楊 強(qiáng) 葛良全 花永濤 朱國禎 王爾奇

1(成都理工大學(xué) 地學(xué)核技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610059)2(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心 北京 100082)

氡氣的危害已經(jīng)得到廣泛的重視，由于氡具有級聯(lián)衰變的特性，對其的測量一直是核物理實(shí)驗(yàn)方法領(lǐng)域的較困難課題[1]。在我國環(huán)境空氣中氡的標(biāo)準(zhǔn)測量方法中推薦了四種測定方法，即徑跡蝕刻法、活性炭盒法、雙濾膜法和氣球法[2]。前兩者屬于被動測量法，主要用于氡濃度的累積測量不能測量子體濃度。研究表明，222Rn/220Rn子體對人體有效當(dāng)量劑量的貢獻(xiàn)要遠(yuǎn)大于222Rn/220Rn本身，因此測量222Rn/220Rn子體濃度特別是a潛能濃度比測量222Rn/220Rn更能反映他們對人體的危害[3]。氣球法測氡是一種主動式測量方法，利用托馬斯(Thomas)絕對測氡公式，無需達(dá)到放射性衰變平衡即可同時(shí)測量氡及其子體的潛能濃度，可廣泛應(yīng)用于礦山及環(huán)境中氡及其子體濃度的快速測量[4]。以往使用的氣球法測氡儀往往將測量設(shè)備和抽氣泵分開，使用時(shí)需人工取下氣球更換接口，容易造成漏氣影響測量的準(zhǔn)確度。新研制的氣球法測氡儀將抽氣泵與采樣器集成在一體，提高了儀器的整體穩(wěn)定性和可靠度。

1 氣球法測氡原理

氣球法測氡屬于主動式采樣法，測量時(shí)無需達(dá)到放射性平衡，可同時(shí)得出采樣瞬間空氣中氡及其子體濃度，其探測下限為氡 2.2Bq/m3，子體5.7′10-7J/m3。采樣時(shí)必須嚴(yán)格按照馬爾科夫測量程序工作，如圖1。

圖1 氣球法測氡儀工作時(shí)間程序Fig.1 Time program of balloon radon measure instrument.

1.1 氡的潛能濃度的測量

馬爾科夫法計(jì)算氡子體潛能濃度的公式為：

式中，Cp為a潛能濃度，單位是 J/m3；Km為馬爾科夫法系數(shù)，單位是J/(m3·計(jì)數(shù))；NE是入口濾膜總a計(jì)數(shù)；R是儀器本底。其中Km由下式給出：

式中，KK為庫斯尼茨法系數(shù)。能夠通過測氡儀的特性指標(biāo)直接計(jì)算得到，計(jì)算公式為：

式中n為采樣流速單位L/min；E為探測器計(jì)數(shù)效率；h為濾膜過濾效率；b為濾膜對a粒子的自吸收因子；tm為第二次a計(jì)數(shù)時(shí)間；K(T)與等待時(shí)間有關(guān)。按照下節(jié)方法可測定上式中各參數(shù)值，即可直接計(jì)算氡子體的潛能濃度。當(dāng)然，馬爾科夫系數(shù)Km也可在氡室中由相對測量法計(jì)算得到。

1.2 馬爾科夫法系數(shù)的確定

1.2.1 抽氣速率

濾膜上氡子體數(shù)量變化規(guī)律滿足巴特曼方程[5]：

式中，Ni(t)為取樣t分鐘時(shí)濾膜上子體i的原子數(shù)；li為子體i的衰變常數(shù)；Qi單位體積空氣中所含原子數(shù)；V是抽氣速率。由上式可以看出，抽氣速率與濾膜上子體的數(shù)量成正比。速率若太小計(jì)數(shù)值的放射性統(tǒng)計(jì)誤差增大，對于便攜式儀器來講一般取30L/min，在整個(gè)采樣過程中應(yīng)該保持恒定。

1.2.2 濾膜過濾效率h的測定

取2張質(zhì)量厚度相近的濾膜，重疊在一起，濾膜之間留有2 mm的距離。按規(guī)定的流速采樣5 min。將2張濾膜在同一臺儀器上交替測量，得到兩條衰變曲線。取衰變曲線中同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)

1.2.3 自吸收因子b的測定

按規(guī)定抽氣速率將氡子體收集在濾膜上。等待30 min在相同條件下快速地測量濾膜正面、反面、正面蓋上同類質(zhì)量厚度相近的空白濾膜后的計(jì)數(shù)值，C1、C2、C3代入下式計(jì)算。每次測量 1min，對于每批濾膜至少測量3次，測量環(huán)境中氡濃度值應(yīng)較大，如取 4000Bq/m3。

1.3 氡濃度的測量

氣球法測氡儀氡濃度的測量按照相對測量法進(jìn)行： CRn= Kb( NR- 1 0 R )，式中CRn為氡濃度，單位Bq/m3；Kb為氣球法刻度常數(shù)，單位Bq/(m3·計(jì)數(shù))；NR為出口濾膜的總計(jì)數(shù)；R是儀器本底。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

IED3000F氣球法測氡儀的整體結(jié)構(gòu)框圖2。

圖2 氣球法測氡儀結(jié)構(gòu)框圖Fig. 2 Structure of radon measure instrument by balloon method.

