闪烁室测氡仪快速定值方法

1.本发明涉及核辐射探测技术领域，特别涉及一种闪烁室测氡仪快速定值方法。


背景技术：

2.氡是公众所受总辐射剂量的主要来源，约占总剂量的55%，氡浓度的可靠测量可为辐射防护和环境保护提供参考依据。氡测量方法一直伴随着氡的应用与防护发展，具有高探测效率且受湿度影响小的闪烁室测氡法成为了当前氡测量的主流方法。闪烁室大多采用内壁涂有硫化锌闪烁晶体的圆柱形或球形容器，顶部有两个气嘴用于取样，底部是未涂硫化锌的透明玻璃窗口。闪烁室与光电倍增管及前置放大器和定标器相连构成气体α放射性的测量装置。闪烁室内的待测放射性气体氡及其衰变子体产生的α粒子击中闪烁体并且使其发光，被光电倍增管探测到，再由相应的电子学读出系统读出脉冲计数即可得到测量的氡浓度。
3.现有的闪烁室测氡仪在进行定值操作时，为了保证氡的总活度变化不超过1%，取样结束后需静置3h待氡及其子体达到平衡，且对于不同时间的测量周期，还需要分别执行定值操作过程，工作效率较低。此外，现有的闪烁室测氡仪在实际测氡时也需要跟定值过程一样，必须静置3h使氡及其子体达到平衡才能进行氡浓度测量，难以满足快速跟踪氡浓度变化测量的需要。


技术实现要素：

4.本发明的目的之一提供一种针对闪烁室测氡仪不同测量周期的刻度因子进行快速定值的方法，以提高闪烁室测氡仪的定值工作效率。
5.为了解决实现上述目的，本发明采用以下方案：一种闪烁室测氡仪快速定值方法，包括以下步骤：一、确定初始标定刻度因子k0值；以氡源的氡浓度作为氡标准浓度，取样并过滤后注入测氡仪的闪烁室中并保证所述闪烁室内任意两点间的距离小于rn-222及其子体衰变释放的α粒子的射程，记录初始标定时所对应测量周期内氡及氡子体衰变产生的总α粒子计数na(t0)，根据氡标准浓度、取样体积以及闪烁室的容积，得到初始标定时的闪烁室内氡浓度c
r’，再结合下式即可计算得出初始标定刻度因子k0的值：；式中， na(t0)为初始标定时所对应测量周期内记录到的氡及氡子体衰变产生的总α粒子计数；二、根据初始标定刻度因子k0值，确定其它测量周期的刻度因子k
x
值；式中，λr、λ
p
、λb、λb分别是rn-222、po-218、pb-214和bi-214的放射性半衰期，e为自
然常数， t0为初始标定时所对应测量周期的测量时间，t
x
为其它测量周期的测量时间，ts为采样时间。
6.另外，本发明还提供一种基于闪烁室的快速测氡方法，包括：以闪烁室为测量室完成采样后进行测量，根据当前测量周期内记录到的氡及氡子体衰变产生的总α粒子计数并结合下式计算得出被测环境氡浓度：上式中，cr为被测环境氡浓度，λr、λ
p
、λb、λb分别是rn-222、po-218、pb-214和bi-214的放射性半衰期，k0为标定刻度因子，t0为标定时所对应的测量周期的测量时间，t
x
为当前测量周期的测量时间，ts为采样时间, na(t
x
)为当前测量周期内记录到的氡及氡子体衰变产生的总α粒子计数；所述闪烁室内任意两点间的距离小于rn-222及其子体衰变释放的α粒子的射程。
7.于本发明的一个实施例中，在采样之前还包括按下式确定标定刻度因子k0值的步骤：；上式中，c
r’为标定时闪烁室内的氡浓度，na(t0)为标定时所对应的测量周期内记录到的氡及氡子体衰变产生的总α粒子计数。
8.具体而言，确定标定刻度因子k0的值时，以氡源的氡浓度作为氡标准浓度，取样并过滤后注入测量室中，记录测量周期内氡及氡子体衰变产生的总α粒子计数na(t0)，根据氡标准浓度、取样体积以及测量室的容积，得到标定时闪烁室内的氡浓度c
