基于單片機的便攜式瞬時土壤測氡裝置的野外測試與分析

田麗霞, 房冰冰，楊強

（1.東華理工大學核技術應用教育部工程研究中心 江西 南昌 330013；2.成都理工大學工程技術學院，四川 樂山 614000；3.成都理工大學，四川 成都 610059）

氡是一種無色無味的放射性氣體，其衰變產生的α粒子易對人體組織產生損傷,因而誘發肺癌、呼吸道等疾病。據統計,空氣中的氡有77%左右來源于陸地表面釋放。此外，探測土壤中氡濃度分布對勘察地下地質構造、礦產資源分布、斷裂，以及地震預報等都有重要的參考價值[1]。

目前國內外發展起來的土壤測氡儀均需在土壤中創造一個空間以聚集氡氣，然后要么放入測量樣品（如乳膠片），要么使用專用工具從形成的空洞中抽吸氣體樣品，從而推斷土壤中的氡濃度。前者方法簡單，無需高檔測量儀器，費用低，但測量周期長（一般為15 d以上），在工程實踐中使用困難。后者測量過程便捷，所需費用也不算太多，但卻要破壞土壤的原來狀態，因此，嚴格來說后者只能算是一種相對近似測量。由此，專門設計研制了一款基于單片機的便攜式瞬時土壤測氡儀，可用于野外復雜地質環境的測量，并對它的性能進行了實地測試與分析。

1 試驗裝置及原理

采用的試驗裝置是由成都理工大學研制開發的基于單片機的便攜式瞬時土壤測氡系統[2]，整套測量系統由便攜式操控器、CAN-HUB和多臺土壤測氡儀構成，通過CAN總線可連成局域測氡網絡，從而實現多點同時測量，其整個測量系統見圖1。

圖1 土壤氡測量系統組成Fig.1 Schematic diagram of soil radon measurement system composition

其中測氡儀采用埋入土壤無源擴散采樣，內置Φ30 mm的金硅面壘半導體探測器對氡及其子體衰變時放出α粒子進行探測，通過計算達到衰變平衡后α粒子的計數值確定氡濃度。為了對土壤氡的變化做出快速響應，通過脈沖幅度甄別，只測量222 Rn短壽命衰變子體218 Po放出的α粒子計數，不僅使衰變平衡時間縮短為30 min，而且排除可能會有的釷氣α衰變子體216 Po造成的干擾。此外，內置高精度溫、濕度及氣壓傳感測量子系統，對土壤中的溫濕度、壓強等參數進行實時測量，并把測量結果存儲在各自內置的存儲器中；為了方便用戶野外操作，還專門設計了便攜操控器，用于野外代替PC機監視測量機的工作狀況和檢查測量數據，并實時顯示218 Po計數值、溫、濕度、氣壓與測量時間等信息，或者通過CAN總線經由CAN-HUB調入微機。圖2為便攜式操控器和土壤測氡儀。

圖2 便攜操控器和測氡儀Fig.2 Physical picture of portable controller and radon meter

2 測量方法及結果

本次試驗選取成都理工大學校內某片開闊的草地，進行了為期1個月的實地測量試驗，儀器每半小時給出一次α讀數，選取距地表130 cm及30 cm深處兩個測量點，分別放置兩臺測氡儀（分別標記為1號和2號測氡儀），對土壤氡濃度進行了長期的連續測量。實地測量之前，在衡陽國家標準氡室對兩臺測氡儀分別進行了標定。在埋置探測器時，由于土壤氡聚集環境被臨時破壞，恢復穩定的氡氣場需要一定的時間，因此等待24 h后再開始測量。內置的傳感器可以給出土壤中的瞬時溫度及氣壓值，因此可用于研究氣象因素對土壤氡測量的影響因素并最終校正氡濃度結果。

2.1 土壤氡濃度的日變化

選取晴天時連續一個星期的早、中、晚測量的土壤中218 Po計數值并加以平均，繪制其不同深度處的α計數日變化曲線，見圖3。并對這些數值進行方差分析，表1列出了該段時間內早、中、晚218Po計數的平均值 ,均方差s及變異系數V（=s/ ），從中可以看出，在正常天氣下，不論是靠近地表還是土壤深層，清晨的氡濃度最高，中午和下午氡濃度相對較低，埋于30 cm處的2號機的變異系數均高于更深層的1號機的變異系數，說明淺表地層氡濃度更容易受氣象因素的影響而出現波動。測得的土壤氡濃度日變化規律與石玉春[3]、汪棟[4]等的測量結果是一致的。

