不受湿度影响的高探测效率静电收集式测氡方法和装置与流程

本发明涉及核辐射探测技术领域，特别涉及一种不受湿度影响的高探测效率静电收集式测氡方法和装置。

背景技术：

氡的准确可靠测量是对氡任何研究和应用的基础。深入研究氡测量原理和方法可以为氡监测和防护、示踪应用等领域中的新方法与新技术研究提供理论基础和技术手段，具有重大的科学意义和实用价值。

近年来氡的监测向新的领域和水平扩展，出现了一些新的测量方法和仪器，这些方法和仪器都有其独特的优势，但是也有一些不足，有待完善和改进。例如，使用小的测量腔可以减少温、湿度对静电收集法测氡仪的探测效率的影响，但是该方法的测量腔体积远小于其他仪器的测量腔体积，导致该仪器的探测灵敏度较低，统计涨落较大。中国专利文献cn103116179a公开了一种不受环境温、湿度影响的静电收集法测量氡的方法及装置，其采用低气压静电测量腔的设计结构，低气压测量腔虽可以消除空气湿度对静电收集法测氡仪探测效率及灵敏度的影响，也不必在测量前利用干燥管干燥测量腔使得空气的湿度降到指定的阈值以下(该过程一般超过1个小时)，提高了测量效率，但由于其工作在低气压下，测量腔内空气样品在一个大气压下的实际体积减少了，必然使得测氡仪的灵敏度下降。若通过增加测量腔的体积来减少或弥补该效应的影响，则需要进一步降低测量腔的气压才能消除湿度对对静电收集法测氡仪探测效率及灵敏度的影响，由于工作在低气压下，对于测氡腔的密封性要求较高，增加了测量腔的设计和加工难度，提高了装置价格，不利于该方法的推广和应用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种不受湿度影响的静电收集式测氡方法，该测氡方法相比现有的测氡方法具有更高的测量效率且灵敏度较高。基于上述测氡方法，本发明还提供一种静电收集式测氡装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下方案：不受湿度影响的高探测效率静电收集式测氡方法，常压下采用收集面积与深度比值更大的测量室进行静电收集，并在该测量室施加大于1kv的负高压；通过缩小测量室的深度来减少氡衰变产生的带正电的²¹⁸po的收集时间并减少带正电的²¹⁸po与带负电的oh^-离子碰撞及复合的概率，以提高探测效率；通过增加测量室的直径并在测量室顶部整面设置闪烁晶体层来增加探测面积，同时在闪烁晶体层整个背面铺设波长位移光纤来收集闪烁晶体层受α粒子撞击产生的闪光，以提高探测灵敏度；从而实现在静电收集式测氡过程中，探测效率不随环境湿度的变化而变化。

其中，前面所采用的测量室容积不小于0.5l、深度不大于5cm。

进一步地，是通过取样泵使含氡空气以一定的流率经子体过滤器后进入测量室，²²²rn衰变产生的第一代子体²¹⁸po带正电荷并在静电场的作用下吸附到闪烁晶体层上，当其子体进一步衰变时，产生的α粒子撞击闪烁晶体层产生闪光，通过设置在闪烁晶体层背面的波长位移光纤收集闪烁晶体层产生的闪光，通过光电倍增管或硅光电倍增器完成光电转换，再由电子学读出系统完成粒子能量甄别并计数，得到α粒子计数，最后根据α粒子计数与氡浓度的关系确定氡浓度。

其中，所述闪烁晶体层为掺银硫化锌层。

优选地，所采用的测量室容积为1-2l、深度为3.5-4.5cm。

基于与上述测氡方法同样的技术构思，本发明还提供一种不受湿度影响的高探测效率静电收集式测氡装置，其包括：测量室、电子学读出系统以及光电倍增管或者硅光电倍增器，在所述测量室施加大于1kv的负高压，所述测量室的容积不小于0.5l、深度不大于5cm，所述测量室顶部整面设置闪烁晶体层，所述闪烁晶体层的背面铺设波长位移光纤，所述波长位移光纤的末端连接至光电倍增管或者硅光电倍增器，所述光电倍增管或者硅光电倍增器连接电子学读出系统，所述测量室设有进气口和排气口，所述进气口连接进气管路，所述进气管路上设有取样泵和子体过滤器；