在進(jìn)氣口和排氣口各安裝三通閥門，進(jìn)氣時(shí)，空氣經(jīng)過A-B-P-E-F通道進(jìn)入氣球法；排氣時(shí)氣球法經(jīng)F-D-P-C-A通道排出。無論進(jìn)氣和排氣都經(jīng)過了氣泵和流量計(jì)，因此實(shí)現(xiàn)了只用一個(gè)氣泵自動切換氣路的功能。

系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。從電路結(jié)構(gòu)上講，系統(tǒng)分為探頭、采樣泵控制、數(shù)據(jù)處理電路三個(gè)部分。其中探頭將金硅面壘半導(dǎo)體探測器和電荷靈敏前置放大器封裝在一起，減少信號衰減提高信噪比。采樣泵的供電選擇 DC/DC隔離模塊電源直接從電池電源取電。數(shù)據(jù)處理核心選擇嵌入式ARM7微處理器LPC2148，并外配了I2C非易失只讀存儲器。

圖3 儀器電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Circuit structure of radon measure instrument.

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 探頭的設(shè)計(jì)

根據(jù)馬爾科夫測量程序可以看出，氣球法測氡的測量過程和氣泵要求同時(shí)工作。因此，探頭部分的設(shè)計(jì)必須充分考慮氣泵工作時(shí)產(chǎn)生的電磁脈沖及抖動對探測器工作的干擾。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電荷靈敏前置放大器的結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 電荷靈敏前置放大器電路Fig.4 Circuit of charge sensitive preamplifier.

電路中放大器采用低噪聲運(yùn)算放大器擴(kuò)展結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)輸入級的設(shè)計(jì)方案。場效應(yīng)管型號是3DJ7，運(yùn)算放大器選用NE5534。3DJ7的跨導(dǎo)一般大于3000mW-1，電路中R12和R13是局部電壓負(fù)反饋穩(wěn)定電路工作，R13與R1構(gòu)成分壓器，通過放大器的負(fù)反饋?zhàn)饔迷O(shè)置場效應(yīng)管的直流工作點(diǎn)。此電路總的交流電壓增益由下式計(jì)算：

式中，K1是擴(kuò)展JFET輸入級的電壓增益，K2是引入電壓負(fù)反饋后運(yùn)算放大器的電壓增益，Gm是 3DJ7的跨導(dǎo)。根據(jù)上式計(jì)算電路交流總增益大于14100倍，輸出波形幅度達(dá)到100mV，成型時(shí)間300mS，下圖給出了前放輸出的實(shí)測波形。

圖5 電荷靈敏前置放大器輸出波形Fig. 5 Waveform of charge sensitive preamplifier.

3.2 采樣泵控制電路

采樣泵在工作時(shí)不僅產(chǎn)生振動，同時(shí)向外界發(fā)射大量的電磁輻射，并對電源地線造成較大干擾。為此設(shè)計(jì)了光耦和隔離電源的保護(hù)電路。光耦型號是 TLP521，隔離電源選用 25W DC/DC 可調(diào)模塊WD5-12S12，輸出電壓可通過5、6腳的電位器在±20%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

3.3 數(shù)據(jù)處理電路

數(shù)據(jù)處理電路包含了主放大器、脈沖甄別、溫/濕度傳感器、輸入/輸出控制、電源監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信等功能。

主放大器由雙運(yùn)算放大器NE5532組成。其特性指標(biāo)為輸入噪聲電壓 5nV/Hz，小信號帶寬10MHz，直流電壓增益50000，交流電壓增益10 kHz時(shí)2200，轉(zhuǎn)換速率9V/mS。脈沖甄別電路由兩路集成電壓比較器LM311構(gòu)成。其中一路用于排出噪聲信號，提高信噪比；另一路用于甄別能力大于6.4MeV的a射線。通過兩道計(jì)數(shù)值差，排除 RaC’的干擾。第一路閾值電壓通過測量探頭輸出噪聲波形幅值與比較器同相直流電位求得；另一路閾值利用241Am標(biāo)準(zhǔn)a源接多道脈沖幅度分析器(MCA)經(jīng)能譜測量求得。實(shí)測能量為 5.488MeV時(shí)道址是120，能量為5.545時(shí)道址是147，則6.4MeV射線能量所對應(yīng)的道址是 578道，對應(yīng)閾值電壓為：U=5′578/1024=2.82V，實(shí)際取該值為3.3V。

