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        氣球法測(cè)氡儀在室內(nèi)氡濃度評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

        2014-10-16 06:24:46朱國(guó)禎葛良全李值純
        核技術(shù) 2014年8期
        關(guān)鍵詞:劑量測(cè)量方法

        朱國(guó)禎 葛良全 李值純

        1(湖南省職業(yè)病防治院 長(zhǎng)沙 410000)

        2(成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 610059)

        氡氣是一種特殊的氣體。它集惰性和放射性于一身,存在于任何的自然環(huán)境中,是天然輻射本底的主要貢獻(xiàn)者[1–3]。由于氡具有級(jí)聯(lián)衰變性,其測(cè)量一直是核探測(cè)領(lǐng)域困難的研究課題[4]。常見的測(cè)氡方法有很多種,氣球法測(cè)氡是環(huán)境中氡濃度的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法之一,由清華大學(xué)于1974年研發(fā)并成功應(yīng)用到礦山中氡濃度的測(cè)量。這種方法除了能測(cè)量環(huán)境中的氡濃度外,還能測(cè)量氡子體的濃度,具有測(cè)量精度高、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)[5–6]。氣球法測(cè)氡以馬爾科夫測(cè)氡理論為基礎(chǔ),能在26min內(nèi)給出測(cè)量結(jié)果,屬于主動(dòng)快速測(cè)氡法??潭认禂?shù)是氣球測(cè)氡的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一,在定量分析中,通常要根據(jù)所測(cè)量的環(huán)境的氡濃度、氣壓、相對(duì)濕度等條件,將測(cè)氡儀放在與標(biāo)準(zhǔn)氡室相近的環(huán)境中測(cè)量后得到。這是一項(xiàng)比較復(fù)雜而且周期較長(zhǎng)的工作,往往測(cè)氡儀的生產(chǎn)部門并沒有得到相關(guān)部門認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)氡室。本文基于氣球法測(cè)氡儀測(cè)量過程,建立了氣球法測(cè)氡儀直接測(cè)氡的理論方法,并把這種方法應(yīng)用到室內(nèi)氡濃度的評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,在誤差范圍內(nèi),這種方法基本能滿足實(shí)際工作的需求。這種方法操作簡(jiǎn)單、可以縮短儀器的制作周期、經(jīng)濟(jì)代價(jià)低[7]。

        1 測(cè)量原理

        根據(jù)氣球法測(cè)氡的測(cè)量原理,其測(cè)量程序應(yīng)按照?qǐng)D1的過程嚴(yán)格進(jìn)行。

        圖1 氣球法測(cè)氡工作程序Fig.1 Time program of balloon radon measure instrument.

        該裝置的測(cè)氡的過程分為:抽氣階段、等待階段、排氣階段、測(cè)量階段。在抽氣階段(5min),采樣頭1會(huì)把氣體中含有氡的子體RaA全部過濾掉,而把“干凈”的氣體抽到氣球內(nèi),讓純凈的氡氣在氣球內(nèi)衰變(5min);然后排出所有的氣體(5min),前兩個(gè)階段新產(chǎn)生的子體 RaA全部留在采樣頭 2上;取下采樣頭2進(jìn)行測(cè)量(10min),得到的計(jì)數(shù)為X。然后根據(jù)式(1)算出氡在單位體積內(nèi)的活度。

        式中,Kb為氣球測(cè)氡裝置的刻度系數(shù),Bq×m?3×min;R為濾膜上的本底。

        2 儀器介紹

        IED-3000F氣球法測(cè)氡儀是成都理工大學(xué)地學(xué)核技術(shù)實(shí)驗(yàn)室新研發(fā)的一款環(huán)境級(jí)氡測(cè)量?jī)x。主要由采樣系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、氣球等配件構(gòu)成。這款測(cè)氡儀在測(cè)量程序上與雙濾膜法相似,只是將雙濾膜法中的衰變筒換成了氣球,不僅降低了制作成本,而且延長(zhǎng)了氡氣的衰變時(shí)間,提高了測(cè)量結(jié)果的精度。與早期的氣球法測(cè)氡儀相比,新研發(fā)的氣球法測(cè)氡儀將采樣系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)集成在一起,并設(shè)計(jì)了抽氣和排氣的半自動(dòng)化回路,完善了采樣系統(tǒng),基本上克服了早期氣球法測(cè)氡儀漏氣的缺點(diǎn),提高了測(cè)氡裝置的整體穩(wěn)定性和測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,這款測(cè)氡儀性能優(yōu)良,適用于環(huán)境中氡濃度的測(cè)量與評(píng)價(jià)[8–9]。