r’，再结合下式即可计算得出标定刻度因子k0的值：进一步地，本发明还涉及一种基于闪烁室的快速测氡装置，其包括α粒子检测与计数模块、氡浓度计算单元以及用作测量室的闪烁室，所述闪烁室内任意两点间的距离小于rn-222及其子体衰变释放的α粒子的射程，所述氡浓度计算单元根据当前测量周期内记录到的氡及氡子体衰变产生的总α粒子计数并结合下式计算被测环境氡浓度：上式中，cr为被测环境氡浓度，λr、λ
p
、λb、λb分别是rn-222、po-218、pb-214和bi-214的放射性半衰期，k0为标定刻度因子，t0为标定时所对应的测量周期的测量时间，t
x
为当前测量周期的测量时间，ts为采样时间, na(t
x
)为当前测量周期内记录到的氡及氡子体衰变产生的总α粒子计数。
9.于本发明的一个实施例中，所述闪烁室为中空圆柱体，所述中空圆柱体的内腔被涂有闪烁晶体层并沿其径向等夹角设置的有机玻璃隔板分割成多份。
10.其中，所述闪烁室的内壁面布满闪烁晶体层。
11.进一步地，所述闪烁晶体层的成分为掺银硫化锌。
12.本发明的一个实施例中，所述闪烁室的容积为54ml。
13.与现有闪烁室测氡仪定值方法不同，本发明在氡及其子体建立平衡计数前就能对
闪烁室测氡仪进行定值，具体而言，本发明是基于闪烁室并通过积分计数法结合氡及其子体原子数的变化关系建立短时间与平衡时的氡浓度刻度因子关系模型，结合闪烁室测氡仪的初始定值刻度因子值（只需要进行初始定值，后续其它测量周期的刻度因子定值由初始定值刻度因子值结合模型计算出来）就可以对其在其它不同测量周期条件下的刻度因子进行快速定值，省去了传统定值操作中需要针对各不同测量周期分别进行刻度因子定值操作的步骤，简化了闪烁室测氡仪的定值过程，提高了定值工作效率。经实验验证，采用该方法得到的定值结果与实验验证结果的误差在4%以下，表明该快速定值方法是切实可行的，具有较强的实用性。
附图说明
14.图1为氡及其子体简化衰变链示意图。
15.图2为实验验证装置示意图。
具体实施方式
16.为了便于本领域技术人员更好地理解本发明相对于现有技术的改进之处，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
17.需要提前说明的是，本领域技术人员明白，本发明所述“快速探测”是较传统的闪烁室测氡方式而言，由于本发明所采用的测氡方式较传统测氡方式耗时更短，故称“快速探测”。另外，本发明中对于“闪烁室”有具体的限制，确切来说，闪烁室内任意两点间的距离被限制为小于rn-222及其子体衰变释放的α粒子的射程，该闪烁室对氡及其子体衰变产生的α粒子的探测效率理论上认为近似于100%。本实施例主要基于以下技术构思：一、快速测量原理与短时间与平衡时的氡浓度刻度因子关系模型构建。
18.闪烁室内氡及其子体的原子数变化满足递次衰减规律，任一子体的衰变规律与本身和前一代放射体的衰变常数有关，根据氡及其子体简化衰变链规律可依次得到rn-222、po-218和bi-214的放射性活度。po-218、bi-214的半衰期远远短于rn-222的半衰期，在取样过程中视闪烁室内氡浓度不变，且在t=0时闪烁室内氡气是均匀分布的，图1为氡及其子体简化衰变链。
19.设在时刻t内rn-222、po-218和bi-214的原子核数分别为nr、n
p
和nb，在初始时刻t=0时测量腔内无子体，即取样完成后只有氡。设测量周期为t，取样时间为ts，依据被收集的α粒子数与不同测量周期的刻度因子关系式来确定氡浓度。闪烁室测氡仪rn-222浓度测量公式为：（1）；式中cr为被测环境氡浓度； k为闪烁室刻度因子；
△
na(t)为不同测量周期的rn-222、po-218和bi-214进一步衰变产生的总α粒子计数；闪烁室收集到的α粒子数与rn-222、po-218和bi-214的关系如下：（2）；式中na为闪烁室的净计数率，nr、n
