氡子體的測定 空氣中氡子體的濃度測量
氡子體產物指氡的短壽命子體218Po、214Pb、214Bi、214Po(可分別用RaA、RaB、RaC、RaC'表示);氡子體為固態(tài)粒子，常用過濾器濾取一定體積的空氣來收集氡子體。然后用α計數(shù)器測量濾料上的放射性，計算出總α潛能濃度或各個子體的濃度。通常用高效濾料對空氣中存在的混合氡子體采樣，再用高效率低本底探測器測量沉積于濾料上的放射性活度。氡子體的測量方法有很多種，如α徑跡蝕刻法、α潛能法、三段法、氡釷子體潛能二段法、α能譜法和γ能譜法等。根據(jù)國家標準GB/T14582—93《環(huán)境空氣氡的標準測量方法》的規(guī)定，適用于環(huán)境空氣氡子體測量方法見表66.12。
表66.12 環(huán)境空氣氡子體測量方法
續(xù)表
66.4.3.1 累積測量方法
(1)α徑跡蝕刻法
α徑跡蝕刻法有主動式和被動式兩種，用于被動式氡探測有以下幾種方式:杯式、“裸露”式和靜電收集式。裸露式最簡單，直接將固體徑跡探測器懸掛在空氣中，與空氣直接接觸，但這種測量方式的準確度差。杯式的徑跡密度與氡的暴露量之間有良好的線性關系，缺點是靈敏度低。靜電收集式需要配以高壓直流電源和干燥劑，不過它的靈敏度高，準確度也較好，不僅可用于室內氡及子體濃度的測量，也可用于室外氡及子體濃度測量。主動式又可分泵抽和加靜電場兩種。
用α徑跡蝕刻法測量氡子體的方法常采用測量方案主要有兩種:一是利用氡及其子體衰變釋放的粒子具有不同能量的特點，在徑跡探測片前面加不同厚度的吸收層進行能量甄別，分別測量222Rn、RaA(218Po)、RaC(214Po)在空氣中的濃度。另一種是采用兩個探測器，其中一個帶過濾膜+探測片讀數(shù)只有氡的貢獻;一個不帶過濾膜，探測片讀數(shù)是氡及其子體的聯(lián)合貢獻。顯然后者較前者簡便，但數(shù)據(jù)準確度稍差。
α徑跡蝕刻法的原理和方法見66.4.1.1中徑跡刻蝕法。
(2)氡子體累積采樣單元(TLD)法
α熱釋光法的工作原理是利用對α靈敏的熱釋光片(如CaSO4∶Dy)制成一定厚度和形狀的探測器，放置于待測場所后，氡就會通過自由擴散進入收集室內，衰變產生的新一代子體(主要是218Po)所發(fā)射的α粒子穿過磷光體時，被釋光片記錄下來。暴露一定時間后，用熱釋光劑量儀測量熱釋光片，得到的計數(shù)正比于氡的積分濃度。由放置時間即可求出某時間段內氡的平均濃度。
熱釋光測量裝置由熱釋光片、加熱單元、光電器件和測量及記錄單元等部分組成。如美國西門子公司生產的CaSO4(Dy)熱釋光探測器，裝在高強度塑料杯內(兩者合在一起稱為探杯或收集室)。CaSO4(Dy)探測器實際上是一塊厚僅76×10-6m(或13.4/cm2)的薄膜。典型的α粒子的能量為5.5MeV，在這種薄膜中的射程為5.5mg/cm2或(31×10-6m)。因此這種探測器能把射入其中的α粒子能量完全吸收，而對于宇宙射線、β和γ輻射則不靈敏。該探測器對α輻射的靈敏度約為其他本底輻射的200倍(按相同量相比)。
方法的優(yōu)點是成本低廉，小型無源，無噪聲;雖然精度比徑跡法稍差，但其數(shù)據(jù)的讀出卻方便得多，適用于大規(guī)模的氡水平調查。缺點是熱釋光法探測器的響應受環(huán)境溫度和風速的影響較大，使用時應選擇適當?shù)奈恢没虿扇『唵蔚恼趽跻允箍諝饬鞣€(wěn)定。
66.4.3.2 瞬時測量法
收集氡子體的方法很多，在瞬時測量中最常用的還是濾膜取樣，即用纖維過濾器取一定體積的空氣，收集氡子體，然后用貝特曼方程描述濾膜上氡子體的變化規(guī)律，并建立相應的子體測量公式。其基本方法是建立3個方程，解出3個未知數(shù)。只要選擇一定的采樣時間和測量時間，求出相應的時間因子，代入基本公式就可導出一系列測量各自氡子體濃度公式，進而建立相應的測量方式。
(1)馬爾柯夫α潛能法
α潛能是指氡子體由RaA(218Po)完全衰變?yōu)?sup>210Pb的過程中發(fā)射出來的α粒子能量的總和，單位體積空氣中氡子體的α潛能值稱為氡子體α潛能濃度，單位為J/m3。
