王 攀，蒲 瀟，楊明理，孫雪云，唐 婧

(1.中核安徽計(jì)量檢測(cè)有限公司，安徽 阜陽(yáng) 236500；2.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001；3.中核礦業(yè)科技集團(tuán)有限公司，北京 101149)

在鈾礦山井下開(kāi)采過(guò)程中，放射性污染物聚集于巖層孔隙、裂隙及礦井涌水中，通過(guò)擴(kuò)散、滲流等機(jī)制不斷向射氣介質(zhì)表面運(yùn)移，最終離開(kāi)射氣介質(zhì)表面進(jìn)入巷道和周圍空氣中，使得礦井中的氡濃度明顯高于地面[1-2]。而氡是致使人類患癌的主要物質(zhì)之一[3]，為避免礦工受到過(guò)多氡輻射，必須對(duì)鈾礦井下氡濃度進(jìn)行檢測(cè)，為研究氡析出規(guī)律及研發(fā)防氡技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

目前常用的氡濃度監(jiān)測(cè)儀主要有DHZM-7(雙濾膜法)[4]、FD-125(閃爍室法)[5-6]、KF602(氣球法)[7]、RAD7氡測(cè)量?jī)x(靜電收集法)[8-9]。DHZM-Ι體積大，操作不便；FD-125外攜使用不便；KF602超期使用，性能差，不適應(yīng)鈾礦冶井下高濕環(huán)境及其測(cè)量要求。對(duì)比幾種氡濃度檢測(cè)儀，RAD7氡測(cè)量?jī)x測(cè)量時(shí)間短，靈敏度相對(duì)較高，可以連續(xù)監(jiān)測(cè)環(huán)境氡濃度變化。雖然RAD7氡測(cè)量?jī)x成本高，干燥劑用量大，不適應(yīng)鈾礦冶井下高濕環(huán)境及測(cè)量要求；但可通過(guò)改進(jìn)，獲得較好的測(cè)氡效果。

基于靜電收集法通過(guò)硬件、軟件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研制新型智能氡測(cè)量?jī)x，對(duì)在鈾礦井下復(fù)雜環(huán)境中快速獲得氡測(cè)量結(jié)果具有重要意義。

1 智能氡測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

1.1 氡測(cè)量技術(shù)方法

靜電收集法又叫靜電擴(kuò)散法，是通過(guò)采樣泵將過(guò)濾氡子體后的待測(cè)空氣采集到氡測(cè)量室中，氡在測(cè)量室中衰變產(chǎn)生氡子體；新生氡子體在衰變過(guò)程的核反沖作用下發(fā)生電離，帶正電；在氡測(cè)量室內(nèi)壁加上1個(gè)高的正電壓，半導(dǎo)體探測(cè)器表面加上1個(gè)負(fù)電壓(接地)，帶電新生氡子體在電場(chǎng)作用下向探測(cè)器漂移并附著到探測(cè)器表面；探測(cè)器測(cè)量到附著在探測(cè)器表面的218Po衰變產(chǎn)生的α粒子，形成的脈沖經(jīng)閾值甄別后計(jì)數(shù)。該計(jì)數(shù)與待測(cè)空氣中的氡濃度呈正比，通過(guò)該計(jì)數(shù)可求得待測(cè)空氣氡濃度[10]。

在靜電收集法基礎(chǔ)上，筆者提出了內(nèi)循環(huán)式除濕技術(shù)：通過(guò)2個(gè)電磁閥調(diào)節(jié)氣路，先抽氣采樣再進(jìn)行內(nèi)循環(huán)干燥，完成待測(cè)空氣樣品的除濕，降低測(cè)量中干燥劑的使用量。智能氡測(cè)量?jī)x設(shè)置2種測(cè)量模式——標(biāo)準(zhǔn)模式(60 min)和快速模式(30 min)。標(biāo)準(zhǔn)模式主要用于低濃度環(huán)境下的氡測(cè)量；快速測(cè)量模式更適應(yīng)鈾礦山實(shí)際情況，相同工作時(shí)間內(nèi)可獲得更多符合要求的測(cè)量數(shù)據(jù)，更受鈾礦山輻射監(jiān)測(cè)人員歡迎。氡測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

