氣球法測氡儀在室內(nèi)氡濃度評價中的應(yīng)用

朱國禎 葛良全 李值純

1（湖南省職業(yè)病防治院 長沙 410000）

2（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院 成都 610059）

氡氣是一種特殊的氣體。它集惰性和放射性于一身，存在于任何的自然環(huán)境中，是天然輻射本底的主要貢獻者[1–3]。由于氡具有級聯(lián)衰變性，其測量一直是核探測領(lǐng)域困難的研究課題[4]。常見的測氡方法有很多種，氣球法測氡是環(huán)境中氡濃度的標(biāo)準(zhǔn)測量方法之一，由清華大學(xué)于1974年研發(fā)并成功應(yīng)用到礦山中氡濃度的測量。這種方法除了能測量環(huán)境中的氡濃度外，還能測量氡子體的濃度，具有測量精度高、測量結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點[5–6]。氣球法測氡以馬爾科夫測氡理論為基礎(chǔ)，能在26min內(nèi)給出測量結(jié)果，屬于主動快速測氡法?？潭认禂?shù)是氣球測氡的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，在定量分析中，通常要根據(jù)所測量的環(huán)境的氡濃度、氣壓、相對濕度等條件，將測氡儀放在與標(biāo)準(zhǔn)氡室相近的環(huán)境中測量后得到。這是一項比較復(fù)雜而且周期較長的工作，往往測氡儀的生產(chǎn)部門并沒有得到相關(guān)部門認可的標(biāo)準(zhǔn)氡室。本文基于氣球法測氡儀測量過程，建立了氣球法測氡儀直接測氡的理論方法，并把這種方法應(yīng)用到室內(nèi)氡濃度的評價。結(jié)果表明，在誤差范圍內(nèi)，這種方法基本能滿足實際工作的需求。這種方法操作簡單、可以縮短儀器的制作周期、經(jīng)濟代價低[7]。

1 測量原理

根據(jù)氣球法測氡的測量原理，其測量程序應(yīng)按照圖1的過程嚴格進行。

圖1 氣球法測氡工作程序Fig.1 Time program of balloon radon measure instrument.

該裝置的測氡的過程分為：抽氣階段、等待階段、排氣階段、測量階段。在抽氣階段(5min)，采樣頭1會把氣體中含有氡的子體RaA全部過濾掉，而把“干凈”的氣體抽到氣球內(nèi)，讓純凈的氡氣在氣球內(nèi)衰變(5min)；然后排出所有的氣體(5min)，前兩個階段新產(chǎn)生的子體 RaA全部留在采樣頭 2上；取下采樣頭2進行測量(10min)，得到的計數(shù)為X。然后根據(jù)式(1)算出氡在單位體積內(nèi)的活度。

式中，Kb為氣球測氡裝置的刻度系數(shù)，Bq×m?3×min；R為濾膜上的本底。

2 儀器介紹

IED-3000F氣球法測氡儀是成都理工大學(xué)地學(xué)核技術(shù)實驗室新研發(fā)的一款環(huán)境級氡測量儀。主要由采樣系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、氣球等配件構(gòu)成。這款測氡儀在測量程序上與雙濾膜法相似，只是將雙濾膜法中的衰變筒換成了氣球，不僅降低了制作成本，而且延長了氡氣的衰變時間，提高了測量結(jié)果的精度。與早期的氣球法測氡儀相比，新研發(fā)的氣球法測氡儀將采樣系統(tǒng)和測量系統(tǒng)集成在一起，并設(shè)計了抽氣和排氣的半自動化回路，完善了采樣系統(tǒng)，基本上克服了早期氣球法測氡儀漏氣的缺點，提高了測氡裝置的整體穩(wěn)定性和測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。實驗結(jié)果證明，這款測氡儀性能優(yōu)良，適用于環(huán)境中氡濃度的測量與評價[8–9]。

2.1 儀器的采樣系統(tǒng)

采樣系統(tǒng)如圖2所示，在進氣口和排氣口處各安裝三通閥門。進氣時，閥門K1、K2都置于①位置，空氣經(jīng)過A-B-P-E-F通道進入氣球；排氣時，閥門K1、K2都置于②位置，空氣經(jīng)過F-D-P-C-A通道被排出。無論是進氣還是排氣，空氣都經(jīng)過了氣泵和流量計，通過對閥門K1、K2的控制，實現(xiàn)了切換氣路的功能。在抽氣或排氣的過程中，氣流都在封閉的環(huán)境里進行，提高了采樣效率。

圖2 氣球法測氡儀的采樣系統(tǒng)Fig.2 Sampling system of emanometer in balloon method.