α潛能法是氡子體潛能測量的快速方法，從采樣到測量結束僅需要15min。氡子體潛能值計算公式如下:
巖石礦物分析第三分冊有色、稀有、分散、稀土、貴金屬礦石及鈾釷礦石分析
式中:Cp為子體的潛能濃度，MeV/m3;40.3為平衡比修正因子;N7～10為試樣在7～10min的α凈計數(shù)率;v為采樣流速，m3/min;E為儀器的計數(shù)效率，%;η為濾膜的過濾效率，%;Kα為濾膜對α粒子的自吸收修正因子。
(2)三段法
三段法是由托馬斯建立的氡子體測量方法，利用常規(guī)濾膜采樣收集氡子體。它是氡子體濃度的標準測量方法，可測出222Rn三個子體(RaA、RaB、RaC)的單獨濃度。采樣5min，測量采樣后(2～5min、6～20min、21～30min)濾膜上的α計數(shù)。
三段法只測量222Rn子體濃度，忽略220Rn子體的影響。測量222Rn各衰變產物218Po(RaA)，214Pb(RaB)，214Bi(RaC)可按以下公式算:
巖石礦物分析第三分冊有色、稀有、分散、稀土、貴金屬礦石及鈾釷礦石分析
式中:CRaA、CRaB、CRaC分別為空氣試樣中218Po、214Pb和214Bi的放射性濃度，Bq/m3;v為采樣流速，m3/min;E為α計數(shù)效率，0.30;η為濾膜的過濾效率;G為α計數(shù)率，min-1;K為濾膜自吸收修正系數(shù);R為本底計數(shù)率。
(3)五段法
五段法是由三段法發(fā)展而來，根據(jù)放置不同時間測量，可以分別得到222Rn子體和220Rn子體濃度。五段法是包括測量釷子體(ThB，ThC)，用下式計算218Po(RaA)、214Pb(RaB)、214Bi(RaC)、212Pb(ThB)、212Bi(ThC)的放射性濃度(Bq/m3):
CRaA=［4.2635N1-2.0821N2+1.9880N3-0.0947N4+0.04792N5］/VEF
CRaB=［-0.3335N1-0.0233N2+0.2976N3-0.1422N4+0.0786N5］/VEF
CRaC=［-0.0199N1+0.3497N2+0.4612N3-0.1040N4+0.0636N5］/VEF
CThB=［0.000185N1-0.000222N2+0.000444N3-0.001184N4+0.00507N5］/VEF
CThC=［-0.0214N1+0.029193N2-0.05635N3+0.140563N4-0.08225N5］/VEF
式中:CRaA、CRaB、CRaC分別為222Rn子體218Po、214Pb、214Bi的放射性濃度，Bq/m3;CThB、CThC分別為釷子體212Pb、212Bi的放射性濃度，Bq/m3;V為采樣流速，m3/min;E為α計數(shù)效率;F為濾膜的過濾效率和自吸收因子;N1、N2、N3、N4、N5分別為5個測量時段的α計數(shù)率，min-1。
222Rn子體潛能濃度的計算:
巖石礦物分析第三分冊有色、稀有、分散、稀土、貴金屬礦石及鈾釷礦石分析
220Rn子體潛能濃度的計算:
巖石礦物分析第三分冊有色、稀有、分散、稀土、貴金屬礦石及鈾釷礦石分析
式中:潛能濃度Eα的單位為10-4μJ/m3。
(4)α能譜法
α能譜法的工作原理是不同能量的α粒子入射探測器后，探測器會產生不同幅度的脈沖響應，多個不同能量的α粒子入射探測器便構成α能譜，經過譜分析便可得到不同222Rn、220Rn子體的濃度。圖66.16為在真空環(huán)境下測得的222Rn、220Rn子體α能譜。
圖66.16 α能譜峰示意圖
α能譜法測量由于能對α粒子能量進行鑒別，因此能夠迅速、準確地測量222Rn、220Rn子體，而且222Rn、220Rn子體的測量互不干擾。在一個未知環(huán)境下，一方面只要在對應8.78MeV的220Rn子體道上有計數(shù)存在，就可以判定環(huán)境中有220Rn子體存在，再通過1～2h的監(jiān)測就可以得出220Rn子體濃度;另一方面無論環(huán)境中有無222Rn子體存在，它都可以在30min內獲得222Rn子體的濃度。