4 軟件設(shè)計(jì)

LPC2148是基于精簡指令集結(jié)構(gòu)的ARM7微處理器，在其上安裝mCOSII多任務(wù)操作系統(tǒng)，大大方便了程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中運(yùn)行了信號采集任務(wù)、溫/濕度采集任務(wù)、串口通信任務(wù)和輸入/輸出控制任務(wù)。根據(jù)各任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求，優(yōu)先級分配如下：信號采集最高為1；溫、濕度采集優(yōu)先級3；串口通信任務(wù)優(yōu)先級5；鍵盤掃描及顯示優(yōu)先級最低為10。

5 指標(biāo)測試

氣球法測氡儀性能指標(biāo)測試在南華大學(xué)氡實(shí)驗(yàn)室完成。實(shí)驗(yàn)得到了2種氡濃度在不同溫度和濕度下的氣球法測氡儀氡及其子體的計(jì)數(shù)結(jié)果，其中一組測量數(shù)據(jù)見表 1。測量結(jié)果表明新研制的氣球法測氡儀能夠較好的滿足氡濃度及其子體潛能濃度的測量要求，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

表1 氡及其子體濃度測量結(jié)果表 (溫度25 °C，濕度70%)Table 1 Measure result of radon and radon daughters (temperature: 25 °C, humidity: 70%).

6 結(jié)論

新型氣球法測氡儀具有靈敏度高，數(shù)據(jù)存儲量大(2000組數(shù)據(jù))，集成度高(無需卸下氣球法即可切換氣路)，體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)南華大學(xué)氡實(shí)驗(yàn)室測試新研制的馬爾科夫氣球測氡儀各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)達(dá)到同類型儀器水平，符合國家標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，適合于礦山環(huán)境下氡濃度及其子體濃度的快速測量與評價(jià)。

1 汲長松. 直接法測氡儀的研制[C]//第十五屆全國核電子學(xué)與核探測技術(shù)學(xué)術(shù)年會論文集, 2010: 241 JI Changsong. The development of direct radon measure instrument[C]//The 15th national Nuclear Electronics &Detection Technology Conference Poceedings, 2010: 241

2 國家質(zhì)檢總局, GB/T 14582-1993. 環(huán)境空氣中氡的標(biāo)準(zhǔn)測量方法[S]. 北京: 中國輻射防護(hù)研究院, 1993.GB/T 14582-1993. Standard methods for radon measurement in environmental air[S]. [S.l.]: China Institute for Radiation Protection, 1993

3 陳生慶, 周劍良. 空氣中222Rn/220Rn子體a潛能濃度測量方法的研究進(jìn)展[J]. 南華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006, 20(4):81–84 CHEN Shengqing, ZHOU Jianliang. Review on Measurement Methods of Potential Alpha-Energy Concentration of Radon Progeny and Thoron Progeny in Air[J]. Journal of Nanhua University(Science and Technology), 2006, 20(4):81–84

4 汲長松. 改進(jìn)的托馬斯測氡公式[J]. 中國核科技報(bào)告,1991(S3): 72–73 JI Changsong. Improved Thomas formula for radon measurement[J]. China Nuclear Science and Technology Report, 1991(S3): 72–73

5 田德源, 陸治釗. 新馬爾科夫法[C]//第8屆全國核電子學(xué)與核探測技術(shù)學(xué)術(shù)年會. 中國廣東珠海, 1996-12-02,中國廣東珠海, 1996: 586–590, 54 TIAN Deyuan, LU Zhizhao. New Markov Method[C]//The 8th national Nuclear Electronics &Detection Technology Conference, 1996-12-02, 1996:586–590,54

6 曲曰聲. 相對濕度對氣球法測氡的影響[J]. 輻射防護(hù),1990(2): 117-120 QU Yuesheng. Effect of relative humidity on radon measurement by balloon method[J]. Radialization Protection, 1990(2): 117-120

7 韓國勝, 李曉戈, 王慶恒. 雙濾膜法測氡中濕度影響的校正[J]. 輻射防護(hù)通訊, 1999(6): 24–26 HAN Guosheng, LI Xiaoge, WANG Qingheng.Modification to the Effect of Water Vapor on Rn in Two filter Method[J]. Radiation Protection Bulletin, 1999(6):24–26