马尔科夫法气球测氡仪的研制

杨 强 葛良全 花永涛 朱国祯 王尔奇

1(成都理工大学 地学核技术四川省重点实验室 成都 610059)2(环境保护部核与辐射安全中心 北京 100082)

氡气的危害已经得到广泛的重视，由于氡具有级联衰变的特性，对其的测量一直是核物理实验方法领域的较困难课题[1]。在我国环境空气中氡的标准测量方法中推荐了四种测定方法，即径迹蚀刻法、活性炭盒法、双滤膜法和气球法[2]。前两者属于被动测量法，主要用于氡浓度的累积测量不能测量子体浓度。研究表明，222Rn/220Rn子体对人体有效当量剂量的贡献要远大于222Rn/220Rn本身，因此测量222Rn/220Rn子体浓度特别是a潜能浓度比测量222Rn/220Rn更能反映他们对人体的危害[3]。气球法测氡是一种主动式测量方法，利用托马斯(Thomas)绝对测氡公式，无需达到放射性衰变平衡即可同时测量氡及其子体的潜能浓度，可广泛应用于矿山及环境中氡及其子体浓度的快速测量[4]。以往使用的气球法测氡仪往往将测量设备和抽气泵分开，使用时需人工取下气球更换接口，容易造成漏气影响测量的准确度。新研制的气球法测氡仪将抽气泵与采样器集成在一体，提高了仪器的整体稳定性和可靠度。

1 气球法测氡原理

气球法测氡属于主动式采样法，测量时无需达到放射性平衡，可同时得出采样瞬间空气中氡及其子体浓度，其探测下限为氡 2.2Bq/m3，子体5.7´10-7J/m3。采样时必须严格按照马尔科夫测量程序工作，如图1。

图1 气球法测氡仪工作时间程序Fig.1 Time program of balloon radon measure instrument.

1.1 氡的潜能浓度的测量

马尔科夫法计算氡子体潜能浓度的公式为：

式中，Cp为a潜能浓度，单位是 J/m3；Km为马尔科夫法系数，单位是J/(m3·计数)；NE是入口滤膜总a计数；R是仪器本底。其中Km由下式给出：

式中，KK为库斯尼茨法系数。能够通过测氡仪的特性指标直接计算得到，计算公式为：

式中n为采样流速单位L/min；E为探测器计数效率；h为滤膜过滤效率；b为滤膜对a粒子的自吸收因子；tm为第二次a计数时间；K(T)与等待时间有关。按照下节方法可测定上式中各参数值，即可直接计算氡子体的潜能浓度。当然，马尔科夫系数Km也可在氡室中由相对测量法计算得到。

1.2 马尔科夫法系数的确定

1.2.1 抽气速率

滤膜上氡子体数量变化规律满足巴特曼方程[5]：

式中，Ni(t)为取样t分钟时滤膜上子体i的原子数；li为子体i的衰变常数；Qi单位体积空气中所含原子数；V是抽气速率。由上式可以看出，抽气速率与滤膜上子体的数量成正比。速率若太小计数值的放射性统计误差增大，对于便携式仪器来讲一般取30L/min，在整个采样过程中应该保持恒定。

1.2.2 滤膜过滤效率h的测定

取2张质量厚度相近的滤膜，重叠在一起，滤膜之间留有2 mm的距离。按规定的流速采样5 min。将2张滤膜在同一台仪器上交替测量，得到两条衰变曲线。取衰变曲线中同一时刻或同一时间间隔内

1.2.3 自吸收因子b的测定

按规定抽气速率将氡子体收集在滤膜上。等待30 min在相同条件下快速地测量滤膜正面、反面、正面盖上同类质量厚度相近的空白滤膜后的计数值，C1、C2、C3代入下式计算。每次测量 1min，对于每批滤膜至少测量3次，测量环境中氡浓度值应较大，如取 4000Bq/m3。

1.3 氡浓度的测量

气球法测氡仪氡浓度的测量按照相对测量法进行： CRn= Kb( NR- 1 0 R )，式中CRn为氡浓度，单位Bq/m3；Kb为气球法刻度常数，单位Bq/(m3·计数)；NR为出口滤膜的总计数；R是仪器本底。

2 系统结构

IED3000F气球法测氡仪的整体结构框图2。

图2 气球法测氡仪结构框图Fig. 2 Structure of radon measure instrument by balloon method.

在进气口和排气口各安装三通阀门，进气时，空气经过A-B-P-E-F通道进入气球法；排气时气球法经F-D-P-C-A通道排出。无论进气和排气都经过了气泵和流量计，因此实现了只用一个气泵自动切换气路的功能。

系统电路结构框图如图3所示。从电路结构上讲，系统分为探头、采样泵控制、数据处理电路三个部分。其中探头将金硅面垒半导体探测器和电荷灵敏前置放大器封装在一起，减少信号衰减提高信噪比。采样泵的供电选择 DC/DC隔离模块电源直接从电池电源取电。数据处理核心选择嵌入式ARM7微处理器LPC2148，并外配了I2C非易失只读存储器。

图3 仪器电路结构框图Fig.3 Circuit structure of radon measure instrument.

3 硬件设计

3.1 探头的设计

根据马尔科夫测量程序可以看出，气球法测氡的测量过程和气泵要求同时工作。因此，探头部分的设计必须充分考虑气泵工作时产生的电磁脉冲及抖动对探测器工作的干扰。系统设计的电荷灵敏前置放大器的结构如图4。

图4 电荷灵敏前置放大器电路Fig.4 Circuit of charge sensitive preamplifier.

