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當(dāng)前位置:上海何亦儀器儀表有限公司>>技術(shù)文章>>α能譜測(cè)氡儀測(cè)量原理及其影響因素
根據(jù)放射性動(dòng)態(tài)平衡原理,當(dāng)達(dá)到放射性動(dòng)態(tài)平衡時(shí),可由式5-1表示。
式5-1中,λa,λb分別為母體核素和子體核素的衰變常數(shù),Na、Nb分別為母體核素和子體核素的原子核數(shù)量,則λaNa、λbNb母體核素和子體核素發(fā)生α衰變產(chǎn)生的α粒子數(shù)。
由于在放射性動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)下,由式1可知,母體核素的活度與子體核素的活度相等,因此,通過測(cè)量子體核素的活度來獲得對(duì)母體核素的活度的測(cè)量。
由放射性動(dòng)態(tài)平衡理論結(jié)合由表5-1和表5-2所示的半衰期可知,222Rn和218Po理論上30.5分鐘即可達(dá)到放射性動(dòng)態(tài)平衡。220Rn和216Po幾秒鐘內(nèi)即可達(dá)到平衡。222Rn和214Po約4個(gè)小時(shí)能達(dá)到平衡,220Rn和212Po約4天能達(dá)到平衡。
由天然放射性核素α射線能譜特性可知,理論上通過測(cè)量222Rn和220Rn的α能譜來直接實(shí)現(xiàn)對(duì)222Rn和220Rn活度的測(cè)量。
由于α能譜測(cè)量特點(diǎn)決定了在常溫常壓下必須對(duì)被吸附到半導(dǎo)體探測(cè)器表面α輻射體發(fā)生α衰變產(chǎn)生的α粒子進(jìn)行探測(cè)。但通過分析222Rn和220Rn的電學(xué)特性及物理特性可知,由于其是不帶電的惰性氣體,其吸附力很弱,因此很難滿足對(duì)其進(jìn)行α能譜測(cè)量的要求。因此,半導(dǎo)體探測(cè)器對(duì)222Rn和220Rn的探測(cè)效率是非常低的。
在鈾系中218Po,214Po,在釷系中216Po,212Po均具有能量特征性和******性,且均為短壽核素。在222Rn和220Rn及其子體發(fā)生α衰變時(shí),α粒子為帶正電重核粒子,由于其反沖作用會(huì)激發(fā)出原子核的外層電子,使其帶正電。根據(jù)這一特性,因此218Po、214Po、216Po及212Po理論上會(huì)帶正電(小部分核素會(huì)被環(huán)境中的負(fù)離子中和而不帶電),其具有較強(qiáng)的范德華力,容易吸附到物體表面。
圖5-1 電場(chǎng)結(jié)構(gòu)
根據(jù)電學(xué)特性,通過靜電場(chǎng),增加其吸附到半導(dǎo)體探測(cè)器表面的能力,從而提高測(cè)量靈敏度。一種常用的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖5-1所示,在圖5-1中,氡高壓靜電收集腔體加正高壓,探測(cè)器表面為地電平。理論上,氡高壓靜電收集腔體內(nèi)部的電場(chǎng)會(huì)指向探測(cè)器表面。
在室內(nèi)氡污染檢測(cè)領(lǐng)域,一般用平衡當(dāng)量氡濃度(Equivalence Equilibrium Concentration)和平衡因子來表示。平衡當(dāng)量氡濃度指的是氡與其短壽命衰變產(chǎn)物處于平衡狀態(tài),并具有與實(shí)際非平衡混合物相同的α潛能濃度時(shí)氡的活度濃度,常用單位為Bq/m3(貝可/立方米)。氡濃度值與平衡因子的乘積等于平衡當(dāng)量氡濃度值。
由放射性動(dòng)態(tài)平衡理論結(jié)合氡濃度的定義,氡濃度理論上可根據(jù)(式5-2)得出。
(式5-2)
