氡室補(bǔ)氡過程及影響因素的分析研究

姚磊

摘 要：氡室是一種可以對氡探測器進(jìn)行刻度標(biāo)定及其性能測評，氡及其子體的相關(guān)研究提供一個(gè)測量模擬環(huán)境的儀器。氡室的工作運(yùn)行溫度是在-5℃～+40℃內(nèi)，在對氡探測器進(jìn)行測評是，室內(nèi)溫度要保持常溫的情況下，溫度和濕度被氡室控制和調(diào)節(jié)。論文介紹了HD-6型氡室的基本結(jié)構(gòu)，研究了氡室內(nèi)氡濃度變化規(guī)律，探討了補(bǔ)氡過程對氡及子體平衡關(guān)系的影響。根據(jù)測量原理進(jìn)行方法選擇，并且對整個(gè)測量系統(tǒng)的組成部分進(jìn)行詳細(xì)分析。根據(jù)氡及其子體的放射平衡關(guān)系，將補(bǔ)氡區(qū)域進(jìn)行濃度劃分，對補(bǔ)氡過程中實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析，通過分析結(jié)果探討了溫濕度、氣溶膠因素對氡室內(nèi)補(bǔ)氡過程中產(chǎn)生的影響。為以后HD-6型氡室的補(bǔ)氡動態(tài)過程提供了實(shí)際數(shù)據(jù)參考和影響因素的分析。

關(guān)鍵詞：氡室 氡及其子體濃度 溫度 濕度 氣溶膠 平衡 參數(shù) 檢驗(yàn)

中圖分類號：TP319；TL81 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（a）-0110-02

1 緒論

1.1 課題背景

在自然環(huán)境中，由地表土壤和巖石中的鈾釷天然放射系所釋放的放射性氣體氡及其子體，通過躍遷方式向地表空氣進(jìn)行擴(kuò)散。人體不慎吸入過多濃度的氡及其子體，核素在人體內(nèi)會發(fā)生放射性衰變引起內(nèi)照射，對人類健康產(chǎn)生很大威脅，世界衛(wèi)生組織（WHO）早已將氡列為了19種主要的致癌物質(zhì)之一[1]，氡及其子體引起的健康問題越來越受到重視。 地球自然條件環(huán)境里主要存在的氡同位素主要有兩種分別為222Rn和220Rn。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）2000年公布了年度報(bào)告[8]，顯示當(dāng)環(huán)境中處于相同濃度同位素氡及其子體時(shí)，在人身體內(nèi)，220Rn及其子體在人體內(nèi)因衰變而產(chǎn)生出來的射劑量要比222Rn及其子體的要多。另外，中國地表土壤和巖石中含有的核素232Th量是世界含量平均值的1.6倍，其衰變后的產(chǎn)物氡及其子體對我國公民的身體健康威脅不容忽視。

1.2 國內(nèi)外的研究概況

目前，我國已有復(fù)旦大學(xué)、上海計(jì)量測試技術(shù)研究院、東華理工大學(xué)等多家研究機(jī)構(gòu)建立氡測量環(huán)境—氡室，開展對氡濃度測量方法的有關(guān)研究。氡的測量方法現(xiàn)在可以分為兩類：（1）主動瞬時(shí)測量法，是對氡及其子體進(jìn)行采樣以瞬間測量方式得出結(jié)果的一種方法。例如：使用閃爍室法或者雙濾膜法對氡濃度進(jìn)行瞬間測量的方法[2]；（2）被動累積測量法，是通過采累積測量方式對氡及其子體的自然擴(kuò)散效應(yīng)進(jìn)行測量[3]。例如：使用固體核徑跡探測方法對氡濃度進(jìn)行累積測量的方法。

