气球法测氡仪在室内氡浓度评价中的应用

朱国祯 葛良全 李值纯

1（湖南省职业病防治院 长沙 410000）

2（成都理工大学核技术与自动化工程学院 成都 610059）

氡气是一种特殊的气体。它集惰性和放射性于一身，存在于任何的自然环境中，是天然辐射本底的主要贡献者[1–3]。由于氡具有级联衰变性，其测量一直是核探测领域困难的研究课题[4]。常见的测氡方法有很多种，气球法测氡是环境中氡浓度的标准测量方法之一，由清华大学于1974年研发并成功应用到矿山中氡浓度的测量。这种方法除了能测量环境中的氡浓度外，还能测量氡子体的浓度，具有测量精度高、测量结果准确等优点[5–6]。气球法测氡以马尔科夫测氡理论为基础，能在26min内给出测量结果，属于主动快速测氡法。刻度系数是气球测氡的关键技术指标之一，在定量分析中，通常要根据所测量的环境的氡浓度、气压、相对湿度等条件，将测氡仪放在与标准氡室相近的环境中测量后得到。这是一项比较复杂而且周期较长的工作，往往测氡仪的生产部门并没有得到相关部门认可的标准氡室。本文基于气球法测氡仪测量过程，建立了气球法测氡仪直接测氡的理论方法，并把这种方法应用到室内氡浓度的评价。结果表明，在误差范围内，这种方法基本能满足实际工作的需求。这种方法操作简单、可以缩短仪器的制作周期、经济代价低[7]。

1 测量原理

根据气球法测氡的测量原理，其测量程序应按照图1的过程严格进行。

图1 气球法测氡工作程序Fig.1 Time program of balloon radon measure instrument.

该装置的测氡的过程分为：抽气阶段、等待阶段、排气阶段、测量阶段。在抽气阶段(5min)，采样头1会把气体中含有氡的子体RaA全部过滤掉，而把“干净”的气体抽到气球内，让纯净的氡气在气球内衰变(5min)；然后排出所有的气体(5min)，前两个阶段新产生的子体 RaA全部留在采样头 2上；取下采样头2进行测量(10min)，得到的计数为X。然后根据式(1)算出氡在单位体积内的活度。

式中，Kb为气球测氡装置的刻度系数，Bq×m−3×min；R为滤膜上的本底。

2 仪器介绍

IED-3000F气球法测氡仪是成都理工大学地学核技术实验室新研发的一款环境级氡测量仪。主要由采样系统、测量系统、气球等配件构成。这款测氡仪在测量程序上与双滤膜法相似，只是将双滤膜法中的衰变筒换成了气球，不仅降低了制作成本，而且延长了氡气的衰变时间，提高了测量结果的精度。与早期的气球法测氡仪相比，新研发的气球法测氡仪将采样系统和测量系统集成在一起，并设计了抽气和排气的半自动化回路，完善了采样系统，基本上克服了早期气球法测氡仪漏气的缺点，提高了测氡装置的整体稳定性和测量结果的准确度。实验结果证明，这款测氡仪性能优良，适用于环境中氡浓度的测量与评价[8–9]。

2.1 仪器的采样系统

采样系统如图2所示，在进气口和排气口处各安装三通阀门。进气时，阀门K1、K2都置于①位置，空气经过A-B-P-E-F通道进入气球；排气时，阀门K1、K2都置于②位置，空气经过F-D-P-C-A通道被排出。无论是进气还是排气，空气都经过了气泵和流量计，通过对阀门K1、K2的控制，实现了切换气路的功能。在抽气或排气的过程中，气流都在封闭的环境里进行，提高了采样效率。

图2 气球法测氡仪的采样系统Fig.2 Sampling system of emanometer in balloon method.

2.2 仪器的电路工作原理

仪器的电路结构示意图如图3所示[8]。

图3 仪器电路结构框架图Fig.3 Frame diagram of circuit about the instrument.

2.3 仪器的性能参数

实验结果表明，仪器正常工作时，各项性能参数如表1[9]。

表1 测氡仪正常工作时的各项参数Table 1 Parameters of radon measurement instrument.

3 刻度系数

根据气球法测氡仪的工作原理，推导出了计算气球法测氡仪刻度系数(Kb)的理论计算公式[8–9]：

K是一个与仪器自身有关的参数，其计算方法如下：

式中各符号的意义与表1一致。

将表1中的数据代入式(2)中，可以算出Kb为1.70；与该测氡仪在核工业六所标准氡室温度25°C和相对湿度 70%的条件下测量所得到的刻度系数1.75相比，相差2.9%。在误差范围内，用此种方法得到的刻度系数能满足实际的需求。

4 材料与方法

4.1 监测点

成都某高校实验楼，该实验楼为三层老式建筑，建筑材料为混凝土、红砖、水泥、砂石等。选取 4个实验室为实际测量地点，其中一层2个，二层1个，三层 1个。所选实验室的建筑面积均未超过200m2，但是却有大小之分，一层楼的110室和二层楼的210室面积相同是大建筑面积实验室，一层楼的115室和3层楼313室的面积相同为小建筑面积实验室。

