氣球法氡氣測量中濾膜性能的實(shí)驗(yàn)研究

楊 強(qiáng) 葛良全 王爾奇 周曉劍

1（成都理工大學(xué) 地學(xué)核技術(shù)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）

氣球法氡氣測量中濾膜性能的實(shí)驗(yàn)研究

楊 強(qiáng)1葛良全1王爾奇2周曉劍2

1（成都理工大學(xué) 地學(xué)核技術(shù)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）

濾膜是氣球測氡儀的重要組成部分，選擇過濾效率高、自吸收小的濾膜，不僅可以提高取樣速度，更可有效減小測量誤差。根據(jù)氡及其子體在濾膜上收集的物理過程，能夠推導(dǎo)出空氣濾膜上氡子體的收集和衰變隨時(shí)間的變化規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)氡室中對不同材料的三種微孔濾膜過濾效率和自吸收因子關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)表明，在同等厚度條件下，聚四氟乙烯濾膜和尼龍濾膜的過濾效率比常用玻璃纖維濾膜高，其自吸收情況也較玻璃纖維膜小；從氣阻情況分析，聚四氟乙烯濾膜氣阻最低，尼龍濾膜氣阻最大；對常用玻璃纖維濾膜，通過增加膜厚度能夠有效改善其性能指標(biāo)。不僅為氣球法測氡儀濾膜的選擇提供了重要依據(jù)，也適用于其他濾膜測氡裝置。

自吸收，過濾效率，氣球法測氡，濾膜

隨著社會的發(fā)展，人們對輻射環(huán)境的關(guān)注日益提升。據(jù)聯(lián)合國原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會(United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, UNSCEAR)估計(jì)，來自天然的輻射對公眾的年有效劑量為2.4 mSv，其中氡及其子體的貢獻(xiàn)占54%[1]。氣球法測氡是一種主動式測量方法，利用托馬斯(Thomas)絕對測氡公式，無需達(dá)到放射性衰變平衡，即可同時(shí)測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量[2]。

氣球法測氡的基本思想是將經(jīng)濾膜過濾后去除子體的“純氡氣”壓入氣球中，等待一段時(shí)間后，氣球內(nèi)的氡氣衰變產(chǎn)生“新子體”，再將“新子體”收集在采樣濾膜上，測定其α放射性[3]。由此可見，取樣濾膜是氣球測氡法工作過程的重要組成部分，一般采用微孔濾膜作為氡子體的收集裝置。目前常見的微孔濾膜種類很多，根據(jù)材料的不同有：濾紙(Filter Paper, FP)、玻璃纖維(Glass Fibre, GF)、混合纖維素(Cellulose Nitrate & Cellulose Acetate,? CN-CA)、硝酸纖維素(Nitrocellulose, NC)、醋酸纖維素(Cellulose Acetate, CA)、尼龍(Nylon)、直孔濾膜(Track Etch Membrane)以及聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene, PTFE)濾膜等，其孔徑在0.15-5.0 μm[4]。濾膜有兩個(gè)主要性能指標(biāo)分別是過濾效率和自吸收因子，選擇過濾效率高、自吸收小的濾膜，不僅可以提高取樣速度，更可有效減小測量誤差[5]。雙濾膜測氡儀一般采用玻璃纖維濾膜，近年來PTFE濾膜在空氣氣溶膠采樣中廣泛使用。

1 氡子體在濾膜上的富集原理

1.1取樣期間氡子體在濾膜上的累積

假定取樣期間空氣中各子體的濃度不變，并以恒定的抽氣速率(V)取樣，則濾膜上氡子體的變化規(guī)律服從Bateman方程[6-8]：

式中，Ni(t)為取樣t時(shí)濾膜上子體i的原子數(shù)；λi為子體i的衰變常數(shù)；VQλ表示取樣過程中i種子體在濾膜上直接富集數(shù)；λi-1Ni-1(t)表示濾膜上已沉積的前一種子體衰變產(chǎn)生i種子體，而使i種子體增加的數(shù)目；λiNi(t)是i種子體自身衰變而減少的數(shù)目，Qi是i種子體的濃度單位為(原子數(shù)/L)，下標(biāo)i=1,2,3分別對應(yīng)RaA(釙-218)、RaB(鉛-214)和RaC(鉍-214)。則氡三種子體的變化過程可用式(2)表示：

