閆釔帆， 梁珺成， 楊志杰， 王仁波

(1.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

人類受到的天然輻射劑量中有接近54%來(lái)自于氡[1]，大量研究數(shù)據(jù)表明，氡濃度的大小與人的身體健康有著直接關(guān)系，氡是世界衛(wèi)生組織(WHO)公布的19種環(huán)境致癌物質(zhì)之一[2]。為了保障人們居住和生活環(huán)境的安全、減少環(huán)境放射性對(duì)人類健康的危害，對(duì)有關(guān)氡濃度的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)廣泛地涉及到多個(gè)領(lǐng)域；而這些研究均以氡體積活度的準(zhǔn)確測(cè)量為基礎(chǔ)，相關(guān)的測(cè)氡儀器都應(yīng)進(jìn)行計(jì)量檢定、校準(zhǔn)或測(cè)試，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)對(duì)測(cè)氡儀器(計(jì)量器具)的檢定或校準(zhǔn)，將國(guó)家基準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的測(cè)量單位的量值，通過(guò)各等級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)傳遞到工作計(jì)量器具，以保證被測(cè)量對(duì)象量值的準(zhǔn)確和一致，這一過(guò)程被稱為量值傳遞[3]。

氡(222Rn)活度基準(zhǔn)是相關(guān)氡測(cè)量量值的源頭，1996年以前，國(guó)際公認(rèn)的氡活度測(cè)量方法為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量方法—電離室法和閃爍室法[4]。目前國(guó)內(nèi)的氡活度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)也為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，其量值溯源至鐳標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[5]。近年來(lái)，各國(guó)相繼開始了對(duì)氡活度的絕對(duì)測(cè)量方法的研究，PTB先后建立了基于正比計(jì)數(shù)方法和222Rn冷凝小立體角方法的絕對(duì)測(cè)量裝置[6]。法國(guó)、瑞士、韓國(guó)等的國(guó)家級(jí)計(jì)量研究機(jī)構(gòu)，也都建立了從222Rn活度基準(zhǔn)到各種標(biāo)準(zhǔn)的較為完善的計(jì)量體系。張洋等建立了測(cè)氡儀檢定裝置[7]。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院建立了國(guó)內(nèi)首個(gè)冷凝222Rn絕對(duì)測(cè)量裝置[8,9]。本文基于此絕對(duì)測(cè)量裝置所制備的高準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)222Rn源和用于這種高精度量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)裝置來(lái)開展標(biāo)準(zhǔn)測(cè)氡儀的量值溯源方法研究。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于：基于氡活度的絕對(duì)測(cè)量及氡分布體積的直接溯源，減少了量傳的層級(jí)和修正項(xiàng)，提高了量值的準(zhǔn)確性。本文介紹了標(biāo)準(zhǔn)氡源的制備和定值過(guò)程，小氡室有效體積的校準(zhǔn)方法，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)氡儀的校準(zhǔn)過(guò)程、結(jié)果以及校準(zhǔn)系數(shù)的不確定度評(píng)定等內(nèi)容。

2 氡絕對(duì)測(cè)量裝置及標(biāo)準(zhǔn)氡源的制備

本文所述氡活度絕對(duì)測(cè)量裝置是基于小立體角測(cè)量原理所建立的222Rn冷凝小立體角絕對(duì)測(cè)量裝置；相較于目前國(guó)內(nèi)所使用的溯源于國(guó)家一級(jí)鐳標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的相對(duì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，具有較小的不確定度。該裝置主要是由鐳源、冷凝室、電子學(xué)設(shè)備、氡轉(zhuǎn)移回路、真空設(shè)備以及溫控系統(tǒng)組成[10]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過(guò)氡活度絕對(duì)測(cè)量裝置，先測(cè)量鐳源累積的氡活度，再轉(zhuǎn)移至金屬氡源罐，制備成標(biāo)準(zhǔn)氡源。具體的制源方法為：在高真空的條件下將密封鐳226Ra源所累積的氡氣引入至冷凝室，調(diào)節(jié)冷凝室中冷指的溫度為45 K，將氡氣冷凝成固態(tài)點(diǎn)源；固態(tài)氡源所發(fā)射出的α粒子會(huì)穿過(guò)準(zhǔn)直器被鈍化注入平面硅(PIPS)探測(cè)器探測(cè)并記錄其α能譜，待α能譜測(cè)量系統(tǒng)上觀察到222Rn能峰的計(jì)數(shù)率穩(wěn)定后,測(cè)量冷凝氡源的活度值；接著將已知活度的固態(tài)氡源加熱氣化，通過(guò)液氮制冷專用金屬罐，再利用冷阱原理將氡轉(zhuǎn)入其中；轉(zhuǎn)移后再次對(duì)冷指進(jìn)行制冷，通過(guò)α能譜測(cè)量系統(tǒng)觀察222Rn能峰以核驗(yàn)轉(zhuǎn)移殘留情況，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，確定金屬氡源罐內(nèi)所制備的氡氣源的準(zhǔn)確活度值[11,12]，氡源活度的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.8%(k=2)。

