低本底條件下氡及其子體的抑制研究

張 樂，劉書魁，林興德，幸浩洋，朱敬軍

(1.四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所 輻射物理及技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610064；2.四川大學(xué)物理學(xué)院，成都 610064)

1 引 言

稀有事例的探測(cè)，如無中微子雙β衰變實(shí)驗(yàn)、暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，是非常重要的基礎(chǔ)前沿物理研究. 無中微子雙β衰變實(shí)驗(yàn)可以確定中微子是否為馬約拉納(Majorana)粒子以及輕子數(shù)是否守恒；暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)則進(jìn)一步的了解宇宙起源. 實(shí)現(xiàn)高分辨率，低本底，噸量級(jí)探測(cè)器是這類實(shí)驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì). 由于這類實(shí)驗(yàn)都需要極低的本底環(huán)境來提高實(shí)驗(yàn)的精度[1]，氡(222Rn)及其短壽命子體是其重要的本底組成. 自然界三大放射系的存在，使得幾乎所有的材料中都會(huì)或多或少的含有238U放射系的核素. 因此當(dāng)探測(cè)器周圍的材料屏蔽了外部輻射后，屏蔽材料中的氡及其子體就是主要的本底來源之一. 因此，在需要高靈敏度的探測(cè)系統(tǒng)中，通常都有氡的抑制系統(tǒng)[2].

國(guó)際上抑制氡的本底干擾一般有以下三個(gè)途徑：降低氡的析出、減弱氡的擴(kuò)散、氡的移除和純化. 前兩個(gè)方面的解決途徑就是選用低本底的材料和用電拋光的方法使材料的內(nèi)壁光滑，或者用化學(xué)的方法給材料進(jìn)行酸洗鈍化，在材料的內(nèi)表面形成一層致密的氧化膜，以減弱氡的擴(kuò)散. 針對(duì)氡的移除和純化，使用的方法有蒸餾、吸附和洗氣. 在連續(xù)除氡的方法中，吸附是國(guó)際上低本底實(shí)驗(yàn)中最為廣泛的除氡方法之一. 美國(guó)LUX-ZEPLIN實(shí)驗(yàn)利用Saratech系列的活性炭成功地使液氙探測(cè)器中的氡活度降到了1 mBq以下，滿足了實(shí)驗(yàn)的要求[3]. 日本XMASS實(shí)驗(yàn)用Shirasagi系列的活性炭進(jìn)行應(yīng)用前的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行氣-氣循環(huán)時(shí)，活性炭能將每700 L的氬中的氡活度從12 mBq降到1.3 mBq，與理論預(yù)期的一致[4].

由清華大學(xué)牽頭的中國(guó)暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)(CDEX)合作組，在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室上方的巖層厚度為2 400 m，是目前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室. 在未來的高純鍺陣列實(shí)驗(yàn)中把探測(cè)器浸泡在液氮中，盛液氮的容器是一個(gè)圓柱形不銹鋼容器，其中液氮的體積大約為1 725 m3. 為保證高純鍺有一個(gè)較低本底的工作環(huán)境，液氮中氡的純化就成了一個(gè)關(guān)鍵的問題. 氡會(huì)源源不斷的從不銹鋼容器的表面釋放出來，因此設(shè)計(jì)一個(gè)能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的液氮純化系統(tǒng)就顯得尤為重要. 通過理論計(jì)算，液氮罐里的液氮日蒸發(fā)量小于2.6 m3，基于這個(gè)事實(shí)，把蒸發(fā)的氮?dú)馔ㄟ^活性炭去吸附氮?dú)庵械碾?，然后把純化后的氮?dú)饨?jīng)過加壓降溫冷凝到液氮罐里，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液氮的純化. 文章依據(jù)這一實(shí)際情況設(shè)計(jì)了一套原型實(shí)驗(yàn)裝置，研究了連續(xù)通氣的情況下，溫度對(duì)活性炭除氡能力的影響，對(duì)以后地下實(shí)驗(yàn)室氮?dú)庋h(huán)凈化系統(tǒng)的應(yīng)用提供理論支撐.