圖1 氡測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)框圖Fig.1 Realization block diagram of radon measurement technology

1.2 電路硬件設(shè)計(jì)

智能氡測(cè)量?jī)x電路硬件主要由放大器、閾值甄別電路、計(jì)數(shù)電路、控制電路、電源電路等組成。探測(cè)器輸出端與放大器輸入端連接；閾值甄別電路輸入端與放大器輸出端連接，其輸出端與計(jì)數(shù)電路連接；控制電路和電源電路均與探測(cè)器、放大器、閾值甄別電路、計(jì)數(shù)電路連接，用于電路控制和供電。電路硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電路硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Circuit hardware block diagram

1.3 軟件設(shè)計(jì)

氡測(cè)量?jī)x的程序設(shè)計(jì)采用單片機(jī)C語(yǔ)言編程，使用Windows平臺(tái)的IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境，編制了實(shí)現(xiàn)各種功能的子程序，包括計(jì)時(shí)程序、計(jì)數(shù)程序、計(jì)算程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、顯示程序、菜單程序、參數(shù)設(shè)置程序等。

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能氡測(cè)量?jī)x整體結(jié)構(gòu)包括箱體、儀器面板和安裝于箱體內(nèi)的氡測(cè)量機(jī)構(gòu)和氡測(cè)量電路。智能氡測(cè)量?jī)x采用一體式外殼，整體液晶顯示印刷面板和封閉式結(jié)構(gòu)連接，便攜、防水、防塵。智能氡測(cè)量?jī)x箱體長(zhǎng)×寬×高=275 mm×189 mm×258 mm，箱體面板及箱體效果如圖3所示。

A1/A2—干燥口；B—進(jìn)氣口；C—出氣口；D—電源充電口；E—電源開(kāi)關(guān)；F—觸摸液晶屏。圖3 智能氡測(cè)量?jī)x面板及箱體效果圖Fig.3 Effect drawing of instrument panel and cabinet

2 智能氡測(cè)量?jī)x主要特性測(cè)試

根據(jù)《測(cè)氡儀檢定規(guī)程》(JJG 825—2013)對(duì)測(cè)氡儀的性能要求，加工完成了適應(yīng)鈾礦山井下高濕、高塵、易碰撞等環(huán)境特點(diǎn)的智能氡測(cè)量?jī)x樣機(jī)，并開(kāi)展了氡濃度測(cè)量響應(yīng)測(cè)試、濕度效應(yīng)測(cè)試、機(jī)械沖擊試驗(yàn)、樣品交叉影響測(cè)試、連續(xù)工作穩(wěn)定性試驗(yàn)等性能測(cè)試。

2.1 氡濃度測(cè)量響應(yīng)測(cè)試

氡活度濃度分別為3.53×103Bq/m3(條件1)、5.82×103Bq/m3(條件2)、1.02×104Bq/m3(條件3)，空氣相對(duì)濕度約50%，在2種模式下各取4個(gè)平行樣，進(jìn)行氡濃度測(cè)量響應(yīng)測(cè)試。

依據(jù)測(cè)量結(jié)果的一致性和氡濃度線性響應(yīng)程度來(lái)進(jìn)行測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)，其中測(cè)量結(jié)果的一致性由相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)確定，氡濃度線性響應(yīng)結(jié)果由氡參考濃度的線性擬合方程(截距=0)的線性相關(guān)系數(shù)(R2)來(lái)評(píng)定。在快速和標(biāo)準(zhǔn)模式下，智能氡測(cè)量?jī)x的測(cè)量數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1～2。

表1 快速模式氡測(cè)量結(jié)果和評(píng)價(jià)Table 1 Radon measurement results and evaluation under rapid mode

表2 標(biāo)準(zhǔn)模式氡測(cè)量結(jié)果和評(píng)價(jià)Table 2 Radon measurement results and evaluation under standard mode

