幾種常用土壤氡濃度測量技術(shù)分析

顏國旭 李佳俊 陳文秀 李姝彬

（成都理工大學(xué)，四川 成都610059）

1 概述

氡（222Rn）是一種廣泛存在于自然界的惰性氣體，在析出等運移過程中基本上不參與任何化學(xué)反應(yīng)。氡屬于鈾系天然放射性衰變系列核素之一，是唯一一種氣體元素，其輻射量占年輻射總量的70%。氡的輻射污染作為一種高敏感環(huán)境污染，儼然已經(jīng)成為社會所面臨的嚴重問題之一。準(zhǔn)確測量氡及氡的子體是采取各種防護措施的必要前提。本文針對壤中氡氣測量的特點，通過實驗數(shù)據(jù)，分析各種土壤測氡技術(shù)的優(yōu)缺點和工程適用性，獲得土壤測氡工程應(yīng)用最佳土壤測氡方案。

2 土壤中氡濃度現(xiàn)有測量技術(shù)分析

目前的土壤氡測量方法按測量時間長短來分可分為累積測量和瞬時測量；按測量技術(shù)分可分為α 能譜測氡，α 總量測氡；按采樣方式可分為吸附測氡和泵吸式測氡；按探測器分半導(dǎo)體、ZnS（Ag）閃爍體、α 經(jīng)跡探測器、NaI（Tl）等。

累積測量中，典型的方法是α 徑跡法、活性炭法、α 杯吸附法。其中α 徑跡法需要幾十天至數(shù)月，這給徑跡片回收帶來困難。由于實際間隔太久，工程實踐中回收率僅80%左右?；钚蕴糠ㄐ枰裰脭?shù)天，通常是7 天左右，回收后必須要在同一間隔實際內(nèi)完成測量。α 杯累積法，時間較短，僅需要4 小時即可，同時可以現(xiàn)場完成快速測量。

3 常用土壤測氡技術(shù)工作原理分析

3.1 α 杯法土壤測氡

α 杯測氡也即RaA+RaC 測氡。α 杯為對氡子體具有良好吸附性能的聚酯塑料材料制成，將α 杯置于土壤中。壤中氡其子體具有氣溶膠性質(zhì)且是帶正電的，具有吸附到物體表面能力[6，7]。放射性動態(tài)平衡后氡子體的吸附到物體表面的量是與氡濃度存在線性關(guān)系。根據(jù)放射性動態(tài)平衡理論可以通過測量吸附到α 杯體上的壤中氡子體即可實現(xiàn)對壤中氡濃度的測量。

圖1 α 杯土壤測氡原理

此方法在取樣上最大優(yōu)點是累積吸附時間較短，大于4 小時即可，滿足當(dāng)天完成測量工作需求。同時采用靜態(tài)累積方式，取樣帶來的不確定度較小。

3.2 泵吸α 能譜法

其基本原理是利用放射性動態(tài)平衡理論，通過測量222Rn 第一代子體218Po 實現(xiàn)對氡222Rn 的間接測量。由于218Po 具有帶正電性，便于靜電收集；218Po 衰變產(chǎn)生的α 射線能量具有特征性和唯一性，便于識別；218Po 半衰期只有3.05 分鐘，便于快速響應(yīng)和快速恢復(fù)；目標(biāo)核素218Po 的唯一性，便于根據(jù)放射性衰變規(guī)律自動扣除本底計算。因此，泵吸α 能譜法理論上能滿足土壤中氡濃度測量需求。由于采用半導(dǎo)體探測器對氡濃度進行測量時，受溫濕度影響較大[6]，因此氣體在進入氡及其子體收集裝置前需要進行干燥，并做溫濕度修正。但是此種方法屬于瞬時測氡，有三個缺陷：第一是取樣不確定性大；第二是溫濕度修正模型不確定性導(dǎo)致溫濕度影響較大；第三是本底污染影響恢復(fù)時間；第四受取樣時間和排空時間影響。

