溫度、相對(duì)濕度、大氣壓分別為20.7℃、26.5%RH和101.59 hPa,基本保持穩(wěn)定。由于3月19和20日是晴朗大風(fēng)天氣,氡氣對(duì)流過程較強(qiáng)烈,氡室內(nèi)氡濃度較低。3月21日凌晨小雨,雨水將氡及其子體帶到地表,地表空氣氡濃度增加(Nishikawa,1995;Inomata et al.,2007),導(dǎo)致氡室內(nèi)平均氡濃度明顯升高。而空氣伽馬吸收劑量率在3月21日14∶30~17∶30時(shí)突然降低(降低約0.3×10-8Gy·h-1),其它采樣點(diǎn)的空氣伽馬吸收劑量率均基本保持穩(wěn)定,未顯現(xiàn)出與氡濃度的相關(guān)性。
表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果Table 1 The experimental results
在近地表幾米范圍內(nèi)氡氣向上的運(yùn)移方式以對(duì)流和擴(kuò)散為主(樂仁昌等,2006;譚延亮等,2008)。盡管氡及其子體密度很大,但在理想空氣中具有明顯向上運(yùn)移的能力(譚延亮等,2008)。為使模擬氡室內(nèi)的氡氣及其子體均勻分布,在2009年3月30日至4月3日用風(fēng)扇擾動(dòng)空氣。該階段密閉空間外的平均空氣氡濃度和無擾動(dòng)階段相同,密閉空間內(nèi)空氣氡濃度的平均值、最大值和最小值比無擾動(dòng)階段分別低8.57 Bq·m-3,7.65Bq·m-3,5.94 Bq·m-3,空氣伽馬吸收劑量率波動(dòng)不大,其平均值與無擾動(dòng)階段的相同。表明對(duì)模擬氡室內(nèi)空氣進(jìn)行擾動(dòng)后氡氣分布較為均勻,但同時(shí)也增強(qiáng)了氡氣的泄漏,對(duì)空氣伽馬吸收劑量率的影響不大。然而模擬氡室內(nèi)空氣擾動(dòng)后,RAD7測氡儀測量的氡濃度的峰值與ZnS(Ag)閃爍室測氡儀的測量結(jié)果吻合得更好(圖3b)。
兩次模擬氡室內(nèi)增加氡濃度實(shí)驗(yàn),未得到空氣氡濃度與伽馬吸收劑量率的相關(guān)性。分析原因,可能由于模擬氡室空間不夠大且氡濃度不夠高,而劑量率儀測量結(jié)果是半無限空間內(nèi)平均空氣吸收劑量率,導(dǎo)致空氣伽馬吸收劑量率的測量結(jié)果隨模擬氡室內(nèi)氡濃度的變化不明顯。2010年進(jìn)一步增加模擬氡室內(nèi)的氡濃度。如圖4所示,模擬氡室外部的氡濃度日變較明顯,空氣伽馬吸收劑量率與氡濃度同步變化。
圖4 2010年增加氡濃度實(shí)驗(yàn)Fig.4 Experiments with increased radon concentration in 2010
表1為模擬氡室的本底測量和增加氡濃度實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果。對(duì)比2009年實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,模擬氡室外氡濃度的平均值基本保持不變,空氣伽馬吸收劑量率隨模擬氡室內(nèi)氡濃度的減小而降低。
2.2.2 鉛室實(shí)驗(yàn)
根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果,為去除模擬氡室外部及本底環(huán)境自然輻射對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在鉛室中增加馬林杯中的氡濃度(圖1),進(jìn)一步研究高氡濃度對(duì)空氣伽馬吸收劑量率的影響。鉛室中空氣伽馬吸收劑量率的本底為1.42×10-8Gy·h-1,室內(nèi)氡濃度為11.34 Bq·m-3。增加馬林杯中的氡濃度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。隨著馬林杯內(nèi)空氣氡濃度的升高,鉛室中探測到的空氣伽馬吸收劑量率逐漸增加。與空氣伽馬吸收劑量率的變化規(guī)律相比,NaI多道能譜儀在0~3 MeV能量的總計(jì)數(shù)率在氡濃度為103 680 Bq·m-3時(shí)測量結(jié)果偏高。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出,空氣伽馬吸收劑量率與氡濃度存在正相關(guān)關(guān)系。
圖5 鉛室中氡濃度、伽馬吸收劑量率和總道計(jì)數(shù)率數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.5 Radon concentration,gamma absorbed dose rate and total channel in lead chamber
增加模擬氡室內(nèi)的相對(duì)濕度,使其分別穩(wěn)定在50%RH,60%RH,70%RH,80%RH和90%RH。模擬氡室內(nèi)部和外部的平均氡濃度分別為37.62和11.29 Bq·m-3。平均空氣伽馬吸收劑量率為9.05×10-8Gy·h-1,比本底測量3的平均值低0.55×10-8Gy·h-1。該階段空氣氡濃度日變規(guī)律明顯,且波動(dòng)幅度較大,最大值波動(dòng)幅度約40.00 Bq·m-3。在增加相對(duì)濕度過程中,空氣伽馬吸收劑量率僅在統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)漲落,與相對(duì)濕度無顯著相關(guān)性。
