劉應(yīng)龍 劉良軍

（1、湖南鴻業(yè)變壓器有限公司，湖南 衡陽(yáng)421001 2、南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001）

氡及其子體所產(chǎn)生輻射是人類(lèi)受到天然輻射的主要貢獻(xiàn)者, 控制生產(chǎn)和生活環(huán)境的氡輻射是輻射防護(hù)的重要任務(wù)之一。氡析出率是尋找氡污染來(lái)源,檢驗(yàn)建材是否適合用于居民室內(nèi)裝修,鈾礦及其廢石場(chǎng)、鈾礦冶尾礦庫(kù)、放射性污染土地退役治理是否合格的重要指標(biāo)。氡析出率的準(zhǔn)確測(cè)量受很多因素的影響:收集的氡的泄漏、反擴(kuò)散、測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的本底、測(cè)量時(shí)的濕度等[1]。目前的主要測(cè)量手段是活性碳吸附法,儀器測(cè)量等。氡析出率測(cè)量?jī)x器主要測(cè)量方法是局部靜態(tài)法,測(cè)量累積的氡可以采用多段取樣測(cè)量法,閃爍室直接測(cè)氡法,靜電收集氡子體測(cè)氡法等[2]。本氡析出率測(cè)量?jī)x采用局部靜態(tài)法收集介質(zhì)表面析出的氡,用靜電收集氡子體測(cè)氡法,用快速氡析出率測(cè)量程序。測(cè)量速度快,能夠有效解決泄漏、反擴(kuò)散、測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的本底、測(cè)量時(shí)的濕度等問(wèn)題。

1 儀器工作原理

局部靜態(tài)收集法如圖1 所示。收集介質(zhì)表面析出的氡的密閉容器中氡濃度隨時(shí)間變化規(guī)律為[2]:

C:積累空間內(nèi)的氡濃度,Bq.m-3;V:積累空間的體積,m3;

λe:包含積累空間氡的泄漏、氡的自然衰變等在內(nèi)的氡的等效衰變常數(shù),s-1;

δe:射氣介質(zhì)表面的氡析出率,Bq. m-2. s-1; S:積累空間包含的射氣收集面積,m2。

設(shè)C|t=0=C0,測(cè)量氡析出率是滿(mǎn)足λet ＜＜1 的條件下,得到氡析出率的近似計(jì)算公式:

C0為積累空間外的氡濃度,單位為Bq.m-3。與待測(cè)量表面及其周?chē)碾蔽龀雎?天氣等有關(guān),特別是雨、風(fēng)等因素密切。

2 儀器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

儀器由氡積累箱、空氣干燥劑盒和靜電收集法氡測(cè)量?jī)x器三部分構(gòu)成。氡積累箱中氡的取樣采用一臺(tái)取樣泵完成。靜電收集法氡測(cè)量?jī)x器采用測(cè)RaA 的方式測(cè)氡, 測(cè)量?jī)x器由靜電收集室和測(cè)量?jī)x器兩部分構(gòu)成。為測(cè)量RaA,儀器電路部分設(shè)置了二個(gè)計(jì)數(shù)通道和二個(gè)閾值電路,一個(gè)用于測(cè)量總α 計(jì)數(shù),一個(gè)用于測(cè)量RaC’的α 計(jì)數(shù),由總α 計(jì)數(shù)減去RaC’的α 計(jì)數(shù)和扣除系數(shù)的乘積得到RaA 的α 計(jì)數(shù)[3]。儀器系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 儀器系統(tǒng)組成框圖

儀器采用MCS51 系列單片機(jī)作為控制核心, 完成收集高壓的開(kāi)關(guān)控制、測(cè)量程序、數(shù)據(jù)的計(jì)算管理和通訊。儀器部分還設(shè)計(jì)有: 實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)保存用EEPROM、RS-232 標(biāo)準(zhǔn)通訊接口,4*20 字符型LCD 顯示器和6 個(gè)按鍵。儀器交直流工作自動(dòng)切換,電池采用12V 鋰離子電池供電,可外接也可內(nèi)置。用半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)量靜電收集的氡子體衰變產(chǎn)生的α 粒子。儀器電路部分包括低壓電源、偏壓電源、前置放大電路、主放大電路、計(jì)數(shù)控制電路等。配合半導(dǎo)體探測(cè)器的前置放大電路為電荷靈敏前置放大器。

為保證儀器的便攜性和工作的可靠性,整個(gè)測(cè)量?jī)x器的結(jié)構(gòu)分成2 個(gè)部分,集氡罩分立,其余部分設(shè)計(jì)進(jìn)一個(gè)機(jī)箱。2 個(gè)部分之間采用橡皮管和氣嘴連接。

圖1 局部靜態(tài)法測(cè)氡析出率示意圖

公式（2）為表面氡析出率的快速測(cè)量方法的計(jì)算公式。

3 儀器軟件方案設(shè)計(jì)

儀器底層控制軟件采用keil C51 語(yǔ)言編制, 采用模塊化設(shè)計(jì)。軟件由主程序、鍵盤(pán)掃描、數(shù)據(jù)顯示、通訊、參數(shù)測(cè)量、氡析出率測(cè)量等子程序組成。主程序框圖如圖3 所示。根據(jù)算法需要并考慮實(shí)際測(cè)量過(guò)程,設(shè)計(jì)的氡析出率測(cè)量流程為:本底取樣→測(cè)量本底→提示扣集氡罩, 等待按鍵命令→累積析出的氡→氡樣品取樣→測(cè)量氡樣品→計(jì)算、顯示和保存結(jié)果→提示取出集氡罩,等待按鍵命令→排氡,結(jié)束。