3.3 RaA 測氡法

RaA 測氡法，又稱氡的218Po 測量，是一種利用放射性動態(tài)平衡理論，通過測量222Rn 第一代子體218Po 從而實現(xiàn)對222Rn 的間接測量方法。與α 能譜法相同，RaA 法采用靜電收集法，通過泵吸的方式將土壤中的氡氣引入到電離室收集腔。在收集腔內(nèi)衰變并產(chǎn)生新的子體RaA。RaA 在剛形成的瞬間為帶正電的離子，利用此帶電特性，通過負高壓產(chǎn)生的電場作用下，將氡的子體218Po 吸附到吸附卡上。當(dāng)吸附完成后，快速取出吸附卡，置于探測裝置上。吸附到氡子體的吸附卡片上的218Po 發(fā)生α 衰變而產(chǎn)生α 射線打到金硅面探測器上，使探測器產(chǎn)生電脈沖，由單片機對不同幅度的脈沖進行計數(shù)。經(jīng)后續(xù)測量系統(tǒng)處理分析，可以更加可靠地得到218Po 的計數(shù)，從而實現(xiàn)對土壤氡（222Rn）濃度的測量。

3.4 閃爍瓶法

閃爍瓶是總量測氡法。在進行α 總量測量時，無法很好的區(qū)分氡與釷的性質(zhì)，在測量土壤中的氡濃度時容易受釷射氣干擾，且測量值相對于其他方法偏大。閃爍瓶內(nèi)壁均勻涂有ZnS（Ag）閃爍體，需要避光，土壤中的氡與釷及其他子體一般通過泵吸的方式進入到閃爍瓶內(nèi)部。在完成收集后之后，氡與釷會衰變產(chǎn)生α 射線，α 射線會射到閃爍瓶內(nèi)壁上，使閃爍瓶內(nèi)壁上的ZnS（Ag）閃爍體發(fā)光。高壓使原子或分子電離、激發(fā)，在退激時產(chǎn)生光子（楊娟娟等，2003）。光子被閃爍瓶內(nèi)的反射物盡可能地收集到光電倍增管上。在PMT 中由于光電效應(yīng)而產(chǎn)出光電子。電場力使光電子加速運動并逐級倍增，最后以電流信號的形式輸出。輸出放大后的電信號通過后續(xù)放大、甄別，從而實現(xiàn)對氡與釷的混合測量。

3.5 活性炭吸附法

活性炭吸附法測氡是利用活性炭對氡氣這一惰性氣體有較強吸附能力的特點實現(xiàn)的。土壤中氡氣由于擴散作用會遷移到埋置的活性炭表面，在被活性炭吸附后，裝置周圍相對于土壤形成濃度差，致使土壤中氡氣繼續(xù)向活性炭遷移，直到裝置內(nèi)活性炭氡濃度與其埋置的環(huán)境中氡濃度達到一種動態(tài)平衡。

活性炭吸附法測氡具有測量精度高、抗釷射氣等干擾能力強、成本低、操作簡便的特點。但活性炭測氡需要二次去現(xiàn)場進行活性炭裝置回收。此外在回收裝置后，由于氡在不斷衰變及樣品周圍不再滿足環(huán)境內(nèi)的動態(tài)平衡，需盡快回到實驗室對樣品進行處理并測量。作為一種靜態(tài)累積的氡濃度測量方法，活性炭吸附法測氡更適合用于環(huán)境氡濃度評價、煤礦采空區(qū)探測、煤田地下火區(qū)勘查等領(lǐng)域。

4 土壤測氡實驗數(shù)據(jù)分析

按照測量時間將4 月27 日與5 月14 日的三種瞬時測氡法分別取平均值，并與當(dāng)天測量的兩種靜態(tài)累積測氡法同時進行對比，如圖2 所示。很明顯地可以看出，閃爍瓶法測氡的測量值整體明顯偏高。這是因為閃爍瓶法屬于α 總量測量，在測量中不能消除釷射氣的干擾。由于無法對氡與釷進行很好的區(qū)分，導(dǎo)致其測量值偏高。對比第二周與第三周的靜態(tài)累積法，可以得到與第一周相同的結(jié)論，即在取出活性炭吸附裝置時用α杯法測量的數(shù)據(jù)與當(dāng)周埋下的活性炭測量值更為接近。所以在此直接選用4 月27 日與5 月14 日的α 杯測量數(shù)據(jù)進行對比。兩種靜態(tài)累積的測量方法的一致性相對于瞬時測量的方法更好。

5 結(jié)論

本文針對土壤中氡濃度測量的需求特點，分析了土壤中氡濃度測量的需求特點，介紹了現(xiàn)有土壤中氡濃度測量技術(shù)。結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)修訂情況以及現(xiàn)有常用土壤測氡特點，重點介紹了α 杯法土壤測氡技術(shù)、泵吸α 能譜法瞬時土壤測氡技術(shù)、RaA 法瞬時土壤測氡技術(shù)。論文對從事土壤氡測量的檢測人員具有重要的參考意義。