測量環(huán)境中氡濃度的相關(guān)方法研究

摘 要：文章研究了環(huán)境中氡濃度變化規(guī)律，探討了自然因素對氡及子體平衡關(guān)系的影響。根據(jù)氡及其子體的放射平衡關(guān)系進(jìn)行具體分析，通過分析結(jié)果探討了溫濕度、氣溶膠因素對環(huán)境中氡測量過程中產(chǎn)生的影響。避免了濕度、氣溶膠等因素對環(huán)境氡測量過程產(chǎn)生較大影響，提高測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：氡及其子體濃度；溫度；濕度；氣溶膠

1 研究背景

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。氡及其子體被人體吸入后，會在人體內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)照射，對人類身體健康造成巨大損害，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]，氡及其子體的危害越受到人們的重視。自然環(huán)境中主要存在的氡同位素主要有兩種分別是222Rn和220Rn。在進(jìn)入人體的情況下，220Rn及其子體所產(chǎn)生的內(nèi)照射劑量要比222Rn及其子體的要多。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類開始研究多種測量方法，對氡及其子體濃度進(jìn)行準(zhǔn)確地測量和監(jiān)控，并對氡的遷移機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)性地分析和研究。無論是放射性氣體監(jiān)控、環(huán)境放射性化學(xué)分析、氡對人體的危害研究，都需要以實(shí)現(xiàn)220Rn和222Rn濃度的準(zhǔn)確測量作為基礎(chǔ)，氡的測量與行為特征研究是一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容，各個(gè)國家紛紛加入其中，建立各種氡測量環(huán)境，進(jìn)行氡及其子體的相關(guān)研究。

2 氡的性質(zhì)

2.1 氡的衰變性

由于氡是由鐳衰變后所產(chǎn)生的，設(shè)母體鐳226Ra的原子數(shù)目為N1，其母體衰變系數(shù)為λ1；子體氡的原子數(shù)目為N2，其衰變系數(shù)為λ2。子體的累積時(shí)間為t，由衰變累積效應(yīng)可得：

由于母體鐳226Ra的半衰期為1600年，而氡的同位素222Rn、220Rn、219Rn的半衰期分別為3.825d、55.65s、3.96s。對于所有氡同位素來說，母體鐳的衰變系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于子體氡的同位素衰變系數(shù)，即？姿1？塏？姿2，則公式可簡化為：

由該公式我們可得出子體氡與母體鐳的原子數(shù)目關(guān)系。由于多數(shù)氡室的氡源采用以固體鐳作為源材料，所以了解其母子體的衰變累積效應(yīng)是十分重要的。

由鐳衰變而來的氡并不穩(wěn)定，會進(jìn)一步衰變產(chǎn)生218Po，214Pb，214Bi，214Po等短壽命子體。

測量氡濃度的方法都是通過測量氡及其子體衰變所產(chǎn)生的α粒子數(shù)目進(jìn)行計(jì)算所得到，所以研究其子體的衰變方式從而得到α粒子的貢獻(xiàn)量，是準(zhǔn)確測量氡濃度的關(guān)鍵所在。

2.2 氡的輻射性

氡同位素是由鐳同位素衰變而產(chǎn)生的。其中主要氡的同位素是222Rn，它的輻射性質(zhì)：半衰期3.825天，衰變常數(shù)2.097×10-4s-1。粒子α的能量5.481MeV，和在空氣中的射程4.04cm。氡同位素220Rn、219Rn都具有類似的輻射性質(zhì)。

2.3 氡的吸附性

氡具有容易被固體物質(zhì)吸附的性質(zhì)，這種吸附特性屬于物理吸附，吸附性的強(qiáng)弱是以吸附系數(shù)來描述的，其吸附系數(shù)與溫度成函數(shù)關(guān)系。以活性炭為例，其吸附系數(shù)會隨著溫度的升高而減?。环粗?，則吸附系數(shù)會增大。當(dāng)溫度升高至200℃時(shí)，活性炭會完全釋放出全部被它吸附的氡。除此外，還有很多能吸附氡的材料，如硅膠、聚乙烯等。在低溫狀態(tài)下，氡可直接凝固在器壁上。

2.4 氡的溶解性

氡能溶于水，溶解后氡與水分子成暫時(shí)結(jié)合作用，氡在水中的溶解系數(shù)與溫度和水的礦化度有關(guān)，其溶解系數(shù)會隨溫度和礦化度的下降而增大。氡在有機(jī)溶劑（非水）中的溶解度大于在水中的溶解度。

2.5 氡的躍遷規(guī)律

從30年代以來，對氡的遷移的系統(tǒng)性研究就開始進(jìn)行，氡遷移作用主要來自兩個(gè)方面：內(nèi)因和外因。氡遷移的內(nèi)因包括擴(kuò)散作用、對流作用、溫度等等。氡遷移的外因包括抽吸作用、地?zé)嶙饔?、氣流模型等等、?nèi)因和外因共同作用引起的氡在空氣中進(jìn)行遷移[4]。

