NRL-1型測氡儀的絕對濕度效應研究

單 健，肖德濤，趙桂芝，周青芝，劉 彥，丘壽康，孟冶成，熊信明，劉小松，馬文榮

(南華大學 核科學技術學院，湖南 衡陽 421001)

近年來，隨著氡測量技術的日趨完善，多種測氡技術已應用于實踐中，并研制出了多種測氡儀器。如德國的ERS-2氡析出率儀，美國DURRDGE公司生產的RAD7型測氡儀，國產的FD-3017型“RaA”瞬時測氡儀、便攜式NR-667A(Ⅲ)測氡儀、PCMR-1連續(xù)測氡儀、NR-200A氡子體連續(xù)測氡儀等[1]，其中以基于靜電收集法原理研制的RAD7型測氡儀在國內應用最廣，此類測氡儀的探測效率在測量過程中受溫濕度的影響非常明顯。所以，測量時必須在進氣口加干燥管，在測量時還需經常更換干燥劑，這給測量帶來一定的麻煩，并有可能對小體積氣體環(huán)境的測量對象產生明顯影響，如閉環(huán)式氡析出率儀測量時的干燥效應會影響其氡析出率。國內外已有大量學者通過實驗證明：靜電收集法的收集效率與探測器的種類、收集室的體積、收集電壓、氣壓和220Rn的影響等有關[2-4]。但在這些條件基本確定的情況下，即對于某一定型的測氡儀，其靜電收集效率主要受溫度和濕度的影響[5-9]。所以，溫濕度的影響是靜電收集法測氡儀首要考慮的因素，也是目前的一個難點。本文針對以上問題，利用南華大學核科學技術學院與北京核儀器廠共同研發(fā)的NRL-1型連續(xù)測氡儀進行實驗研究，以得到絕對濕度(對應溫度下的飽和蒸汽壓與相對濕度的乘積)對該測氡儀收集效率的影響規(guī)律，進而對該儀器進行溫濕度效應的自動修正，使其測量時擺脫干燥管，進而滿足無人值守和某些不能使用干燥管場所的特殊測量要求。

1 NRL-1型測氡儀的測量原理

NRL-1型測氡儀的測量原理如圖1所示。該儀器設計了一定體積和形狀的靜電收集室，測量時收集室腔體內可加高壓，在高壓電場作用下，帶正電的氡子體氣溶膠粒子被吸附到腔體內半導體探測器的表面，并在表面發(fā)生α衰變而產生α粒子，α粒子進入半導體探測器的PN結區(qū)。因α粒子具有很強的電離能力，所以會在PN結區(qū)產生大量電子-空穴對。這些電子-空穴對在PN結偏置電壓的作用下，迅速積累并輸出到后續(xù)核電子系統(tǒng)的低噪聲信號調理電路中，由其放大后輸出1個電脈沖信號，后續(xù)電路記錄這個電脈沖信號，從而獲取α粒子信息。不同子體衰變產生的α粒子能量是不同的，因此電離出的電子-空穴對數(shù)量也不同，反映在后續(xù)電路中脈沖幅度也不同。根據(jù)這一特性，采用α能譜甄別測量，能有效區(qū)分氡及其子體的能譜特性，從而確定被測環(huán)境中氡的含量。在儀器微處理系統(tǒng)的控制下，多道脈沖幅度分析器完成對輸入脈沖的分析和參數(shù)處理，進而輸出并存儲測量處理的結果。

圖1 NRL-1型測氡儀測量原理示意圖

由于氡的半衰期(3.823 5 d)遠大于1次測量周期的時間T，因此可認為在測量時間內氡的活度基本不變。在電場作用下，氡收集室內的氡衰變產生的α粒子通過靜電收集被吸附到探測器上產生脈沖電信號，對脈沖電信號進行周期為T的脈沖計數(shù)測量，可得到計數(shù)測量值ΔN(T)，則可由式(1)計算所測時間段內氡的活度濃度cRn：

cRn=K×ΔN(T)

(1)

式中，K為轉換因子。由于氡衰變的子體218Po帶正電荷，極化的水蒸氣分子很容易與其作用變成中性粒子218Po，影響對α粒子的收集效率，從而影響K。文獻[10]較詳細地討論了絕對濕度對測氡儀探測效率的影響機理。