由式(1)引入初始條件：取樣前換上的新濾膜，設(shè)濾

膜上無氡子體原子，即Ni(0)=0，解方程得[7]：

式中，Dij(t)是取樣時(shí)間的函數(shù)，下標(biāo)j與i含義相同，為三種不同的氡子體。式(3)表明抽氣時(shí)t時(shí)刻第i種子體的數(shù)量與抽氣速率、抽氣時(shí)間以及空氣中子體的濃度有關(guān)。根據(jù)氣球法測氡的基本原理，在抽氣結(jié)束后需等待5-10 min，使收集到的老子體充分衰變成新子體后，再進(jìn)入測量階段，測量時(shí)間3-10 min。因此，有必要討論子體在濾膜上的衰變規(guī)律。

1.2取樣結(jié)束后氡子體在濾膜上的衰變

取樣結(jié)束后，抽氣速率V=0。設(shè)取樣結(jié)束時(shí)間，即t時(shí)刻為衰變起始時(shí)間T=0時(shí)刻，則Bateman方程變?yōu)椋?/p>

式中，Mi(T)為衰變T時(shí)濾膜上子體i的原子數(shù)。

1.3測量期間濾膜上的積分計(jì)數(shù)

式(4)是采樣結(jié)束后濾膜上各子體隨時(shí)間的變化規(guī)律，即t=T時(shí)刻濾膜上各子體的原子數(shù)。在氣球法測氡過程中，得到的是一段時(shí)間范圍內(nèi)α子體的積分結(jié)果，即t∈(Ta-Te)間隔的積分凈計(jì)數(shù)，故有：

式中，Ci(T)為子體i的積分凈計(jì)數(shù)；Gi為儀器對子體i的總效率（包括儀器效率、濾膜過濾效率和自吸收等）；Ta和Te分別為取樣結(jié)束后測量起始和終止時(shí)間，min。由式(5)，儀器測量的凈計(jì)數(shù)除與子體的濃度、收集時(shí)間有關(guān)以外，還與儀器探測效率、濾膜過濾效率和自吸收等因素有關(guān)，應(yīng)該開展相關(guān)研究。

2 濾膜性能指標(biāo)的測試方法

從濾膜上氡子體隨時(shí)間的變化關(guān)系可以看出，如果濾膜過濾效率太低，在式(1)中除氣球中產(chǎn)生的新子體外，還有部分外部空氣中“老子體”的影響。由于“老子體”中各子體的形成時(shí)間未知，會使得式(5)中儀器測量的積分凈計(jì)數(shù)與子體數(shù)量的線性關(guān)系破壞，造成結(jié)果的偏差。此外，濾膜的自吸收效應(yīng)會使得到達(dá)探測器表面的α粒子數(shù)量減小，降低儀器的靈敏度。

2.1濾膜的過濾效率

濾膜過濾效率η的定義是：濾膜收集到的粒子數(shù)與射向?yàn)V膜的粒子總數(shù)之比，即：

式中，KP為透過率，測定η要先確定KP，一般可用雙層法測定KP。假定射向第一張濾膜的總放射性活度為A0，一二層之間的為A1，而透過第二張的為A2，根據(jù)氣溶膠粒子在濾膜中隨著深度是按指數(shù)規(guī)律分布，所以有：

式中，k為比例常數(shù)，α為濾膜的厚度。而透過率為：

KP雖然有了定量表達(dá)式，但e-kα并不是一個(gè)好測的量?，F(xiàn)假定第一、二張濾膜截留的放射性活度分別為N1、N2，則有：

則過濾效率η為：

2.2濾膜的自吸收

濾膜所收集的α粒子分布于整個(gè)濾膜中，在進(jìn)行測量時(shí)，部分α粒子會由于濾材的阻擋不被記錄，這種現(xiàn)象叫做濾膜的自吸收，經(jīng)常用自吸收因子來表征。

假定A1層內(nèi)的α粒子能夠射入探測器的靈敏體積內(nèi)，令其α粒子數(shù)為N1，A2層內(nèi)的粒子射不到探測器的靈敏體積內(nèi)，其數(shù)量為N2，則α自吸收因子Kα定義為：

由于式(11)中N1和N2不太容易直接被測量，常用正反面計(jì)數(shù)法來測量濾膜的自吸收因子。該方法的操作程序?yàn)槔么郎y濾膜取樣氡子體，等待30min后測量樣品正面α計(jì)數(shù)率，記為n1；迅速將此樣品翻過來，測其反面的α計(jì)數(shù)率，記為n2；以同種濾膜蓋在樣品的正面，再測其α計(jì)數(shù)率，記為n3；自吸收因子Kα由式(12)確定：

3 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

3.1測量儀器

本次實(shí)驗(yàn)使用的是成都理工大學(xué)研制的氣球法測氡儀，該儀器采用φ20mm金硅面壘型半導(dǎo)體探測器，抽氣流量為30 L·min-1，可根據(jù)測量程序自動切換氣路，儀器主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 氣球測氡儀主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main specifications of balloon emanometer.

