一种简易表面氡析出率测量装置的设计

杨志辉，覃国秀，杨庆华

（1.东华理工大学，江西 南昌 330013； 2.江西省核工业地质调查院，江西 南昌 330038）

一种简易表面氡析出率测量装置的设计

杨志辉1，覃国秀1，杨庆华2

（1.东华理工大学，江西 南昌 330013； 2.江西省核工业地质调查院，江西 南昌 330038）

氡及其子体是天然本底辐射剂量的主要贡献者，是当前的一个研究热点。设计了一种简易的表面氡析出率测量装置，可以用来测量某些样品表面的氡析出率。为了了解所设计装置的性能，对不同氡析出率大小的样品进行了测量，同时对这种防氡涂料的防氡效果进行了测评。测量结果表明，该测量装置可较为准确地给出所测样品的表面氡析出率，且性能稳定、操作简便，可改进余地较大，缺点是测量耗时较长。

氡；氡析出率；测量装置；防氡涂料

氡是由放射性元素镭衰变产生的，是自然界惟一的天然放射性惰性气体。常温下氡及其子体在空气中形成放射性气溶胶而污染空气，由于它无色无味，很容易被人们忽视，但却容易被呼吸系统截留，并在体内局部不断累积。人在长期吸入高浓度氡后可诱发肺癌。联合国原子辐射效应科学委员会（UNSCEAR）2000年报告估计，来自天然辐射对公众的年有效剂量当量为2.4 mSv，其中外照射占37.5%，内照射（主要是氡）占62.5%。氡被国际癌症机构（IARC）列为第一类致癌物质，也是世界卫生组织（WHO）公布的19种主要环境致癌物质之一［1］。

人们所处的生活环境中的氡，一般来源于建筑材料释放和地下水输运及大地释放等，可以说，人们所处的生活环境中无时无刻不存在着氡，氡对人体影响的程度自然也和环境中氡的浓度密不可分［2-3］。如果可以较直观地了解周围含氡介质所析出的氡量，也就可以对该环境受氡的污染程度有一个清晰的了解。通常可通过测量射气介质表面氡析出率来估算周围环境氡浓度和氡污染水平［4］。

1 测量装置的结构与原理

1.1 测量装置的结构

目前，在测量建材和土壤的表面氡析出率时，外界的温度、湿度和气压等的变化都会影响介质的氡析出率，且现行的测量方法基本都会受到 “反扩散”和 “边缘效应”的影响［5-7］。但是，为了减少这些因素的影响，又会造成测量装置的结构过于复杂，成本上升。因此，在设计该装置的时候，既要考虑其实用性，同时也要留有较大的可改进余地。所设计的测量装置由累积箱、测氡仪、干燥管等设备组成，其结构见图1。将两根软管分别插入累积箱顶部的孔洞（一高一低），缝隙用环氧树脂或者密封胶封好。将位置稍高一点的软管接出来后通过干燥剂连接到测氡仪的进气口，测氡仪的出气口用软管连接至累积箱中位置稍低的一根软管。样品应轻放在累积箱中央的铁丝网上。为了便于观察箱内的情况，累积箱由有机玻璃制成。箱子尺寸长、宽、高均为40 cm，累积箱容积为0.064 m3。

图1 测量装置结构图Fig.1 Structure of measurement device

本实验装置采用Rad7测氡仪，通过Rad7测氡仪连续监控累积箱内氡浓度。为了克服“泄漏效应”，将样品放入累积箱中，在密闭条件下，由于待测样品中氡的析出，其箱内的氡浓度必然会随着密闭时间的增长而逐渐升高。累积箱内的样品在不断地析出氡的同时，析出的氡也会因衰变而逐渐减少。此外，做到绝对的密封是不可能的，或多或少会有一些氡从缝隙中泄露。随着密闭时间的增长（趋于∞时），氡的析出量逐渐接近于减少量。这时，累积箱内的氡浓度也就达到了其最大浓度（即平衡浓度）。