2 實(shí)驗(yàn)原理

定量描述活性炭吸附氡能力大小通常用動(dòng)力學(xué)吸附系數(shù)Kα(L/g)表示，即單位質(zhì)量的活性炭在某一特定條件下能夠處理的含氡氣體的體積. 根據(jù)亨利定律，當(dāng)氡在氮?dú)庵械暮亢艿?，即其分壓比比較低時(shí)，單位質(zhì)量的活性炭所能處理的含氡氮?dú)獾捏w積與氡濃度無關(guān)[5]. 前人的研究發(fā)現(xiàn)，活性炭的動(dòng)力學(xué)吸附系數(shù)通常與溫度有較為明顯的依賴關(guān)系，溫度越低，活性炭的吸附效果越好，即Kα越大[6-7]. 還有研究表明，活性炭的吸附能力還與其所處環(huán)境的壓強(qiáng)有一定的關(guān)系，壓強(qiáng)越大，Kα越大[8]. 另外，在載流氣體以一定的速率經(jīng)過活性炭，氣流不是很大時(shí)(0.06～0.14 m/s)時(shí)，活性炭對(duì)氙的吸附能力基本沒有影響，在氣體流速很低時(shí)，活性炭對(duì)氙的吸附能力會(huì)由于擴(kuò)散作用而下降.

實(shí)驗(yàn)上測(cè)量活性炭動(dòng)力學(xué)吸附系數(shù)的方法一般有三種：靜態(tài)平衡法，脈沖進(jìn)氣法和連續(xù)進(jìn)氣法. 靜態(tài)平衡法是將已知濃度的含氡氣體通入裝有活性炭的密閉容器中，密封一段時(shí)間，然后測(cè)量穩(wěn)定后含氡氣體的氡濃度水平，計(jì)算動(dòng)力學(xué)吸附系數(shù). 該方法測(cè)量原理簡(jiǎn)單，操作方便，但是實(shí)驗(yàn)沒有考慮到氡的衰變所帶來的影響，適合對(duì)精度要求不太高時(shí)活性炭動(dòng)力學(xué)吸附系數(shù)的測(cè)量.

脈沖進(jìn)氣法和連續(xù)進(jìn)氣法共同的理論基礎(chǔ)都是塔板理論[9]. 脈沖進(jìn)氣法也稱為時(shí)刻分析法. 將高氡氮?dú)庾⑷胙b有活性炭的容器中，控制脈沖的時(shí)間，其出口端的氡濃度可用下式表示：

(1)

其中α表示注入的氡濃度值，τ表示含氡氣體在活性炭床的穿透時(shí)間，即活性炭開始吸附到其半穿透的時(shí)間，t表示測(cè)量時(shí)間，n表示活性炭的等效理論層數(shù)，無量綱. 通過測(cè)量出口端氡濃度的變化曲線，可以得到穿透時(shí)間τ. 進(jìn)而采用下式得到活性炭的動(dòng)力學(xué)吸附系數(shù)：

(2)

式中，m表示活性炭床的質(zhì)量，f表示含氡氣體的流量. 該方法考慮到了氡在活性炭中的衰變，能夠準(zhǔn)確地得到活性炭的動(dòng)力學(xué)吸附系數(shù)，LUX合作組就是用此方法測(cè)量活性炭的動(dòng)力學(xué)吸附系數(shù)的.

連續(xù)進(jìn)氣法是將穩(wěn)定濃度的含氡氮?dú)庖砸欢ǖ臍饬鞅人偻ㄟ^裝有活性炭的炭床. 該方法也是連續(xù)測(cè)量出口端含氡氣體的氡濃度變化. 由穿透理論可知，該方法測(cè)量的穿透曲線將是一條“S”型曲線，然后對(duì)曲線進(jìn)行誤差擬合得到穿透時(shí)間τ. 利用(2)式即可得到Kα. 連續(xù)進(jìn)氣法的優(yōu)勢(shì)是實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，緊貼工程應(yīng)用中的實(shí)際情況，也得到了廣泛的應(yīng)用. 本實(shí)驗(yàn)將采用連續(xù)進(jìn)氣法在不同的條件下測(cè)量活性炭對(duì)含氡氮?dú)馕侥芰Φ挠绊?

