新型連續(xù)測氡儀的刻度因子研究

時間：2024-06-13 16:47:52

關(guān)鍵字：連續(xù)測氡刻度因子等效時間

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[導(dǎo)讀]摘要:針對NRL型測氡儀在取樣過程全程計數(shù)的測氡模型中計算復(fù)雜的問題 ,構(gòu)建了一種簡單計算氡濃度標(biāo)定測氡儀刻度因子的方法。該方法在實驗標(biāo)定儀器標(biāo)準(zhǔn)刻度因子后 ,再根據(jù)氡的衰變規(guī)律計算任意測量周期的刻度因子 ,且該刻度因子僅與儀器的測量周期、等效時間有關(guān)。結(jié)果表明 ,不同測量周期的理論刻度因子與實驗刻度因子相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均在5%以內(nèi)。該方法簡化了測氡模型的計算 ,減少了儀器標(biāo)定的時間。

引言

靜電收集α能譜法測氡是一種能有效甄別出 Rn—222和Rn—220的快速連續(xù)測氡方法,故該方法成為連續(xù)測氡的主流方法。

基于該方法研制的連續(xù)測氡儀器較多,如南華大學(xué)研制的NRL型連續(xù)測氡儀^[1—2],該測氡儀在抽氣取樣過程中未計數(shù)的測氡模型其氡濃度的計算較為簡單,但該方法在較低濃度條件下測量時粒子數(shù)較少,測量結(jié)果統(tǒng)計漲落較大。

為提高NRL型連續(xù)測氡儀的探測效率,提出全程收集粒子計數(shù)的新測量方法,該方法在實驗標(biāo)定儀器的標(biāo)準(zhǔn)刻度因子后,再根據(jù)氡的衰變規(guī)律計算任意測量周期的刻度因子。

1連續(xù)測氡刻度因子的理論計算

新測量模式下在開始測量時刻測量腔內(nèi)的氡會經(jīng)過一段時間先增加至待測環(huán)境氡濃度,然后動態(tài)穩(wěn)定在這一氡濃度上直至測量結(jié)束,故該模式下儀器測量腔內(nèi)抽氣取樣時刻的氡濃度C(t_x)與取樣時間tx的關(guān)系如下^[3]:

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式中:C(t_x)為抽氣取樣不同時刻測量腔內(nèi)的氡濃度;C₀為待測環(huán)境氡濃度;L為抽氣泵流率;t_x為抽氣取樣時間;V為測氡儀測量腔體積。

式(1)為新測量模式下測氡儀在抽氣取樣時刻測量腔內(nèi)氡濃度的理論變化規(guī)律。根據(jù)式(1),當(dāng)測氡儀測量腔體積V=0.8 L,氣泵流率L=2.25 L/min時,測量腔內(nèi)氡濃度的理論變化規(guī)律如圖1所示。

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根據(jù)靜電收集α能譜法的測量原理,利用測得的粒子數(shù)反推出氡濃度需得到粒子數(shù)與氡濃度之間的函數(shù)關(guān)系即儀器的刻度因子,而儀器的刻度因子需要在開始測量時刻儀器測量腔內(nèi)的氡濃度為穩(wěn)定氡濃度時方可得到。

在新測量模式下,儀器開始測量時腔內(nèi)的氡濃度變化情況如圖1所示,故需要用抽氣取樣時間段內(nèi)測量腔的平均氡濃度替代取樣結(jié)束后腔內(nèi)穩(wěn)定氡濃度,然后利用得到的平均氡濃度求得腔內(nèi)達(dá)到該濃度所需的對應(yīng)時間,即為等效時間t_n',最后依據(jù)等效時間可以得到儀器任意周期的刻度因子。

因此,若要得到新測量模式下儀器的刻度因子,就需要得到該模式下抽氣取樣時間段內(nèi)測量腔內(nèi)氡濃度與時間的函數(shù)關(guān)系,故對式(1)化簡得到式(2):

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式中:ΔCtx為氡濃度變化率。

式(2)為抽氣取樣時刻腔內(nèi)氡濃度的理論變化率,其理論圖形如圖2所示。

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利用積分面積法,以抽氣取樣的結(jié)束時刻和開始時刻分別作為積分上下限,對ΔCt_x進(jìn)行積分,得到在該時間段內(nèi)測量腔的氡濃度C_總,如式(3)所示。

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利用C_總和抽氣取樣總時間t_n,求得其在抽氣取樣時間段內(nèi)的平均氡濃度C_tn' ,如式(4)所示。

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利用式(1),也可得到平均氡濃度C_tn',如式 (5)所示。

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聯(lián)立式(4)和式(5),化簡得出對應(yīng)的時間即為等效時間tn',其計算公式如式(6)所示。

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由式(6)可知,等效時間tn'與儀器抽氣取樣時間tn、儀器泵流率L和儀器測量腔的體積V有關(guān)。

利用開始測量時測量腔內(nèi)氡濃度即為穩(wěn)定氡濃度時測量周期為T的標(biāo)準(zhǔn)刻度因子k₀和等效時間tn',通過理論公式計算出新模式下任意測量周期的理論刻度因子Kx,其理論計算公式如式(7)所示^[4-6]。

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式中:Kx為新測量模式下測量周期為Tx的刻度因子;K₀為標(biāo)準(zhǔn)刻度因子;T為測量周期;Tx為任意測量周期。

