過惠平 魏志浩 呂 寧 呂汶輝 鮑衛(wèi)紅 趙永剛

（第二炮兵工程大學 西安 710025）

靜電收集-能譜法測氡裝置設計

過惠平 魏志浩 呂 寧 呂汶輝 鮑衛(wèi)紅 趙永剛

（第二炮兵工程大學 西安 710025）

提出靜電收集-能譜法測氡原理，初步建立靜電收集-能譜法測氡系統(tǒng)。針對影響測量結果的鋁箔、空氣層等主要因素，建立合理的放射源和幾何模型，運用Geant4軟件進行模擬，對結果進行處理，得到了α粒子能量大小、α能譜的半高寬(Full Width at Half Maximum, FWHM)、能量分辨率、峰位差、能譜分辨能力與鋁箔和空氣層厚度的關系，確定了鋁箔、空氣層厚度最佳取值范圍。并選擇合適的鋁箔、空氣層厚度，在氡室內(nèi)進行測量，驗證了模擬分析的正確性，為靜電收集-能譜法測氡裝置的研制提供了可靠數(shù)據(jù)。

靜電收集，Geant4，氡測量，α能譜，蒙特卡羅

聯(lián)合國原子輻射效應科學委員會(United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, UNSCEAR)在2008年報告中指出，在人類受到的天然輻射源照射中，氡及子體暴露所致年有效劑量約占天然輻射源所致年有效劑量的50%[1]。所以提高測氡儀器的測量水平使氡得到有效防范顯得尤為重要。

國內(nèi)外對氡及氡子體的測量已進行過許多研究，目前常用的測氡方法有電離室法、閃爍室法、雙濾膜法、積分計數(shù)法、活性炭濃縮法、徑跡蝕刻法以及靜電擴散法等[2]。但眾多方法都存在優(yōu)缺點，總結起來分為兩類：一類是在線測量方法，這類方法能夠進行實時測量，但一般只能進行計數(shù)測量，反映氡及子體的信息量較少；另一類是能譜測量方法，這類方法能夠測量能譜，可反映出氡及子體的大量信息，但是一般只能進行離線測量。

針對氡及子體測量方法的優(yōu)缺點，本文提出了靜電收集-能譜測氡方法。基于α譜儀系統(tǒng)，采用靜電收集原理構造探頭，實現(xiàn)了具有能量區(qū)分本領的氡及氡子體濃度在線實時分析測量功能。

1 靜電收集-能譜法測氡原理及系統(tǒng)構成

自然界中，氡主要有三種天然放射性同位素，即219Rn、220Rn、222Rn，它們分別來源于鈾系、釷系和錒系三大天然放射系。由于219Rn、220Rn的半衰期很短，分別為3.96 s、55.6 s，所以219Rn、220Rn在大氣中含量相對很少；而222Rn的半衰期(3.823 d)比較長，大氣中的氡主要以222Rn存在，因此氡的測量通常是222Rn及其子體的測量[2]。

1.1靜電收集-能譜法測氡原理

靜電收集-能譜法測氡原理如圖1所示，在濃度差作用下，室外氡氣體經(jīng)擴散透過濾膜進入收集室，而室外已衰變的氡子體固體顆粒被阻擋在收集室外，達到平衡后，室內(nèi)外氡濃度幾乎相等；收集室內(nèi)，氡衰變產(chǎn)生的214Po、218Po等子體90%以上帶正電，氡子體在收集室加電后產(chǎn)生的電場作用下被收集到探測器表面的鋁箔上，其衰變產(chǎn)生的α粒子穿過鋁箔被探測器接受，經(jīng)多道分析器處理形成能譜。

圖1 靜電收集-能譜法測氡系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure illustration of radon measuring system with electrostatic collection-energy spectrum method.