2.2 儀器的電路工作原理

儀器的電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示[8]。

圖3 儀器電路結(jié)構(gòu)框架圖Fig.3 Frame diagram of circuit about the instrument.

2.3 儀器的性能參數(shù)

實驗結(jié)果表明，儀器正常工作時，各項性能參數(shù)如表1[9]。

表1 測氡儀正常工作時的各項參數(shù)Table 1 Parameters of radon measurement instrument.

3 刻度系數(shù)

根據(jù)氣球法測氡儀的工作原理，推導(dǎo)出了計算氣球法測氡儀刻度系數(shù)(Kb)的理論計算公式[8–9]：

K是一個與儀器自身有關(guān)的參數(shù)，其計算方法如下：

式中各符號的意義與表1一致。

將表1中的數(shù)據(jù)代入式(2)中，可以算出Kb為1.70；與該測氡儀在核工業(yè)六所標(biāo)準(zhǔn)氡室溫度25°C和相對濕度 70%的條件下測量所得到的刻度系數(shù)1.75相比，相差2.9%。在誤差范圍內(nèi)，用此種方法得到的刻度系數(shù)能滿足實際的需求。

4 材料與方法

4.1 監(jiān)測點

成都某高校實驗樓，該實驗樓為三層老式建筑，建筑材料為混凝土、紅磚、水泥、砂石等。選取 4個實驗室為實際測量地點，其中一層2個，二層1個，三層 1個。所選實驗室的建筑面積均未超過200m2，但是卻有大小之分，一層樓的110室和二層樓的210室面積相同是大建筑面積實驗室，一層樓的115室和3層樓313室的面積相同為小建筑面積實驗室。

4.2 布點

按照標(biāo)準(zhǔn)《室內(nèi)氡及其衰變產(chǎn)物測量規(guī)范》(GBZ/T 182-2006)[6]，每個實驗室布一個測點，測點距地面的高度為1.5m，與墻的距離不小于30cm，而且測點應(yīng)遠離門窗、通風(fēng)口、空調(diào)等。

4.3 測量

選晴朗、無風(fēng)、室內(nèi)溫濕度穩(wěn)定的天氣測量，測量前關(guān)閉門窗8h以上。根據(jù)IED-3000F型氣球測氡儀使用說明書及注意事項規(guī)范操作。

5 結(jié)果與分析

5.1 監(jiān)測點氡濃度整體分析

此次檢測共收集有效測量結(jié)果125個，表2為此次調(diào)查的整體結(jié)果。監(jiān)測點氡濃度的最小值為3.40 Bq·m?3，最大值為 86.70 Bq·m?3，平均值為20.99±13.81 Bq·m?3，符合標(biāo)準(zhǔn)《電離輻射防護與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(GB18871-2002)[10]中對室內(nèi)氡濃度的限值。與用徑跡法所測得成都地區(qū)累積氡濃度[13]的結(jié)果相比，降低了約19 Bq·m?3。與20世紀(jì)90年代用閃爍法所測的成都地區(qū)瞬時氡濃度的結(jié)果相比[11]，降低了約 10 Bq·m?3。313 室與 115 室的平均氡濃度分別為24.65±9.72Bq·m?3、29.28±16.30Bq·m?3，210 室與 110 室的平均氡濃度分別為 11.69±4.92 Bq·m?3、11.05±4.23 Bq·m?3，在建筑材料和室內(nèi)裝飾條件相同時，氡氣在建筑面積相同的環(huán)境中的濃度相近。

表2 樓內(nèi)氡氣測量結(jié)果Table 2 Measuring results of radon in the laboratory building.

