一種快速氡析出率測量儀的設計

劉應龍 劉良軍

（1、湖南鴻業變壓器有限公司，湖南 衡陽421001 2、南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽421001）

氡及其子體所產生輻射是人類受到天然輻射的主要貢獻者, 控制生產和生活環境的氡輻射是輻射防護的重要任務之一。氡析出率是尋找氡污染來源,檢驗建材是否適合用于居民室內裝修,鈾礦及其廢石場、鈾礦冶尾礦庫、放射性污染土地退役治理是否合格的重要指標。氡析出率的準確測量受很多因素的影響:收集的氡的泄漏、反擴散、測量現場的本底、測量時的濕度等[1]。目前的主要測量手段是活性碳吸附法,儀器測量等。氡析出率測量儀器主要測量方法是局部靜態法,測量累積的氡可以采用多段取樣測量法,閃爍室直接測氡法,靜電收集氡子體測氡法等[2]。本氡析出率測量儀采用局部靜態法收集介質表面析出的氡,用靜電收集氡子體測氡法,用快速氡析出率測量程序。測量速度快,能夠有效解決泄漏、反擴散、測量現場的本底、測量時的濕度等問題。

1 儀器工作原理

局部靜態收集法如圖1 所示。收集介質表面析出的氡的密閉容器中氡濃度隨時間變化規律為[2]:

C:積累空間內的氡濃度,Bq.m-3;V:積累空間的體積,m3;

λe:包含積累空間氡的泄漏、氡的自然衰變等在內的氡的等效衰變常數,s-1;

δe:射氣介質表面的氡析出率,Bq. m-2. s-1; S:積累空間包含的射氣收集面積,m2。

設C|t=0=C0,測量氡析出率是滿足λet ＜＜1 的條件下,得到氡析出率的近似計算公式:

C0為積累空間外的氡濃度,單位為Bq.m-3。與待測量表面及其周圍的氡析出率,天氣等有關,特別是雨、風等因素密切。

2 儀器硬件系統設計

儀器由氡積累箱、空氣干燥劑盒和靜電收集法氡測量儀器三部分構成。氡積累箱中氡的取樣采用一臺取樣泵完成。靜電收集法氡測量儀器采用測RaA 的方式測氡, 測量儀器由靜電收集室和測量儀器兩部分構成。為測量RaA,儀器電路部分設置了二個計數通道和二個閾值電路,一個用于測量總α 計數,一個用于測量RaC’的α 計數,由總α 計數減去RaC’的α 計數和扣除系數的乘積得到RaA 的α 計數[3]。儀器系統組成框圖如圖2所示。

圖2 儀器系統組成框圖

儀器采用MCS51 系列單片機作為控制核心, 完成收集高壓的開關控制、測量程序、數據的計算管理和通訊。儀器部分還設計有: 實時時鐘、數據保存用EEPROM、RS-232 標準通訊接口,4*20 字符型LCD 顯示器和6 個按鍵。儀器交直流工作自動切換,電池采用12V 鋰離子電池供電,可外接也可內置。用半導體探測器測量靜電收集的氡子體衰變產生的α 粒子。儀器電路部分包括低壓電源、偏壓電源、前置放大電路、主放大電路、計數控制電路等。配合半導體探測器的前置放大電路為電荷靈敏前置放大器。

為保證儀器的便攜性和工作的可靠性,整個測量儀器的結構分成2 個部分,集氡罩分立,其余部分設計進一個機箱。2 個部分之間采用橡皮管和氣嘴連接。

圖1 局部靜態法測氡析出率示意圖

公式（2）為表面氡析出率的快速測量方法的計算公式。

3 儀器軟件方案設計

儀器底層控制軟件采用keil C51 語言編制, 采用模塊化設計。軟件由主程序、鍵盤掃描、數據顯示、通訊、參數測量、氡析出率測量等子程序組成。主程序框圖如圖3 所示。根據算法需要并考慮實際測量過程,設計的氡析出率測量流程為:本底取樣→測量本底→提示扣集氡罩, 等待按鍵命令→累積析出的氡→氡樣品取樣→測量氡樣品→計算、顯示和保存結果→提示取出集氡罩,等待按鍵命令→排氡,結束。