式1中,N為218Po發(fā)生α衰變產(chǎn)生的被探測(cè)到的α粒子,Rn為氡濃度,v為氡高壓靜電收集腔體容積,t為測(cè)量時(shí)間,η為金硅面探測(cè)器的固有探測(cè)效率,一般小于50%,δ為氡子體的收集效率,它主要為氡高壓靜電收集腔體容積v、氡高壓靜電收集腔體內(nèi)部的溫度T,濕度h,探測(cè)器面積S,氡高壓靜電收集腔體內(nèi)部的電場(chǎng)分布的一個(gè)相關(guān)函數(shù),由式5-3所示:
(式5-3)
由于實(shí)際測(cè)量過程中,很難獲得探測(cè)器探測(cè)效率η和氡子體收集效率δ的確定值,因此難以通過直接測(cè)量α粒子數(shù)的方式用理論去計(jì)算氡濃度,只有通過標(biāo)準(zhǔn)氡室刻度獲得。
氡子體主要以兩種形式存在:一是以未結(jié)合的離子態(tài)或離子團(tuán)形式存在,二是以放射性氣溶膠形式存在,兩者都帶正電荷,它們存在比例會(huì)因空氣的氣溶膠顆粒的多少有所差別。
根據(jù)α能譜測(cè)氡原理的論述,采用α能譜方法來測(cè)量室內(nèi)空氣氡濃度時(shí),實(shí)際上是通過收集氡子體到探測(cè)器表面發(fā)生α衰變產(chǎn)生的α粒子來間接測(cè)量的。由式1可知,氡子體的收集效率直接影響氡濃度的測(cè)量。對(duì)一個(gè)固有的儀器系統(tǒng)來說,氡高壓靜電收集腔體容積是不變的。由式2可知,則影響氡濃度測(cè)量的主要因素為溫度和濕度。
氡衰變產(chǎn)生一系列非氣態(tài)放射性核素由于擴(kuò)散或靜電吸附作用,被大氣中的微粒(粉塵、蒸汽等)捕集而形成放射性氣溶膠。濕度影響著氣溶膠的密度,濕度越大,氣溶膠的密度也越大,因此更容易形成放射性氣溶膠。
資料表明,由于濕度增大,大量的水分子在氡子體粒子周圍密集形成包殼,相當(dāng)降低了子體粒子所帶的正電荷,使得降低了作為負(fù)電極的探測(cè)器對(duì)其的吸附能力,從而影響收集效率繼而引起測(cè)量誤差。
濕度還有一種可能性會(huì)影響探測(cè)效率,也即為濕度對(duì)氡子體在電場(chǎng)力作用下遷移能力的影響。在斯托克斯阻力范圍內(nèi),粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)速度可表示為式5-4的關(guān)系式:
(式5-4)
其中Ve為粒子在電場(chǎng)力中的運(yùn)動(dòng)速度,η為空氣粘度,d為粒子直徑,Cc為坎寧安修正系數(shù),E為電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)濕度變大時(shí),氣體粘度變大,因此粒子運(yùn)動(dòng)速度變慢。同時(shí),以氣溶膠形式存在的氡子體直徑比以離子態(tài)存在的氡子體粒子直徑大,因此以氣溶膠方式存在的氡子體比以離子態(tài)方式存在的氡子體運(yùn)動(dòng)速度慢。由于外加電場(chǎng)E是一定的,因此在單位時(shí)間內(nèi)被吸附到探測(cè)器表面的氡子體數(shù)是有所差別的,從而影響氡子體的收集效率。
溫度主要影響粒子的擴(kuò)散系數(shù),根據(jù)愛因斯坦的推導(dǎo),擴(kuò)散系數(shù)與溫度成正比。當(dāng)溫度高時(shí),粒子的運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng),因此形成氣溶膠的概率增加,從而影響氡子體的收集效率。
為了進(jìn)一步降低溫濕度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,本儀器采用標(biāo)準(zhǔn)氡室在不同溫濕度條件下對(duì)儀器系統(tǒng)進(jìn)行刻度,并對(duì)溫濕度影響進(jìn)行擬合。
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