5.2 不同面積房間氡濃度的比較

表2的結(jié)果表明，小房間的氡濃度的平均值為27.43±14.28Bq·m?3，大房間的氡濃度的平均值為11.36±4.54 Bq·m?3，小房間的平均氡濃度比大房間的氡濃度要高。這兩類房間的建筑材料和室內(nèi)裝飾材料都一樣，在相同的時間內(nèi)，大房間所釋放的氡的總量要比小房間高，但由于大房間的空間要比小房間大，氡氣的遷移速度在大房間相對較快，從而使得整體的濃度值降低。在建筑材料和室內(nèi)裝飾材料相同時，氡氣在建筑面積較小環(huán)境中的濃度可能高于建筑面積較大房間的濃度。

5.3 實驗樓內(nèi)氡氣致不同人群年有效劑量的估算

氡氣致人體的輻射劑量，是由氡及其子體衰變的α粒子、β粒子、γ射線引起，這些粒子或射線與人體組織的作用機理十分復(fù)雜，一直是輻射劑量學(xué)領(lǐng)域一項困難的課題。UNSEAR和ICRP分別用輻射計量學(xué)方法和流行病學(xué)方法做了相關(guān)研究，最新的研究結(jié)果表明，這兩種方法推導(dǎo)出的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)有一定的差別[12]。因此，文章按照標(biāo)準(zhǔn)《室內(nèi)氡及其衰變產(chǎn)物測量規(guī)范》(GBZ/T 182-2006)中推薦的方法來估算進入實驗室不同人群的有效劑量，式(4)為劑量估算公式。

式中，ERn為暴露氡所致人體年有效劑量，mSv；CRn為所測環(huán)境的平均氡濃度，Bq·m?3；T為所考察人群暴露氡環(huán)境的時間，h；Dg為氡氣的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.17nSv·Bq?1·h?1·m3，參照 UNSCEAR 2000[13]年報告)；Dp為氡子體的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)(9.0nSv·Bq?1·h?1·m3，參照 UNSCEAR 2000[13]年報告)；10?6為nSv→mSv的轉(zhuǎn)換系數(shù)；F為平衡因子，這里取0.5。

進入實驗樓的人群，主要是辦公人員、科研工作者。辦公人員按8小時工作制度，科研工作者按10小時工作制度，不考慮國家法定的假日，大致可以估算不同人群在實驗樓的停留時間，計算出氡所致不同人群劑量的大小，表3為估算結(jié)果。

表3 實驗樓內(nèi)氡所致不同人群年有效劑量估算結(jié)果Table 3 Results of annual effective dose of different people in laboratory building.

計算結(jié)果表明，氡氣所致科研工作者的年有效劑量最大，為 0.24mSv，低于世界的均值(1.2mSv)[14]；進入實驗樓內(nèi)的人群受到的天然照射處于正常本底范圍，氡及其子體并未造成附加劑量。

6 結(jié)語

(1)氣球法測氡儀操作簡單，便攜性好?；诖藘x器的直接刻度方法能在無標(biāo)準(zhǔn)氡室的情況下，計算出測氡儀的刻度系數(shù)，這種方法縮短了制作周期，降低了經(jīng)濟代價。在誤差范圍內(nèi)，用此種方法計算出的刻度系數(shù)基本能滿足實際測量的要求。

(2)所監(jiān)測實驗樓內(nèi)氡濃度的平均值為20.99±13.87 Bq·m?3，符合標(biāo)準(zhǔn)《電離輻射防護與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(GB18871-2002)中關(guān)于室內(nèi)氡濃度的限值。

(3)室內(nèi)氡濃度的大小與建筑面積有一定的關(guān)系。氡氣致實驗樓內(nèi)科研人員的年有效劑量最大為0.24mSv，遠低于世界平均水平(1.2mSv)。氡氣致進入實驗樓內(nèi)人群的輻射劑量處在本底水平，氡及其子體未造成附加劑量。

(4)該臺儀器的精度和穩(wěn)定性上還有待提高。在實際應(yīng)用中，直接刻度方法的不足之處在于對機器整體性能的把握，尤其是濾膜的過濾效率和自吸收效率。而且該刻度系數(shù)的推導(dǎo)是在理想的條件進行的，很多可能影響機器性能的因素都沒有考慮在內(nèi)，比如氣球壁對子體的吸附，環(huán)境壓力、溫度、濕度等因素。因而，該方法還有很多地方需要改進和完善。

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