在使用靜電收集法測氡時必須考慮溫濕度效應的影響，現(xiàn)有的較好的解決辦法是添加干燥管。假設在測氡儀的進氣端加上干燥管時，測氡儀的探測效率為常數(shù)，此時實驗測量的轉換因子為K0，對應的NRL-1型測氡儀修正因子R0=1。但去掉干燥管后，隨著溫濕度的變化，基于靜電收集法的NRL-1型測氡儀的探測效率也將隨之改變，這就要求對儀器的溫濕度效應進行修正。為處理方便，將溫度與相對濕度對靜電收集法測氡的影響通過一個參數(shù)來體現(xiàn)，即將溫度和相對濕度用一個與之緊密關聯(lián)的絕對濕度(H，溫度對應的飽和蒸汽壓與相對濕度的乘積)來表達，并通過實驗獲得不同絕對濕度下靜電收集法測氡儀的修正因子R。在測氡儀的測量室內安裝性能優(yōu)良的溫濕度傳感器，每個測量周期均自動獲取測量室內的溫、濕度值T和h，通過計算得到絕對濕度H，并通過實驗獲得不同絕對濕度下NRL-1型測氡儀的修正因子R。

考慮絕對濕度效應后得到的轉換因子K為：

K=K0×R

(2)

本研究的重點是通過實驗確定NRL-1型測氡儀在不同溫濕度(即絕對濕度)下的R值，并修正得到K，從而實現(xiàn)NRL-1型測氡儀在不加干燥管的情況下也能準確穩(wěn)定地測量氡活度濃度。

2 實驗方案

圖2 溫濕度修正實驗裝置示意圖

溫濕度修正實驗裝置如圖2所示。該實驗裝置由標準氡實驗室、比對用測氡儀及其他配套設施構成。標準氡實驗室為南華大學總體積為25 m3的大體積氡實驗室，整個系統(tǒng)的漏氣率小于0.1%，內部還設置了溫濕度調節(jié)裝置，可實現(xiàn)氡活度濃度和溫濕度的調節(jié)和維持動態(tài)穩(wěn)定。在氡室中的氡活度濃度及溫濕度穩(wěn)定后，從氡室的儀器檢定窗口中連接一根橡膠主導氣管，并用橡膠塞與橡皮泥密封接口，作為實驗中需要測試的儀器(NRL-1型測氡儀)和對比儀器(RAD7測氡儀)的氡氣來源，將主導氣管與三通接口的進氣孔相連，然后將NRL-1和RAD7型測氡儀的進氣導管分別與另外兩個并行接口連接，以保證所采樣品為氡室的同一區(qū)域、活度濃度相同的氡氣。

檢查實驗裝置的氣密性完好后，對NRL-1和RAD7型測氡儀的參數(shù)進行設置和調整，保證測量周期一致，然后同步啟動2臺儀器進行實驗。實驗過程中，同時實時記錄氡室內部的溫濕度傳感器的顯示數(shù)據(jù)，對該測量時間段的溫度、相對濕度和氣壓進行記錄，并觀察是否有突變現(xiàn)象，以便及時調整實驗條件。在相對濕度或溫度條件不變的情況下完成一組實驗數(shù)據(jù)測試，然后改變溫濕度，反復多次進行不同溫濕度條件下的實驗測量。最后進行實驗數(shù)據(jù)處理分析，得到絕對濕度修正因子R。

3 結果與討論

3.1 絕對濕度修正因子R

實驗中利用除濕機、加濕機和干燥管控制相對濕度在10%～95%之間(即實驗的絕對濕度范圍控制在1.90～14.91 g/m3之間)，溫度的實驗范圍控制在10～30 ℃之間。通過近3個月大量的溫濕度修正因子的測量實驗，并對每一個絕對濕度數(shù)據(jù)點的若干組數(shù)據(jù)取平均值，通過擬合得到絕對濕度與修正因子R的關系曲線，如圖3所示。