2009年4月28-30日在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)校園草坪上(北緯39°59'17.50″,東經(jīng)116°20'44.22″)進(jìn)行了室外本底測量。平均空氣伽馬吸收劑量率為5.73×10-8Gy·h-1,平均空氣氡濃度為9.62 Bq·m-3??諝怆睗舛仍谇宄砍霈F(xiàn)最大值后迅速下降,中午12點(diǎn)左右停止下降趨勢,到晚20點(diǎn)基本保持不變??諝赓ゑR吸收劑量率與大氣氡濃度的相關(guān)系數(shù)為0.52(R2=0.27),兩者呈弱的正相關(guān)??諝赓ゑR吸收劑量率與相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)為0.57(R2=0.32),與溫度呈很弱的負(fù)相關(guān),與大氣壓無相關(guān)性。
通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,得出以下結(jié)論:
(1)空氣伽馬吸收劑量率與空氣氡濃度呈弱正相關(guān)。本底測量初步得出空氣氡濃度與空氣伽馬吸收劑量率的相關(guān)系數(shù);增加氡濃度實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明兩者之間存在正相關(guān)關(guān)系。
(2)改變相對(duì)濕度實(shí)驗(yàn)中,增加相對(duì)濕度,空氣伽馬吸收劑量率變化不明顯;在室外測量中,相對(duì)濕度與空氣伽馬吸收劑量率的相關(guān)系數(shù)為0.57,呈弱正相關(guān)。關(guān)于相對(duì)濕度對(duì)空氣伽馬吸收劑量率的影響還需進(jìn)一步研究。
空氣伽馬吸收劑量率的影響因素眾多。本文只對(duì)其中兩個(gè)主要因素——空氣氡濃度和相對(duì)濕度,進(jìn)行初步研究,還不夠全面。因此建議建立理論模型,使用更高精度的劑量率儀,對(duì)空氣伽馬吸收劑量率的影響因素進(jìn)行深入研究。定量分析各因素對(duì)空氣伽馬吸收劑量率的影響,從而提高我國輻射環(huán)境監(jiān)測能力。
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Influencing Factors of the Gamma Air-Absorbed Dose Rate
YIN Yin, WANG Nan-ping, FU Chen, CHU Xing-ming
(School of Geophysics and Geoinformation Technology,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China)
The influencing factors of gamma air-absorbed dose rate are studied to improve the precision of environmental radiation monitoring data.Background radiation measurement,increasing of the radon concentration and changing of humidity are done to discuss the two major influencing factors,i.e.the concentration and relative humidity of radon and radon progeny in the air.The radon concentration in the air are measured with scintillation radon monitor(ZnS(Ag)),electronic radon detector(RAD7)and ionization chamber radon detector(Alpha-GUARD),and gamma air-absorbed dose rate with X-γ dose rate meter(CKL-3120).The gamma air-absorbed dose rate,radon concentration,temperature,relative humidity and atmospheric pressure in the air are monitored together.Results show gamma air-absorbed dose rate indicates a poor correlation with radon concentration and relative humidity of the air.
gamma air-absorbed dose rate;air radon concentration;relative humidity
X830.5
A
1674-3504(2012)01-061-05
殷蔭,王南萍,付宸,等.2012.空氣伽馬吸收劑量率影響因素研究[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,35(1):61-65.
Yin Yin,Wang Nanping,F(xiàn)u Chen,et al.2012.Influencing factors of the gamma air-absorbed dose rate[J].Journal of East China Institute of Technology(Natural Science Edition),35(1):61-65.
10.3969/j.issn.1674-3504.2012.01.009
2011-06-22 責(zé)任編輯:張國慶
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“環(huán)境γ能譜數(shù)據(jù)137Cs信息提取及介質(zhì)物性和大氣氡影響定量校正”(40674067)。
殷 蔭(1986—),女,研究生,研究方向:環(huán)境與工程地球物理。E-mail:yinyin5289@163.com