儀器配備有運行于windows 系統的數據管理軟件。能夠從儀器讀取數據,生成報表,分析數據等。

圖3 主程序流程框圖

4 儀器工作參數的確定和性能測試

4.1 靜電收集高壓和扣除系數的確定

靜電收集法測氡,受環境濕度的影響較大,收集高壓直接影響收集效率。為了達到穩定測量的目的,儀器的進氣口加干燥器使收集腔為干燥環境,經測試收集腔的相對濕度RH〈10%。在濕度變化范圍為3%～10%的干燥條件下對靜電收集腔進行了收集效率與收集高壓的關系測試, 在收集高壓1200V～800V 之間收集效率約75%,變化不大,意味著氡衰變產生的新子體都得到有效的收集。相對濕度為47%時,在收集高壓1200V～900V 之間,收集效率約63%,變化不大。故此將儀器的收集高壓設定為900V。RaC’對RaA 測量的貢獻系數,我們稱之為RaC’的扣除系數,測量方法:往靜電收集室中注入已知濃度的氡,干燥并密閉。然后開高壓收集氡子體1 小時,斷開高壓等待30 分鐘,在斷開高壓狀況下測量RaA 和RaC’的α 計數1 小時。由于測量時,收集膜上已沒有RaA, 此時總道和RaC’道測量的α 計數全部是RaC’的貢獻。儀器測量條件和氡析出率測量時的條件一致。

4.2 穩定性測試

儀器設計完成后,用241Am 源做了常溫、低溫和高溫情況下的儀器計數穩定性、不同濕度的常溫下長期工作穩定性測試。結果顯示測量儀在不同測試溫度和濕度條件下其計數差異變化在統計誤差內,扣除系數變化小于2%,符合設計要求。

4.3 抗電源干擾性能測試與取樣流率穩定性實驗

儀器抗干擾測試使用干擾源法,即:儀器置于辦公室環境中工作, 采用交流供電。儀器旁邊放置500W 的交流鼠籠電機、100L/min 的直流取樣泵、手電鉆各一臺、40W 的日光燈四盞,干擾設備與儀器共交流電源插座。不斷的開、關干擾設備,同時觀察儀器的計數變化情況,多次試驗未見異常計數。同樣的測試也在純電池供電的工作狀態下多次進行,結果與交流供電相同。

取樣流率的變化可能影響氡取樣量的變化,為此測試了取樣流率的穩定性,測量了5 天,流率一直穩定在開機時的流量看不出變化。

4.4 氡析出率測量實驗

我們在石膏氡析出率模型上對儀器進行刻度,刻度前先將儀器的刻度系數設置為1。在氡析出率模型(石膏模型)上選取1 個刻度點, 該點用活性炭累積法的氡析出率測量結果為1.40±0.03, 用積累法測量結果為1.42±0.11, 取二個的平均1.41±0.07。由此得到本儀器刻度系數為0.00152±0.00001。

儀器刻度好后,分別在石膏模型,水泥模型,平整好的室外露天土壤表面測點進行測量,并用活性炭累積測量法(活性炭-γ譜法)測量對比,測量結果見表1。對測量結果進行比較,2 種測量誤差小于5%,說明儀器測量結果是可信的。

表1 氡析出率測量結果

結束語

用靜電收集測氡法和局部靜態累積測氡析出率法,設計了一臺氡析出率瞬時測量儀器。采用快速測氡數學模型,儀器工作在析出率累計的線性段。儀器采用進口取樣泵抽取累積箱中的氡,用高效無機除濕劑吸附樣品中的水蒸氣。測量前,用析出率測量相同的程序測量待測點的本底,在計算時扣除。

通過測試,儀器抗干擾能力好,溫度濕度穩定性優于2%,通過在水泥模型、石膏模型、室外的對比測量,結果表明與活性炭累積法測量結果的誤差小于5%。可見,儀器能適用不同介質表面的氡析出率的快速測量,克服了反擴散的影響,測量結果可靠。