1.2 装置的原理

本装置测量表面氡析出率所采用的原理为累积法（局部静态法）。累积法基本思想是：在待测物质表面设置一个由不透气、不吸氡、不溶氡材料制成的累积箱，测量积累空间内氡浓度随时间的增长值，并根据氡积累的规律计算氡析出率［8-9］。累积箱中氡浓度在线性增长的范围内取样，并测量其氡浓度值。根据累积箱体积、含氡物质表面积和集氡时间等参数计算出表面氡析出率。这种方法灵敏度高，针对性强，使用范围广，但代表性较差。

在累积箱内氡变化可用（1）式表示为：

式中：V——累积箱体积，m3；S——样品的表面积，m2；C——密封t时刻累积箱内的氡浓度， Bq·m-3； λe＝λ＋R， λ 为氡的衰变常数，2.06×10-6s-1；R——氡的泄露率，s-1；δe——样品的平均表面氡析出率，Bq·m-2·s-1。（1）式的含义是：左边第 1项为氡浓度随时间的变化量，第2项为氡由于衰变或泄漏而减少的量，右边项是氡的析出量。由此可得出：

式中：C0——初始浓度，一般情况下，在样品刚放到累积箱里面时，箱内氡的浓度比含氡介质孔隙中的氡浓度要低得多，所以可认为C0＝0， 则有：

当封闭积累时间相当长时（即t→∞），箱内222Rn浓度渐趋平衡，并达到最大浓度。根据以上条件计算出表面氡析出率是有困难的，因为公式中有两个未知数λe和δe。为确定λe，可使用积累等时间间隔测量法［10］。所谓等时间间隔测量法，即是每隔相同的时间间隔测量集氡罩内的氡浓度。在封好累积箱后，时刻监控箱内氡浓度，每T时间记录一次，共n次。 箱内氡浓度用 Cn（Bq·m-3）表示， 脚标 n表示测量序号，这样，第1次记录的氡浓度C1为：

依此类推，不难写出第n次取样氡浓度的表达式：

由此导出相邻两次取样测量值有如下关系：

由于采用等时间间隔取样，T为常数，对同一装置及同一样品，δe、λe、S和V也均为常数，故（6）式可写为

式中：a、b皆为常数。通过线性拟合的方法由拟合方程可求得a、b值，进而得到包括泄露和衰变影响在内的等效衰变常数，未知数确定，便很容易计算出氡析出率。

2 装置的测试

2.1 测试步骤

为了了解所设计装置的性能，制作了4块铀含量不同的水泥块样品，其中2块铀含量较高，另外2块铀含量较低。同时，为验证某种防氡涂料的防氡效果，在测量完未涂涂料的水泥块后，在所有水泥块的表面均涂上该种涂料。

（1）将做好的水泥块用砂纸磨平，并测出其表面积。

（2）将测量装置连接好，并检查累积箱各接合处有无缝隙，仪器工作是否正常。

（3）敞开累积箱，使箱内外空气流通，设置好仪器测量参数后开始测量箱内本底，时间4 h，每1 h记录一次。

（4）本底测量完后，放入水泥块，密封累积箱，每1 h测量1次。当氡浓度增长的速率逐渐减小，氡浓度曲线不再是线性，即可停止测量。

（5）待全部水泥块测量完毕后，将全部数据导入计算机进行处理。

2.2 测试结果分析

通过对样品的测量，共得到8组氡浓度数据，根据所获数据绘制曲线（图2和图3）。其中，图2为铀含量较高的2块样品的测量数据曲线，图3为铀含量较低的2块样品的测量数据曲线。从得到的数据曲线上可以看出，累积箱封闭以后，箱中的氡浓度一直在不断增高，且任一时刻未涂防氡涂料的水泥块析出的氡浓度都要比涂了涂料的水泥块析出的氡浓度高。可以认为，防氡涂料起到了一定防氡的效果。

根据式（7）和（8）可得到所测样品的表面氡析出率及有效衰减系数。为了计算方便，

图2 铀含量较高样品的氡浓度测量数据Fig.2 Radon measurement data of the samples with high uranium content

3 结论

图3 铀含量较低样品的氡浓度测量数据Fig.3 Radon measurement data of the samples with low uranium content

通过对该测量装置的设计与测试，得出以下结论：（1）该装置可以进行表面氡析出率测量，为氡的污染与危害研究提供了一种较为简易的测量装置；（2）该方案具有经济、装置结构简单、测量方式灵活的特点；（3）所设计的测量装置性能较稳定、操作简便，可改进余地较大，可应用于氡析出率测量中。