儀器配備有運(yùn)行于windows 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理軟件。能夠從儀器讀取數(shù)據(jù),生成報(bào)表,分析數(shù)據(jù)等。

圖3 主程序流程框圖

4 儀器工作參數(shù)的確定和性能測(cè)試

4.1 靜電收集高壓和扣除系數(shù)的確定

靜電收集法測(cè)氡,受環(huán)境濕度的影響較大,收集高壓直接影響收集效率。為了達(dá)到穩(wěn)定測(cè)量的目的,儀器的進(jìn)氣口加干燥器使收集腔為干燥環(huán)境,經(jīng)測(cè)試收集腔的相對(duì)濕度RH〈10%。在濕度變化范圍為3%～10%的干燥條件下對(duì)靜電收集腔進(jìn)行了收集效率與收集高壓的關(guān)系測(cè)試, 在收集高壓1200V～800V 之間收集效率約75%,變化不大,意味著氡衰變產(chǎn)生的新子體都得到有效的收集。相對(duì)濕度為47%時(shí),在收集高壓1200V～900V 之間,收集效率約63%,變化不大。故此將儀器的收集高壓設(shè)定為900V。RaC’對(duì)RaA 測(cè)量的貢獻(xiàn)系數(shù),我們稱(chēng)之為RaC’的扣除系數(shù),測(cè)量方法:往靜電收集室中注入已知濃度的氡,干燥并密閉。然后開(kāi)高壓收集氡子體1 小時(shí),斷開(kāi)高壓等待30 分鐘,在斷開(kāi)高壓狀況下測(cè)量RaA 和RaC’的α 計(jì)數(shù)1 小時(shí)。由于測(cè)量時(shí),收集膜上已沒(méi)有RaA, 此時(shí)總道和RaC’道測(cè)量的α 計(jì)數(shù)全部是RaC’的貢獻(xiàn)。儀器測(cè)量條件和氡析出率測(cè)量時(shí)的條件一致。

4.2 穩(wěn)定性測(cè)試

儀器設(shè)計(jì)完成后,用241Am 源做了常溫、低溫和高溫情況下的儀器計(jì)數(shù)穩(wěn)定性、不同濕度的常溫下長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性測(cè)試。結(jié)果顯示測(cè)量?jī)x在不同測(cè)試溫度和濕度條件下其計(jì)數(shù)差異變化在統(tǒng)計(jì)誤差內(nèi),扣除系數(shù)變化小于2%,符合設(shè)計(jì)要求。

4.3 抗電源干擾性能測(cè)試與取樣流率穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

儀器抗干擾測(cè)試使用干擾源法,即:儀器置于辦公室環(huán)境中工作, 采用交流供電。儀器旁邊放置500W 的交流鼠籠電機(jī)、100L/min 的直流取樣泵、手電鉆各一臺(tái)、40W 的日光燈四盞,干擾設(shè)備與儀器共交流電源插座。不斷的開(kāi)、關(guān)干擾設(shè)備,同時(shí)觀察儀器的計(jì)數(shù)變化情況,多次試驗(yàn)未見(jiàn)異常計(jì)數(shù)。同樣的測(cè)試也在純電池供電的工作狀態(tài)下多次進(jìn)行,結(jié)果與交流供電相同。

取樣流率的變化可能影響氡取樣量的變化,為此測(cè)試了取樣流率的穩(wěn)定性,測(cè)量了5 天,流率一直穩(wěn)定在開(kāi)機(jī)時(shí)的流量看不出變化。

4.4 氡析出率測(cè)量實(shí)驗(yàn)

我們?cè)谑嚯蔽龀雎誓Ｐ蜕蠈?duì)儀器進(jìn)行刻度,刻度前先將儀器的刻度系數(shù)設(shè)置為1。在氡析出率模型(石膏模型)上選取1 個(gè)刻度點(diǎn), 該點(diǎn)用活性炭累積法的氡析出率測(cè)量結(jié)果為1.40±0.03, 用積累法測(cè)量結(jié)果為1.42±0.11, 取二個(gè)的平均1.41±0.07。由此得到本儀器刻度系數(shù)為0.00152±0.00001。

儀器刻度好后,分別在石膏模型,水泥模型,平整好的室外露天土壤表面測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,并用活性炭累積測(cè)量法(活性炭-γ譜法)測(cè)量對(duì)比,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較,2 種測(cè)量誤差小于5%,說(shuō)明儀器測(cè)量結(jié)果是可信的。

表1 氡析出率測(cè)量結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

用靜電收集測(cè)氡法和局部靜態(tài)累積測(cè)氡析出率法,設(shè)計(jì)了一臺(tái)氡析出率瞬時(shí)測(cè)量?jī)x器。采用快速測(cè)氡數(shù)學(xué)模型,儀器工作在析出率累計(jì)的線(xiàn)性段。儀器采用進(jìn)口取樣泵抽取累積箱中的氡,用高效無(wú)機(jī)除濕劑吸附樣品中的水蒸氣。測(cè)量前,用析出率測(cè)量相同的程序測(cè)量待測(cè)點(diǎn)的本底,在計(jì)算時(shí)扣除。

通過(guò)測(cè)試,儀器抗干擾能力好,溫度濕度穩(wěn)定性?xún)?yōu)于2%,通過(guò)在水泥模型、石膏模型、室外的對(duì)比測(cè)量,結(jié)果表明與活性炭累積法測(cè)量結(jié)果的誤差小于5%?？梢?jiàn),儀器能適用不同介質(zhì)表面的氡析出率的快速測(cè)量,克服了反擴(kuò)散的影響,測(cè)量結(jié)果可靠。