閃爍室法現(xiàn)場(chǎng)水中氡濃度測(cè)量及其儀器功能開(kāi)發(fā)

李金鳳，張兆山，胡小華，韓耀照

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029）

閃爍室法現(xiàn)場(chǎng)水中氡濃度測(cè)量及其儀器功能開(kāi)發(fā)

李金鳳，張兆山，胡小華，韓耀照

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029）

ZnS（Ag）閃爍室法水中氡濃度測(cè)量?jī)x具有準(zhǔn)確度高，探測(cè)下限低，操作簡(jiǎn)便，受濕度影響小的優(yōu)點(diǎn)。從方法原理、測(cè)量裝置及軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，探討了影響儀器測(cè)量準(zhǔn)確性的因素。用液體鐳源測(cè)試的結(jié)果驗(yàn)證了儀器的線(xiàn)性和準(zhǔn)確性，其線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為0.981 1，相對(duì)誤差為-17.16%～10.21%；并與RAD7測(cè)氡儀水中氡濃度測(cè)量的數(shù)據(jù)作對(duì)比，相對(duì)誤差在-14.28%～18.57%。

水；氡濃度；ZnS（Ag）閃爍室法

氡（Rn）是一種天然放射性惰性氣體，溶解于水，其溶解度系數(shù)取決于水的溫度和壓力。水中氡作用于人體有兩種方式:一種為釋放到空氣中后被人體吸入；另一種為人體直接飲入含氡的水。這兩種方式都會(huì)造成氡對(duì)人體的內(nèi)照射，形成很大危害。美國(guó)國(guó)家環(huán)保局（EPA）估計(jì)，每年死于由水中氡引起的癌癥168人，其中89%為肺癌，11%為胃癌［1］。為此，1991年美國(guó)建立飲用水中氡濃度的MCL（最大污染水平）限值為11.1Bq·L-1［2］。隨后EU和WHO相繼建立了水中氡的控制標(biāo)準(zhǔn)［3］。我國(guó)針對(duì)水中氡濃度的控制，目前還沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)。

為了減小和控制水中氡對(duì)人體的危害，科學(xué)準(zhǔn)確地測(cè)量水中氡濃度顯得尤為重要。因此，世界上有許多國(guó)家都在積極探索和研究水中氡測(cè)量方法及儀器。常用的水中氡測(cè)量方法有閃爍室法、靜電收集法、電離室法、固體徑跡法、駐極體法等［3］；目前，國(guó)內(nèi)、外具有水中氡測(cè)量功能的儀器有:美國(guó)的RAD7測(cè)氡儀、德國(guó)SARAD公司生產(chǎn)的RTM1688-2連續(xù)測(cè)氡儀、EQF3200型測(cè)氡儀，國(guó)內(nèi)有FD3017測(cè)氡儀、FD125氡釷測(cè)量?jī)x、RLM-I測(cè)氡儀、HDC型測(cè)氡儀等。本文著重于ZnS（Ag）閃爍室法在水中氡濃度測(cè)量中的應(yīng)用研究及測(cè)量?jī)x軟硬件開(kāi)發(fā)。結(jié)果表明，ZnS（Ag）閃爍室法是一種快速、準(zhǔn)確、可滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方法。

1 水中氡濃度測(cè)量原理

1.1 方法簡(jiǎn)介

靜電收集法以使用金硅面壘探測(cè)器為例，雖然探測(cè)下限低，但是它的收集效率受相對(duì)濕度影響，在高濃度測(cè)量時(shí)，響應(yīng)因子因輻射損傷而降低，且金硅面壘探測(cè)器的損傷是不可逆的［4］；電離室法方法可靠，測(cè)量速度較快，但靈敏度較閃爍室法低，現(xiàn)場(chǎng)使用不方便；固體徑跡法、駐極體法體積較小，適宜攜帶，但因測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，不適合水中氡的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；閃爍室法探測(cè)下限低，操作簡(jiǎn)便，靈敏度高，受濕度影響小，但閃爍室易受污染。