1.2靜電收集-能譜法測氡裝置系統(tǒng)構成

該測量系統(tǒng)由氡室、BH1324C型單路α譜儀、探頭部分和計算機等部分組成，其裝置如圖2。

靜電收集-能譜法測氡裝置主要是對探頭部分的設計。探頭部分分為收集室和金硅面壘半導體探測器兩個模塊。收集室是桶狀結構，由金屬絲網(wǎng)構成，其外表面覆有一層用于過濾空氣中的固體雜質和氡衰變子體的濾膜；金硅面壘半導體探測器固定于收集室內(nèi)頂部中央位置，用于探測被收集到的氡子體衰變產(chǎn)生的α粒子；金硅面壘半導體探測器表面前蓋有一薄鋁箔，一方面作為收集室加電后的負極，收集室內(nèi)氡子體；另一方面作為金硅面壘半導體探測器表面的保護層，防止探測器被污染。金硅面壘半導體探測器α能譜系統(tǒng)，用于放大、處理核信號，最終形成能譜。

圖2 靜電收集-能譜法測氡系統(tǒng)構成圖Fig.2 Structure of radon measuring system with electrostatic collection-energy spectrum method.

2 探頭部分模擬設計

能譜法在線連續(xù)測氡裝置中，BH1324C型單路α譜儀、計算機是成型產(chǎn)品，可靠性比較高，影響能譜測量準確性的主要是探頭部分。探頭部分由收集室、金硅面壘半導體探測器、空氣層、鋁箔組成。在進行氡的α能譜測量時，鋁箔表面的氡子體衰變產(chǎn)生α粒子，穿過鋁箔和空氣層被金硅面壘半導體探測器探測到，不同厚度的鋁箔、空氣層對α粒子能量大小、α能譜的半高寬(Full Width at Half Maximum, FWHM)、峰位差、能量分辨率等影響很大。為使α粒子能量的損耗具有一致性，保持能量的線性關系，對探頭部分進行分析，建立合理的α放射源模型，設計幾何結構，利用Geant4軟件，選擇合適的物理過程進行模擬，并對數(shù)據(jù)進行處理。得到了不同厚度的鋁箔、空氣層與α粒子能量大小、α能譜的半高寬、峰位差、能量分辨率等之間的關系，初步研究探頭部分鋁箔、空氣層厚度對能譜測量的影響，確定鋁箔和空氣層厚度范圍。

2.1放射源模型

空氣中存在的主要氡的放射性同位素222Rn、220Rn、219Rn中，220Rn、219Rn的半衰期很短，且空氣中含量很少，對氡的α能譜測量的影響可以不予考慮。因此，只考慮由222Rn衰變產(chǎn)生的氡子體的測量即可。表1是鈾系衰變鏈中222Rn及其子體的衰變產(chǎn)生的能量及半衰期[3]。

表1 鈾系222Rn及子體衰變表Table 1 Decay table of 222Rn and 222Rn daughters in uranium series.

在鈾系中，222Rn 及子體衰變產(chǎn)生的β、γ射線的能量和衰變幾率都比較低，對α能譜的測量影響不考慮[4]；由表1可以看出，222Rn發(fā)生α衰變產(chǎn)生α粒子能量為5.49 MeV，但由于222Rn為氣態(tài)原子，不帶電，222Rn均勻分布在收集室內(nèi)，且5.49 MeV的α粒子在空氣中的射程只有3.82 cm[4]，所以探測222Rn衰變產(chǎn)生的α粒子效率很低，對α能譜測量影響可忽略；214Bi的α衰變幾率很低，約為0.033%，其影響可忽略；210Pb的半衰期很長，為2.22 a，且衰變幾率極低，210Pb及其衰變子體的α粒子的影響可忽略；218Po、214Po的半衰期比較短，衰變幾率均為100%，其能量分別為6.00 MeV、7.687 MeV，且在其能量附近沒有其它核素干擾，采用α能譜法測量的α能譜主要是這兩種核素的貢獻。

靜電收集-能譜法測氡實質是對沉積在鋁箔表面的氡子體218Po、214Po的α能譜測量，所以可將模型等效為半徑等于鋁箔半徑的面源，其發(fā)射能量為6.00 MeV、7.687 MeV，平衡條件下發(fā)射幾率分別為50%。