通过取样泵使含氡空气以一定的流率经子体过滤器后进入测量室，²²²rn衰变产生的第一代子体²¹⁸po带正电荷在静电场的作用下吸附到闪烁晶体层上，当其子体进一步衰变时，产生的α粒子撞击闪烁晶体层产生闪光，通过波长位移光纤收集闪烁晶体层产生的闪光，通过光电倍增管或者硅光电倍增器完成光电转换，再由电子学读出系统完成粒子能量甄别并计数，得到α粒子计数，最后根据α粒子计数与氡浓度的关系确定氡浓度。

其中，所述闪烁晶体层的背面设有透明有机玻璃制成的底片，所述底片的外侧设有反光盖板，所述底片紧贴闪烁晶体层，在所述底片的上表面以及反光盖板的下表面上设有光纤定位槽，所述波长位移光纤铺设在底片与反光盖板之间并被固定在光纤定位槽中。

优选地，所述测量室容积为1-2l、深度为3.5-4.5cm。

进一步地，所述闪烁晶体层为掺银硫化锌层。

本发明的工作原理如下：取样泵使含氡空气以一定的流率(如q＝3l.min^-1)经高效过滤器后进入测量室，²²²rn衰变产生的第一代子体²¹⁸po带正电荷在静电场的作用下吸附到测量室顶部的闪烁晶体层表面，当其子体进一步衰变时，产生的高能α粒子撞击闪烁晶体层形成闪光，闪烁晶体层背面的波长位移光纤收集这些闪光并传输至光电倍增管或者硅光电倍增器中进行光电转换，产生相应强度的电信号，再对该电信号进行甄别便可得出α粒子计数，最后根据α粒子计数与氡浓度的关系(即刻度因子)确定氡浓度。测氡仪²²²rn浓度原理公式为：

为被测环境氡浓度，δnp表示氡衰变的第一代子体²¹⁸po进一步衰变时产生的6.00mev的α粒子总数，k为测氡刻度因子，(1)式中的η表示探测效率，v表示测量室体积。氡衰变的第一代子体²¹⁸po进一步衰变时产生的6.00mev的α粒子并不会全部被探测到，探测到的²¹⁸po衰变产生的α粒子数δnp(t0)′＝ηvδnp(t0)，(1)式可化为：

通过上述式(1)和(2)便可根据探测到的α粒子计数计算出被测环境氡浓度。

本发明基于α能谱法和静电收集法测氡，闪烁晶体层的发光时间短、发光效率高、对于重带电粒子的探测效率几乎为100％，对γ射线极不灵敏，因此可以用来测量α粒子。本发明采用直径与深度比值更大的测量室进行静电收集，本发明增大了传统测量室的直径、缩小了传统测量室的深度并在测量室顶部整面设置了闪烁晶体层(在闪烁晶体层背面铺设了用于收集闪光的波长位移光纤)，通过增大测量室直径、缩小测量室深度的手段可以减少氡衰变产生的带正电的²¹⁸po的收集时间并减少收集过程中带正电的²¹⁸po与带负电的oh^-离子碰撞及复合的概率，大大提高了探测效率，通过在测量室顶部整面设置闪烁晶体层并在闪烁晶体层背面铺设波长位移光纤的手段大大增加了探测面积，使得统计涨落小，探测灵敏度更高。与采用低气压静电测量的方式相比，本发明的测量过程在常压下进行，对于测量室的密封性无特别的要求，测量室的设计和加工难度更低。

附图说明

图1为测氡室的整体结构示意图；

图2为测氡室顶部设置的闪烁晶体层与波长位移光纤的整体结构示意图；

图3为图2的分解结构示意图；

图中：

1——测量室2——取样泵3——子体过滤器

4——光电倍增管5——波长位移光纤6——闪烁晶体层

7——底片8——反光盖板1a——进气口

1b——排气口。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员更好地理解本发明相对于现有技术的改进之处，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