綜合分析，由于閃爍室的靈敏面積大，測(cè)量靈敏度比RAD7、FD3017等使用的半導(dǎo)體探測(cè)器高很多；再加上由ZnS（Ag）組成的閃爍室，受濕度影響小，在60%～70%的相對(duì)濕度條件下對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不大［5］。雖然閃爍室易受污染，但可以采取措施減小影響。因此，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)水中氡濃度測(cè)量?jī)x器的開(kāi)發(fā)，選用了ZnS（Ag）閃爍室法。

1.2 測(cè)量方式—閉環(huán)循環(huán)法

水中氡濃度測(cè)量關(guān)鍵環(huán)節(jié):1）如何把水中氡“趕”出來(lái)；2）如何收集和準(zhǔn)確測(cè)量從水中釋放的氡濃度。

首先用取樣瓶取水樣，儀器與取樣瓶連接形成一個(gè)閉環(huán)、密封的回路，內(nèi)置泵通過(guò)排氣回路與取樣瓶連接，從采樣水中鼓出氣泡，將溶解于采樣水中的氡氣釋放并轉(zhuǎn)移至儀器的循環(huán)回路，通過(guò)儀器進(jìn)氣口進(jìn)入閃爍室測(cè)量（圖1）。

圖1 閉環(huán)循環(huán)法水中氡測(cè)量裝置Fig.1Water radon measurement device with closed-loop circulation method

取樣瓶的出氣口裝有干燥劑，進(jìn)氣口有定向閥門(mén)，避免因水氣吸入或不正當(dāng)操作而損壞探測(cè)器。反復(fù)循環(huán)鼓氣，由于氣泡表面積很大，可以十分有效地提高氡從水中的釋放效率。當(dāng)鼓氣時(shí)間足以使氣體回路中的氡濃度和水中氡濃度達(dá)到平衡時(shí)，就可以通過(guò)測(cè)量閃爍室內(nèi)的氣體氡濃度來(lái)得到水中的氡濃度值。

計(jì)算水中氡濃度公式如下［6］:

式中:CRn，水—水樣中的氡濃度，Bq·L-1；K—儀器的刻度系數(shù)，s·（Bq·L-1）-1，K＝1/體積活度響應(yīng)；N—包含了本底在內(nèi)的樣品計(jì)數(shù)率，s-1；n—本底計(jì)數(shù)率，s-1；V總—循環(huán)系統(tǒng)總體積，L；V水—取水樣體積，L；exp（-λt）—氡衰變指數(shù)函數(shù)，本儀器為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x，取樣后立即測(cè)量，可視衰變時(shí)間為0，因此軟件中此項(xiàng)值為1。

1.3 儀器原理

在天然放射性衰變系列中，氡及其子體輻射出不同能量的α粒子。水中氡從取樣瓶進(jìn)入閃爍室后，其輻射的α粒子使閃爍室內(nèi)的ZnS（Ag）涂層發(fā)光，光電倍增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電脈沖，再經(jīng)過(guò)放大、整形、脈沖幅度分析和數(shù)據(jù)處理，由單片機(jī)構(gòu)成的控制及測(cè)量電路對(duì)其定時(shí)計(jì)數(shù)（圖2）。在一定條件下，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)率N與氡濃度CRn成正比，經(jīng)刻度后的儀器，可以根據(jù)單位時(shí)間的計(jì)數(shù)率得到氡的濃度值CRn。

2 ZnS（Ag）閃爍法水中氡濃度測(cè)量?jī)x軟硬件設(shè)計(jì)

本儀器是在已有環(huán)境空氣氡測(cè)量?jī)x的基礎(chǔ)上，根據(jù)水中氡的測(cè)量需求進(jìn)行功能擴(kuò)展而設(shè)計(jì)的。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

