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        放射性氣體220Rn的準(zhǔn)確測(cè)量研究

        2010-06-30 06:38:00梁珺成郭秋菊
        核技術(shù) 2010年4期
        關(guān)鍵詞:子體半衰期腔體

        張 磊 梁珺成 吳 建 郭秋菊

        1(北京大學(xué)物理學(xué)院核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100871)

        2(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院電離輻射與醫(yī)學(xué)所 北京 100013)

        高濃度氡及其子體的輻射是誘發(fā)肺癌的主要因素之一,222Rn及其子體所致的呼吸道內(nèi)照射劑量約占人類受到的天然輻射總量的一半[1]。220Rn是222Rn的重要同位素,來(lái)源于232Th天然放射系。220Rn半衰期為55.6 s,環(huán)境中濃度較低,往往認(rèn)為220Rn及子體所致劑量可忽略,很少開展環(huán)境220Rn的研究。十多年前,Doi M 等[2]發(fā)現(xiàn)住宅中有較高濃度的220Rn,居住環(huán)境中的220Rn開始引起關(guān)注。

        我國(guó)土壤中天然放射性核素232Th的含量為世界平均值的1.6倍,部分地區(qū)的232Th含量遠(yuǎn)高于全球平均值[3]。農(nóng)村窯洞和裸露磚房的大量存在,極大地增加了220Rn的析出。對(duì)平?jīng)龅貐^(qū)室內(nèi)220Rn的初步測(cè)量結(jié)果表明,距墻15 cm處的220Rn濃度達(dá)156–1500 Bq/m3[4]。廣東陽(yáng)江高本底地區(qū)的研究表明,220Rn子體潛能濃度為222Rn子體的2.6倍[5]。這些初步研究結(jié)果表明,我國(guó)部分環(huán)境中220Rn濃度較高,健康危害不容忽略。

        220Rn和222Rn雖然是同位素,但有很多不同性質(zhì)。220Rn在室內(nèi)空間分布不均勻,其半衰期遠(yuǎn)短于222Rn (3.8 d);222Rn子體的半衰期在分鐘量級(jí),而220Rn子體大部分半衰期在小時(shí)量級(jí)。因此,單位暴露220Rn所產(chǎn)生的輻射劑量甚高于222Rn,據(jù)聯(lián)合國(guó)原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會(huì)(UNSCEAR)2000年報(bào)告[1],220Rn和222Rn子體有效劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為40和 9 nSv·(Bq·h·m–3)–1。由于居室環(huán)境220Rn 行為特征研究和數(shù)據(jù)的不足,在估計(jì)220Rn子體有效劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)中很多參數(shù),如子體氣溶膠粒徑分布、吸收入血速度等,都采用與222Rn子體一樣的數(shù)值。另外,生物動(dòng)力學(xué)模型對(duì)上述220Rn子體有效劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算也有影響,最近的研究表明,220Rn子體有效劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)要比 UNSCEAR 2000年報(bào)告公布的要高[6,7]。

        為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)220Rn所致危害,準(zhǔn)確測(cè)量220Rn氣體濃度是關(guān)鍵。由于220Rn的半衰期短,測(cè)量技術(shù)和刻度方法上還存在一些問題, 特別是在222Rn/220Rn混合情況下,222Rn/220Rn之間相互干擾的問題尚未完全解決。

        本文利用目前幾種常見的測(cè)氡儀開發(fā)它們的220Rn測(cè)量功能,并對(duì)這些儀器在純220Rn環(huán)境下的測(cè)量進(jìn)行了比對(duì),討論了各自的優(yōu)缺點(diǎn),希冀為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量提供參考。

        1 材料與方法

        1.1 220Rn室

        比對(duì)實(shí)驗(yàn)在自制小型220Rn室中進(jìn)行。220Rn室腔體呈圓筒狀,有效體積220 L,材料為不銹鋼。232Th源外置,通過流速約8 L/min的微型真空泵腔體連接,循環(huán)供氣。220Rn室內(nèi)置渦流風(fēng)扇保證220Rn氣體濃度分布均勻,內(nèi)部放置干燥劑保證腔體內(nèi)部濕度穩(wěn)定,外部包裹加熱材料,保證腔體內(nèi)部溫度恒定。