需要提前说明的是，本发明所述“高探测效率”是较传统的静电收集式测氡方式而言，由于本发明(收集面积与深度比值较大)所涉的测氡收集方式较传统(收集面积与深度比值小)的静电收集室测氡，在同灵敏体积探测时其探测效率更高，故称“高探测效率静电收集式测氡”。

图1-3示出了本发明所涉静电收集式测氡装置中测氡室1与测氡室1顶部设置的闪烁晶体层6及波长位移光纤5的结构，具体来说，在测量室1施加有大于1kv的负高压，测量室1的容积不小于0.5l(传统静电测量腔的容积大多为0.5-1l)、深度不大于5cm，测量室1顶部整面设置闪烁晶体层6，闪烁晶体层6的背面铺设波长位移光纤5，波长位移光纤5的末端连接至光电倍增管4或者硅光电倍增器(硅光电倍增器在附图中未示出)，光电倍增管4或者硅光电倍增器连接电子学读出系统(电子学读出系统为现有技术，附图中未示出)，测量室1设有进气口1a和排气口1b，进气口1a连接进气管路，在进气管路上设有取样泵2和子体过滤器3。

通过取样泵2使含氡空气以一定的流率经子体过滤器3后进入测量室1，²²²rn衰变产生的第一代子体²¹⁸po带正电荷在静电场的作用下吸附到闪烁晶体层6上，当其子体进一步衰变时，产生的α粒子撞击闪烁晶体层6产生闪光，通过波长位移光纤5收集闪烁晶体层6产生的闪光，通过光电倍增管4或者硅光电倍增器完成光电转换，再由电子学读出系统完成粒子能量甄别并计数，得到α粒子计数，最后根据α粒子计数与氡浓度的关系确定氡浓度。

²²²rn浓度计算公式为：

为被测环境氡浓度，δnp表示氡衰变的第一代子体²¹⁸po进一步衰变时产生的6.00mev的α粒子总数，k为测氡刻度因子，(1)式中的η表示探测效率，v表示测量室体积。氡衰变的第一代子体²¹⁸po进一步衰变时产生的6.00mev的α粒子并不会全部被探测到，被探测到的²¹⁸po衰变产生的α粒子数δnp(t0)′＝ηvδnp(t0)，(1)式可化为：

通过上述式(1)和(2)便可根据探测到的α粒子计数计算出被测环境氡浓度。

其中，波长位移光纤5的安装方式如图2和3所示，在闪烁晶体层6的背面设有透明有机玻璃制成的底片7，在底片7的外侧设有反光盖板8，底片7紧贴闪烁晶体层6，在底片7的上表面以及反光盖板8的下表面上设有光纤定位槽，波长位移光纤5铺设在底片7与反光盖板8之间并被固定在光纤定位槽中。作为一种优选的实施方式，闪烁晶体层6可以选择掺银硫化锌层，除此之外，当然也可以选择一些卤化物闪烁晶体材料。

上述静电收集式测氡装置在常压下采用收集面积与深度比值更大的测量室进行静电收集，并在该测量室施加大于1kv的负高压；通过缩小测量室的深度来减少氡衰变产生的带正电的²¹⁸po的收集时间并减少带正电的²¹⁸po与带负电的oh^-离子碰撞及复合的概率，以提高探测效率；通过增加测量室的直径并在测量室顶部整面设置闪烁晶体层来增加探测面积，同时在闪烁晶体层整个背面铺设波长位移光纤来收集闪烁晶体层受α粒子撞击产生的闪光，以提高探测灵敏度；从而实现了在静电收集式测氡过程中，探测效率不随环境湿度的变化而变化，与采用低气压静电测量的方式相比，其测量过程在常压下进行，对于测量室的密封性无特别的要求，测量室的设计和加工难度更低。

