標準測氡儀的量值溯源方法研究

閆釔帆， 梁珺成， 楊志杰， 王仁波

(1.東華理工大學，江西 南昌 330013；2.中國計量科學研究院，北京 100029)

1 引 言

人類受到的天然輻射劑量中有接近54%來自于氡[1]，大量研究數(shù)據(jù)表明，氡濃度的大小與人的身體健康有著直接關系，氡是世界衛(wèi)生組織(WHO)公布的19種環(huán)境致癌物質(zhì)之一[2]。為了保障人們居住和生活環(huán)境的安全、減少環(huán)境放射性對人類健康的危害，對有關氡濃度的相關實驗研究已經(jīng)廣泛地涉及到多個領域；而這些研究均以氡體積活度的準確測量為基礎，相關的測氡儀器都應進行計量檢定、校準或測試，以確保測量結(jié)果的準確性和可靠性。通過對測氡儀器(計量器具)的檢定或校準，將國家基準所復現(xiàn)的測量單位的量值，通過各等級計量標準傳遞到工作計量器具，以保證被測量對象量值的準確和一致，這一過程被稱為量值傳遞[3]。

氡(222Rn)活度基準是相關氡測量量值的源頭，1996年以前，國際公認的氡活度測量方法為相對標準的測量方法—電離室法和閃爍室法[4]。目前國內(nèi)的氡活度計量標準也為相對標準，其量值溯源至鐳標準物質(zhì)[5]。近年來，各國相繼開始了對氡活度的絕對測量方法的研究，PTB先后建立了基于正比計數(shù)方法和222Rn冷凝小立體角方法的絕對測量裝置[6]。法國、瑞士、韓國等的國家級計量研究機構(gòu)，也都建立了從222Rn活度基準到各種標準的較為完善的計量體系。張洋等建立了測氡儀檢定裝置[7]。中國計量科學研究院建立了國內(nèi)首個冷凝222Rn絕對測量裝置[8,9]。本文基于此絕對測量裝置所制備的高準確度標準222Rn源和用于這種高精度量值傳遞的標準裝置來開展標準測氡儀的量值溯源方法研究。該方法的主要優(yōu)點在于：基于氡活度的絕對測量及氡分布體積的直接溯源，減少了量傳的層級和修正項，提高了量值的準確性。本文介紹了標準氡源的制備和定值過程，小氡室有效體積的校準方法，標準測氡儀的校準過程、結(jié)果以及校準系數(shù)的不確定度評定等內(nèi)容。

2 氡絕對測量裝置及標準氡源的制備

本文所述氡活度絕對測量裝置是基于小立體角測量原理所建立的222Rn冷凝小立體角絕對測量裝置；相較于目前國內(nèi)所使用的溯源于國家一級鐳標準物質(zhì)的相對測量標準，具有較小的不確定度。該裝置主要是由鐳源、冷凝室、電子學設備、氡轉(zhuǎn)移回路、真空設備以及溫控系統(tǒng)組成[10]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過氡活度絕對測量裝置，先測量鐳源累積的氡活度，再轉(zhuǎn)移至金屬氡源罐，制備成標準氡源。具體的制源方法為：在高真空的條件下將密封鐳226Ra源所累積的氡氣引入至冷凝室，調(diào)節(jié)冷凝室中冷指的溫度為45 K，將氡氣冷凝成固態(tài)點源；固態(tài)氡源所發(fā)射出的α粒子會穿過準直器被鈍化注入平面硅(PIPS)探測器探測并記錄其α能譜，待α能譜測量系統(tǒng)上觀察到222Rn能峰的計數(shù)率穩(wěn)定后,測量冷凝氡源的活度值；接著將已知活度的固態(tài)氡源加熱氣化，通過液氮制冷專用金屬罐，再利用冷阱原理將氡轉(zhuǎn)入其中；轉(zhuǎn)移后再次對冷指進行制冷，通過α能譜測量系統(tǒng)觀察222Rn能峰以核驗轉(zhuǎn)移殘留情況，對測量結(jié)果進行修正，確定金屬氡源罐內(nèi)所制備的氡氣源的準確活度值[11,12]，氡源活度的相對擴展不確定度為0.8%(k=2)。

圖1 氡絕對測量裝置Fig.1 Absolute measuring device of Radon

3 有效體積的確定

基于氡絕對測量裝置所提供的高準確度的222Rn源，所建立的用于222Rn體積活度量值傳遞的標準裝置原理如圖2所示。

圖2中A為金屬氡源罐，含所制備好的已知活度的氡氣源；B為小氡室，在導入標準氡氣源后，氡分布空間的有效體積記為V2；C為待校準的測氡儀器(如：AlphaGUARD)及其配套設備；D為風扇，當氡源被完全導入氡室后，啟動風扇D使氡室內(nèi)的氡氣在V2內(nèi)均勻分布；E為標準溫度氣壓計，實時記錄氡室內(nèi)的溫濕度及氣壓參數(shù)；F為標準容器，其體積為V1，作為小氡室有效體積V2的校準用容器；G為真空泵(檢漏儀)；K1、K2和K3為3個閥門。