p
、nb分别代表rn-222、po-218和bi-214衰变产生的α粒子数。rn-222、po-218和bi-214的放射性活度ar、a
p
、ab随时间的变化满足下列方程：（3）；
（4）；（5）；其中，；，；式中λr、λ
p
、λb、λb分别是rn-222、po-218、pb-214和bi-214的放射性半衰期（min-1
），是闪烁室中初始氡浓度（bq/m3），v是闪烁室体积（l）。在ts~t ts时间段内闪烁室测得的α粒子数为：（6）；式中ηr=η
p
=ηb，ts为采样时间，将上式简化并积分为：（7）；令（8）；已知t0时刻与不同测量周期t
x
的氡浓度相等，k0与k
x
关系式应满足如下关系：（9）；式中t
x
为不同周期的测量时间；k
x
为不同测量周期t
x
的刻度因子；k0为测量时间为60min的测量周期（本实施例中标定时的测量周期设定为60min，实际上，在标定时也可以选择其它的测量周期时间，例如45 min或90 min等）刻度因子（标定刻度因子）。将式（9）转换则得到不同测量周期的刻度因子与60min的测量周期刻度因子的关系为：（10）；根据图1已知λr=0.000126，λ
p
=0.227261，λb=0.025864，λb=0.035185，将其代入式（10）中，得到不同测量周期的刻度因子公式为：（11）；式（11）展示了用初始标定的刻度因子值k0为其它不同测量周期的刻度因子值k
x
进行定值的计算方式。
20.进一步地，将k
x
的表达式代入式（1）中，即可得到氡浓度计算公式为：（12）；式（12）为对应测量周期氡及其子体达到平衡时的氡浓度计算公式。
21.二、实验验证。
22.实验装置主要由闪烁室、fd125氡钍分析仪和定标器组成，实验验证装置图如图2所示。
23.本实施例中根据氡及其子体的衰变链关系运用积分计数法计算不同测量周期的刻度因子时，采用了容积为54ml的中空圆柱体作为闪烁室，闪烁室的内腔被涂有zns( ag )且沿其径向等夹角设置的有机玻璃隔板分割为8等份，另外，闪烁室内任意两点间的距离小于rn-222及其子体衰变释放的α粒子的射程，由此闪烁室对氡及其子体衰变产生的α粒子的探测效率近似达到100%。
24.验证实验中选取浓度为20bq/ml的氡源作为标准氡浓度，环境气温范围在18℃左右，气压为标准大气压，定标器高压设置为-538v。首先对测量装置进行标定，先用泵抽取真空清洗闪烁室内留有上次测量残留的氡及其子体，使室内本底降低后再利用fd125氡钍分析仪测得其值。然后选用容积为1ml的针管抽取1ml氡源过滤完再注射入真空闪烁室中，闪烁室内氡浓度变为3.7
×
105bq/m3。
25.；采样结束后将闪烁室放入fd125氡钍分析仪中，设置定标器的采集时间和次数参数，测量不同周期的氡及其子体衰变产生的总α粒子数na，将t0=60min时的总α粒子数代入式（1）即可计算得到标定刻度因子k0值，之后根据k0值和式（11）即可计算不同周期的刻度因子。
26.具体而言，先利用fd125氡钍分析仪测量t0=60min时闪烁室内氡及其子体衰变产生的总α粒子数，重复测量10次再求平均值，将氡源标准浓度代入式(1)得到标定刻度因子k0值。再依据式(11)得到k
30
和k
15
的值，利用定标器得到的na值代入式（12）验证快速测量的结果。
27.。
28.10次测量的数据存在差异，这是因为闪烁室内本底波动、人工采样的不准确性、温度波动和α衰变的随机性导致的，但是总的来看波动较小，这是统计涨落的结果，表明数据符合放射性规律。在计算时需要修正上一次测量残留的氡子体衰变产生的计数，其本底平均计数为17cpm，由表1可知在周期为60min的条件下10次的平均总α粒子计数值为324032 cp，闪烁室修正后的相对标准误差rsd为3.3%，由式（1）计算可得平均k0值为1.147bq