2.6 氡在空氣中的運(yùn)移

氡在空氣中主要是以擴(kuò)散和對流方式進(jìn)行運(yùn)移，由于空氣中放射性元素鈾、鐳的含量極少，則可將空氣視為無氡源介質(zhì)層，土壤中的氡擴(kuò)散到空氣中以后，因氣象因素和大氣的稀釋作用，其濃度成減小趨勢變化。由于氡在空氣中的運(yùn)移受到許多因素的影響。

測氡裝置主要有四種類型：分別是電離室型、閃爍室型、金硅面壘半導(dǎo)體型和固體徑跡探測器。每一種測氡裝置其基本原理都是單位時(shí)間內(nèi)氡及其子體輻射出的α粒子使探測器產(chǎn)生的計(jì)數(shù)（或電離電流強(qiáng)度或α徑跡密度）正比于氡濃度值[5]。

電離室型探測器的工作原理為：當(dāng)氡及其子體進(jìn)入電離室后，氡及其子體衰變所釋放出的α粒子使得電離室內(nèi)氣體發(fā)生電離，電離室內(nèi)中央電極收集的正電子，使得靜電計(jì)中的石英絲由于外電場的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)程度與電離粒子數(shù)成正比，從而也跟氡濃度成正比。由于靈敏度較低，不適合于低濃度測量情況。金硅面壘半導(dǎo)體型探測器的工作原理與氣體電離室相似，當(dāng)氡及其子體衰變所釋放的α粒子射入勢壘區(qū)后，會產(chǎn)生電子對，由于勢壘區(qū)內(nèi)電場強(qiáng)度大，電子對迅速向兩極移動并被收集，產(chǎn)生電子脈沖，其電子脈沖數(shù)與氡濃度成正比關(guān)系。由于在低偏壓時(shí)，分辨率較低，一般不予采用。

固體徑跡探測器的工作原理是：當(dāng)氡及其子體衰變所釋放的α粒子進(jìn)去探測器后，在其路徑上會產(chǎn)生輻射損傷經(jīng)跡，通過電子顯微鏡進(jìn)行數(shù)值計(jì)量，其計(jì)數(shù)與氡濃度成正比關(guān)系。其缺點(diǎn)在于固體徑跡探測器受溫度影響較大，溫度會嚴(yán)重影響測量的準(zhǔn)確性。相對于以上三種測量方法，閃爍室法的工作原理為：氡及其子體進(jìn)入閃爍室后，氡與其子體衰變所釋放的α粒子使得閃爍室壁的ZnS（Ag）產(chǎn)生閃光，閃光通過光電倍增管，將光信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電信號并進(jìn)行放大，由電子線路進(jìn)行信號收集和記錄，單位時(shí)間的電子脈沖數(shù)與氡濃度成正比，從而可確定氡室內(nèi)氡濃度。由于探測下限可與閃爍室?guī)缀涡螤钣嘘P(guān)，大大提高探測效率。所以本次測量選用的是閃爍室式探測器進(jìn)行補(bǔ)氡過程氡濃度檢測。氡引入氡室后，作為母元素的氡將如下系列衰變：

氡及其子體的活度數(shù)A趨于穩(wěn)定并達(dá)到最大值。處于放射性平衡下進(jìn)行測量，極易得到氡濃度的準(zhǔn)確值。此式充分地說明，222Rn（Rn）、218Po（RaA）、214Po（RaC'）在4h以后其活度相等，它們之間達(dá)到了放射性平衡，此時(shí)222Rn產(chǎn)生的脈沖總計(jì)數(shù)僅為儀器總計(jì)數(shù)的三分之一。

由于氡及其子體的輻射出α粒子使閃爍室中ZnS（Ag）晶體中的分子或原子激發(fā)產(chǎn)生閃光，單位時(shí)間內(nèi)閃光數(shù)量越多，說明氡及其子體的放射性活度越大，于是測量這些閃光產(chǎn)生的電脈沖數(shù)量就可以確定氡氣的濃度。

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（4）：174-176.

[2]孔令豐，張春 ，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.

[3]GB/T 16147-1995.空氣中氡濃度的閃爍瓶測量法[S].

[4]劉鴻福.氧及其子體運(yùn)移的實(shí)驗(yàn)研究與機(jī)理探討[D].成都：成都理工大學(xué)，1997.

[5]吳慧山，林玉屹，等.氧測量的方法與應(yīng)用[M].北京：原子能出版社，1995.

作者簡介：姚磊（1985，11-），男，山東省濟(jì)寧市，現(xiàn)職稱：助理工程師，學(xué)歷：碩士研究生，研究方向：放射性環(huán)境監(jiān)測。