直接法测氡仪的研制汲长松中核北京核仪器厂.ppt

1、第十五届全国核电子学与核探测技术学术年会,直接法测氡仪的研制 汲长松、张树衡 中核（北京）核仪器厂,2020/8/10,1,2020/8/10,2,直接法测氡仪的研制,本工作介绍研制成功的无须刻度、 通过测量参数、 应用托马斯公式 直接获得受测气体样品中氡浓度的测量仪器系列。,氡浓度测量特点 级联衰变特性 惰性元素 放射性气体,2020/8/10,3,2020/8/10,4,实用目的的氡浓度测量实验方法进化 1 测量对象 氡子体测量子体浓度、子体潜能浓度测定 氡浓度测量氡222、氡220测量 氡与氡子体平衡系数测量,2监测目的进展与变化,铀镭矿普查勘探【5060年代】 铀镭矿开采现场涉氡辐射防

2、护监测 【60 80年代】 典型灵敏度103Bq/m3 人类环境(住房与室外环境)放射性监测 【80 年代 至今】 典型灵敏度400Bq/m3（室内） 典型灵敏度10 Bq/m3（室外）,3 现今氡浓度测量方法与仪器研制主要任务的限定,放射性事故与高危场合 职业放射性工作场合 环境放射性监测典型灵敏度 【 110Bq/m3】量级氡浓度监测 （海、湖边陆地）,氡浓度的相对测定九种主要方法,电离电流法【电离室法、静电计法】 闪烁室【卢卡斯Lucas室】法 静电场法 活性炭吸附法 双滤膜相对法 气球法 径迹蚀刻法 卡法及改进的卡法 能谱法,2020/8/10,7,2020/8/10,8,氡浓度的相对

3、测定方法的共同特点,在应用于氡浓度测定之前必须对所用仪器、装置或设备，用已知浓度的标准氡进行刻度（或标定）获得测量示值与氡浓度间的转换系数，俗称k值 测量结果与约定标准值进行比较的相对测量方法,2020/8/10,9,绝对法（直接法）氡浓度测量方法与仪器 该类仪器经二十几年的不断发展,已经形成系列商品仪器被市场接受。,2020/8/10,10,1 直接测氡浓度方法的产生背景,双滤膜测氡法是在1960年前后提出 由于缺少可以根据出口滤膜的计数准确计算被测气体中氡浓度的方程式，较长时间被用作测氡浓度的相对方法。 1969年托马斯（Thomas）推导出了托马斯双滤膜绝对测氡公式 经实验验证成立。 双

4、滤膜测氡法成为氡浓度的绝对测量方法。 该方法的测量结果不受氡与其子体放射性平衡程度的影响 及无须刻度,2 双滤膜直接测氡浓度原理,2020/8/10,11,2.1子体过滤与RaA子体的产生,2020/8/10,12,样气穿过入口滤膜A，样气中的氡钍射气子体基本上被入口滤膜滤净。 从该时刻开始，氡以T1/23.82d的半衰期衰变而产生RaA子体。 由于样气通过衰变室的渡越时间远小于RaA子体的半衰期（3.05min）。 因此可以认为，在样气由入口滤膜A至出口滤膜C之间的渡越过程中， 由RaA衰变出的RaB子体原子数极少，忽略不计。 即，在样气渡越中，只考虑由氡衰变出的RaA子体核。 对RaB子体

5、的忽略进入测量误差,2.2渡越过程中氡浓度的变化,样气通过入口滤膜的渡越过程中，氡浓度随时间是变化的。 估算表明在渡越时间为1/3min量级时，氡的浓度减小仅为十万分之四。 即，从进入衰变室至穿过出口滤膜的时间间隔内， 完全有理由认为在采样过程中，衰变室内氡的浓度是不变的。,2020/8/10,13,2.3出口滤膜对RaA子体的收集,样气在透过入口滤膜之后， 在渡越过程中产生的RaA子体， 以气溶胶的形式存在。 到达出口滤膜时被收集于出口滤膜上。,2020/8/10,14,2.4对出口滤膜上发射体的探测,在“滤膜测量位”上测出“C”的计数X。据X，由托马斯公式直接依据仪器的结构与运行各参数值得

6、到被测样气的氡含量。,2020/8/10,15,3托马斯氡浓度直接测定公式,托马斯氡浓度直接测定公式实验的低速采样、直管式衰变室、测氡灵敏度较低等特点，当将其扩展到需要较高灵敏度的环境氡浓度（10Bq/m3量级）测定时，部分原被忽略的参数的影响已不可忽略。观察到明显的负值系统偏差。需加以修正。 CRn氡浓度；X粒子的计数；E（4）探测效率； V衰变室的容积L；Z衰变修正因数；Ff扩散修正因子； 过滤效率；自吸收；S能谱修正系数；探头几何修正因数；G重力沉降损失修正系数。,2020/8/10,16,3托马斯氡浓度直接测定公式参数,2020/8/10,17,3.1探测效率E E为探头对采样滤膜源的