2.2探頭幾何結構

為研究鋁箔對不同能量α粒子的阻擋關系，將氡探頭抽象為如圖3所示模型。該模型由等效面源、鋁箔、空氣層和探測區(qū)等部分組成。其中，面源為發(fā)射6.00 MeV和7.687 MeV能量的α粒子，發(fā)射幾率分別為50%，半徑為10 mm的圓柱體，覆蓋在鋁箔表面；鋁箔是半徑為10 mm、厚度為dl的圓柱體，變化范圍取0.0013-0.0260 mm（區(qū)分度為0.0013mm）；探測區(qū)與鋁箔之間為空氣層，其半徑為10 mm，厚度為dk，變化范圍取0.5-1.5 mm（區(qū)分度為0.1 mm）。

圖3 模型結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of model structure.

模擬采用Geant4 9.6版本，調(diào)用其物理庫中的LHEP為物理過程，通過改變鋁箔、空氣層厚度，計算由面源發(fā)射的6.00 MeV和7.687 MeV能量的α粒子穿過鋁箔、空氣層后的能譜及相關參數(shù)。

3 模擬結果分析及驗證

3.1模擬結果

根據(jù)所建物理模型，在Linux環(huán)境下，編寫用戶文件，經(jīng)模擬計算[4-5]得到不同能量的α粒子穿過不同厚度鋁箔、空氣層的相關數(shù)據(jù)，其α能譜如圖4所示（討論各個參數(shù)與不同厚度鋁箔、空氣層關系時，只選取了部分參考點）。

由圖4看出，當空氣層厚度一定時，隨著鋁箔厚度的增加，α能譜展寬變大，峰值降低，能量損失越來越嚴重；當鋁箔厚度一定時，隨著空氣層厚度的增加峰值略有衰減，但其變化不大。

圖4 穿過不同厚度鋁箔、空氣層的α能譜(a) 0.6 mm厚空氣層，(b) 0.9 mm厚空氣層，(c) 1.2 mm厚空氣層，(d) 1.5 mm厚空氣層，(e) 0.006 5 mm厚鋁箔，(f) 0.013 mm厚鋁箔，(g) 0.019 5 mm厚鋁箔，(h) 0.026 mm厚鋁箔Fig.4 Spectrum of α particles passed through different thickness of aluminum foil and air layer. (a) Thickness of 0.6-mm air layer, (b) Thickness of 0.9-mm air layer, (c) Thickness of 1.2-mm air layer, (d) Thickness of 1.5-mm air layer, (e) Thickness of 0.006 5-mm aluminum foil, (f) Thickness of 0.013-mm aluminum foil, (g) Thickness of 0.019 5-mm aluminum foil, (h) Thickness of 0.026-mm aluminum foil

3.2結果分析

3.2.1 不同厚度的鋁箔、空氣層與半高寬之間關系分別改變鋁箔厚度dl和空氣層厚度dk，得到6.00 MeV和7.687 MeV能譜半高寬變化趨勢如圖5所示。

圖5 鋁箔厚度(a)、空氣層厚度(b)與半高寬關系Fig.5 Relations between FWHM and aluminum foil thickness (a), air layer thickness (b).

由圖5可得：

(1) 隨著鋁箔厚度的增加，能量展寬即半高寬越來越大；隨著空氣層厚度的增加，能量展寬即半高寬變化不大（當鋁箔厚度dl=20×0.001 3 mm時，低能峰已不完整，所以不考慮）。

(2) 當空氣層厚度一定時，若鋁箔厚度dl≤5×0.001 3 mm，兩曲線幾乎重合，說明鋁箔較薄時鋁箔對α粒子作用與能量大小無明顯關系；若鋁箔厚度dl＞5×0.001 3 mm，低能α粒子的半高寬曲線斜率較大，說明鋁箔較厚時，鋁箔對低能α粒子作用較為明顯。

(3) 當鋁箔厚度一定時，空氣層厚度對能量展寬即半高寬影響很小，空氣層厚度dk在0.5-1.5 mm內(nèi)，半高寬略有增大，但其變化不大。

3.2.2 不同厚度的鋁箔、空氣層與能量分辨率關系

分別改變鋁箔厚度dl和空氣層厚度dk，得到6.00 MeV和7.687 MeV的α能譜的能量分辨率變化趨勢如圖6所示。

圖6 鋁箔厚度(a)、空氣層厚度(b)與能量分辨率關系Fig.6 Relations between energy resolution and aluminum foil thickness (a), air layer thickness (b).

