NRL-1型测氡仪的绝对湿度效应研究

单 健，肖德涛，赵桂芝，周青芝，刘 彦，丘寿康，孟冶成，熊信明，刘小松，马文荣

(南华大学 核科学技术学院，湖南 衡阳 421001)

近年来，随着氡测量技术的日趋完善，多种测氡技术已应用于实践中，并研制出了多种测氡仪器。如德国的ERS-2氡析出率仪，美国DURRDGE公司生产的RAD7型测氡仪，国产的FD-3017型“RaA”瞬时测氡仪、便携式NR-667A(Ⅲ)测氡仪、PCMR-1连续测氡仪、NR-200A氡子体连续测氡仪等[1]，其中以基于静电收集法原理研制的RAD7型测氡仪在国内应用最广，此类测氡仪的探测效率在测量过程中受温湿度的影响非常明显。所以，测量时必须在进气口加干燥管，在测量时还需经常更换干燥剂，这给测量带来一定的麻烦，并有可能对小体积气体环境的测量对象产生明显影响，如闭环式氡析出率仪测量时的干燥效应会影响其氡析出率。国内外已有大量学者通过实验证明：静电收集法的收集效率与探测器的种类、收集室的体积、收集电压、气压和220Rn的影响等有关[2-4]。但在这些条件基本确定的情况下，即对于某一定型的测氡仪，其静电收集效率主要受温度和湿度的影响[5-9]。所以，温湿度的影响是静电收集法测氡仪首要考虑的因素，也是目前的一个难点。本文针对以上问题，利用南华大学核科学技术学院与北京核仪器厂共同研发的NRL-1型连续测氡仪进行实验研究，以得到绝对湿度(对应温度下的饱和蒸汽压与相对湿度的乘积)对该测氡仪收集效率的影响规律，进而对该仪器进行温湿度效应的自动修正，使其测量时摆脱干燥管，进而满足无人值守和某些不能使用干燥管场所的特殊测量要求。

1 NRL-1型测氡仪的测量原理

NRL-1型测氡仪的测量原理如图1所示。该仪器设计了一定体积和形状的静电收集室，测量时收集室腔体内可加高压，在高压电场作用下，带正电的氡子体气溶胶粒子被吸附到腔体内半导体探测器的表面，并在表面发生α衰变而产生α粒子，α粒子进入半导体探测器的PN结区。因α粒子具有很强的电离能力，所以会在PN结区产生大量电子-空穴对。这些电子-空穴对在PN结偏置电压的作用下，迅速积累并输出到后续核电子系统的低噪声信号调理电路中，由其放大后输出1个电脉冲信号，后续电路记录这个电脉冲信号，从而获取α粒子信息。不同子体衰变产生的α粒子能量是不同的，因此电离出的电子-空穴对数量也不同，反映在后续电路中脉冲幅度也不同。根据这一特性，采用α能谱甄别测量，能有效区分氡及其子体的能谱特性，从而确定被测环境中氡的含量。在仪器微处理系统的控制下，多道脉冲幅度分析器完成对输入脉冲的分析和参数处理，进而输出并存储测量处理的结果。

图1 NRL-1型测氡仪测量原理示意图

由于氡的半衰期(3.823 5 d)远大于1次测量周期的时间T，因此可认为在测量时间内氡的活度基本不变。在电场作用下，氡收集室内的氡衰变产生的α粒子通过静电收集被吸附到探测器上产生脉冲电信号，对脉冲电信号进行周期为T的脉冲计数测量，可得到计数测量值ΔN(T)，则可由式(1)计算所测时间段内氡的活度浓度cRn：

cRn=K×ΔN(T)

(1)

式中，K为转换因子。由于氡衰变的子体218Po带正电荷，极化的水蒸气分子很容易与其作用变成中性粒子218Po，影响对α粒子的收集效率，从而影响K。文献[10]较详细地讨论了绝对湿度对测氡仪探测效率的影响机理。

在使用静电收集法测氡时必须考虑温湿度效应的影响，现有的较好的解决办法是添加干燥管。假设在测氡仪的进气端加上干燥管时，测氡仪的探测效率为常数，此时实验测量的转换因子为K0，对应的NRL-1型测氡仪修正因子R0=1。但去掉干燥管后，随着温湿度的变化，基于静电收集法的NRL-1型测氡仪的探测效率也将随之改变，这就要求对仪器的温湿度效应进行修正。为处理方便，将温度与相对湿度对静电收集法测氡的影响通过一个参数来体现，即将温度和相对湿度用一个与之紧密关联的绝对湿度(H，温度对应的饱和蒸汽压与相对湿度的乘积)来表达，并通过实验获得不同绝对湿度下静电收集法测氡仪的修正因子R。在测氡仪的测量室内安装性能优良的温湿度传感器，每个测量周期均自动获取测量室内的温、湿度值T和h，通过计算得到绝对湿度H，并通过实验获得不同绝对湿度下NRL-1型测氡仪的修正因子R。

考虑绝对湿度效应后得到的转换因子K为：

K=K0×R

(2)

本研究的重点是通过实验确定NRL-1型测氡仪在不同温湿度(即绝对湿度)下的R值，并修正得到K，从而实现NRL-1型测氡仪在不加干燥管的情况下也能准确稳定地测量氡活度浓度。