1.3 課題意義

氡室的補(bǔ)氡方式是以間歇式動態(tài)補(bǔ)氡方式進(jìn)行的，氡室內(nèi)以對流方式攪拌達(dá)到均勻的，這種動態(tài)補(bǔ)氡技術(shù)確保氡室內(nèi)部的氡濃度得到很好的調(diào)空和穩(wěn)定。由于溫濕度、氣溶膠、氡衰變平衡規(guī)律等客觀因素是不可避免的，所以如何去分析各個(gè)因素在各個(gè)氡濃度范圍內(nèi)補(bǔ)氡過程產(chǎn)生的影響，將誤差較大的補(bǔ)氡過程進(jìn)行修正，是確保氡室標(biāo)定測量和相關(guān)氡室內(nèi)氡及其子體研究準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

2 氡測量環(huán)境的建立

2.1 氡的性質(zhì)

氡是一種放射性惰性氣體，化學(xué)符號為Rn，原子序數(shù)為86，由于惰性氣體化學(xué)性質(zhì)不活潑，不容易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氡氣是地球自然界里密度最大的氣體。氡同位素主要有3種，即222Rn（Radon）、220Rn（Thoron）、219Rn（Actinium emanation）。其中222Rn的半衰期為3.825d、220Rn的半衰期為55.65s、219Rn的半衰期為3.96 s。

2.2 氡室

氡室是一種為測氡儀器校準(zhǔn)和進(jìn)行氡及其子體測量相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定氡濃度環(huán)境的實(shí)驗(yàn)裝置[4]，具有氣密性良好、溫濕度可調(diào)控的特點(diǎn)。氡室可以模擬不同溫濕度參數(shù)下的自然環(huán)境，氡及其子體在氡室內(nèi)呈現(xiàn)均勻分布。

氡室功能如下。

（1）氡及其子體探測器的校準(zhǔn)檢定。

（2）特殊類型儀器校準(zhǔn)和性能測試。

（3）氡及其子體與氣溶膠關(guān)聯(lián)的分析研究。

（4）氡濃度與環(huán)境參數(shù)的自動測控。

（5）檢定證書生成和數(shù)據(jù)分析。

標(biāo)準(zhǔn)氡室（簡稱氡室系統(tǒng)）主要由氡室箱體、氡濃度調(diào)控系統(tǒng)、溫濕度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、氣溶膠發(fā)生裝置系統(tǒng)、廢氣排放控制系統(tǒng)等構(gòu)成[5]。如圖1。

氡室箱體材料主要是以玻璃和不銹鋼材質(zhì)為主。由于固體物質(zhì)對氡都具有一定的吸附作用，對氡室內(nèi)氡濃度空間均勻分布產(chǎn)生不利影響，會使得氡濃度測量產(chǎn)生較大誤差。而玻璃、不銹鋼等材料對氡的吸附作用較小，玻璃透明，能夠便于我們觀察氡室內(nèi)的變化情況，所以選用其作為箱體材料。在氡室箱體的搭建過程中，必須以確保箱體氣密性為目的進(jìn)行。

補(bǔ)氡監(jiān)控系統(tǒng)。

氡室的氡源使用的是氣流式固體氡源，氡源析出率大于99.5%。將固體氡源物質(zhì)置入鋁制容器內(nèi)，加入過濾器和閥門裝置，該氡源的穩(wěn)定性較強(qiáng)[27]。安裝輔助設(shè)備如：氣泵、管路和氣流量檢測系統(tǒng)，對補(bǔ)氡和排氡進(jìn)行準(zhǔn)確控制，從而確保以恒定的氡發(fā)生率向氡室內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)氡，以抵消氡室內(nèi)因氡自身衰變和室壁結(jié)構(gòu)所引起的泄漏率，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)維持氡室內(nèi)氡濃度的相對恒定狀態(tài)。

補(bǔ)氡的起終控制是由氡室監(jiān)控系統(tǒng)來控制的，監(jiān)控系統(tǒng)主要是由德國Genitron 公司生產(chǎn)的Alpha Guard、北京核儀器廠生產(chǎn)的FD125氡釷分析儀。