        2.1 儀器的采樣系統(tǒng)

        采樣系統(tǒng)如圖2所示,在進(jìn)氣口和排氣口處各安裝三通閥門。進(jìn)氣時(shí),閥門K1、K2都置于①位置,空氣經(jīng)過A-B-P-E-F通道進(jìn)入氣球;排氣時(shí),閥門K1、K2都置于②位置,空氣經(jīng)過F-D-P-C-A通道被排出。無論是進(jìn)氣還是排氣,空氣都經(jīng)過了氣泵和流量計(jì),通過對(duì)閥門K1、K2的控制,實(shí)現(xiàn)了切換氣路的功能。在抽氣或排氣的過程中,氣流都在封閉的環(huán)境里進(jìn)行,提高了采樣效率。

        圖2 氣球法測(cè)氡儀的采樣系統(tǒng)Fig.2 Sampling system of emanometer in balloon method.

        2.2 儀器的電路工作原理

        儀器的電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示[8]。

        圖3 儀器電路結(jié)構(gòu)框架圖Fig.3 Frame diagram of circuit about the instrument.

        2.3 儀器的性能參數(shù)

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,儀器正常工作時(shí),各項(xiàng)性能參數(shù)如表1[9]。

        表1 測(cè)氡儀正常工作時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)Table 1 Parameters of radon measurement instrument.

        3 刻度系數(shù)

        根據(jù)氣球法測(cè)氡儀的工作原理,推導(dǎo)出了計(jì)算氣球法測(cè)氡儀刻度系數(shù)(Kb)的理論計(jì)算公式[8–9]:

        K是一個(gè)與儀器自身有關(guān)的參數(shù),其計(jì)算方法如下:

        式中各符號(hào)的意義與表1一致。

        將表1中的數(shù)據(jù)代入式(2)中,可以算出Kb為1.70;與該測(cè)氡儀在核工業(yè)六所標(biāo)準(zhǔn)氡室溫度25°C和相對(duì)濕度 70%的條件下測(cè)量所得到的刻度系數(shù)1.75相比,相差2.9%。在誤差范圍內(nèi),用此種方法得到的刻度系數(shù)能滿足實(shí)際的需求。

        4 材料與方法

        4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)

        成都某高校實(shí)驗(yàn)樓,該實(shí)驗(yàn)樓為三層老式建筑,建筑材料為混凝土、紅磚、水泥、砂石等。選取 4個(gè)實(shí)驗(yàn)室為實(shí)際測(cè)量地點(diǎn),其中一層2個(gè),二層1個(gè),三層 1個(gè)。所選實(shí)驗(yàn)室的建筑面積均未超過200m2,但是卻有大小之分,一層樓的110室和二層樓的210室面積相同是大建筑面積實(shí)驗(yàn)室,一層樓的115室和3層樓313室的面積相同為小建筑面積實(shí)驗(yàn)室。

        4.2 布點(diǎn)

        按照標(biāo)準(zhǔn)《室內(nèi)氡及其衰變產(chǎn)物測(cè)量規(guī)范》(GBZ/T 182-2006)[6],每個(gè)實(shí)驗(yàn)室布一個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)距地面的高度為1.5m,與墻的距離不小于30cm,而且測(cè)點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離門窗、通風(fēng)口、空調(diào)等。

        4.3 測(cè)量

        選晴朗、無風(fēng)、室內(nèi)溫濕度穩(wěn)定的天氣測(cè)量,測(cè)量前關(guān)閉門窗8h以上。根據(jù)IED-3000F型氣球測(cè)氡儀使用說明書及注意事項(xiàng)規(guī)范操作。