由圖6可得，當鋁箔厚度dl≤10×0.001 3 mm時，6.00 MeV和7.687 MeV的α粒子的能量分辨率相差不大，且隨著鋁箔厚度的增加，α粒子的能量分辨率變化不大；當鋁箔厚度dl＞10×0.001 3 mm時，隨著鋁箔厚度的增加，能量分辨率逐漸變大，即能量分辨本領逐漸變差，且低能α粒子的這種變化更為明顯；當鋁箔厚度一定時，隨著空氣層厚度的增加，峰位差變化不大。

3.2.3 不同厚度的鋁箔、空氣層與峰位差關系

分別改變鋁箔厚度dl和空氣層厚度dk，得到α粒子峰位差變化趨勢如圖7所示。

圖7 鋁箔厚度(a)、空氣層厚度(b)與峰位差關系Fig.7 Relations between distance of peaks and aluminum foil thickness (a), air layer thickness (b).

由圖7可得，當空氣層厚度不變時，隨著鋁箔厚度的增加，峰位差逐漸變大；當鋁箔厚度一定時，若空氣層厚度dk≤0.8 mm，隨空氣層厚度的增加，峰位差幾乎沒有變化；若空氣層厚度dk＞0.8 mm，隨空氣層厚度的增加，峰位差略有增大，但變化范圍很小。

3.2.4 不同厚度的鋁箔、空氣層與能譜分辨能力

由以上分析可知，兩能量的半高寬都隨著鋁箔和空氣層厚度增大，α粒子能量隨著鋁箔和空氣層厚度的增加而減少，而峰位差也隨著鋁箔和空氣層厚度增大，說明兩能峰并不一定因為鋁箔厚度增大而難以分辨。若要定量地判斷兩能峰能否可以被分辯，可定義能譜分辨能力η：

式中，F(xiàn)WHM1、FWHM2分別是兩個峰的半高寬；E1、E2分別是兩個峰的峰位值。

當能譜分辨能力等于1時，恰好能分辨出兩相鄰α能峰；當能譜分辨能力小于1時，能很好地分辨出兩相鄰α能峰，其值越小，能譜分辨能力越好；當能譜分辨能力大于1時，不能分辨出兩相鄰α能峰，兩能峰重疊，形成和峰。

由圖8可得，當空氣層厚度一定時，隨著鋁箔厚度的增加，能譜分辨能力逐漸變差，且能譜分辨能力均小于1，即隨著鋁箔厚度的增加，兩能峰越來越近，但仍可以分辯；當鋁箔厚度一定時，特別是鋁箔較薄時，若空氣層厚度dk≤0.8 mm，能譜分辨能力較為穩(wěn)定；若空氣層厚度dk＞0.8 mm，隨空氣層厚度的變化能譜分辨能力略有增大。

圖8 鋁箔厚度(a)、空氣層厚度(b)與能譜分辨能力關系Fig.8 Relations between energy distinguishing capacity and aluminum foil thickness (a), air layer thickness (b).