氡探測器以及計(jì)算機(jī)、氣泵控制箱構(gòu)成的[6]。監(jiān)控系統(tǒng)采用流氣式循環(huán)測量方式，從室內(nèi)取少量氣體，經(jīng)過探測室進(jìn)行探測，再經(jīng)氣泵返回氡室內(nèi)部，形成一種循環(huán)采樣監(jiān)控系統(tǒng)。

由于氡室內(nèi)受空調(diào)和風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的氣流作用，使得室內(nèi)的氡及其子體呈均勻分布，使得進(jìn)入探測器內(nèi)的氡及其子體濃度與室內(nèi)濃度保持一致，這就確保了探測器所測量的氡濃度值能夠正確反應(yīng)現(xiàn)有氡室濃度。由于不同類型的氡探測器基于原理也有所不同。一邊采用求取均值和共同測量比對方式，提高氡室內(nèi)氡濃度的測量準(zhǔn)確性。氡室采取10 min為時(shí)間單位作為測量時(shí)間刻度，對室內(nèi)氡濃度進(jìn)行24 h監(jiān)控。endprint

3 氡室氡濃度的穩(wěn)定技術(shù)

氡室是一種為測氡儀器提供穩(wěn)定氡濃度環(huán)境的校正裝置。其氡室內(nèi)氡濃度的變化規(guī)律受氡自身衰變規(guī)律、箱體內(nèi)部材料對氡的吸附量和箱體工藝而產(chǎn)生的泄漏等方面的影響[7]。因此氡室內(nèi)的氡濃度不可能達(dá)到一個(gè)長期穩(wěn)定的狀態(tài)，需要對其進(jìn)行穩(wěn)定控制，將氡室內(nèi)的氡濃度控制在一定的范圍內(nèi)。為了更好地控制氡室內(nèi)氡濃度的穩(wěn)定，首先要求我們對氡室內(nèi)各個(gè)階段氡濃度變化規(guī)律進(jìn)行分析。

4 影響補(bǔ)氡過程中因素的理論分析

氡室內(nèi)良好的氣密性確保了其他外在過多因素的干擾，由于采取以控制時(shí)間因素的動態(tài)補(bǔ)氡方法，排除了測氡儀器的瞬時(shí)失真對整個(gè)補(bǔ)氡過程造成影響，所以其補(bǔ)氡過程中氡濃度實(shí)際變化規(guī)律主要是受到氡的衰變性和各種外在客觀因數(shù)（如漏氣、濕度波動、溫度波動、氣溶膠等）的干擾[7]。

4.1 放射平衡規(guī)律對補(bǔ)氡過程的影響

無論是首次補(bǔ)氡和間接性補(bǔ)氡方式，新補(bǔ)入的氡必然會改變原有氡室內(nèi)氡與其子體的放射性衰變平衡關(guān)系，所以有必要對氡室補(bǔ)氡過程中，氡室內(nèi)氡及其子體的放射性平衡關(guān)系進(jìn)行研究。由于氡的三個(gè)同位素：222Rn的半衰期為3.825d、219Rn的半衰期為3.96s、220Rn的半衰期為55.65 s。由于222Rn的半衰期最長，當(dāng)母體222Rn的半衰期比子體的半衰期要長很多，即T母>>T子（或λ母<<λ子），并且在觀察時(shí)間內(nèi)，看不出母體的放射性衰變情況，在一段時(shí)間以后（t>>7T子），子體的核數(shù)目和放射性活度達(dá)到飽和，并且母體和子體的放射性活度相等，從而達(dá)到長期放射平衡。

4.2 溫度對補(bǔ)氡過程氡濃度的影響

氡在氡室空間中主要是以擴(kuò)散和對流方式為主，氡的擴(kuò)散運(yùn)移主要是由于分子的熱運(yùn)動引起的。布朗運(yùn)動是一種分子無規(guī)則的熱運(yùn)動的擴(kuò)散方式，用擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行描述，擴(kuò)散系數(shù)與溫度成正比關(guān)系。