測量前儀器在南華大學(xué)氡室進(jìn)行了氡及其子體潛能濃度的刻度。在使用前開展了儀器穩(wěn)定性測量工作，測量采用的是239Pu面源，活度未知，測量時(shí)間600 s，共得到了40組數(shù)據(jù)，見表2。

表2 儀器工作穩(wěn)定性數(shù)據(jù)表Table 2 Instrumentation stability data.

測量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)誤差為21.3，標(biāo)準(zhǔn)偏差為20.3，落在1倍、2倍和3倍均方差內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的概率分別為72.5%、95.0%和100%，基本符合放射性統(tǒng)計(jì)漲落的分布規(guī)律。

3.2實(shí)驗(yàn)濾膜

實(shí)驗(yàn)玻璃纖維濾膜、PTFE濾膜以及尼龍濾膜均為國產(chǎn)。玻璃纖維濾膜使用玻璃纖維制成，機(jī)械強(qiáng)度差，吸水性小，耐高溫[9]，在濾膜法測氡儀中廣泛使用。通過測量，購置的單張玻璃纖維濾膜厚度可達(dá)1 mm，對于氣球測氡儀所使用的小型直流采樣泵阻力太大，可分解為4層，通過疊加測量求得單層玻璃纖維膜的厚度約為280 μm。PTFE濾膜采用PTFE為原料，經(jīng)拉伸壓制后形成，具有表面光滑、透氣量大、耐高溫、過濾效率高的優(yōu)勢，常覆合在其他基材上具有極好的機(jī)械抗拉性能，適合大流量的空氣采樣。測得實(shí)驗(yàn)用單張PTFE濾膜的厚度約為100 μm，不可再進(jìn)一步分層。尼龍濾膜具有較好的親水性，用在氡氣測量采樣裝置中，可以降低濕度對測量結(jié)果的影響。實(shí)測單張尼龍濾膜厚度約為120 μm，不可再分層。

對于氣球法測氡儀測量的氡子體(222Rn)而言，衰變的主要能量為5.49 MeV，根據(jù)α粒子在空氣中的射程公式[10]，推導(dǎo)出其在空氣中的射程約為4.2cm，遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)濾膜的厚度。圖1為濾膜在物鏡(×10)條件顯微觀測照片?？梢钥闯?，在相同放大倍數(shù)條件下，三種濾膜纖維密度按大小順序?yàn)椋耗猃?、玻璃纖維、PTFE濾膜。尼龍濾膜表面看不到明顯的空隙，PTFE濾膜纖維間隙明顯，單其底面基材密度很高。

圖1 玻璃纖維濾膜(a)、PTFE濾膜(b)和尼龍濾膜(c)鏡下觀測照片F(xiàn)ig.1 Photo of glass fiber filter (a), PTFE filter (b) and nylon membrane filter (c).

由鏡下觀測結(jié)果可推測，三種濾膜的空氣阻力尼龍最大，其次是玻璃纖維。透氣性最好的是PTFE濾膜。在直流抽氣泵相同功率條件下，單張三種不同材料濾膜實(shí)測流量為玻璃纖維26 L·min-1、PTFE濾膜30 L·min-1、尼龍濾膜22 L·min-1。實(shí)測結(jié)果與觀察結(jié)果一致，尼龍濾膜氣阻最大，要達(dá)到相同流量所需功耗也高，這對于儀器的野外使用產(chǎn)生不利的影響。

3.3濾膜過濾效率測量

測量過程如下：將氣球測氡儀放在氡室中，保持氡濃度不變；選2張厚度相近的濾膜（厚度相對誤差小于20%），重疊在一起，保證濾膜間有2.0 mm的距離，以30 L·min-1流速采樣5 min；采樣結(jié)束后，將2張濾膜分別裝在兩個(gè)采樣頭上，在同一臺儀器上各自測量2 min，得到兩條衰變曲線；根據(jù)氡子體的衰變常數(shù)推算出初始時(shí)刻（采樣完的時(shí)刻）的校正計(jì)數(shù)，得到N10、N20，代入式(10)即得η值，每種濾膜測量三次取平均值，結(jié)果見表3。

可以看出，單PTFE濾膜和尼龍濾膜的過濾效率均接近99%，比單層玻璃纖維濾膜的過濾效率約高1倍。

表3 三種濾膜過濾效率結(jié)果對比表Table 3 Comparison results of three kinds of membrane filtration efficiency.