圖3 絕對濕度與修正因子的關系曲線

從圖3可看出，實驗所得的絕對濕度因子隨著絕對濕度的升高呈非線性增長，在低絕對濕度段，R隨絕對濕度的增大而增長的幅度較大，在中間段，R的增長呈現(xiàn)出平緩的趨勢，到了高絕對濕度段又出現(xiàn)較快的增長趨勢，即在絕對濕度為1.90～14.91 g/m3之間基本呈現(xiàn)分段線性的關系。實驗結果同時表明：綜合考慮絕對濕度的情況下，在當絕對濕度小于2.4 g/m3時，NRL-1型連續(xù)測氡儀的收集效率趨近于常數(shù)；其絕對濕度的修正因子基本接近于1。

3.2 驗證實驗

獲得絕對濕度修正因子R后，將R通過軟件引入NRL-1型測氡儀的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在其不加干燥管進行測量時實現(xiàn)氡活度濃度的測量和自動修正，結果列于表1、2。

表1 溫度及相對濕度恒定的驗證結果

表2 溫度及相對濕度不斷變化的驗證結果

表1的實驗條件為：1) 標準氡室平均活度濃度(2 200±45) Bq/m3、相對濕度52%、平均溫度為17.4 ℃，NRL-1型儀器未加干燥管，測量的平均相對濕度48%、溫度17 ℃(即絕對濕度6.974 4 g/m3)，測量周期30 min。表2的實驗條件為：氡室相對濕度46%～61%、溫度20～22 ℃、絕對濕度8.07～12.46 g/m3、測量周期30 min，將儀器置于氡室內部，而且加濕器間斷性工作，加熱裝置持續(xù)升溫工作。

從表1可看出，在溫度、相對濕度不變的情況下，經過7 h的連續(xù)測量，NRL-1型測氡儀測量的氡活度濃度與RAD7測氡儀的測量值基本一致，以RAD7為參考，NRL-1讀數(shù)在絕對濕度為6.974 4 g/m3時稍偏低，但與標準氡室的最高計量標準PQ2000監(jiān)測儀的結果更接近。同時，由表1中的兩個測氡儀測量值的比值可看出，比值的平均值圍繞1的波動很小，即NRL-1型測氡儀測量讀數(shù)與參考標準值的相差很小，如果考慮儀器的其他影響因子，修正之后的測量結果會更加精確，同時也將使溫濕度修正實驗得到的修正曲線更加準確。

由表2可見，NRL-1型測氡儀的測量值與RAD7的測量值相近，兩個儀器對應測量值的比值接近1，即NRL-1型測氡儀測量讀數(shù)與參考標準值的偏差很小，這說明應用于NRL-1型測氡儀內部的溫濕度修正技術是合理可行的，在不使用干燥管的情況下，即使溫濕度不穩(wěn)定，NRL-1型連續(xù)測氡儀仍能實時準確地測量出實際的氡活度濃度。

4 結論

1) NRL-1型測氡儀的探測效率與絕對濕度(1.90～14.91 g/m3范圍內)呈較穩(wěn)定的曲線關系，可利用該曲線關系對NRL-1型測氡儀不加干燥管的測量結果進行修正。

2) NRL-1型測氡儀可在不使用干燥劑的情況下實現(xiàn)氡活度濃度的較準確測量，完全符合商用儀器的測量標準。即絕對濕度修正因子的方法、曲線關系和參數(shù)的設定是正確的。

3) 若改進溫濕度監(jiān)測技術，運用更精密的實驗儀器監(jiān)測溫濕度，減小實驗誤差，并最大可能地將NRL-1型測氡儀置于標準氡室內部，減少標準氡室與測量環(huán)境中溫濕度數(shù)據(jù)傳感誤差的干擾，可更好地對NRL-1型測氡儀實現(xiàn)溫濕度修正，降低測量誤差。

修正關系的確定需要大量的實驗，其過程要求方便有效的溫濕度調節(jié)控制技術。若能采用一種更有效的溫濕度控制方法，很方便地開展對不同溫濕度下的修正因子的測量實驗與比較，還需改進實驗設計方案，使其能穩(wěn)定控制絕對濕度值(由溫濕度決定的值)，以提高實驗效率。

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