圖3 連續晴天時土壤中218Po計數日變化Fig.3 Diurnal variation of 218Po count in soil under continuous sunny days

2.2 土壤氡濃度與氣象因素的關系

土壤氣氡含量與土壤溫濕度、氣壓等氣象因素具有一定的相關性，國內外許多學者都對此進行了長期的研究[5-9]， Bunzl[5]及Winkler[6]等指出，當氣壓改變16 mmHg，溫度變化＞3.5℃，可引起土壤氣氡含量變化2倍左右。Iakovleva[7]等認為在同一地點一個月內由氣象條件引起的土壤氣氡含量可以變化2倍左右，而由氣象條件和土壤類型不同引起的土壤氣氡含量變化可以達到10倍左右。為此，為了進一步驗證測氡儀的可靠性，我們將兩臺測氡儀記錄的不同深度的土壤瞬時氡濃度、瞬時氣壓及氣溫相關數據進行對比分析，時間周期為25天，其結果見圖4 ～ 6。

圖4 距離地表30cm和130cm處氡濃度變化曲線Fig. 4 Radon concentration variation curve at a distance of 30 cm and 130 cm from the surface

圖5 距離地表30cm壤內氣壓變化曲線Fig. 5 Pressure variation curve in soil 30 cm above the surface

圖6距離地表30cm壤內溫度變化曲線Fig. 6 Temperature variation curve in soil 30 cm above the surface

圖4 為距離地表30 cm和130 cm處測量的壤中氡濃度變化曲線，從圖中可以看到，土壤氡濃度隨著深度的增加而逐漸增加，淺表30 cm處的壤中氡濃度平均值約為428 Bq/m3, 深層130 cm左右的氡濃度均值則高達5244 Bq/m3，與周曉劍[10]和宋海龍[11]等人的測量結果相符。從變化趨勢來看，不同深度上氡濃度的變化規律是一致的，但距離地表越近，氡濃度受氣象因素的影響越大，因而波動幅度也比較明顯，最大值與最小值相差近10倍之多，與Iakovleva[7]、周曉劍[10]的結論相符。而處于130 cm處的1號機的氡濃度計數變化則平緩的多，表明受氣象因素的影響相比要小。

圖5和圖6分別為30 cm處測得的壤中瞬時氣壓及氣溫變化曲線，通過與圖4中的土壤氡濃度變化相對比，我們可以看到，整體來看，土壤氡濃度的變化氣溫的變化趨勢與呈正相關，與氣壓呈負相關，當氣壓降低，氣溫升高時，氡濃度也隨之升高，反之亦然。這與王康[8]、高超[9]等人的結論是一致的。而且，從圖中還可以看到，當氣壓改變約16 mmHg，溫度變化3℃左右時，可引起土壤氣氡含量變化2倍以上，這與Winkler[6]等人的觀點一致。

3 結 論

采用成都理工大學自主研發的基于單片機的便攜式瞬時土壤測氡裝置對校園內不同深度土壤氡濃度、溫度、氣壓進行了監測，實測結果表明該套測量裝置能夠實現野外環境下土壤氡濃度的長期連續測量，其采用高可靠性的CAN總線構建測氡網絡，可以實現多點同時測量。設計的便攜操控器，可使系統可脫離PC機獨立工作，極大的方便野外應用,其內置的高精度溫、濕度及氣壓傳感測量子系統，能夠進行多參數監測，可用于研究氣象因素對土壤氡測量的影響程度并最終校正氡濃度結果。結果表明該地區淺表（30 cm左右）土壤氡濃度均值為428Bq/m3, 深層(130 cm左右)的氡濃度均值為5244 Bq/m3，均低于全國平均水平7300 Bq/m3。土壤氡濃度隨深度增加而增加，約靠近地表受氣象因素影響越大，其變化與壤內溫度呈正相關，與壤內氣壓呈負相關。壤內氡濃度的日變化也呈現一定的規律，一般是中午和下午氡濃度較低，清晨最高。其氡濃度變化規律與其他學者的結論一致，從而驗證了該儀器在土壤測氡方面的穩定性和可靠性，能夠滿足野外連續測量的需要，為今后該儀器用于野外地質礦產資源勘查、環境放射性水平調查等提供了參考依據。