當接入高準確度定值的氡源后進行氡體積活度的量值傳遞過程如圖3所示。計算標準氡濃度(氡體積活度)的基本原理為：

式中：CRn為氡體積活度，Bq/m3；ARn為氡源活度，Bq；V2為小氡室的有效體積，m3。每次校準之前，需借助標準容器F對V2進行校準。

圖2 222Rn濃度量值傳遞標準裝置原理圖Fig.2 Schematic of 222Rn concentration value transfer standard device

圖3 氡體積活度的量值傳遞框圖Fig.3 Flow chart of a value transfer with volume activity of radon

3.1 標準容器F的容積溯源

對于小氡室有效體積的測量，需要一個標準容器為其體積溯源。在進行標準容器體積V1的測量時，選用超純水作為介質(zhì)對V1進行多次校準，最終溯源到250 mL標準容量瓶。為了對該標準容器的體積進行更為精準的測量，將其拆分為3個部件進行逐一稱重測量，如圖4所示；其測量過程如圖5所示。

圖4 標準容器體積示意圖Fig.4 Volume diagram of standard container

圖5 標準容器的體積測量流程Fig.5 Volume measurement flow chart for standard containers

利用式(1)和式(2)對上述測量流程所得數(shù)據(jù)進行處理；最終得到：在18～21 ℃的溫度范圍內(nèi)，標準容器的體積V1為1.597 L，其相對標準偏差為0.03%；2個標準容量瓶的相對標準偏差為0.06%，相對合成標準不確定度為0.066%。

(1)

(2)

3.2 氡源分布體積

當擬被校準的測氡儀放入小氡室，會占據(jù)氡室一部分體積，氡源的分布體積V2(即有效體積)需要進行校準。在準確測量V1的基礎上，采用理想氣體狀態(tài)方程(pVT方法)校準體積V2，將標準容器V1連接到小氡室，形成的系統(tǒng)再與真空泵(檢漏儀)連接，如圖2所示。具體校準的步驟如下：

(1) 首先打開連接標準容器(體積V1)與真空泵之間的閥門K1，用真空泵對標準容器(體積V1)抽真空。當真空泵/檢漏儀指示的壓力穩(wěn)定后，記錄壓力p1；由于真空泵的抽力限制，一般當壓力p1=0.7 Pa時關閉閥門K1；

(2) 關閉閥門K1后，記錄溫度氣壓計所顯示的小氡室(體積V2)的壓力p2以及溫度T1；

(3) 打開連接小氡室與標準容器之間的閥門K2，讓V1和V2達到氣壓平衡；記錄平衡后的氣壓p3以及溫度T2；

由于時間較短，體系的溫度變化小于0.1 K，T1≈T2；每次測量各記錄10個所顯示的p2和p3的數(shù)值，取平均值作為校準時的壓力。根據(jù)式(3)計算求得V2，典型的實測數(shù)據(jù)如表1所示。

(3)

根據(jù)表1中所得到的相關測量數(shù)據(jù)，運用式(3)可以計算出氡室有效體積V2為254.046 L，相對合成標準不確定度為0.23%。

表1 小氡室的有效體積測量數(shù)據(jù)Tab.1 Effective volumetric measurement data of radon chamber

4 校準過程與結(jié)果

校準選用的測氡儀為常用的AlphaGUARD型氡監(jiān)測儀，是一種專為瞬時、連續(xù)測量氡氣體積活度而設計的便攜式電離室型測氡儀[13]。該類型儀器在湖北、廣東和上海等計量技術機構(gòu)的測氡儀檢定裝置中作為氡體積活度的標準器使用，在國外如日本、德國和法國等也常將其作為標準器使用。該儀器基于脈沖電離室測氡原理，即收集氡衰變放出的α射線所形成的電壓脈沖，最終所得到的氡體積活度是由計數(shù)器所記錄下來的脈沖數(shù)，正比于α粒子數(shù)，即正比于氡體積活度。AlphaGUARD測氡儀通常以2種模式操作：擴散模式和流氣模式。此次實驗選擇的是擴散式測量模式[14]，即氣體通過在儀器覆蓋有玻璃纖維過濾器一側(cè)的窗口擴散到電離腔室中[15]。