        5 結(jié)果與分析

        5.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)氡濃度整體分析

        此次檢測(cè)共收集有效測(cè)量結(jié)果125個(gè),表2為此次調(diào)查的整體結(jié)果。監(jiān)測(cè)點(diǎn)氡濃度的最小值為3.40 Bq·m?3,最大值為 86.70 Bq·m?3,平均值為20.99±13.81 Bq·m?3,符合標(biāo)準(zhǔn)《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(GB18871-2002)[10]中對(duì)室內(nèi)氡濃度的限值。與用徑跡法所測(cè)得成都地區(qū)累積氡濃度[13]的結(jié)果相比,降低了約19 Bq·m?3。與20世紀(jì)90年代用閃爍法所測(cè)的成都地區(qū)瞬時(shí)氡濃度的結(jié)果相比[11],降低了約 10 Bq·m?3。313 室與 115 室的平均氡濃度分別為24.65±9.72Bq·m?3、29.28±16.30Bq·m?3,210 室與 110 室的平均氡濃度分別為 11.69±4.92 Bq·m?3、11.05±4.23 Bq·m?3,在建筑材料和室內(nèi)裝飾條件相同時(shí),氡氣在建筑面積相同的環(huán)境中的濃度相近。

        表2 樓內(nèi)氡氣測(cè)量結(jié)果Table 2 Measuring results of radon in the laboratory building.

        5.2 不同面積房間氡濃度的比較

        表2的結(jié)果表明,小房間的氡濃度的平均值為27.43±14.28Bq·m?3,大房間的氡濃度的平均值為11.36±4.54 Bq·m?3,小房間的平均氡濃度比大房間的氡濃度要高。這兩類房間的建筑材料和室內(nèi)裝飾材料都一樣,在相同的時(shí)間內(nèi),大房間所釋放的氡的總量要比小房間高,但由于大房間的空間要比小房間大,氡氣的遷移速度在大房間相對(duì)較快,從而使得整體的濃度值降低。在建筑材料和室內(nèi)裝飾材料相同時(shí),氡氣在建筑面積較小環(huán)境中的濃度可能高于建筑面積較大房間的濃度。

        5.3 實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)氡氣致不同人群年有效劑量的估算

        氡氣致人體的輻射劑量,是由氡及其子體衰變的α粒子、β粒子、γ射線引起,這些粒子或射線與人體組織的作用機(jī)理十分復(fù)雜,一直是輻射劑量學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)困難的課題。UNSEAR和ICRP分別用輻射計(jì)量學(xué)方法和流行病學(xué)方法做了相關(guān)研究,最新的研究結(jié)果表明,這兩種方法推導(dǎo)出的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)有一定的差別[12]。因此,文章按照標(biāo)準(zhǔn)《室內(nèi)氡及其衰變產(chǎn)物測(cè)量規(guī)范》(GBZ/T 182-2006)中推薦的方法來估算進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室不同人群的有效劑量,式(4)為劑量估算公式。

        式中,ERn為暴露氡所致人體年有效劑量,mSv;CRn為所測(cè)環(huán)境的平均氡濃度,Bq·m?3;T為所考察人群暴露氡環(huán)境的時(shí)間,h;Dg為氡氣的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.17nSv·Bq?1·h?1·m3,參照 UNSCEAR 2000[13]年報(bào)告);Dp為氡子體的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)(9.0nSv·Bq?1·h?1·m3,參照 UNSCEAR 2000[13]年報(bào)告);10?6為nSv→mSv的轉(zhuǎn)換系數(shù);F為平衡因子,這里取0.5。

        進(jìn)入實(shí)驗(yàn)樓的人群,主要是辦公人員、科研工作者。辦公人員按8小時(shí)工作制度,科研工作者按10小時(shí)工作制度,不考慮國(guó)家法定的假日,大致可以估算不同人群在實(shí)驗(yàn)樓的停留時(shí)間,計(jì)算出氡所致不同人群劑量的大小,表3為估算結(jié)果。

        表3 實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)氡所致不同人群年有效劑量估算結(jié)果Table 3 Results of annual effective dose of different people in laboratory building.