4.3 濕度、氣溶膠對補(bǔ)氡過程氡濃度的影響

濕度對氡室補(bǔ)氡過程中氡濃度變化并沒有任何的影響，只是會對其子體濃度產(chǎn)生較大影響，由于實(shí)際采用閃爍室型探測器對氡室內(nèi)氡濃度進(jìn)行測量，子體的濃度變化會嚴(yán)重影響采樣氣體中а粒子的貢獻(xiàn)量，使得實(shí)際測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大誤差。氡子體218Po會與空氣中的水分子發(fā)生吸附效應(yīng)，對氡室進(jìn)行補(bǔ)氡的過程中，由于風(fēng)機(jī)在室內(nèi)形成的氣流攪拌作用，更使得氡子體218Po與空氣中的水分子吸附效應(yīng)增大。由于結(jié)合態(tài)子體在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)大于未結(jié)合子體的擴(kuò)散系數(shù)，使得進(jìn)入閃爍室內(nèi)的子體增多，導(dǎo)致α粒子貢獻(xiàn)量變大，使得測量數(shù)值比實(shí)際理論數(shù)值偏大，造成誤差。

5 結(jié)語

5.1 課題總結(jié)

終上所述，本論文基于氡室設(shè)備對氡室內(nèi)各個(gè)濃度區(qū)域補(bǔ)氡過程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并對氡室內(nèi)氡濃度的衰減和積累規(guī)律進(jìn)行研究，補(bǔ)氡過程對氡室內(nèi)的放射平衡關(guān)系進(jìn)行實(shí)際測量數(shù)據(jù)分析，探究溫濕度、氣溶膠對補(bǔ)氡過程中所產(chǎn)生的相關(guān)影響。

參考文獻(xiàn)

[1] Ethel S.Gilbert.氡暴露的健康效應(yīng)[J].放射性醫(yī)學(xué)核醫(yī)學(xué)分冊，1999，123（4）：174-176.

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[6] 唐方東，何林鋒，王振基，等.核電子學(xué)與探測技術(shù)[J].2009，29（2）：285-288.

[7] 劉覺夫，萬駿，張錦由.氡室中氡量變化規(guī)律的數(shù)字模型[J].華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1996（2）：148.

[8] 孔令豐，張春粦，潘萌，等.室內(nèi)氡遷移轉(zhuǎn)換規(guī)律及其防護(hù)措施[J].暨南大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（1）：48-53.endprint

3 氡室氡濃度的穩(wěn)定技術(shù)

氡室是一種為測氡儀器提供穩(wěn)定氡濃度環(huán)境的校正裝置。其氡室內(nèi)氡濃度的變化規(guī)律受氡自身衰變規(guī)律、箱體內(nèi)部材料對氡的吸附量和箱體工藝而產(chǎn)生的泄漏等方面的影響[7]。因此氡室內(nèi)的氡濃度不可能達(dá)到一個(gè)長期穩(wěn)定的狀態(tài)，需要對其進(jìn)行穩(wěn)定控制，將氡室內(nèi)的氡濃度控制在一定的范圍內(nèi)。為了更好地控制氡室內(nèi)氡濃度的穩(wěn)定，首先要求我們對氡室內(nèi)各個(gè)階段氡濃度變化規(guī)律進(jìn)行分析。

4 影響補(bǔ)氡過程中因素的理論分析

氡室內(nèi)良好的氣密性確保了其他外在過多因素的干擾，由于采取以控制時(shí)間因素的動態(tài)補(bǔ)氡方法，排除了測氡儀器的瞬時(shí)失真對整個(gè)補(bǔ)氡過程造成影響，所以其補(bǔ)氡過程中氡濃度實(shí)際變化規(guī)律主要是受到氡的衰變性和各種外在客觀因數(shù)（如漏氣、濕度波動、溫度波動、氣溶膠等）的干擾[7]。