主要介紹水中氡濃度循環(huán)收集回路設(shè)計(jì)。

儀器內(nèi)置薄膜泵，進(jìn)行主動(dòng)吸氣。主機(jī)外接的鼓氣裝置采用硅膠管連接，避免橡膠管對(duì)氡子體的吸附［7］，密閉性好，防止氡泄漏。連接線(xiàn)各條長(zhǎng)80 cm左右，過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都會(huì)影響到測(cè)量準(zhǔn)確度（與刻度條件一致）；取樣瓶?jī)?nèi)的鼓氣管由硅膠軟管、有機(jī)玻璃鼓氣管和鼓氣嘴組成（圖3）。取樣瓶分400 mL和80 mL兩種規(guī)格，前者用于測(cè)量水樣品中低氡濃度，后者用于測(cè)量水樣品中高氡濃度。當(dāng)濃度很高時(shí)，測(cè)量前需要對(duì)樣品進(jìn)行稀釋。

圖2 閃爍室法測(cè)量水中氡原理圖Fig.2Diagram showing water radon measuring principle with scintillation chamber method

圖3 取樣瓶剖面圖Fig.3Profile of sampling bottle

關(guān)鍵環(huán)節(jié):①鼓氣系統(tǒng)設(shè)計(jì):對(duì)于水中氡測(cè)量，如何將水中氡“趕”干凈，這已成為測(cè)量是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，對(duì)于鼓氣裝置的設(shè)計(jì)和材料的選擇很關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)內(nèi)置薄膜泵對(duì)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行吹氣，與葉輪泵相比，密閉性很好，不漏氣，吹氣效果好；取樣瓶的設(shè)計(jì)，利于氡氣從水中逸出；采用硅膠管連接，與橡膠材料相比氡子體不易粘在內(nèi)壁上，減少氡的損失。②冷凝水問(wèn)題:如果采樣水溫度高于測(cè)量腔室溫度，在測(cè)量過(guò)程中就容易產(chǎn)生冷凝水而影響測(cè)量結(jié)果。本設(shè)計(jì)在采樣瓶的出氣口裝有干燥劑，可以有效解決這一問(wèn)題。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

程序采用C51語(yǔ)言編寫(xiě)，模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)，包括:主程序main、定時(shí)器中斷服務(wù)子程序Time2、外部秒中斷服務(wù)子程序Exinter 0、計(jì)數(shù)中斷服務(wù)子程序Time0、運(yùn)算子程序CalAndDis和外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序等，水中氡測(cè)量軟件流程圖如圖4所示。

圖4 水中氡濃度測(cè)量軟件流程圖Fig.4Flow chart of water radon measurement software

3 水中氡濃度測(cè)量

3.1 儀器刻度

本儀器由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的氡室刻度。具體刻度過(guò)程:將由氡室引出的已知濃度的氡氣通過(guò)硅膠管連接引入儀器內(nèi)置閃爍室內(nèi)，而后通過(guò)抽氣泵進(jìn)行抽氣，使整個(gè)密封系統(tǒng)達(dá)到氡均勻分布，進(jìn)行多次測(cè)量計(jì)算測(cè)量系統(tǒng)的讀數(shù)與氣體氡濃度之間的關(guān)系，即刻度系數(shù)［6］。

式中:CRn—由水中析出至空氣的氣體氡濃度，Bq·L-1（常用單位為Bq·m-3，這里因需與水中氡濃度單位保持一致，全部取體積為L(zhǎng)）；K—儀器刻度系數(shù)，s·（Bq·L-1）-1；N—包含了本底在內(nèi)的樣品計(jì)數(shù)率，s-1；n—本底計(jì)數(shù)率，s-1。

測(cè)出氣體氡濃度之后，由公式（1）計(jì)算出水中氡濃度。

3.2 測(cè)量流程及注意事項(xiàng)