3.4濾膜自吸收因子測量

根據(jù)前面所述方法，在氡室中分別測量三種濾膜的自吸收因子，每種濾膜測量三次取平均值，結(jié)果見表4。

通過對比可以看出，尼龍和PTFE濾膜對α粒子的自吸收因子均比玻璃纖維濾膜要大10%，說明尼龍和PTFE濾膜自吸收情況要好于玻璃纖維濾膜。同時(shí)，從儀器測量的凈計(jì)數(shù)值來看，PTFE濾膜最高，其次是尼龍濾膜，玻璃纖維濾膜最低，這也說明PTFE濾膜的過濾效率也較高。結(jié)果表明PTFE和尼龍濾膜對于α粒子具有較高的過濾效率和較低的自吸收現(xiàn)象。

表4 兩種濾膜自吸收因子對比表Table 4 Comparison results of two kinds of membrane absorption factor.

3.5不同厚度濾膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅針對單層玻璃纖維濾膜。購買的單張玻璃纖維濾膜共分為4層，將多層濾膜疊加對其性能改善效果如何？對此，開展了不同厚度濾膜性能的測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，分別采用單層、雙層、三層和四層（單張）玻璃纖維濾膜采用§3.2和§3.3方法再次測量過濾效率和自吸收因子，結(jié)果見表5。

表5 不同厚度玻璃纖維濾膜過濾效率對比表Table 5 Filter efficiency of different thicknesses glass fiber membrane.

由表5，采用四層即單張玻璃纖維濾膜合并也能獲得99%左右的過濾效率，這也是單張玻璃纖維膜分四層構(gòu)成的重要原因。因此，增加濾膜厚度確實(shí)能夠改善濾膜的性能指標(biāo)。但是，與PTFE濾膜相比，達(dá)到同等過濾效率所需玻璃纖維濾膜的厚度較PTFE濾膜厚10倍以上，會極大地增大空氣阻力。

4 結(jié)語

濾膜是氣球法測氡儀的重要組成部分，其主要性能指標(biāo)過濾效率和自吸收系數(shù)對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和儀器靈敏度有極大的影響。通過對三種材料濾膜過濾效率和自吸收系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果表明：PTFE和尼龍濾膜的自吸收情況好于玻璃纖維濾膜；在獲得同等過濾效率的條件下，玻璃纖維濾膜厚度約為其他兩種濾膜的十倍以上；從氣阻情況來看，PTFE濾膜明顯好于其他兩種濾膜，尼龍濾膜最差。

綜上所述，雖然PTFE濾膜的價(jià)格較高，但在氣球法測氡儀中，具有極好過濾性能的PTFE濾膜是一種理想的過濾裝置。該結(jié)論也適用于其他濾膜法測氡裝置。

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CLCTL84

Performance research of filter in radon measurement with balloon method

YANG Qiang1GE Liangquan1WANG Erqi2ZHOU Xiaojian2
1(Applied Nuclear Techniques in Geosciences Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China) 2(Nuclear and Radiation Safety Centre, Beijing 100082, China)

Background:Filter membrane is an important part of the balloon emanometer. The membrane of high filtration efficiency but little self-absorption can not only improve the sampling rate, but also reduce the measurement error effectively. Purpose: The experiment aims to compare the performance of three different filter membrane materials. Methods: Based on the radon and its progeny collecting physical processes on the membrane, we deduced the collection of radon in filters and its decay variation with time. Through the experiment, the filtration efficiency and self-absorption factor of the three different membranes have been tested. Results: When the thickness is almost the same, the filtration efficiency of Polytetrafluoroethylene (PTFE) filter and nylon filter is higher than that of commonly used glass fiber filter and its self-absorption is better than that of glass fiber membrane. The air resistance of PTFE filter is the best. It can effectively improve the performance by increasing thickness of the glass fiber filter membrane. Conclusion: This is not only a good reference for the selection of filter membrane in radon measurement with balloon method, but also applicable to radon-measuring devices with other methods.

Self-absorption, Filtration efficiency, Balloon radon method, Filter membrane

TL84

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.060404

國家863計(jì)劃課題“高精度能譜探測儀器研發(fā)”(No.2010AA061803)、中國地質(zhì)調(diào)查局工作項(xiàng)目(No.1212011120186)資助

楊強(qiáng)，男，1982年出生，2012年于成都理工大學(xué)獲博士學(xué)位，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)

2014-02-25，

2014-04-01