圖1 氡絕對(duì)測(cè)量裝置Fig.1 Absolute measuring device of Radon

3 有效體積的確定

基于氡絕對(duì)測(cè)量裝置所提供的高準(zhǔn)確度的222Rn源，所建立的用于222Rn體積活度量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)裝置原理如圖2所示。

圖2中A為金屬氡源罐，含所制備好的已知活度的氡氣源；B為小氡室，在導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)氡氣源后，氡分布空間的有效體積記為V2；C為待校準(zhǔn)的測(cè)氡儀器(如：AlphaGUARD)及其配套設(shè)備；D為風(fēng)扇，當(dāng)氡源被完全導(dǎo)入氡室后，啟動(dòng)風(fēng)扇D使氡室內(nèi)的氡氣在V2內(nèi)均勻分布；E為標(biāo)準(zhǔn)溫度氣壓計(jì)，實(shí)時(shí)記錄氡室內(nèi)的溫濕度及氣壓參數(shù)；F為標(biāo)準(zhǔn)容器，其體積為V1，作為小氡室有效體積V2的校準(zhǔn)用容器；G為真空泵(檢漏儀)；K1、K2和K3為3個(gè)閥門。

當(dāng)接入高準(zhǔn)確度定值的氡源后進(jìn)行氡體積活度的量值傳遞過(guò)程如圖3所示。計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)氡濃度(氡體積活度)的基本原理為：

式中：CRn為氡體積活度，Bq/m3；ARn為氡源活度，Bq；V2為小氡室的有效體積，m3。每次校準(zhǔn)之前，需借助標(biāo)準(zhǔn)容器F對(duì)V2進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖2 222Rn濃度量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)裝置原理圖Fig.2 Schematic of 222Rn concentration value transfer standard device

圖3 氡體積活度的量值傳遞框圖Fig.3 Flow chart of a value transfer with volume activity of radon

3.1 標(biāo)準(zhǔn)容器F的容積溯源

對(duì)于小氡室有效體積的測(cè)量，需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容器為其體積溯源。在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)容器體積V1的測(cè)量時(shí)，選用超純水作為介質(zhì)對(duì)V1進(jìn)行多次校準(zhǔn)，最終溯源到250 mL標(biāo)準(zhǔn)容量瓶。為了對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)容器的體積進(jìn)行更為精準(zhǔn)的測(cè)量，將其拆分為3個(gè)部件進(jìn)行逐一稱重測(cè)量，如圖4所示；其測(cè)量過(guò)程如圖5所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)容器體積示意圖Fig.4 Volume diagram of standard container

圖5 標(biāo)準(zhǔn)容器的體積測(cè)量流程Fig.5 Volume measurement flow chart for standard containers

利用式(1)和式(2)對(duì)上述測(cè)量流程所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；最終得到：在18～21 ℃的溫度范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)容器的體積V1為1.597 L，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.03%；2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容量瓶的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.06%，相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.066%。

(1)

(2)

3.2 氡源分布體積

當(dāng)擬被校準(zhǔn)的測(cè)氡儀放入小氡室，會(huì)占據(jù)氡室一部分體積，氡源的分布體積V2(即有效體積)需要進(jìn)行校準(zhǔn)。在準(zhǔn)確測(cè)量V1的基礎(chǔ)上，采用理想氣體狀態(tài)方程(pVT方法)校準(zhǔn)體積V2，將標(biāo)準(zhǔn)容器V1連接到小氡室，形成的系統(tǒng)再與真空泵(檢漏儀)連接，如圖2所示。具體校準(zhǔn)的步驟如下：

(1) 首先打開連接標(biāo)準(zhǔn)容器(體積V1)與真空泵之間的閥門K1，用真空泵對(duì)標(biāo)準(zhǔn)容器(體積V1)抽真空。當(dāng)真空泵/檢漏儀指示的壓力穩(wěn)定后，記錄壓力p1；由于真空泵的抽力限制，一般當(dāng)壓力p1=0.7 Pa時(shí)關(guān)閉閥門K1；