由表1～2可看出，標(biāo)準(zhǔn)模式下的測(cè)量結(jié)果一致性平均為2.69%，而快速模式下的測(cè)量結(jié)果一致性平均為3.38%，在2種模式下的測(cè)量結(jié)果均具有較好的一致性，標(biāo)準(zhǔn)模式下的測(cè)量結(jié)果重復(fù)性略優(yōu)于快速模式。隨著測(cè)量濃度的增加，測(cè)量結(jié)果一致性變好，符合放射性統(tǒng)計(jì)漲落規(guī)律；且線性相關(guān)系數(shù)均近似等于1，有較好的線性響應(yīng)。

2.2 濕度效應(yīng)測(cè)試

在空氣相對(duì)濕度20%(條件1)、50%(條件2)、95%(條件3)，氡活度濃度2.10×103Bq/m3條件下，智能氡測(cè)量?jī)x樣機(jī)分別在標(biāo)準(zhǔn)模式和快速模式下各進(jìn)行1次測(cè)量。當(dāng)3個(gè)濕度條件下氡濃度測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差與智能氡測(cè)量?jī)x測(cè)量計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)漲落相當(dāng)時(shí)，表明二者在測(cè)量誤差范圍內(nèi)沒(méi)有濕度效應(yīng)。在標(biāo)準(zhǔn)和快速測(cè)量模式下，不同濕度條件的氡濃度測(cè)量結(jié)果及評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 濕度效應(yīng)測(cè)試結(jié)果和評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Test results and evaluation results of humidity effect

由表3可看出，在所測(cè)試的相對(duì)濕度范圍內(nèi)(20%～95%)，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量模式和快速測(cè)量模式下的RSD均小于5%，測(cè)試結(jié)果受濕度變化影響小。測(cè)試結(jié)果符合《測(cè)氡儀檢定規(guī)程》(JJG 825—2013)中測(cè)氡儀在同一濃度點(diǎn)的RSD重復(fù)性不大于15%的要求。智能氡測(cè)量?jī)x樣機(jī)在測(cè)量誤差范圍內(nèi)濕度效應(yīng)可忽略。

2.3 機(jī)械沖擊試驗(yàn)

機(jī)械沖擊試驗(yàn)過(guò)程是將智能氡測(cè)量?jī)x固定在的沖擊臺(tái)上，承受來(lái)自3個(gè)方向相互垂直的、在18 ms內(nèi)加速度達(dá)到300 m/s2的機(jī)械沖擊。沖擊脈沖的形狀是半正弦波，在每個(gè)方向上正面沖擊3次，共9次。試驗(yàn)結(jié)果表明，儀器外觀結(jié)構(gòu)無(wú)損壞，可正常工作。

2.4 樣品交叉影響測(cè)試

樣品交叉影響測(cè)試是將智能氡測(cè)量?jī)x與氡室氣路相連，抽入氡氣(氡活度濃度5 000 Bq/m3)連續(xù)測(cè)量3個(gè)樣品；然后在室外環(huán)境(氡活度濃度約20 Bq/m3)下排掉氡氣，再連續(xù)測(cè)量3個(gè)樣品，觀察高濃度氡氣樣品對(duì)低濃度氡氣樣品的影響。使用RAD7分別在sniff和normal模式下按同樣測(cè)試方法進(jìn)行對(duì)比測(cè)量。按上述測(cè)試方法重復(fù)測(cè)試3次，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。高濃度樣品對(duì)低濃度樣品的交叉影響=(排出氡氣測(cè)量值1-室外環(huán)境本底值)/抽入氡氣測(cè)量值3。

表4 樣品交叉影響測(cè)試結(jié)果Table 4 Sample cross-influence test results

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)抽入氡氣測(cè)量時(shí)，智能氡測(cè)量?jī)x在快速模式下，第1個(gè)樣品測(cè)量值略低(氣體置換不充分導(dǎo)致)，第2個(gè)樣品測(cè)量值可信；標(biāo)準(zhǔn)模式下第1個(gè)樣品即可信。RAD7在sniff模式下第1個(gè)樣品測(cè)量值略低，第2個(gè)樣品測(cè)量值可信；在normal模式下第3個(gè)樣品測(cè)量值才可信。