        1.2 測(cè)氡儀

        本工作使用三種測(cè)氡儀,分別介紹如下。

        1.2.1 AB5便攜式測(cè)氡儀(加拿大PYLON公司)

        其主要由 AB5和盧卡斯閃爍室(Lucas scintillation cell, LSC)組成,前者為便攜式監(jiān)測(cè)器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備,后者是圓筒狀探頭,內(nèi)涂 ZnS(Ag)閃爍體。放射性氣體經(jīng)濾膜過濾子體后進(jìn)入閃爍室,由閃爍體+光電倍增管探測(cè)衰變放出的 α粒子數(shù),由此測(cè)量220Rn濃度。LSC可測(cè)量222Rn/220Rn混合氣體[8]。雖因其220Rn探測(cè)下限高而在環(huán)境應(yīng)用中受到限制,但實(shí)驗(yàn)室中用抓取式采樣,其可以10 s為周期計(jì)數(shù),由計(jì)數(shù)率變化得到220Rn濃度。

        1.2.2 RAD7便攜式測(cè)氡儀(美國(guó)DURRIDGE公司)

        其可連續(xù)取樣測(cè)量的儀器,且克服了空氣濕度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,應(yīng)用廣泛,是我國(guó)使用最多的測(cè)氡儀。靜電采樣,經(jīng)干燥和子體過濾的氡氣進(jìn)入半球形腔體(體積0.7 L),由半導(dǎo)體探測(cè)器收集衰變產(chǎn)生的α粒子。該探測(cè)器能甄別α譜形而測(cè)定222Rn和220Rn濃度,測(cè)量精度分別為±5%和±25%。

        1.2.3 AlphaGUARD氡探測(cè)器(德國(guó) Genitron Instruments GmbH公司)

        系基于最優(yōu)化設(shè)計(jì)電離腔的氡探測(cè)器,能連續(xù)測(cè)定氡濃度、氣候參數(shù)及γ計(jì)數(shù)率。在低氡濃度下,其是一個(gè)脈沖電離室;高濃度下,可作為電流電離室起作用。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)有效降低了探測(cè)下限,提高了氡濃度的探測(cè)范圍。其工作模式為擴(kuò)散式或流氣式。擴(kuò)散模式的測(cè)量精度高、誤差小,是公認(rèn)的測(cè)氡標(biāo)準(zhǔn)儀器。

        Ishikawa[9]最早發(fā)現(xiàn) AlphaGUARD對(duì)220Rn有響應(yīng),并測(cè)量了擴(kuò)散模式下的220Rn響應(yīng)因子。而事實(shí)上,流氣模式下,220Rn更易進(jìn)入,但其脈沖電離室的特點(diǎn)決定了其不能區(qū)分開222Rn/220Rn。且220Rn半衰期之短,足以使其在管路輸送過程有所損失,故流氣模式采樣時(shí)腔體中220Rn濃度受流速的影響。下文忽略采樣管體積對(duì)電離室腔體體積的貢獻(xiàn),給出采樣流速的修正因子。

        流氣式采樣中,電離腔中220Rn氣體的活度濃度可用式(1)表達(dá):

        其中,A(t)是氣體活度濃度,λ是衰變常數(shù),q是采樣流量,V是腔體體積,A0是腔體外氣體的活度濃度。設(shè)初始條件A(0)=0,則由式(1)可得:

        t→∞時(shí),A(t)/A0=q/(q+λV),即腔體內(nèi)外濃度成常數(shù)。AlphaGUARD電離腔體積為0.56 L,采樣流速為1 L/min,因此,流速修正因子理論值為0.7048。若管長(zhǎng)不能忽略,或采樣近氣口有濾膜影響,則流速修正因子可能小于理論值。

        2 結(jié)果和討論

        控制220Rn室內(nèi)濃度穩(wěn)定在一定濃度,溫度保持在20℃,濕度30%–35% RH。將220Rn通入RAD7和AlphaGUARD。進(jìn)行周期為10 min、共約6 h的連續(xù)測(cè)量。同時(shí),在每隔1 h用AB5進(jìn)行抓取式采樣測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如圖1所示。

        圖1 穩(wěn)定220Rn濃度環(huán)境下的三臺(tái)儀器比對(duì)結(jié)果Fig.1 Comparing results of three devices under stable 220Rn concentration.