4.1 放射平衡規(guī)律對補(bǔ)氡過程的影響

無論是首次補(bǔ)氡和間接性補(bǔ)氡方式，新補(bǔ)入的氡必然會改變原有氡室內(nèi)氡與其子體的放射性衰變平衡關(guān)系，所以有必要對氡室補(bǔ)氡過程中，氡室內(nèi)氡及其子體的放射性平衡關(guān)系進(jìn)行研究。由于氡的三個(gè)同位素：222Rn的半衰期為3.825d、219Rn的半衰期為3.96s、220Rn的半衰期為55.65 s。由于222Rn的半衰期最長，當(dāng)母體222Rn的半衰期比子體的半衰期要長很多，即T母>>T子（或λ母<<λ子），并且在觀察時(shí)間內(nèi)，看不出母體的放射性衰變情況，在一段時(shí)間以后（t>>7T子），子體的核數(shù)目和放射性活度達(dá)到飽和，并且母體和子體的放射性活度相等，從而達(dá)到長期放射平衡。

4.2 溫度對補(bǔ)氡過程氡濃度的影響

氡在氡室空間中主要是以擴(kuò)散和對流方式為主，氡的擴(kuò)散運(yùn)移主要是由于分子的熱運(yùn)動引起的。布朗運(yùn)動是一種分子無規(guī)則的熱運(yùn)動的擴(kuò)散方式，用擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行描述，擴(kuò)散系數(shù)與溫度成正比關(guān)系。

4.3 濕度、氣溶膠對補(bǔ)氡過程氡濃度的影響

濕度對氡室補(bǔ)氡過程中氡濃度變化并沒有任何的影響，只是會對其子體濃度產(chǎn)生較大影響，由于實(shí)際采用閃爍室型探測器對氡室內(nèi)氡濃度進(jìn)行測量，子體的濃度變化會嚴(yán)重影響采樣氣體中а粒子的貢獻(xiàn)量，使得實(shí)際測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大誤差。氡子體218Po會與空氣中的水分子發(fā)生吸附效應(yīng)，對氡室進(jìn)行補(bǔ)氡的過程中，由于風(fēng)機(jī)在室內(nèi)形成的氣流攪拌作用，更使得氡子體218Po與空氣中的水分子吸附效應(yīng)增大。由于結(jié)合態(tài)子體在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)大于未結(jié)合子體的擴(kuò)散系數(shù)，使得進(jìn)入閃爍室內(nèi)的子體增多，導(dǎo)致α粒子貢獻(xiàn)量變大，使得測量數(shù)值比實(shí)際理論數(shù)值偏大，造成誤差。

5 結(jié)語

5.1 課題總結(jié)

終上所述，本論文基于氡室設(shè)備對氡室內(nèi)各個(gè)濃度區(qū)域補(bǔ)氡過程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并對氡室內(nèi)氡濃度的衰減和積累規(guī)律進(jìn)行研究，補(bǔ)氡過程對氡室內(nèi)的放射平衡關(guān)系進(jìn)行實(shí)際測量數(shù)據(jù)分析，探究溫濕度、氣溶膠對補(bǔ)氡過程中所產(chǎn)生的相關(guān)影響。

參考文獻(xiàn)

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[8] 孔令豐，張春粦，潘萌，等.室內(nèi)氡遷移轉(zhuǎn)換規(guī)律及其防護(hù)措施[J].暨南大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（1）：48-53.endprint

3 氡室氡濃度的穩(wěn)定技術(shù)

氡室是一種為測氡儀器提供穩(wěn)定氡濃度環(huán)境的校正裝置。其氡室內(nèi)氡濃度的變化規(guī)律受氡自身衰變規(guī)律、箱體內(nèi)部材料對氡的吸附量和箱體工藝而產(chǎn)生的泄漏等方面的影響[7]。因此氡室內(nèi)的氡濃度不可能達(dá)到一個(gè)長期穩(wěn)定的狀態(tài)，需要對其進(jìn)行穩(wěn)定控制，將氡室內(nèi)的氡濃度控制在一定的范圍內(nèi)。為了更好地控制氡室內(nèi)氡濃度的穩(wěn)定，首先要求我們對氡室內(nèi)各個(gè)階段氡濃度變化規(guī)律進(jìn)行分析。