4.2 布点

按照标准《室内氡及其衰变产物测量规范》(GBZ/T 182-2006)[6]，每个实验室布一个测点，测点距地面的高度为1.5m，与墙的距离不小于30cm，而且测点应远离门窗、通风口、空调等。

4.3 测量

选晴朗、无风、室内温湿度稳定的天气测量，测量前关闭门窗8h以上。根据IED-3000F型气球测氡仪使用说明书及注意事项规范操作。

5 结果与分析

5.1 监测点氡浓度整体分析

此次检测共收集有效测量结果125个，表2为此次调查的整体结果。监测点氡浓度的最小值为3.40 Bq·m−3，最大值为 86.70 Bq·m−3，平均值为20.99±13.81 Bq·m−3，符合标准《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB18871-2002)[10]中对室内氡浓度的限值。与用径迹法所测得成都地区累积氡浓度[13]的结果相比，降低了约19 Bq·m−3。与20世纪90年代用闪烁法所测的成都地区瞬时氡浓度的结果相比[11]，降低了约 10 Bq·m−3。313 室与 115 室的平均氡浓度分别为24.65±9.72Bq·m−3、29.28±16.30Bq·m−3，210 室与 110 室的平均氡浓度分别为 11.69±4.92 Bq·m−3、11.05±4.23 Bq·m−3，在建筑材料和室内装饰条件相同时，氡气在建筑面积相同的环境中的浓度相近。

表2 楼内氡气测量结果Table 2 Measuring results of radon in the laboratory building.

5.2 不同面积房间氡浓度的比较

表2的结果表明，小房间的氡浓度的平均值为27.43±14.28Bq·m−3，大房间的氡浓度的平均值为11.36±4.54 Bq·m−3，小房间的平均氡浓度比大房间的氡浓度要高。这两类房间的建筑材料和室内装饰材料都一样，在相同的时间内，大房间所释放的氡的总量要比小房间高，但由于大房间的空间要比小房间大，氡气的迁移速度在大房间相对较快，从而使得整体的浓度值降低。在建筑材料和室内装饰材料相同时，氡气在建筑面积较小环境中的浓度可能高于建筑面积较大房间的浓度。

5.3 实验楼内氡气致不同人群年有效剂量的估算

氡气致人体的辐射剂量，是由氡及其子体衰变的α粒子、β粒子、γ射线引起，这些粒子或射线与人体组织的作用机理十分复杂，一直是辐射剂量学领域一项困难的课题。UNSEAR和ICRP分别用辐射计量学方法和流行病学方法做了相关研究，最新的研究结果表明，这两种方法推导出的剂量转换系数有一定的差别[12]。因此，文章按照标准《室内氡及其衰变产物测量规范》(GBZ/T 182-2006)中推荐的方法来估算进入实验室不同人群的有效剂量，式(4)为剂量估算公式。

式中，ERn为暴露氡所致人体年有效剂量，mSv；CRn为所测环境的平均氡浓度，Bq·m−3；T为所考察人群暴露氡环境的时间，h；Dg为氡气的剂量转换系数(0.17nSv·Bq−1·h−1·m3，参照 UNSCEAR 2000[13]年报告)；Dp为氡子体的剂量转换系数(9.0nSv·Bq−1·h−1·m3，参照 UNSCEAR 2000[13]年报告)；10−6为nSv→mSv的转换系数；F为平衡因子，这里取0.5。

进入实验楼的人群，主要是办公人员、科研工作者。办公人员按8小时工作制度，科研工作者按10小时工作制度，不考虑国家法定的假日，大致可以估算不同人群在实验楼的停留时间，计算出氡所致不同人群剂量的大小，表3为估算结果。

表3 实验楼内氡所致不同人群年有效剂量估算结果Table 3 Results of annual effective dose of different people in laboratory building.

计算结果表明，氡气所致科研工作者的年有效剂量最大，为 0.24mSv，低于世界的均值(1.2mSv)[14]；进入实验楼内的人群受到的天然照射处于正常本底范围，氡及其子体并未造成附加剂量。

6 结语

(1)气球法测氡仪操作简单，便携性好。基于此仪器的直接刻度方法能在无标准氡室的情况下，计算出测氡仪的刻度系数，这种方法缩短了制作周期，降低了经济代价。在误差范围内，用此种方法计算出的刻度系数基本能满足实际测量的要求。

(2)所监测实验楼内氡浓度的平均值为20.99±13.87 Bq·m−3，符合标准《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB18871-2002)中关于室内氡浓度的限值。

(3)室内氡浓度的大小与建筑面积有一定的关系。氡气致实验楼内科研人员的年有效剂量最大为0.24mSv，远低于世界平均水平(1.2mSv)。氡气致进入实验楼内人群的辐射剂量处在本底水平，氡及其子体未造成附加剂量。

(4)该台仪器的精度和稳定性上还有待提高。在实际应用中，直接刻度方法的不足之处在于对机器整体性能的把握，尤其是滤膜的过滤效率和自吸收效率。而且该刻度系数的推导是在理想的条件进行的，很多可能影响机器性能的因素都没有考虑在内，比如气球壁对子体的吸附，环境压力、温度、湿度等因素。因而，该方法还有很多地方需要改进和完善。

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