        由圖1,實(shí)驗(yàn)開始0.5 h后濃度保持穩(wěn)定狀態(tài)。AB5抓取式的測(cè)量結(jié)果最為穩(wěn)定。RAD7波動(dòng)最大,并且隨著干燥管使用時(shí)間增加,測(cè)量結(jié)果會(huì)略微變小。AlphaGUARD測(cè)量結(jié)果誤差最小,測(cè)量結(jié)果最穩(wěn)定,但是其受流速的影響和管道長(zhǎng)度的影響。

        改變220Rn室腔體內(nèi)220Rn濃度,進(jìn)行多次比較實(shí)驗(yàn),不同濃度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。

        從表1可以看出,不同RAD7干燥管的刻度因子有很大的不同,其受干燥劑狀態(tài)(顆粒物狀態(tài)、干燥程度及裝填狀態(tài))的影響非常明顯。新干燥管,其刻度因子為1.3,符合情況較好。AlphaGUARD大部分流速修正因子比理論計(jì)算的0.7048要低,分析其原因,是由于采樣時(shí),前端延伸的管路和進(jìn)氣口處的濾膜延長(zhǎng)了220Rn進(jìn)入電離腔的時(shí)間。第四組結(jié)果中,由于AlphaGUARD連續(xù)使用,本底未降下去,就開始新的測(cè)量,導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏高。綜合考慮,當(dāng)前采樣狀態(tài)下,AlphaGUARD的流速修正因子為0.58。

        表1 不同220Rn濃度(Bq/m3)下多次實(shí)驗(yàn)比對(duì)結(jié)果(Bq/m3)Table 1 Comparison of the measurement results under different thoron concentrations (in Bq/m3).

        3 結(jié)論

        通過三臺(tái)儀器多次比對(duì)測(cè)量,我們發(fā)現(xiàn):

        (1) AB5抓取式測(cè)量方法原理簡(jiǎn)單,測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定,可作為220Rn測(cè)量的實(shí)驗(yàn)室參考方法,但是其探測(cè)下限較高,局限了其現(xiàn)場(chǎng)使用的可能性;

        (2) RAD7的220Rn測(cè)量結(jié)果受干燥劑狀態(tài)的影響比較大,因此在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定測(cè)量前需要刻度。全新小干燥管刻度因子為1.3;

        (3) AlphaGUARD流氣式測(cè)量結(jié)果受采樣流速和前端采樣管路狀況的影響,只能作一般性參考。但是該測(cè)量?jī)x器具有探測(cè)下限低、測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。因此,可以對(duì)采樣流速和前端管路進(jìn)行改進(jìn)后,固定在220Rn室上作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適時(shí)監(jiān)測(cè)。

        致謝感謝復(fù)旦大學(xué)放射醫(yī)學(xué)研究所卓維海教授對(duì)本工作的支持和悉心指導(dǎo)。

        1 UNSCEAR. Sources and effects of ionizing radiation.Sweden: UNSCEAR, 2000

        2 Doi M, Fujimoto K, Kobayashi S,et al. Health Phys,1994, 66(1): 43–49

        3 UNSCEAR. Sources and effects of ionizing radiation.Sweden: UNSCEAR, 1988

        4 Bing Shang, Takao Iida, Yukimasa Ikebe. Influence of220Rn on222Rn measurement in Chinese cave dwellings.Radon and thoron in the human Environment. Singapore:World Scientific, 1998. 379–384

        5 魏履新, 查永如, 陶祖范, 等. 中國(guó)陽(yáng)江高本底輻射研究. 北京: 原子能出版社, 1996. 111–118 WEI Lvxin, ZHA Yongru, TAO Zufan,et al. High backgound raidaiton research in Yangjiang China. Peking:Atomic Energy Press, 1996. 111–118

        6 Ishikawa T, Tokonami S, Nemeth C. J Radio Prot, 2007,27: 447–456

        7 Tschiersch J, Li W B, Meisenberg O. Radia Pro Dosim,2007, 127: 73–78

        8 Eappen K P, Nair R N, Mayya Y S. Radiat Meas, 2008, 43:91–97

        9 Ishikawa T. Radia Pro Dosim, 2004, 108: 327–330

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