同时，也存在不足之处。主要问题为要想得到较为精确的结果，则需进行较长时间的测试；且最小检出限较高。在Matlab环境下使用Polyfit函数可实现上述的计算，计算结果见表1。从表中可以看出，铀含量较高的1号和2号水泥块，其氡析出率明显比铀含量较低的3号和4号水泥块高，所有样品的有效衰变常数都略大于氡的衰变常数，这是因为装置存在一定漏气问题。此外，从氡析出率计算结果可知，该装置在测量相似的样品时，其偏差并不是很大，测量的结果比较可靠。至于所测试的防氡涂料，经过比较发现，该涂料对于铀含量较低的样品具有较好的防氡效果，而对于铀含量较高的样品效果一般，这可能是因为1号和2号水泥块在刚涂好涂料到涂料完全干透的这一段时间内，由于样品的氡析出率较高，在涂料表面形成了孔隙，进而导致干燥后孔隙依然存在，这就大大降低了涂料的防氡效果。

表1 数据处理结果Table 1 Processed results of data

［1］刘小松，丘寿康.一种较准确而快速测量氡析出 率的方法［J］. 辐射防护， 2007， 27（3）:156-162.

［2］肖德涛，梁干庄，赵桂芝，等.钍气对氡析出率测量的影响［J］. 原子能科学技术， 2002， 36（6）:544-547.

［3］侯翠梅，周剑良，刘良军，等.活性炭吸附法测量介质表面氡析出率的探讨［J］.南华大学学报，2005， 19（3）:75-77.

［4］潘 永，刘泽华，谭凯旋，等.铀尾矿氡析出率的测量探讨［J］. 现代矿业， 2009， 46（8）:67-69.

［5］陈 凌，黄 隆，谢建伦，等.累积法测量土壤氡析出率的模 拟计算［J］. 辐射防 护 ， 2000， 20（4）:206-209.

［6］谭延亮，肖德涛，赵桂芝，等.累积法测量氡析出率数据拟合方法探讨［J］.核电子学与探测技术， 2009， 29（5）:966-969.

［7］韩学辉，刘鸿福.一种测量建筑材料和土壤表面氡析出率的新方案［J］. 核技术， 2003， 26（10）:795-798.

［8］陈 凌，谢建伦，黄 隆.表面氡析出率的测量及相关因素的考虑［J］. 辐射防护通讯， 1998， 18（6）:29-36.

［9］周 筠，郑天亮.地下工程典型实例氡浓度与防护对 策 的 分 析 ［J］. 中国辐射卫生， 2007， 16（2）:191-192.

［10］郑天亮，周竹虚，尚 兵.建筑工程防氡技术［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006:115-126.

Design of a simple radon surface exhalation rate measuring device

YANG Zhi-hui1，QIN Guo-xiu1，YANG Qing-hua2
（1.East China Institute of Technology， Nanchang， Jiangxi 330013， China；2.Institute of Jiangxi Nuclear Industry Geological Survey， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Radon and its daughters is a major contributor to natural background radiation dose，and it is a hot research topic now. In this paper，a simple radon measuring device of surface exhalation rate is designed，and it can be used to measure the radon exhalation rate of some sample surface. To understand the performance of the device， the radon exhalation rate of different samples are measured，and the measurement also verified the anti-radon effects of certain anti-radon coating.The measurement result shows that the radon surface exhalation rate of the sample can be given more accurate by the measuring device，but the measurement takes a long time. The device is of stable performance， easy to operate，but has some room to improve.

radon； exhalation rate； measuring device； anti-radon coating

TL75+2.3

A

1672-0636（2012）03-0164-04

10.3969/j.issn.1672-0636.2012.03.007

江西省教育厅青年科学基金（GJJ11148）；核技术教育部工程研究中心开放基金（HJSJYB2010-17）。

2012-03-19；

2012-05-25

杨志辉（1989—），男，江西抚州人，硕士研究生，研究方向：电路系统设计与智能化设备。E-mail:qinguoxiu198201@163.com