(2) 關(guān)閉閥門K1后，記錄溫度氣壓計(jì)所顯示的小氡室(體積V2)的壓力p2以及溫度T1；

(3) 打開連接小氡室與標(biāo)準(zhǔn)容器之間的閥門K2，讓V1和V2達(dá)到氣壓平衡；記錄平衡后的氣壓p3以及溫度T2；

由于時(shí)間較短，體系的溫度變化小于0.1 K，T1≈T2；每次測(cè)量各記錄10個(gè)所顯示的p2和p3的數(shù)值，取平均值作為校準(zhǔn)時(shí)的壓力。根據(jù)式(3)計(jì)算求得V2，典型的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

(3)

根據(jù)表1中所得到的相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，運(yùn)用式(3)可以計(jì)算出氡室有效體積V2為254.046 L，相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.23%。

表1 小氡室的有效體積測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.1 Effective volumetric measurement data of radon chamber

4 校準(zhǔn)過(guò)程與結(jié)果

校準(zhǔn)選用的測(cè)氡儀為常用的AlphaGUARD型氡監(jiān)測(cè)儀，是一種專為瞬時(shí)、連續(xù)測(cè)量氡氣體積活度而設(shè)計(jì)的便攜式電離室型測(cè)氡儀[13]。該類型儀器在湖北、廣東和上海等計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)的測(cè)氡儀檢定裝置中作為氡體積活度的標(biāo)準(zhǔn)器使用，在國(guó)外如日本、德國(guó)和法國(guó)等也常將其作為標(biāo)準(zhǔn)器使用。該儀器基于脈沖電離室測(cè)氡原理，即收集氡衰變放出的α射線所形成的電壓脈沖，最終所得到的氡體積活度是由計(jì)數(shù)器所記錄下來(lái)的脈沖數(shù)，正比于α粒子數(shù)，即正比于氡體積活度。AlphaGUARD測(cè)氡儀通常以2種模式操作：擴(kuò)散模式和流氣模式。此次實(shí)驗(yàn)選擇的是擴(kuò)散式測(cè)量模式[14]，即氣體通過(guò)在儀器覆蓋有玻璃纖維過(guò)濾器一側(cè)的窗口擴(kuò)散到電離腔室中[15]。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)氡儀(AlphaGUARD)進(jìn)行校準(zhǔn)前，應(yīng)先測(cè)量小氡室環(huán)境內(nèi)的氡體積活度值(本底值)；即先將標(biāo)準(zhǔn)測(cè)氡儀放入小氡室內(nèi)，連接真空泵/檢漏儀，根據(jù)3.2節(jié)所述的方法測(cè)量得到小氡室的有效體積為254.046 L；此后連續(xù)測(cè)量50h，得到充入氡源前待校準(zhǔn)測(cè)氡儀在小氡室內(nèi)的本底值為(30～57)Bq/m3，在后續(xù)計(jì)算過(guò)程中會(huì)扣除本底值；再通過(guò)絕對(duì)測(cè)量裝置冷凝后絕對(duì)測(cè)量氡源活度，獲得各階段的能譜圖如圖6所示。經(jīng)過(guò)各種修正后，獲得密封于金屬氡源罐中的標(biāo)準(zhǔn)氡源活度為14 575 Bq；最后通過(guò)循環(huán)或外部充氣的方式轉(zhuǎn)移至小氡室內(nèi)，使被校測(cè)氡儀連續(xù)測(cè)量氡體積活度，同時(shí)記錄小氡室內(nèi)的溫濕度及氣壓參數(shù)。

導(dǎo)入已知活度的標(biāo)準(zhǔn)氡氣源后，通過(guò)溫度、氣壓計(jì)實(shí)時(shí)記錄艙室內(nèi)的溫度、氣壓值，其中溫度值穩(wěn)定在21.5～21.9 ℃，氣壓值穩(wěn)定在101.18～101.35 kPa。被校測(cè)氡儀的測(cè)量周期設(shè)為1 h、連續(xù)測(cè)量約90 h，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

圖6 制備標(biāo)準(zhǔn)氡源的各階段能譜圖Fig.6 Energy spectrum for each stage of preparation of standard radon source

圖7 AlphaGUARD測(cè)氡儀在常溫常壓下的校準(zhǔn)Fig.7 Calibration of AlphaGUARD monitor at normal temperature and pressure

