测量环境中氡浓度的相关方法研究

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摘 要：文章研究了环境中氡浓度变化规律，探讨了自然因素对氡及子体平衡关系的影响。根据氡及其子体的放射平衡关系进行具体分析，通过分析结果探讨了温湿度、气溶胶因素对环境中氡测量过程中产生的影响。避免了湿度、气溶胶等因素对环境氡测量过程产生较大影响，提高测量的稳定性和准确性。

关键词：氡及其子体浓度；温度；湿度；气溶胶

1 研究背景

在自然环境中，由地表土壤和岩石中的铀钍天然放射系所释放的放射性气体氡及其子体，通过跃迁方式向地表空气进行扩散。氡及其子体被人体吸入后，会在人体内产生内照射，对人类身体健康造成巨大损害，世界卫生组织（WHO）早已将氡列为了19种主要的致癌物质之一[1]，氡及其子体的危害越受到人们的重视。自然环境中主要存在的氡同位素主要有两种分别是222Rn和220Rn。在进入人体的情况下，220Rn及其子体所产生的内照射剂量要比222Rn及其子体的要多。随着科学技术的发展，人类开始研究多种测量方法，对氡及其子体浓度进行准确地测量和监控，并对氡的迁移机理进行了系统性地分析和研究。无论是放射性气体监控、环境放射性化学分析、氡对人体的危害研究，都需要以实现220Rn和222Rn浓度的准确测量作为基础，氡的测量与行为特征研究是一项非常重要的内容，各个国家纷纷加入其中，建立各种氡测量环境，进行氡及其子体的相关研究。

2 氡的性质

2.1 氡的衰变性

由于氡是由镭衰变后所产生的，设母体镭226Ra的原子数目为N1，其母体衰变系数为λ1；子体氡的原子数目为N2，其衰变系数为λ2。子体的累积时间为t，由衰变累积效应可得：

由于母体镭226Ra的半衰期为1600年，而氡的同位素222Rn、220Rn、219Rn的半衰期分别为3.825d、55.65s、3.96s。对于所有氡同位素来说，母体镭的衰变系数远远小于子体氡的同位素衰变系数，即？姿1？垲？姿2，则公式可简化为：

由该公式我们可得出子体氡与母体镭的原子数目关系。由于多数氡室的氡源采用以固体镭作为源材料，所以了解其母子体的衰变累积效应是十分重要的。

由镭衰变而来的氡并不稳定，会进一步衰变产生218Po，214Pb，214Bi，214Po等短寿命子体。

测量氡浓度的方法都是通过测量氡及其子体衰变所产生的α粒子数目进行计算所得到，所以研究其子体的衰变方式从而得到α粒子的贡献量，是准确测量氡浓度的关键所在。

2.2 氡的辐射性

氡同位素是由镭同位素衰变而产生的。其中主要氡的同位素是222Rn，它的辐射性质：半衰期3.825天，衰变常数2.097×10-4s-1。粒子α的能量5.481MeV，和在空气中的射程4.04cm。氡同位素220Rn、219Rn都具有类似的辐射性质。

2.3 氡的吸附性

氡具有容易被固体物质吸附的性质，这种吸附特性属于物理吸附，吸附性的强弱是以吸附系数来描述的，其吸附系数与温度成函数关系。以活性炭为例，其吸附系数会随着温度的升高而减小；反之，则吸附系数会增大。当温度升高至200℃时，活性炭会完全释放出全部被它吸附的氡。除此外，还有很多能吸附氡的材料，如硅胶、聚乙烯等。在低温状态下，氡可直接凝固在器壁上。

2.4 氡的溶解性

氡能溶于水，溶解后氡与水分子成暂时结合作用，氡在水中的溶解系数与温度和水的矿化度有关，其溶解系数会随温度和矿化度的下降而增大。氡在有机溶剂（非水）中的溶解度大于在水中的溶解度。