當(dāng)排出氡氣測(cè)量時(shí)，智能氡測(cè)量?jī)x在快速和標(biāo)準(zhǔn)模式下第1個(gè)樣品由高濃度氡氣樣品殘留帶來(lái)的影響不到2%，且在第2個(gè)樣品測(cè)量時(shí)已完全無(wú)影響。RAD7在sniff模式下第1個(gè)樣品由高濃度氡氣樣品殘留帶來(lái)的影響為12.6%，在第2個(gè)樣品測(cè)量時(shí)已基本無(wú)影響；在normal模式下第1個(gè)樣品由高濃度氡氣樣品殘留帶來(lái)的影響高達(dá)68.2%，在第3個(gè)樣品測(cè)量時(shí)仍有23.0%的影響。與RAD7氡測(cè)量?jī)x相比，智能氡測(cè)量?jī)x在氡濃度測(cè)量時(shí)響應(yīng)更快，樣品交叉影響更小。

2.5 連續(xù)工作穩(wěn)定性試驗(yàn)

連續(xù)工作穩(wěn)定性測(cè)量是將智能氡測(cè)量?jī)x電池充滿電，在正常室內(nèi)環(huán)境條件下，電池供電連續(xù)測(cè)量8 h，即完成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量8次。重復(fù)3次試驗(yàn)，測(cè)量過(guò)程應(yīng)無(wú)異常情況出現(xiàn)，且3次測(cè)試的電池電量應(yīng)可滿足連續(xù)工作8 h的要求。3次測(cè)試得到的氡活度濃度平均值分別為36、41、34 Bq/m3，智能氡測(cè)量?jī)x在電池供電情況下可連續(xù)工作8 h以上，無(wú)異常情況。智能氡測(cè)量?jī)x的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 氡測(cè)量?jī)x主要性能指標(biāo)Table 5 Main performance indexes of radon measuring instrument

3 智能氡測(cè)量?jī)x應(yīng)用

在104礦井開(kāi)展智能氡測(cè)量?jī)x現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究。選取451平硐、6中段632掘進(jìn)面、10中段探礦巷道做測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試地點(diǎn)的相對(duì)濕度為80%～97%，10中段探礦巷道的相對(duì)濕度達(dá)97%。在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)量4個(gè)平行樣，采用智能氡測(cè)量?jī)x和RAD7氡測(cè)量?jī)x進(jìn)行對(duì)比測(cè)量。

智能氡測(cè)量?jī)x測(cè)量模式采用快速測(cè)量，干燥劑為氧化鋁。RAD7氡測(cè)量?jī)x的干燥劑為硫酸鈣，測(cè)量模式為sniff，測(cè)量周期30 min。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 氡測(cè)量?jī)x現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比Table 6 Comparison of field test results of radon measuring instrument

由表6可看出，在快速模式下，智能氡測(cè)量?jī)x平行樣品氡測(cè)量結(jié)果的RSD平均為7.8%，在可接受的誤差范圍內(nèi)，表明智能氡測(cè)量?jī)x測(cè)量氡的平行樣重復(fù)性較好。智能氡測(cè)量?jī)x與對(duì)比儀器的測(cè)量結(jié)果相對(duì)偏差均小于15%，測(cè)量結(jié)果基本一致，在高濕度環(huán)境下(RH=97%)的氡測(cè)量值與RAD7的偏差只有2.5%，表明智能氡測(cè)量?jī)x在高濕環(huán)境下的測(cè)量濕度效應(yīng)可忽略。

4 結(jié)論

研制的智能氡測(cè)量?jī)x性能可靠，測(cè)量結(jié)果可信，防水、防塵、防壓，攜帶方便，穩(wěn)定性好，實(shí)用性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，適用于鈾礦山井下高塵高濕的復(fù)雜環(huán)境。智能氡測(cè)量?jī)x分為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量模式和快速測(cè)量模式，可滿足不同的測(cè)量需求。