2 实验方案

图2 温湿度修正实验装置示意图

温湿度修正实验装置如图2所示。该实验装置由标准氡实验室、比对用测氡仪及其他配套设施构成。标准氡实验室为南华大学总体积为25 m3的大体积氡实验室，整个系统的漏气率小于0.1%，内部还设置了温湿度调节装置，可实现氡活度浓度和温湿度的调节和维持动态稳定。在氡室中的氡活度浓度及温湿度稳定后，从氡室的仪器检定窗口中连接一根橡胶主导气管，并用橡胶塞与橡皮泥密封接口，作为实验中需要测试的仪器(NRL-1型测氡仪)和对比仪器(RAD7测氡仪)的氡气来源，将主导气管与三通接口的进气孔相连，然后将NRL-1和RAD7型测氡仪的进气导管分别与另外两个并行接口连接，以保证所采样品为氡室的同一区域、活度浓度相同的氡气。

检查实验装置的气密性完好后，对NRL-1和RAD7型测氡仪的参数进行设置和调整，保证测量周期一致，然后同步启动2台仪器进行实验。实验过程中，同时实时记录氡室内部的温湿度传感器的显示数据，对该测量时间段的温度、相对湿度和气压进行记录，并观察是否有突变现象，以便及时调整实验条件。在相对湿度或温度条件不变的情况下完成一组实验数据测试，然后改变温湿度，反复多次进行不同温湿度条件下的实验测量。最后进行实验数据处理分析，得到绝对湿度修正因子R。

3 结果与讨论

3.1 绝对湿度修正因子R

实验中利用除湿机、加湿机和干燥管控制相对湿度在10%～95%之间(即实验的绝对湿度范围控制在1.90～14.91 g/m3之间)，温度的实验范围控制在10～30 ℃之间。通过近3个月大量的温湿度修正因子的测量实验，并对每一个绝对湿度数据点的若干组数据取平均值，通过拟合得到绝对湿度与修正因子R的关系曲线，如图3所示。

图3 绝对湿度与修正因子的关系曲线

从图3可看出，实验所得的绝对湿度因子随着绝对湿度的升高呈非线性增长，在低绝对湿度段，R随绝对湿度的增大而增长的幅度较大，在中间段，R的增长呈现出平缓的趋势，到了高绝对湿度段又出现较快的增长趋势，即在绝对湿度为1.90～14.91 g/m3之间基本呈现分段线性的关系。实验结果同时表明：综合考虑绝对湿度的情况下，在当绝对湿度小于2.4 g/m3时，NRL-1型连续测氡仪的收集效率趋近于常数；其绝对湿度的修正因子基本接近于1。

3.2 验证实验

获得绝对湿度修正因子R后，将R通过软件引入NRL-1型测氡仪的数据处理系统，在其不加干燥管进行测量时实现氡活度浓度的测量和自动修正，结果列于表1、2。

表1 温度及相对湿度恒定的验证结果

表2 温度及相对湿度不断变化的验证结果

表1的实验条件为：1) 标准氡室平均活度浓度(2 200±45) Bq/m3、相对湿度52%、平均温度为17.4 ℃，NRL-1型仪器未加干燥管，测量的平均相对湿度48%、温度17 ℃(即绝对湿度6.974 4 g/m3)，测量周期30 min。表2的实验条件为：氡室相对湿度46%～61%、温度20～22 ℃、绝对湿度8.07～12.46 g/m3、测量周期30 min，将仪器置于氡室内部，而且加湿器间断性工作，加热装置持续升温工作。

从表1可看出，在温度、相对湿度不变的情况下，经过7 h的连续测量，NRL-1型测氡仪测量的氡活度浓度与RAD7测氡仪的测量值基本一致，以RAD7为参考，NRL-1读数在绝对湿度为6.974 4 g/m3时稍偏低，但与标准氡室的最高计量标准PQ2000监测仪的结果更接近。同时，由表1中的两个测氡仪测量值的比值可看出，比值的平均值围绕1的波动很小，即NRL-1型测氡仪测量读数与参考标准值的相差很小，如果考虑仪器的其他影响因子，修正之后的测量结果会更加精确，同时也将使温湿度修正实验得到的修正曲线更加准确。

由表2可见，NRL-1型测氡仪的测量值与RAD7的测量值相近，两个仪器对应测量值的比值接近1，即NRL-1型测氡仪测量读数与参考标准值的偏差很小，这说明应用于NRL-1型测氡仪内部的温湿度修正技术是合理可行的，在不使用干燥管的情况下，即使温湿度不稳定，NRL-1型连续测氡仪仍能实时准确地测量出实际的氡活度浓度。

4 结论

1) NRL-1型测氡仪的探测效率与绝对湿度(1.90～14.91 g/m3范围内)呈较稳定的曲线关系，可利用该曲线关系对NRL-1型测氡仪不加干燥管的测量结果进行修正。

2) NRL-1型测氡仪可在不使用干燥剂的情况下实现氡活度浓度的较准确测量，完全符合商用仪器的测量标准。即绝对湿度修正因子的方法、曲线关系和参数的设定是正确的。

3) 若改进温湿度监测技术，运用更精密的实验仪器监测温湿度，减小实验误差，并最大可能地将NRL-1型测氡仪置于标准氡室内部，减少标准氡室与测量环境中温湿度数据传感误差的干扰，可更好地对NRL-1型测氡仪实现温湿度修正，降低测量误差。

修正关系的确定需要大量的实验，其过程要求方便有效的温湿度调节控制技术。若能采用一种更有效的温湿度控制方法，很方便地开展对不同温湿度下的修正因子的测量实验与比较，还需改进实验设计方案，使其能稳定控制绝对湿度值(由温湿度决定的值)，以提高实验效率。

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