        計(jì)算結(jié)果表明,氡氣所致科研工作者的年有效劑量最大,為 0.24mSv,低于世界的均值(1.2mSv)[14];進(jìn)入實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)的人群受到的天然照射處于正常本底范圍,氡及其子體并未造成附加劑量。

        6 結(jié)語

        (1)氣球法測(cè)氡儀操作簡(jiǎn)單,便攜性好?;诖藘x器的直接刻度方法能在無標(biāo)準(zhǔn)氡室的情況下,計(jì)算出測(cè)氡儀的刻度系數(shù),這種方法縮短了制作周期,降低了經(jīng)濟(jì)代價(jià)。在誤差范圍內(nèi),用此種方法計(jì)算出的刻度系數(shù)基本能滿足實(shí)際測(cè)量的要求。

        (2)所監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)氡濃度的平均值為20.99±13.87 Bq·m?3,符合標(biāo)準(zhǔn)《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(GB18871-2002)中關(guān)于室內(nèi)氡濃度的限值。

        (3)室內(nèi)氡濃度的大小與建筑面積有一定的關(guān)系。氡氣致實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)科研人員的年有效劑量最大為0.24mSv,遠(yuǎn)低于世界平均水平(1.2mSv)。氡氣致進(jìn)入實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)人群的輻射劑量處在本底水平,氡及其子體未造成附加劑量。

        (4)該臺(tái)儀器的精度和穩(wěn)定性上還有待提高。在實(shí)際應(yīng)用中,直接刻度方法的不足之處在于對(duì)機(jī)器整體性能的把握,尤其是濾膜的過濾效率和自吸收效率。而且該刻度系數(shù)的推導(dǎo)是在理想的條件進(jìn)行的,很多可能影響機(jī)器性能的因素都沒有考慮在內(nèi),比如氣球壁對(duì)子體的吸附,環(huán)境壓力、溫度、濕度等因素。因而,該方法還有很多地方需要改進(jìn)和完善。

        1 吳慧山. 氡測(cè)量方法與應(yīng)用[M]. 北京: 原子能出版社,1995 WU Huishan. The method and application of radon measurement[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1995

        2 章曄, 華榮洲, 石柏慎. 放射性方法勘察[M]. 北京: 原子能出版社, 1978 ZHANG Ye, HUA Rongzhou, SHI Baishen. Radioactive survey method[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1978

        3 UNSCEAR 2010. Summary of low-dose radiation effects on health[R]. New York: United Nation, 2010

        4 汲長(zhǎng)松. 改進(jìn)的托馬斯測(cè)氡公式[J]. 中國(guó)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 GB/T 14582-93, 環(huán)境空氣中氡的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法[S]. 北京: 中國(guó)輻射防護(hù)研究院, 1993 GB/T 14582-93, Standard methods for radon measurement in environmental air[S]. Beijing: China Institute for Radiation Protection, 1993

        6 GBZ/T 182-2006, 室內(nèi)氡及其衰變產(chǎn)物測(cè)量規(guī)范[S].北京: 中國(guó)疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所, 2006 GBZ/T 182-2006, Specifications for monitoring of indoor radon and its decay products[S]. Beijing: The Chinese Center for Disease Control And Prevention of Radiation Protection and Nuclear Safety of Medicine, 2006

        7 陳志恒, 傅耀宗. 氣球法測(cè)氡釷濃度的一般公式[J]. 復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1982, 21(3): 284–292 CHEN Zhiheng, FU Yaozong. A general formula of ballon method for the measurement of radon and thoron[J].Journal of Fudan University (Natural Science), 1982,21(3): 284–292

        8 楊強(qiáng), 葛良全, 花永濤, 等. 馬爾科夫法氣球測(cè)氡儀的研制[J]. 核技術(shù), 2012, 35(11): 859–862 YANG Qiang, GE Liangquan, HUA Yongtao,et al. The development of balloon radon measure instrument by Markov method[J]. Nuclear Techniques, 2012, 35(11):859–862

        9 朱國(guó)禎, 葛良全, 楊強(qiáng), 等. 氣球法測(cè)氡裝置探測(cè)效率的探究[J]. 核技術(shù), 2013, 36(3): 030402 ZHU Guozhen, GE Liangquan, YANG Qiang,et al.Exploration about detection efficient of the device measuring radon in balloon method[J]. Nuclear Techniques, 2013, 36(3): 030402

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