綜上分析，為使α粒子能量的損耗具有一致性，保持能量的線性關系，結合加工工藝技術，鋁箔厚度在0.001 3-0.006 5 mm，空氣層厚度在0.5-0.8 mm最佳。

3.3結果驗證

為驗證仿真結果的正確性，設定鋁箔厚度為0.002 6 mm，空氣層厚度為0.8 mm，初步搭建靜電收集-能譜法測氡實驗裝置，并在小型氡室[6]內(nèi)進行測量。選擇靜電收集場電壓為750 V，金硅面壘半導體探測器偏壓為60 V，采集時間為13333s，其測量結果如圖9所示。

由圖9可以看出，在氡室內(nèi)所測得的α能譜中，主要由兩個能峰組成，道址分別為529、629，半高寬分別為27.5、22.7，則計算能譜分辨能力為0.215，其值遠小于1，兩峰能很好地被分辨出來，從而驗證了模擬結果的正確性。

圖9 氡室內(nèi)實測α能譜圖Fig.9 α spectrum detected for radon chamber.

4 結語

本研究提出了靜電收集-能譜法測氡方法，根據(jù)此原理初步搭建了靜電收集-能譜法測氡系統(tǒng)。針對靜電收集-能譜法測氡裝置的主要影響因素，建立了合理的放射源和幾何模型，運用Geant4進行模擬，得到了α粒子能量大小、α能譜的半高寬、峰位差、能量分辨率、能譜分辨能力與鋁箔、空氣層厚度的關系，確定了鋁箔、空氣層厚度最佳取值范圍，分別為0.001 3-0.006 5 mm、0.5-0.8 mm。并選擇合適的鋁箔、空氣層厚度，搭建實驗平臺，在氡室內(nèi)進行靜電收集-能譜法氡的α能譜測量，驗證了模擬分析的正確性。

1 UNSCEAR. Sources and effects of ionizing radiation[R]. United Nations, New York: The General Assembly with Scientific Annexes, 2010

2 張智慧. 空氣中氡及其子體的測量方法[M]. 北京: 原子能出版社, 1994: 1-2

ZHANG Zhihui. Methods and applications of radon[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1994: 1-2

3 汲長松. 核輻射探測器及其實驗技術手冊[M]. 北京:原子能出版社, 2010: 27-28

JI Changsong. Handbook of nuclear radiation detectors & experiment techniques[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 2010: 27-28

4 Geant4 user's guide for application developers[EB/OL]. http://geant4.web.cern.ch/geant4/support/userdocuments.s html, 2012-11-30

5 Physics reference manual[EB/OL]. http://geant4.web.cern. ch/geant4/support/userdocuments.shtml, 2012-11-30

6 過惠平, 于洪偉, 尚愛國, 等. 氡測量刻度裝置的設計與實現(xiàn)[J]. 原子能科學與技術, 2006, 40(增刊): 130-133

GUO Huiping, YU Hongwei, SHANG Aiguo, et al. Design and realization of calibration apparatus for measuring concentration of radon[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2006, 40(Suppl): 130-133

CLCTL817

Design of energy spectrum device for radon measuring with electrostatic collection method

GUO Huiping WEI Zhihao LYU Ning LYU Wenhui BAO Weihong ZHAO Yonggang
(The Second Artillery Engineering University, Xi’an 710025, China)

Background:This research is to take energy spectrum of α particle into consideration in the measurement of radon. Purpose: We aim to find the influence factors of screening particle energy during the process of detector design. Methods: Based on the electrostatic collection radon measurement method, in order to study the influence factors of the measurement such as aluminum foil and air layer, the reasonable radiation source and geometric model are abstracted and calculated with Geant4 software. Results: The best ranges of aluminum foil thickness and air layer thickness are obtained by analyzing their relationship with α energy, the Full Width at Half Maximum (FWHM), the energy resolution, the distance of peaks and the peaks screening power. Conclusion: With the results adopted above, the energy spectrum device is fabricated. Based on the α energy spectrum sampled in a radon chamber, the validity of this design has been proved. It provides a set of reliable data for the design of radon measuring device with electrostatic collection method.

Electrostatic collection, Geant4, Radon measurement, α spectrum, Monte Carlo

TL817

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.060206

過惠平，男，1962年出生，2008年于第二炮兵工程大學獲博士學位，教授，核輻射監(jiān)測與防護專業(yè)

呂寧，E-mail: lvning1108@aliyun.com

2013-08-21，

2014-03-06