由式(7)可知,同一臺測氡儀的理論刻度因子Kx 與測量周期、等效時間有關(guān),與采集檢測效率無關(guān)。由此可以根據(jù)K0、測量周期和等效時間計算出新測量模式下任意周期、任意采樣時間的刻度因子。

當(dāng)tn=180s,λR=2.1×10-6s-1,λA=3.8 ×10-3s-1 時,根據(jù)式(7)和L=2.25 L/min、V=0.8 L等相關(guān)參數(shù)得到tn/=46 s;當(dāng)新測量模式下的測量周期Tx分別為3 600、1800、900s時,刻度因子K60、K30和K15分別表示為:

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式(7)表明,當(dāng)采樣時間固定時,較長的測量周期對應(yīng)較低的刻度因子;儀器的刻度因子與等效時間tn'有關(guān),而與儀器抽氣取樣時間tn、泵的流率L和測量腔的體積V有關(guān),即新測量模式下儀器的刻度因子

由儀器抽氣取樣時間、泵的流率和測量腔的體積共同決定。

2結(jié)果與討論

新測量模式下測氡儀刻度因子的研究實驗裝置主要由NRL連續(xù)測氡儀、南華大學(xué)25m3 的標(biāo)準(zhǔn)氡室和儀器 Alpha GUARDPQ2000Pro(GenitorInstruments GmbH,Germany)等組成。

實驗步驟如下:為減少放射性的統(tǒng)計誤差,調(diào)節(jié)南華標(biāo)準(zhǔn)氡室氡濃度在5 000 Bq.m^-3范圍內(nèi)。溫度穩(wěn)定在(30±2)℃,濕度穩(wěn)定在 (65±5)%。

當(dāng)氡室的氡濃度調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定后 , 首先將新測量模式下NRL 連續(xù) 測氡儀和PQ2000Pro打開1 h,使這些儀器同步工作。

實驗分三步:

1)用流率計測出儀器氣泵的流率L。

2)連接好實驗裝置,關(guān)閉儀器高壓,從南華大學(xué)標(biāo)準(zhǔn)氡室取樣3min后 (儀器開機(jī)后默認(rèn)立刻開啟高壓和計數(shù),選擇關(guān)閉高壓則儀器在抽氣取樣時刻是未開啟高壓和計數(shù)),測量60min內(nèi)Po-218衰變產(chǎn)生的α粒子數(shù)作為N₀。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氡室內(nèi)PQ2000 Pro

的參考氡濃度C,根據(jù)公式K₀=C/N₀求出儀器標(biāo)準(zhǔn)刻度因子K₀^[7],實驗測量結(jié)果如表1所示。

3)測量不同測量周期的刻度因子,依據(jù)測得的粒子數(shù)求出不同周期的實驗刻度因子,并與理論刻度因子比較。

新測量模式下使用連續(xù)測氡儀進(jìn)行三次周期為60 min且在開始測量時測量腔內(nèi)氡濃度即平衡的測量。將PQ2000 Pro的氡濃度值作為當(dāng)次測量腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)濃度,因此,通過公式K₀=C/N₀ 可以得到周期為60 min的氡測量儀三次刻度因子K₀的測量值,并將其平均值作為儀器的標(biāo)準(zhǔn)刻度因子,其測量數(shù)據(jù)如表1所示。

新型連續(xù)測氡儀的刻度因子研究

由表1可知新測量模式下連續(xù)測氡儀標(biāo)準(zhǔn)刻度因子K0的平均值,其平均值為2.12 Bq.m^-3·cpm^-1。

將K₀=2.12 Bq·m^-3·cpm^-1代入式(8)(9)和(10)確定K60、K30和K15的理論值。使用連續(xù)測氡儀進(jìn)行測量,每個周期分為3組且每組重復(fù)測量3次,周期分別為15、30、60 min。將PQ2000 Pro的值作為測量腔的標(biāo)準(zhǔn)濃度,實驗刻度因子Kex可根據(jù)公式C=K₀N₀計算,理論和實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知新測量模式下連續(xù)測氡儀各周期理論刻度因子kx和實驗刻度因子kex的比較結(jié)果,其中各個周期理論刻度因子和實驗刻度因子的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均在5%以內(nèi),表示該方法計算得到的理論刻度因子準(zhǔn)確可靠。

在測量過程中實驗值和理論值不會完全相等,會有一定誤差,造成這種不準(zhǔn)確的原因可能有:

1)儀器在抽氣取樣這段時間內(nèi),其流率不會一直保持不變,會有一定波動,從而給實驗結(jié)果帶來誤差;

2)等效時間tn/是近似值,會存在計算誤差;

3)在測量過程中,測量腔的溫度和濕度會存在波動,影響Po-218的收集效率^[8-10];

4)放射性測量存在統(tǒng)計漲落,在周期為15 min時較為明顯,其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯要大于長周期。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于全程計數(shù)的氡濃度計算方法,該方法在確定儀器的標(biāo)準(zhǔn)刻度因子K₀后,根據(jù)氡的衰變規(guī)律得到不同測量周期的理論刻度因子。

實驗結(jié)果表明:不同測量周期的實驗刻度因子與理論刻度因子相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均在5%以內(nèi)。

該方法簡化了全程計數(shù)測氡模型的計算,在提高測氡儀探測效率的同時也確保了氡濃度計算結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

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2024年第10期第15篇