1）將采樣水緩慢倒入取樣瓶，加至規(guī)定容量，蓋緊取樣瓶。連接好儀器主機(jī)與閉環(huán)鼓氣系統(tǒng)。2）儀器預(yù)熱15 min后，啟動(dòng)“水中氡測(cè)量”，進(jìn)行取樣瓶體積的選擇，儀器將自動(dòng)順序完成下列全部的測(cè)量過(guò)程:①本底測(cè)量10 min；②充氣階段，閉合回路中的氣體開(kāi)始循環(huán)流動(dòng)，產(chǎn)生鼓氣泡，充氣5 min；等待氡由水轉(zhuǎn)移至空氣的過(guò)程基本完成，達(dá)到平衡狀態(tài)；③儀器進(jìn)入“正在測(cè)量”狀態(tài)，測(cè)量11 min，此時(shí)將取樣瓶與儀器連接的2根硅膠管斷開(kāi)；④測(cè)量完畢，排氣5 min；3）測(cè)量周期結(jié)束后，讀取水中氡濃度值。

在測(cè)量樣品時(shí)需注意:①減少和消除儀器本底:ZnS（Ag）閃爍室法測(cè)量水中氡濃度最大的缺點(diǎn)是閃爍室易受污染。為了確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，必須排除測(cè)量前測(cè)氡儀探測(cè)器的污染，實(shí)際操作過(guò)程中，一般都是用空氣凈化，為了盡量減小本底影響，需進(jìn)行本底校正。②采集樣品放置時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，應(yīng)采樣后立刻測(cè)量，如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)就應(yīng)考慮衰變校正。

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

儀器水中氡濃度測(cè)量范圍為:0.003～100 Bq·L-1，水中氡測(cè)量時(shí)間周期:31 min。

3.3.1 液體鐳源測(cè)試儀器的線(xiàn)性和準(zhǔn)確性

準(zhǔn)備7個(gè)不同含量、同一體積的液體鐳源:0.36、0.401 2、0.410、0.428、29.2、40.79和49.26 Bq。為得到更多不同已知含量的樣品，對(duì)3個(gè)較高活度樣品鼓氣后進(jìn)行密封，根據(jù)密封時(shí)間的不同由公式（3）來(lái)計(jì)算累積氡的活度。

式中:A—累積氡的活度，Bq；A0—的活度，Bq；λ—衰變常數(shù)，0.181 31 d-1（0.007 554 583 h-1）；t—衰變時(shí)間，h。

這3個(gè)液體鐳源樣品為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣，樣品體積小于儀器取樣瓶最小量80 mL，為了測(cè)量準(zhǔn)確，不便取出放在取樣瓶中測(cè)試，因?yàn)樗鼈兊捏w積一樣，因此在測(cè)試過(guò)程中屬于同一條件測(cè)量。

根據(jù)公式（1），可導(dǎo)出:

式中:V水、V總為已知值。令K′＝K·V總，單位為s·Bq，導(dǎo)出:

測(cè)得數(shù)據(jù)如表1。

表1 液體鐳源測(cè)試數(shù)據(jù)表Table 1Test data of liquid radium source

根據(jù)表1，得出累積活度與計(jì)數(shù)率之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 累積活度與計(jì)數(shù)率關(guān)系Fig.5Relation between cumulative activity and count rate

累積活度與計(jì)數(shù)率線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為0.981 1。

將測(cè)得計(jì)數(shù)率值（表2）帶入擬合公式y(tǒng)＝0.027x＋0.190 8中，得到儀器測(cè)量值及相對(duì)誤差結(jié)果如表2所示。

由表2可見(jiàn)，液體鐳源驗(yàn)證數(shù)據(jù)相對(duì)誤差為-17.16%～10.21%，符合空氣氡濃度測(cè)量要求，能夠滿(mǎn)足水中氡濃度測(cè)量（因水中氡濃度測(cè)量暫無(wú)國(guó)標(biāo)）。

表2 液體鐳源驗(yàn)證數(shù)據(jù)表Table 2Verification data of liquid radium source

3.3.2 與RAD7測(cè)氡儀對(duì)比測(cè)量自來(lái)水中氡濃度數(shù)據(jù)