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

活性炭：北京科誠(chéng)光華活性炭有限公司生產(chǎn)的KC-6系列的椰殼活性炭，其相關(guān)指標(biāo)如表1.

表1 KC-6的參數(shù)指標(biāo)Tab.1 Parameters of KC-6

氡源：活度為13 kBq的226Ra源，由于該源是在極其干燥的環(huán)境下使用的，導(dǎo)致其釋放率只有60%，故而不同流量下，氡濃度的實(shí)際值比理論值低；

流量計(jì)：成都萊峰科技有限公司，流量調(diào)節(jié)范圍0.00～5.00 L/min；

壓力表：成都中陽實(shí)業(yè)公司；

溫度計(jì)：廈門宇電自動(dòng)化科技有限公司；

烘烤箱：四川山立低溫設(shè)備有限公司，溫度調(diào)節(jié)范圍：室溫-399 ℃.

測(cè)氡儀：美國(guó)Durridge公司，RAD7測(cè)氡儀；

此外，所有連接管道均為304BA管，使用前均用了15%的HNO3+1.7%的HF溶液酸洗兩個(gè)小時(shí)15%的HNO3溶液鈍化30 min，然后分別用去離子水洗凈和氮?dú)獯蹈?

3.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程圖如圖1所示：

實(shí)驗(yàn)前先將活性炭用去離子水洗兩遍，去除里面的粉末. 然后將洗好的活性炭放在烘烤箱中以120 ℃的溫度烘烤8 h，烘干后稱重量記錄，裝入活性炭罐中，把活性炭罐裝入烘烤箱中并將活性炭罐接入高純氮?dú)馄恐型? h，期間保持烘烤箱的溫度不變. 為了在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候保證氡濃度的穩(wěn)定，氡源在使用的前一天保持排氣1 h，第二天再排氣1 h，這樣在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候出口端氡濃度就是穩(wěn)定的. 但出于節(jié)省時(shí)間的考慮，在未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)也一直保持通氣. 活性炭處理完成后裝入溫控敞口罐中，其設(shè)計(jì)圖及實(shí)物圖如圖2a，圖2b所示.

圖1 連續(xù)進(jìn)氣法活性炭除氡示意圖Fig.1 Schematic of radon removal by activated carbon with continuous air intake

圖2a 溫控敞口罐設(shè)計(jì)圖Fig.2a Design drawing of temperature controlled open tank

圖2b 溫控敞口罐實(shí)物圖Fig.2b Real figure of temperature controlled open tank

圖中網(wǎng)格部分為絕熱層，敞口罐底部有加熱系統(tǒng)，內(nèi)壁周圍盤了一根螺旋狀的不銹鋼管道，其上面開有很多小孔，其目的是使液氮能夠均勻的噴淋在敞口罐內(nèi)，讓內(nèi)部的溫度均勻降下來. 敞口罐內(nèi)部的溫度由外部的溫控系統(tǒng)控制，誤差在±2 ℃之內(nèi). 當(dāng)敞口罐內(nèi)部的溫度高于所設(shè)定的溫度時(shí)，打開電磁閥，液氮點(diǎn)噴進(jìn)入敞口罐；當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，關(guān)閉電磁閥. 由于活性炭的傳熱性能比較差，活性炭?jī)?nèi)部的溫度達(dá)到所設(shè)定的溫度相對(duì)于碳罐達(dá)到所設(shè)定的溫度有短暫的延遲. 在采數(shù)前為了保證活性炭的工作溫度達(dá)到所設(shè)定的溫度，根據(jù)之前的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，在炭罐達(dá)到所設(shè)溫度之后，停留5 min就能保證活性炭達(dá)到所設(shè)定的溫度. 在裝置的出口端連接測(cè)氡儀，由于使用連續(xù)吹氣法測(cè)量活性炭的動(dòng)力學(xué)吸附因子，因此在使用測(cè)氡儀時(shí)應(yīng)將其內(nèi)部的泵關(guān)閉，并調(diào)成sniff模式，調(diào)成sniff模式是為了降低測(cè)量誤差. 一切準(zhǔn)備就緒后，打開相應(yīng)的閥門，并開啟測(cè)氡儀. 測(cè)量后的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到電腦中進(jìn)行處理.