电路中放大器采用低噪声运算放大器扩展结型场效应管(JFET)输入级的设计方案。场效应管型号是3DJ7，运算放大器选用NE5534。3DJ7的跨导一般大于3000mW-1，电路中R12和R13是局部电压负反馈稳定电路工作，R13与R1构成分压器，通过放大器的负反馈作用设置场效应管的直流工作点。此电路总的交流电压增益由下式计算：

式中，K1是扩展JFET输入级的电压增益，K2是引入电压负反馈后运算放大器的电压增益，Gm是 3DJ7的跨导。根据上式计算电路交流总增益大于14100倍，输出波形幅度达到100mV，成型时间300mS，下图给出了前放输出的实测波形。

图5 电荷灵敏前置放大器输出波形Fig. 5 Waveform of charge sensitive preamplifier.

3.2 采样泵控制电路

采样泵在工作时不仅产生振动，同时向外界发射大量的电磁辐射，并对电源地线造成较大干扰。为此设计了光耦和隔离电源的保护电路。光耦型号是 TLP521，隔离电源选用 25W DC/DC 可调模块WD5-12S12，输出电压可通过5、6脚的电位器在±20%范围内调节。

3.3 数据处理电路

数据处理电路包含了主放大器、脉冲甄别、温/湿度传感器、输入/输出控制、电源监控、数据存储、数据通信等功能。

主放大器由双运算放大器NE5532组成。其特性指标为输入噪声电压 5nV/Hz，小信号带宽10MHz，直流电压增益50000，交流电压增益10 kHz时2200，转换速率9V/mS。脉冲甄别电路由两路集成电压比较器LM311构成。其中一路用于排出噪声信号，提高信噪比；另一路用于甄别能力大于6.4MeV的a射线。通过两道计数值差，排除 RaC’的干扰。第一路阈值电压通过测量探头输出噪声波形幅值与比较器同相直流电位求得；另一路阈值利用241Am标准a源接多道脉冲幅度分析器(MCA)经能谱测量求得。实测能量为 5.488MeV时道址是120，能量为5.545时道址是147，则6.4MeV射线能量所对应的道址是 578道，对应阈值电压为：U=5´578/1024=2.82V，实际取该值为3.3V。

4 软件设计

LPC2148是基于精简指令集结构的ARM7微处理器，在其上安装mCOSII多任务操作系统，大大方便了程序设计。系统中运行了信号采集任务、温/湿度采集任务、串口通信任务和输入/输出控制任务。根据各任务的实时性要求，优先级分配如下：信号采集最高为1；温、湿度采集优先级3；串口通信任务优先级5；键盘扫描及显示优先级最低为10。

5 指标测试

气球法测氡仪性能指标测试在南华大学氡实验室完成。实验得到了2种氡浓度在不同温度和湿度下的气球法测氡仪氡及其子体的计数结果，其中一组测量数据见表 1。测量结果表明新研制的气球法测氡仪能够较好的满足氡浓度及其子体潜能浓度的测量要求，符合设计预期。

表1 氡及其子体浓度测量结果表 (温度25 °C，湿度70%)Table 1 Measure result of radon and radon daughters (temperature: 25 °C, humidity: 70%).

6 结论

新型气球法测氡仪具有灵敏度高，数据存储量大(2000组数据)，集成度高(无需卸下气球法即可切换气路)，体积小、功耗低的优点。经南华大学氡实验室测试新研制的马尔科夫气球测氡仪各项参数指标达到同类型仪器水平，符合国家标准中的规定，适合于矿山环境下氡浓度及其子体浓度的快速测量与评价。

1 汲长松. 直接法测氡仪的研制[C]//第十五届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集, 2010: 241 JI Changsong. The development of direct radon measure instrument[C]//The 15th national Nuclear Electronics &Detection Technology Conference Poceedings, 2010: 241

2 国家质检总局, GB/T 14582-1993. 环境空气中氡的标准测量方法[S]. 北京: 中国辐射防护研究院, 1993.GB/T 14582-1993. Standard methods for radon measurement in environmental air[S]. [S.l.]: China Institute for Radiation Protection, 1993

3 陈生庆, 周剑良. 空气中222Rn/220Rn子体a潜能浓度测量方法的研究进展[J]. 南华大学学报(自然科学版),2006, 20(4):81–84 CHEN Shengqing, ZHOU Jianliang. Review on Measurement Methods of Potential Alpha-Energy Concentration of Radon Progeny and Thoron Progeny in Air[J]. Journal of Nanhua University(Science and Technology), 2006, 20(4):81–84

4 汲长松. 改进的托马斯测氡公式[J]. 中国核科技报告,1991(S3): 72–73 JI Changsong. Improved Thomas formula for radon measurement[J]. China Nuclear Science and Technology Report, 1991(S3): 72–73

5 田德源, 陆治钊. 新马尔科夫法[C]//第8届全国核电子学与核探测技术学术年会. 中国广东珠海, 1996-12-02,中国广东珠海, 1996: 586–590, 54 TIAN Deyuan, LU Zhizhao. New Markov Method[C]//The 8th national Nuclear Electronics &Detection Technology Conference, 1996-12-02, 1996:586–590,54

6 曲曰声. 相对湿度对气球法测氡的影响[J]. 辐射防护,1990(2): 117-120 QU Yuesheng. Effect of relative humidity on radon measurement by balloon method[J]. Radialization Protection, 1990(2): 117-120

7 韩国胜, 李晓戈, 王庆恒. 双滤膜法测氡中湿度影响的校正[J]. 辐射防护通讯, 1999(6): 24–26 HAN Guosheng, LI Xiaoge, WANG Qingheng.Modification to the Effect of Water Vapor on Rn in Two filter Method[J]. Radiation Protection Bulletin, 1999(6):24–26