編號(hào)分別為1309218、1309219、1309220的3臺(tái)儀器及RAD7測(cè)氡儀均已由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院氡室對(duì)空氣氡標(biāo)定并取得證書(shū)。取樣地點(diǎn)為核工業(yè)北京地質(zhì)研究院實(shí)驗(yàn)大樓，于2014年10月10日測(cè)量。

水中氡濃度值比較低，采用400 mL的采樣瓶進(jìn)行測(cè)量。用4次測(cè)量結(jié)果求平均值，測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同儀器4次測(cè)量結(jié)果平均值對(duì)比Table 3Contrast of average measurement results by different instruments

與RAD7測(cè)氡儀測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比可知，對(duì)于低含量的水樣，相對(duì)誤差為-14.28%～18.57%，滿(mǎn)足水中氡濃度測(cè)量。

4 結(jié)論

本文選用ZnS（Ag）閃爍法及閉環(huán)循環(huán)的測(cè)量方式對(duì)水中氡濃度測(cè)量?jī)x進(jìn)行設(shè)計(jì)及軟硬件開(kāi)發(fā)，由7個(gè)液體鐳源得出的16組測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了儀器的線(xiàn)性和準(zhǔn)確性，儀器線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為0.981 1，測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)誤差為-17.16%～10.21%，能夠滿(mǎn)足水中氡濃度測(cè)量。將此次開(kāi)發(fā)的3臺(tái)儀器與RAD7測(cè)氡儀水中氡濃度測(cè)量的數(shù)據(jù)作對(duì)比，相對(duì)誤差為-14.28%～18.57%。由于條件所限，不同濃度的液體鐳源數(shù)量偏少，再加上時(shí)間倉(cāng)促，筆者對(duì)于儀器測(cè)量樣品的多樣性及不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的水氡測(cè)量?jī)x之間的對(duì)比試驗(yàn)稍顯欠缺，這在今后的工作中會(huì)不斷去完善。

［1］李曉輝，申仲華，李建華.水中氡的危害及監(jiān)管現(xiàn)狀［J］.現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué)，2005，32（10）：1 313-1 323.

［2］Committee on Risk Assessment of Exposure to Radon in Drinking Water，NationalResearchCouncil. Risk Assessment of Radon in Drinking Water［M］. Washington D.C.：1999.

［3］崔宏興，尚兵，武云云.水氡測(cè)量方法的研究［C］//第3次全國(guó)天然輻射照射與控制研討會(huì)論文匯編，2010：687-689.

［4］譚億平，劉良軍，周劍良.靜電收集法在測(cè)氡中的應(yīng)用與研究［J］.核電子學(xué)和探測(cè)技術(shù)，2009，29（6）：1 369-1 373.

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［6］吳慧山，林玉飛，白云生，等.氡測(cè)量方法與應(yīng)用［M］.北京：原子能出版社，1995：35.

［7］張書(shū)達(dá).礦石巖石中鈾鐳釷的物理測(cè)定［M］.北京:原子能出版社，1981：243.

In-situ water radon concentration measurement with scintillation chamber method and its function development

LI Jinfeng，ZHANG Zhaoshan，HU Xiaohua，HAN Yaozhao

（Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

Water radon concentration measurement by ZnS（Ag）scintillation chamber has the advantages of high accuracy，low detection limit，easy to operate and stable under different humidity conditions.The thesis descripted the principle method，the design of hardware and software of the measuring device，discussed the factors which influence the accuracy of the instrument.The tested results of several liquid radium source verified the linear and accuracy of the instrument.The linear correlation coefficient of the instrument is 0.981 1，the relative error value is between-17.16%to 10.21%.By comparing measuring data with RAD7 emanometer，the relative error is found between-14.28%to 18.57%.

Water；radon concentration；ZnS（Ag）scintillation chamber method

TL812＋.2

A

1672-0636（2016）01-0089-06

10．3969/j．issn．1672-0636．2016．01．007

2015-08-03；

2015-10-14

李金鳳（1982—），女，天津人，工程師，主要從事放射性?xún)x器研發(fā)與生產(chǎn)工作。E-mail：lijinfeng6401@foxmail.com