4 影響補(bǔ)氡過程中因素的理論分析

氡室內(nèi)良好的氣密性確保了其他外在過多因素的干擾，由于采取以控制時(shí)間因素的動態(tài)補(bǔ)氡方法，排除了測氡儀器的瞬時(shí)失真對整個(gè)補(bǔ)氡過程造成影響，所以其補(bǔ)氡過程中氡濃度實(shí)際變化規(guī)律主要是受到氡的衰變性和各種外在客觀因數(shù)（如漏氣、濕度波動、溫度波動、氣溶膠等）的干擾[7]。

4.1 放射平衡規(guī)律對補(bǔ)氡過程的影響

無論是首次補(bǔ)氡和間接性補(bǔ)氡方式，新補(bǔ)入的氡必然會改變原有氡室內(nèi)氡與其子體的放射性衰變平衡關(guān)系，所以有必要對氡室補(bǔ)氡過程中，氡室內(nèi)氡及其子體的放射性平衡關(guān)系進(jìn)行研究。由于氡的三個(gè)同位素：222Rn的半衰期為3.825d、219Rn的半衰期為3.96s、220Rn的半衰期為55.65 s。由于222Rn的半衰期最長，當(dāng)母體222Rn的半衰期比子體的半衰期要長很多，即T母>>T子（或λ母<<λ子），并且在觀察時(shí)間內(nèi)，看不出母體的放射性衰變情況，在一段時(shí)間以后（t>>7T子），子體的核數(shù)目和放射性活度達(dá)到飽和，并且母體和子體的放射性活度相等，從而達(dá)到長期放射平衡。

4.2 溫度對補(bǔ)氡過程氡濃度的影響

氡在氡室空間中主要是以擴(kuò)散和對流方式為主，氡的擴(kuò)散運(yùn)移主要是由于分子的熱運(yùn)動引起的。布朗運(yùn)動是一種分子無規(guī)則的熱運(yùn)動的擴(kuò)散方式，用擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行描述，擴(kuò)散系數(shù)與溫度成正比關(guān)系。

4.3 濕度、氣溶膠對補(bǔ)氡過程氡濃度的影響

濕度對氡室補(bǔ)氡過程中氡濃度變化并沒有任何的影響，只是會對其子體濃度產(chǎn)生較大影響，由于實(shí)際采用閃爍室型探測器對氡室內(nèi)氡濃度進(jìn)行測量，子體的濃度變化會嚴(yán)重影響采樣氣體中а粒子的貢獻(xiàn)量，使得實(shí)際測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大誤差。氡子體218Po會與空氣中的水分子發(fā)生吸附效應(yīng)，對氡室進(jìn)行補(bǔ)氡的過程中，由于風(fēng)機(jī)在室內(nèi)形成的氣流攪拌作用，更使得氡子體218Po與空氣中的水分子吸附效應(yīng)增大。由于結(jié)合態(tài)子體在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)大于未結(jié)合子體的擴(kuò)散系數(shù)，使得進(jìn)入閃爍室內(nèi)的子體增多，導(dǎo)致α粒子貢獻(xiàn)量變大，使得測量數(shù)值比實(shí)際理論數(shù)值偏大，造成誤差。

5 結(jié)語

5.1 課題總結(jié)

終上所述，本論文基于氡室設(shè)備對氡室內(nèi)各個(gè)濃度區(qū)域補(bǔ)氡過程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并對氡室內(nèi)氡濃度的衰減和積累規(guī)律進(jìn)行研究，補(bǔ)氡過程對氡室內(nèi)的放射平衡關(guān)系進(jìn)行實(shí)際測量數(shù)據(jù)分析，探究溫濕度、氣溶膠對補(bǔ)氡過程中所產(chǎn)生的相關(guān)影響。

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