2.5 氡的跃迁规律

从30年代以来，对氡的迁移的系统性研究就开始进行，氡迁移作用主要来自两个方面：内因和外因。氡迁移的内因包括扩散作用、对流作用、温度等等。氡迁移的外因包括抽吸作用、地热作用、气流模型等等、内因和外因共同作用引起的氡在空气中进行迁移[4]。

2.6 氡在空气中的运移

氡在空气中主要是以扩散和对流方式进行运移，由于空气中放射性元素铀、镭的含量极少，则可将空气视为无氡源介质层，土壤中的氡扩散到空气中以后，因气象因素和大气的稀释作用，其浓度成减小趋势变化。由于氡在空气中的运移受到许多因素的影响。

测氡装置主要有四种类型：分别是电离室型、闪烁室型、金硅面垒半导体型和固体径迹探测器。每一种测氡装置其基本原理都是单位时间内氡及其子体辐射出的α粒子使探测器产生的计数（或电离电流强度或α径迹密度）正比于氡浓度值[5]。

电离室型探测器的工作原理为：当氡及其子体进入电离室后，氡及其子体衰变所释放出的α粒子使得电离室内气体发生电离，电离室内中央电极收集的正电子，使得静电计中的石英丝由于外电场的作用下发生偏转，其偏转程度与电离粒子数成正比，从而也跟氡浓度成正比。由于灵敏度较低，不适合于低浓度测量情况。金硅面垒半导体型探测器的工作原理与气体电离室相似，当氡及其子体衰变所释放的α粒子射入势垒区后，会产生电子对，由于势垒区内电场强度大，电子对迅速向两极移动并被收集，产生电子脉冲，其电子脉冲数与氡浓度成正比关系。由于在低偏压时，分辨率较低，一般不予采用。

固体径迹探测器的工作原理是：当氡及其子体衰变所释放的α粒子进去探测器后，在其路径上会产生辐射损伤经迹，通过电子显微镜进行数值计量，其计数与氡浓度成正比关系。其缺点在于固体径迹探测器受温度影响较大，温度会严重影响测量的准确性。相对于以上三种测量方法，闪烁室法的工作原理为：氡及其子体进入闪烁室后，氡与其子体衰变所释放的α粒子使得闪烁室壁的ZnS（Ag）产生闪光，闪光通过光电倍增管，将光信号转化为对应的电信号并进行放大，由电子线路进行信号收集和记录，单位时间的电子脉冲数与氡浓度成正比，从而可确定氡室内氡浓度。由于探测下限可与闪烁室几何形状有关，大大提高探测效率。所以本次测量选用的是闪烁室式探测器进行补氡过程氡浓度检测。氡引入氡室后，作为母元素的氡将如下系列衰变：

氡及其子体的活度数A趋于稳定并达到最大值。处于放射性平衡下进行测量，极易得到氡浓度的准确值。此式充分地说明，222Rn（Rn）、218Po（RaA）、214Po（RaC'）在4h以后其活度相等，它们之间达到了放射性平衡，此时222Rn产生的脉冲总计数仅为仪器总计数的三分之一。

由于氡及其子体的辐射出α粒子使闪烁室中ZnS（Ag）晶体中的分子或原子激发产生闪光，单位时间内闪光数量越多，说明氡及其子体的放射性活度越大，于是测量这些闪光产生的电脉冲数量就可以确定氡气的浓度。

参考文献

[1]Ethel S.Gilbert.氡暴露的健康效应[J].放射性医学核医学分册，1999（4）：174-176.

[2]孔令丰，张春 ，潘萌，等.室内氡迁移转换规律及其防护措施[J].暨南大学学报，2002（1）：48-53.

[3]GB/T 16147-1995.空气中氡浓度的闪烁瓶测量法[S].

[4]刘鸿福.氧及其子体运移的实验研究与机理探讨[D].成都：成都理工大学，1997.

[5]吴慧山，林玉屹，等.氧测量的方法与应用[M].北京：原子能出版社，1995.

作者简介：姚磊（1985，11-），男，山东省济宁市，现职称：助理工程师，学历：硕士研究生，研究方向：放射性环境监测。