對標準測氡儀(AlphaGUARD)進行校準前，應先測量小氡室環(huán)境內(nèi)的氡體積活度值(本底值)；即先將標準測氡儀放入小氡室內(nèi)，連接真空泵/檢漏儀，根據(jù)3.2節(jié)所述的方法測量得到小氡室的有效體積為254.046 L；此后連續(xù)測量50h，得到充入氡源前待校準測氡儀在小氡室內(nèi)的本底值為(30～57)Bq/m3，在后續(xù)計算過程中會扣除本底值；再通過絕對測量裝置冷凝后絕對測量氡源活度，獲得各階段的能譜圖如圖6所示。經(jīng)過各種修正后，獲得密封于金屬氡源罐中的標準氡源活度為14 575 Bq；最后通過循環(huán)或外部充氣的方式轉(zhuǎn)移至小氡室內(nèi)，使被校測氡儀連續(xù)測量氡體積活度，同時記錄小氡室內(nèi)的溫濕度及氣壓參數(shù)。

導入已知活度的標準氡氣源后，通過溫度、氣壓計實時記錄艙室內(nèi)的溫度、氣壓值，其中溫度值穩(wěn)定在21.5～21.9 ℃，氣壓值穩(wěn)定在101.18～101.35 kPa。被校測氡儀的測量周期設為1 h、連續(xù)測量約90 h，測量結(jié)果如圖7所示。

圖6 制備標準氡源的各階段能譜圖Fig.6 Energy spectrum for each stage of preparation of standard radon source

圖7 AlphaGUARD測氡儀在常溫常壓下的校準Fig.7 Calibration of AlphaGUARD monitor at normal temperature and pressure

充入活度經(jīng)絕對測量的氡源后，氡氣在空間V2內(nèi)均勻分布，被校儀器持續(xù)測量小氡室內(nèi)的氡體積活度。某一時刻V2空間內(nèi)氡體積活度的實際測量值由充入時的初始值經(jīng)半衰期修正得到，各時間點的測量值與參考值的相對偏差通過式(4)計算得到，被校測氡儀的體積活度響應R由式(5)計算得到。

(4)

(5)

式中:Er為相對偏差；Ct,m為某一時刻t的氡體積活度測量值；Co,s為氡體積活度的參考值；λ為衰變常數(shù)；R為被校準測氡儀的體積活度響應。

將圖7中的測量結(jié)果修正至同一時間點；由于電離室型測氡儀(AlphaGUARD)會受氣壓的影響[16]，所以對實際所測的氡體積活度值修正至標準溫度、氣壓(293 K，101.3 kPa)條件下，得到的測量修正值與氡體積活度標準值(參考值)之間的關系分別如圖8(a)、圖8(b)所示。經(jīng)計算所得的標準測氡儀的校準結(jié)果為：在沒有經(jīng)過溫度氣壓修正所得的體積活度響應為k=0.99，經(jīng)過溫度氣壓修正后的體積活度響應為k=1.01。

圖8 AlphaGUARD測氡儀的測量結(jié)果Fig.8 Measurement results of AlphaGUARD mete

5 體積活度響應不確定度的評定

AlphaGUARD測氡儀的量值溯源自氡絕對測量裝置所制備的標準氡源，它的體積活度響應由氡體積活度標準值除以儀器示值得出，不確定度受氡源活度、計數(shù)統(tǒng)計漲落、小氡室有效體積和氣壓溫度測量的影響。其中氡源活度的擴展不確定度由小立體角絕對測量裝置給出為0.8%(k=2)；計數(shù)統(tǒng)計漲落是由儀器測量重復性所帶來的不確定度，對于A類不確定度的評定通常采用貝塞爾法，即對同一被測量重復測量的n個數(shù)據(jù)，通過計算獲取其實驗相對標準偏差后求得A類不確定度。各不確定度分量之間彼此相互獨立，因此AlphaGUARD測氡儀的體積活度響應的相對合成標準不確定度為各分量的方和根，對不確定度分量匯總后計算得到對應的合成標準不確定度，見表2。

表2 測氡儀體積活度響應的不確定度評定Tab.2 Uncertainty Evaluation of Volume Activity Response of Radon Monitor

6 結(jié) 論

本文基于冷凝氡絕對測量裝置制備了性能穩(wěn)定、量值準確的氡源，并對所研制的用于氡源活度量傳所配套的小氡室進行了有效體積的精準測量，研究了AlphaGUARD型標準測氡儀的校準方法，并對體積活度響應的不確定度進行了評定，得到以下結(jié)論：

(1) 由冷凝氡絕對測量裝置所制備的氡源活度擴展不確定度為0.8%(k=2)。由于被校儀器的不同，專用小氡室的有效體積在每次實驗前都需進行精確測量，溯源至體積為1.58 L的標準容器，得到其典型的合成標準不確定度為0.23%；

(2) 通過活度為14 575 Bq的標準氡源，對AlphaGUARD型測氡儀進行了校準，所得測量值經(jīng)過溫度氣壓修正后，得到其平均體積活度響應為1.01，體積活度響應的合成標準不確定度為1.6%。小氡室的氡泄漏率經(jīng)計算和實驗驗證可以忽略，氡體積活度隨時間的變化可按照半衰期修正，由此氡活度絕對測量裝置的量值能夠可靠地傳遞給氡濃度測量儀。