充入活度經(jīng)絕對(duì)測(cè)量的氡源后，氡氣在空間V2內(nèi)均勻分布，被校儀器持續(xù)測(cè)量小氡室內(nèi)的氡體積活度。某一時(shí)刻V2空間內(nèi)氡體積活度的實(shí)際測(cè)量值由充入時(shí)的初始值經(jīng)半衰期修正得到，各時(shí)間點(diǎn)的測(cè)量值與參考值的相對(duì)偏差通過(guò)式(4)計(jì)算得到，被校測(cè)氡儀的體積活度響應(yīng)R由式(5)計(jì)算得到。

(4)

(5)

式中:Er為相對(duì)偏差；Ct,m為某一時(shí)刻t的氡體積活度測(cè)量值；Co,s為氡體積活度的參考值；λ為衰變常數(shù)；R為被校準(zhǔn)測(cè)氡儀的體積活度響應(yīng)。

將圖7中的測(cè)量結(jié)果修正至同一時(shí)間點(diǎn)；由于電離室型測(cè)氡儀(AlphaGUARD)會(huì)受氣壓的影響[16]，所以對(duì)實(shí)際所測(cè)的氡體積活度值修正至標(biāo)準(zhǔn)溫度、氣壓(293 K，101.3 kPa)條件下，得到的測(cè)量修正值與氡體積活度標(biāo)準(zhǔn)值(參考值)之間的關(guān)系分別如圖8(a)、圖8(b)所示。經(jīng)計(jì)算所得的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)氡儀的校準(zhǔn)結(jié)果為：在沒有經(jīng)過(guò)溫度氣壓修正所得的體積活度響應(yīng)為k=0.99，經(jīng)過(guò)溫度氣壓修正后的體積活度響應(yīng)為k=1.01。

圖8 AlphaGUARD測(cè)氡儀的測(cè)量結(jié)果Fig.8 Measurement results of AlphaGUARD mete

5 體積活度響應(yīng)不確定度的評(píng)定

AlphaGUARD測(cè)氡儀的量值溯源自氡絕對(duì)測(cè)量裝置所制備的標(biāo)準(zhǔn)氡源，它的體積活度響應(yīng)由氡體積活度標(biāo)準(zhǔn)值除以儀器示值得出，不確定度受氡源活度、計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)漲落、小氡室有效體積和氣壓溫度測(cè)量的影響。其中氡源活度的擴(kuò)展不確定度由小立體角絕對(duì)測(cè)量裝置給出為0.8%(k=2)；計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)漲落是由儀器測(cè)量重復(fù)性所帶來(lái)的不確定度，對(duì)于A類不確定度的評(píng)定通常采用貝塞爾法，即對(duì)同一被測(cè)量重復(fù)測(cè)量的n個(gè)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算獲取其實(shí)驗(yàn)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差后求得A類不確定度。各不確定度分量之間彼此相互獨(dú)立，因此AlphaGUARD測(cè)氡儀的體積活度響應(yīng)的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為各分量的方和根，對(duì)不確定度分量匯總后計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，見表2。

表2 測(cè)氡儀體積活度響應(yīng)的不確定度評(píng)定Tab.2 Uncertainty Evaluation of Volume Activity Response of Radon Monitor

6 結(jié) 論

本文基于冷凝氡絕對(duì)測(cè)量裝置制備了性能穩(wěn)定、量值準(zhǔn)確的氡源，并對(duì)所研制的用于氡源活度量傳所配套的小氡室進(jìn)行了有效體積的精準(zhǔn)測(cè)量，研究了AlphaGUARD型標(biāo)準(zhǔn)測(cè)氡儀的校準(zhǔn)方法，并對(duì)體積活度響應(yīng)的不確定度進(jìn)行了評(píng)定，得到以下結(jié)論：

(1) 由冷凝氡絕對(duì)測(cè)量裝置所制備的氡源活度擴(kuò)展不確定度為0.8%(k=2)。由于被校儀器的不同，專用小氡室的有效體積在每次實(shí)驗(yàn)前都需進(jìn)行精確測(cè)量，溯源至體積為1.58 L的標(biāo)準(zhǔn)容器，得到其典型的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.23%；

(2) 通過(guò)活度為14 575 Bq的標(biāo)準(zhǔn)氡源，對(duì)AlphaGUARD型測(cè)氡儀進(jìn)行了校準(zhǔn)，所得測(cè)量值經(jīng)過(guò)溫度氣壓修正后，得到其平均體積活度響應(yīng)為1.01，體積活度響應(yīng)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1.6%。小氡室的氡泄漏率經(jīng)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以忽略，氡體積活度隨時(shí)間的變化可按照半衰期修正，由此氡活度絕對(duì)測(cè)量裝置的量值能夠可靠地傳遞給氡濃度測(cè)量?jī)x。