下面通过3个实施例来验证上述结构的静电收集式测氡装置的测量效果。

实施例1：

本实施例中测氡室1的尺寸为直径112.5mm，深度50mm，测量室1的体积约为0.5l，按附图1-3所示，在测量室1顶部整面设置闪烁晶体层6，闪烁晶体层6的背面铺设波长位移光纤5，波长位移光纤5的末端连接至光电倍增管4，光电倍增管4连接电子学读出系统。测试条件为：分六组测试，所有测试组均在常压及18摄氏度条件下进行，三组采用本实施例所涉装置测量，另外三组作为对照组，采用rad7测氡仪测量。rad7测氡仪测量时，氡室空气需经干燥器干燥。采用本实施例所涉装置的三次测量过程中分别控制氡室空气相对湿度为0％、50％和100％，通入测量室1的含氡空气流率均控制在3l/min；对照组的三次测量过程中，通入测量腔的含氡空气流率依设备要求控制在1l/min。相对湿度为0％时，采用本实施例所涉装置测得的结果与rad7测氡仪测得结果偏差约为2％；相对湿度为50％时，采用本实施例所涉装置测得的结果与rad7测氡仪测得结果偏差约为2.2％；相对湿度为100％时,采用本实施例所涉装置测得的结果与rad7测氡仪测得结果偏差约为2.1％。从上述测试结果可以看出，即便相对湿度从0％升高到100％，本实施例所涉装置与rad7测氡仪(通入rad7测氡仪中的空气先经干燥器干燥过)的测量结果偏差基本上稳定在2.1％，考虑到探测器的探测误差以及电子学读出系统的甄别、统计误差，可以认为本实施例所涉装置在测氡过程中，其探测效率不随环境湿度的变化而变化。

实施例2：

本实施例中测氡室1的尺寸为直径564mm，深度20mm，测量室1的体积约为5l，测氡装置的其它结构及测试方式和条件与实施例1相同。相对湿度为0％时，采用本实施例所涉装置测得的结果与rad7测氡仪测得结果偏差约为1.8％；相对湿度为50％时，采用本实施例所涉装置测得的结果与rad7测氡仪测得结果偏差约为1.9％；相对湿度为100％时,采用本实施例所涉装置测得的结果与rad7测氡仪测得结果偏差约为1.9％。从上述测试结果可以看出，即便相对湿度从0％升高到100％，本实施例所涉装置与rad7测氡仪(通入rad7测氡仪中的空气先经干燥器干燥过)的测量结果偏差基本上稳定在1.9％，考虑到探测器的探测误差以及电子学读出系统的甄别、统计误差，可以认为本实施例所涉装置在测氡过程中，其探测效率不随环境湿度的变化而变化。

实施例3：

本实施例中测氡室1的尺寸为直径564mm，深度40mm，测量室1的体积约为10l，测氡装置的其它结构及测试方式和条件与实施例1相同。相对湿度为0％时，采用本实施例所涉装置测得的结果与rad7测氡仪测得结果偏差约为2％；相对湿度为50％时，采用本实施例所涉装置测得的结果与rad7测氡仪测得结果偏差约为2％；相对湿度为100％时,采用本实施例所涉装置测得的结果与rad7测氡仪测得结果偏差约为2.2％。从上述测试结果可以看出，即便相对湿度从0％升高到100％，本实施例所涉装置与rad7测氡仪(通入rad7测氡仪中的空气先经干燥器干燥过)的测量结果偏差基本上稳定在2.1％，考虑到探测器的探测误差以及电子学读出系统的甄别、统计误差，可以认为本实施例所涉装置在测氡过程中，其探测效率不随环境湿度的变化而变化。

综上所述，本发明采用直径与深度比值更大的测量室进行静电收集，由于通过增大测量室直径、缩小测量室深度的手段可以减少氡衰变产生的带正电的²¹⁸po的收集时间并减少收集过程中带正电的²¹⁸po与带负电的oh^-离子碰撞及复合的概率，大大提高了探测效率，通过在测量室顶部整面设置闪烁晶体层并在闪烁晶体层背面铺设波长位移光纤的手段大大增加了探测面积，使得统计涨落小，探测灵敏度更高。与采用低气压静电测量的方式相比，本发明的测量过程在常压下进行，对于测量室的密封性无特别的要求，测量室的设计和加工难度更低，更有利于推广和应用。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。