7、探测效率，习惯上称作4探测效率。 3.2衰变修正因数Z 样气穿过入口滤膜A进入衰变室B后，至结束对出口滤膜上粒子发射的测量过程中，存在4个动态过程：1氡不断地衰变出RaA子体等； 2出口滤膜C不断收集RaA子体，并在滤膜上衰变成RaB、RaC子体等；3停止采样后，RaA子体向C上的沉积过程终止，但在C上的RaA等子体以RaA为母体的级联衰变继续进行； 4测量计数过程中，级联衰变继续进行。 衰变修正因数Z是考虑上述四个动态过程，以氡浓度为准进行修正的因数。托马斯据级联衰变方程组计算得出了变修正因数Z值。, 3.3扩散修正因子Ff,2020/8/10,18,样气由入口滤膜A向出口滤膜C的渡越过程中

8、产生的RaA子体，由于布朗运动而导致向衰变室B的室壁的沉积扩散损失。Ff是考虑RaA子体这一扩散损失的修正因子。 托马斯给出了通过一根圆形截面管而不沉积的粒子份额的精确公式，并计算了以 DL/q 为变量的Ff（）函数值。 =3.1416 D扩散常数，对RaA原子取D0.085cm2/s L衰变室长度，cm q采样流速，cm3/ s。 文献中以列表的形式给出部分Ff（）,3.4过滤效率,托马斯公式中实际上取过滤效率1，改进后的托马斯公式中采用实际测定的过滤效率值。 * 原托马斯公式,2020/8/10,19,2020/8/10,20,3.5自吸收因子,2020/8/10,21,理论与实验证实，含

9、氡样气采样后的滤膜，作为粒子放射源， 其对粒子的自吸收效应是不能被忽略的。 采用双层滤膜法对滤膜的自吸收因子进行了实验测定 并引入改进的托马斯公式。,2020/8/10,22,3.6 能谱修正系数S,托马斯公式中E是探测器探测氡钍子体粒子的探测效率。 为获取该参数的数值需用标准氡钍子体源实验测定。 鉴于迄今还没有氡钍子体标准源可供使用，探测效率E皆选用 239Pu（E=5.1554MeV, 73.3%;5.1429MeV;15.1%） 进行测量。而氡子体发射的粒子（E6.00MeV；7.69MeV），与钍子体发射的粒子（E7.81MeV）与239Pu不同。这导致用239Pu 源测定的探测效率参

10、数E0.40，与氡钍子体源的探测效率E的偏离。 必须引入能谱修正因数S对此加以修正。,3.7探头几何因数,采样滤膜氡子体源的直径，一般与测定探测效率E所用的239Pu面源的直径不同。由此导致的系统误差用探头几何因数加以修正。探头几何因数修正，实际上就是两次测量几何条件差异的估算。 文献6给出各修正因数的测定方法与结果。,2020/8/10,23,2020/8/10,24,气溶胶粒子在衰变室内渡越过程中，由于重力沉降而不可避免的导致损失重力沉积损失。 重力沉降修正因数G考虑衰变室内，氡子体粒子在由入口滤膜至出口滤膜的渡越过程中，由于粒子自身的质量受重力影响而导致的沉降于衰变室壁的损失所进行的修正

11、。重力沉降损失服从斯托克斯定律。 上述3.43.8五个参数的引入托马斯公式后，系统误差基本消失。 据改进后的托马斯公式研制系列直接法氡浓度测量仪。,3.8 重力沉降修正因数G,4 直接测氡仪设计4,研制成功以衰变室容积不同（V40L;15L;8L）为主要区别，导致测氡灵敏度不同的三种直接法测氡仪。主要用于低氡浓度的环境放射性测定。 设计中采用负压取样、 采样流速确定保证采样气流为层流、 大面积、低本底粒子探测器、 重力沉降影响的排除、 快速更换滤膜扑捉更多比分的RaA粒子等方法与技术措施，使所研制的直接测氡仪具有实验方法无须标定；及性能指标两方面的特点。 同时出于研制成果的商品化水平的考虑，仪

12、器扩展了子体浓度与子体潜能密度测定及氡与其子体放射性平衡系数的测定功能。图2示出FT648型（V=15L）测氡仪的原理示意图。,2020/8/10,25,5直接测氡仪的主要技术指标,5.1灵敏度 根据测氡浓度的实际应用，关键是应对差错的产生加以概率要求，即样品测量的判断限。判断限灵敏度的物理意义测量净计数大于判断限时，可以预先选定的概率断定，该净计数与样品中的氡含量相关。为评价本系列测氡仪采用置信度灵敏度。,2020/8/10,26,2020/8/10,27,5.2固有误差,将具有约定真值浓度Ct的标准浓度氡,输给受试直接法测氡仪。 然后进行采样、计数，最后得计数。 计算出被测气体氡浓度的实验值Ci。 则Ct与Ci差异即为国有误差。,6 主要应用效果,采用本系列仪器曾对北京大气氡浓度昼夜变化规律进行了测定3。结果示于图3。虚线表示空气氡浓度的日平均值为8.5Bq/m3。最大值出现在午夜15时，达18.5 Bq/m3。最低值出现在中午，达3.7 Bq/m3。昼夜变化达5倍左右。国产直接法测氡仪主要性能列于下表中。