4 結(jié)果與討論

為了確定活性炭合適的工作質(zhì)量，首先測(cè)量了19.6和43.6 g的活性炭在-10 ℃下的穿透曲線，其結(jié)果如圖3、4所示：

圖3 1 L/min，-10 ℃，19.6 g活性炭的穿透曲線Fig.3 The penetration curve of activated carbon at 1 L/min，-10 ℃，19.6 g

通過用誤差函數(shù)對(duì)以上的數(shù)據(jù)擬合得到在-10 ℃的情況下，19.6和43.6 g活性炭對(duì)氡的動(dòng)力學(xué)吸附系數(shù)分別為21.16±0.65 L/g(19.6 g)，24.95±0.26 L/g(43.6 g). 結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)誤差允許的情況下，使用20 g以上的活性炭就能滿足實(shí)驗(yàn)需求.

圖4 1 L/min，-10 ℃，43.6 g活性炭的穿透曲線Fig.4 The penetration curve of activated carbon at 1 L/min，-10 ℃，43.6 g

為測(cè)試活性炭在不同溫度下對(duì)氡的吸附效果，用31 g活性炭分別在-10 和-30 ℃下做了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5、6所示. 可以看到，在其他條件都相同的情況下，活性炭在不同溫度下，其穿透曲線的不同之處主要體現(xiàn)在：相比于-10、-30 ℃下的全穿透時(shí)間更長(zhǎng)，并且穿透過程中的曲線走勢(shì)也較為平緩，這是與穿透理論相符的. 通過擬合計(jì)算得到-10 ℃時(shí)的Kα為23.01±0.33 L/g，-30 ℃ 時(shí)的Kα為58.68±0.63 L/g.

圖5 1 L/min，-10 ℃，31 g活性炭的穿透曲線Fig.5 The penetration curve of activated carbon at 1 L/min，-10 ℃，31 g

圖6 1 L/min，-30 ℃，31 g活性炭的穿透曲線Fig.6 The penetration curve of activated carbon at 1 L/min，-30 ℃，31 g

圖7是在低于氡的沸點(diǎn)(-62 ℃)下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，在-120 ℃下測(cè)了8 640 min后依然沒有氡溢出，此時(shí)關(guān)閉氡源，但仍舊保持通氮?dú)? 然后關(guān)閉溫控系統(tǒng)，讓其自然升溫，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度升高至-78 ℃時(shí)測(cè)氡儀開始有讀數(shù). 按照理論計(jì)算，可以得到活性炭罐中氡原子的數(shù)目為：

(3)

其中c0為氡濃度，λ為氡的衰變常數(shù). 將8 640 min代入可得此時(shí)氡原子的數(shù)目大約為其極限值的0.66. 由(2)可得此時(shí)的動(dòng)力學(xué)吸附系數(shù)大于432 L/g.

圖7 1 L/min，-120 ℃，20 g活性炭的在通氣8640分鐘沒有氡溢出，然后調(diào)大流量至2.5 L/min，通了165 min后依然無氡氣溢出. 此時(shí)關(guān)閉氡源，并一直通氮?dú)?，活性炭的穿透曲線 Fig.7 Activated carbon had no radon overflow after aeration for 8 640 min at 1 L/min，-10 ℃，31 g，then increasing the flux to 2.5 L/min，and there is still no radon overflow after aeration for 165 min. At this point，close the radon source and inlet the nitrogen，activated carbon penetration curve is formed

5 結(jié) 論

文章通過自行設(shè)計(jì)的活性炭除氡系統(tǒng)進(jìn)行了KC-6系列的活性炭在低溫及極低溫情況下對(duì)氡吸附的實(shí)驗(yàn). 由于活性炭顆粒之間存在空隙，我們首先通過實(shí)驗(yàn)確定了較為合適的活性炭的工作質(zhì)量. 相同質(zhì)量下，活性炭溫度越低對(duì)氡的吸附效果越好，當(dāng)溫度在-120 ℃時(shí)，按照公式可以算得Kα大于432 L/g. 而且，通過連續(xù)法測(cè)量的活性炭的穿透曲線可以用誤差函數(shù)很好的擬合.