測量裝置
測量氡子體的儀器有多種型號，常用的有:FD-3015、RD-1、FT-648、FD-140、KF-6693、KF662D等。這類儀器的一般結構由空氣采樣和測量兩部分組成，采樣器由放有采樣濾膜的采樣頭、采樣泵和流量控制3部分組成。測量部分有α探測器、電荷靈敏放大器、甄別電路、控制電路和計數(shù)電路、顯示電路等。
測量步驟
(1)α潛能法
α潛能法的測量程序如下:以流速v(m3/min)采樣5min，在采樣結束后7～10min內對試樣進行α計數(shù)，其積分計數(shù)記為N7～10。
(2)三段法
三段法應以一定量的流速v(L/min)采空氣樣5min，采樣結束后在2～5min、6～20min、21～30min三段時間間隔內測量試樣的α計數(shù)，分別記為G(2，5)、G(6，21)、G(21，30)(min-1)。
(3)五段法
五段法的測量程序如下:以v流速(L/min)采樣30min，在取樣結束后第2～5min、6～20min、21～30min、200～300min、366～566min的五段時間間隔內測量取樣濾膜上的α計數(shù)。計數(shù)率分別記為:N1、N2、N3、N4、N5。
(4)α能譜法
首先通過濾膜采樣裝置以一定的流量過濾待測空氣，將空氣中的222Rn、220Rn子體收集在采樣濾膜上，然后將濾膜放入α能譜儀，按一定的測量程序如Marts、Jonassen測量程序，在幾段時間內統(tǒng)計222Rn、220Rn子體對應的各α能量峰計數(shù)。再聯(lián)立222Rn、220Rn子體的Bateman衰變特征方程組來求解222Rn、220Rn子體水平。222Rn子體的特征能量峰包括:RaA(218Po)6.0MeV、RaC'(214Po)7.69MeV;220Rn子體的特征能量峰包括:ThC″(208Tl)6.05MeV、ThC'(212Pb)8.78MeV。
刻度
利用標準氡室對氡子體測量儀進行刻度的方法與刻度氡測量儀的方法相同。因為氡子體在空氣中以氣溶膠狀態(tài)存在，容易沉積在固體表面而離開氣相，這樣就難以利用母子體衰變的關系得到準確可靠的氡子體標準樣。因此只能用絕對測量方法對氡子體測量儀進行刻度。這就需要準確獲得影響測量的各種因子后，才能根據(jù)測量方法的原理計算出刻度系數(shù)。
各種刻度系數(shù)的標定或測定簡介如下:
(1)探測效率的標定
用長半衰期核素的α標準面源(241Am、239Pu或238U均可)標定儀器的探測效率，要做到輻射源與探測器間的距離盡可能的短，以保證在低能的α粒子射程之內，并減少幾何條件帶來的誤差。
(2)采樣流量的測定
所用的流量計需用標準裝置修正;對于濾膜對氣流的阻力造成下游氣流的負壓須對轉子流量計作讀數(shù)校正。
(3)過濾效率的測定
不同型號的濾膜、放置幾層濾膜都會對濾膜過濾效率有影響，須進行過濾效率的測定;常用的濾料有合成纖維(過氯乙烯樹脂纖維和聚丙烯纖維等)、玻璃纖維和微孔濾料。后兩者過濾效率接近100%。測定過濾效率的方法是用兩張同質量的濾料，重疊在一起，進行過濾效率的測定。
(4)自吸收因子的測定
一般情況下，微孔濾膜(孔徑0.8μm)自吸收因子接近1。自吸收的測定方法是:按規(guī)定條件采空氣樣，將氡子體收集在濾料上，30min后，以相同幾何條件，依次快速測量濾膜正反兩面、與正面加一同類濾料的空白濾料的α計數(shù)，分別得到C1、C2和C3，則自吸收因子K可用下式計算。
巖石礦物分析第三分冊有色、稀有、分散、稀土、貴金屬礦石及鈾釷礦石分析
式中:K為自吸收因子;C1為濾膜正面的α計數(shù);C2為濾膜反面的α計數(shù);C3為正面加蓋同類空白濾膜后的α計數(shù)。
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