·
m-3
·
cpm-1
。
29.设置测量周期为30min、15min，根据上述得到的k0值和式（11）计算公式即可计算不同周期的刻度因子，计算结果为：k
30
=2.481 bq
·
m-3
·
cpm-1
，k
15
=5.226 bq
·
m-3
·
cpm-1
。
30.为验证上述计算结果与实际测量结果所对应的刻度因子值的差异，再在同样条件下将标准氡源的气体抽样至闪烁室中，使用fd125氡钍分析仪记录氡及其子体衰变产生的总α粒子计数，连续对10个测量周期为30min和15min进行计数，结合式（1）计算不同测量周期的实际测量结果所对应的刻度因子值。表2、表3示出了周期为30min和15min的实际测量结果所对应的刻度因子值（其中k
30ex
和k
15ex
为实际测量结果所对应的刻度因子）。
31.。
32.。
33.由表2可知在测量周期为30min时，经过修正后闪烁室的平均总α粒子计数为150523cp，其相对标准误差rsd为2.42%，实际测量结果所对应的刻度因子k
30ex
的平均值为2.464 bq
·
m-3
·
cpm-1
，相对标准误差为2.42%，且其与按式（11）计算得到的刻度因子k
30
的误差在4%以内。
34.由表3可知在测量周期为15min时经过修正后闪烁室的平均总α粒子计数为71193cp，实际测量结果所对应的刻度因子k
15ex
的平均值为5.217 bq
·
m-3
·
cpm-1
，虽然由于环境温度、气压和人为问题等因素引起计数落差，但总α粒子计数相对标准误差rsd为1.84%， k
15ex
的rsd也为1.84%。
35.从上述两个表格的实验数据来看，对于氡浓度为3.7
×
105bq/m3时，按式（11）计算得到的刻度因子k值与实际测量结果所对应的刻度因子k值误差在4%以内，证明式（11）的刻度因子计算公式是可行的，因而根据式（11）和式（1）所得到的氡浓度计算公式（12）也是可行的。
36.由上述实验结果可知，根据本实施例中所构建的短时间与平衡时的氡浓度刻度因子关系模型计算得到的刻度因子值与根据探测到的α粒子计算得到的实际测量结果所对应刻度因子值（模型计算值与实验验证值）误差在4%以下，同理，由式（12）计算得到的氡浓度值与实际测量所得到的氡浓度误差也会在上述范围之内，故基于k0并结合式（11）为其它不同测量周期的刻度因子值k
x
进行定值并结合式（12）进行氡浓度快速测量的方案是可行的。
37.综上所述，本实施例基于闪烁室并通过积分计数法结合氡及其子体原子数的变化关系建立短时间与平衡时的氡浓度刻度因子关系模型，实现了对闪烁室测氡仪在不测量周期条件下的快速定值，经实验验证，采用该方法测算得到的刻度因子值与实验验证值的误差在4%以下，表明该方案是切实可行的。由于该方案无需静置等待氡及其子体建立平衡，因而能够大幅缩短定值过程所耗费的时间，可以显著提高定值工作效率。同理，在此基础上所衍生出来的快速测氡方法理论上其测量误差也在可接受的范围内，并能够显著提高测氡工作效率，同样具有较强的实用性。
38.以上实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
39.为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本技术文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。