一种大气中氡气浓度检测系统及方法

1.本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种大气中氡气浓度检测系统及方法。


背景技术：

2.氡及其短寿衰变子体。是天然放射性系列中铀系、针系的成员，是人类受天然辐射主要的来源之一，每年约1.3msv，占天然辐射的54％，其中室内氡的贡献约为1msv。
3.国际癌症研究机构己经确认，氡及其子体对人体有致癌作用。流行病学研究表明氡及其子体的吸入是矿工肺癌发病的主要原因，以及氡和它的衰变子体能停留在肺细胞组织内，在其衰变过程中辐射出α粒子，破坏细胞核中的dna分子，从而导致癌症的发生。
4.在21世纪的今天，各种建筑材料和消费品大量涌入室内，使室内氡污染的来源和种类不断增加，人们的身体健康正受到日益严重的威胁，对此，我国政府对氡的研究及防治给予了高度重视。
5.我国政府非常重视氡的危害和防治，根据我国gb50325
‑
2020《民用建筑工程室内环境污染控制标准》中规定，民用建筑工程室内环境中氡浓度不得高于150bq/m3，现行国家标准《绿色建筑评价标准》(gb/t50378
‑
2019)中第4.1.1条控制项规定：“建筑场地内应无含氡土壤的危害”。
6.同样，随着经济的发展和居民生活水平的提高，对空气中氡水平的监测、建筑物内部和居民住房内部的氡污染调查及环境保护都提上了议事日程。因此，需要对大气氡的浓度进行实时在线监测，以保证人们生活的安全和社会稳定。
7.对氡及其子体的测量分为总量测量和能谱测量，按测量对象可以分为氡气测量、氡子体测量、氡加子体测量，基于此，国内外开发了各种类型的测量仪器，如ft
‑
648型测氡仪、rad7型测氡仪、fd
‑
3017型测氡仪等。
8.ft
‑
648双滤膜型测氡仪是目前国内唯一无须刻度而能直接进行氡浓度及氡子体测量的仪器。仪器采用双滤膜测氡浓度原理，即时获得测量结果，测量结果不受氡及其子体之间放射性平衡程度的影响，它适用于环境氡浓度的调查研究、室内氡浓度测量、事故监测、放射医学、地震监测、气象研究以及国防工程核设施的环境监测等领域。
9.rad7是一款可对氡气进行全面测量的多功能通用仪器，能在多种模式下工作以完成不同测试目的，如矿井、各种弃置场所、实验室和厂矿等。仪器设计精良，操作简单。
10.α能谱测氡仪是采用高分辨率半导体α射线探测器，以微控制器为核心的新一代智能辐射防护检测仪表。该仪器能满足国家标准《民用建筑工程室内环境污染控制规范》和国家标准《室内空气质量标准》中对室内空气氡和工程地点土壤以及水中氡测定的要求。可供民用建筑工程和室内辐射环境氡水平监测及污染控制，民用建筑工程地点土壤中氡浓度调查和评价也可用于矿产资源勘查、工程地质勘探、核工业有关部门环境氡浓度监测、地震及地质灾害预报监测、在地质调查中确定地质构造、水质评价等工作中的氡浓度辐射检测等。
11.虽然现在有大量的测量仪器出现，但由于各仪器在性能上不同程度地存在着一定的缺点如测量灵敏度和检出限等。在快速、大量、正确、连续的测量要求下，过去长期使用的
仪器和测量技术都不能完全满足。
12.传统方法采用直接测量rn衰变产生的α粒子，由于α粒子在空气中穿透力较弱，在相同厚度空气中的衰减情况相较于γ射线更弱，使得测量α粒子所需要的装置结构、测量条件相对更复杂，测量精度也相较于γ射线更低。


技术实现要素：

13.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的大气中氡气浓度检测系统及方法解决了现有的氡气浓度测量时，灵敏度和检出限不足的问题。
14.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种大气中氡气浓度检测系统，包括：
15.探测装置，用于采集环境中的氡子体产生的γ光子，并确定其能量分布；
16.数据处理装置，用于对γ光子的能量分布进行解析，测量氡子体衰变产生的γ射线，进而反演计算出大气中的氡气浓度。
17.进一步地，所述探测装置包括铅室、闪烁体、光电倍增管和电子学电路；
18.所述铅室为上端开放的倒三角结构，所述闪烁体、光电倍增管和电子学电路从上至下依次排列，且设置于所述铅室内部；
19.所述闪烁体、光电倍增管和电子学电路依次连接，所述电子学电路还与所述数据处理装置连接。
20.进一步地，所述铅室用于对地面伽马射线进行屏蔽；
21.所述闪烁体用于采集环境中的γ光子，并将光信号传输至光电倍增管中；
22.所述光电倍增管用于将光信号转换为电信号，并传输至电子学电路中；
23.所述电子学电路用于将接收的电信号进行放大及幅度分析，获得γ光子的能量分布，并将其传输至数据处理装置。
24.进一步地，所述铅室的铅壁厚度为8cm；
25.所述闪烁体为至少1l的闪烁体晶体。
26.一种大气中氡气浓度检测系统的氡气浓度检测方法，包括以下步骤：
27.s1、通过探测装置采集氡子体产生的γ光子，确定其能量分布并将其传输至数据处理装置；
28.s2、基于能量分布，在数据处理装置采用氡子体伽马能谱分析方法测量氡子体衰变产生的γ射线；
29.s3、通过测量的γ射线，反演计算出大气中的氡气浓度。
30.进一步地，所述氡气浓度检测方法中，将氡的同位素
222
rn的测量结果表征为大气中的氡气浓度。
31.进一步地，所述步骤s2中，当测量获得的γ射线的计数值为n0时，单位时间、单位体积的伽马计数n
tv
为：
[0032][0033]
式中，t为测量时间，v为测量的气体体积。
[0034]
进一步地，所述步骤s3具体为：
[0035]
s31、根据伽马计数n
tv
，确定γ射线的来源
214
bi的浓度a
bi
：
[0036][0037]
式中，ε为探测效率，p
γ
为
214
bi发出γ射线的几率；
[0038]
s32、按照
222
rn的衰变链，反演计算出大气中的氡气浓度a
ra
：
[0039][0040]
式中，为
214
pb通过β衰变发射出
214
bi的几率，为
218
po通过α衰变发射出
214
pb的几率；为
222
ra通过α衰变发射出
218
po的几率。
[0041]
进一步地，探测效率ε通过蒙特卡洛模拟和物理实验确定。
[0042]
本发明的有益效果为：
[0043]
(1)本发明解决大气氡浓度测量时灵敏度和检出限不足的技术问题，通过氡子体伽马能谱测量就分析实现了大气氡的实时在线测量。
[0044]
(2)本发明设计了测量大气中氡气的探测装置，采用铅体屏蔽来自地面的放射性，保证对大气氡测量的准确性。
[0045]
(3)本发明方法非直接测量氡气衰变产生的α射线，而是根据其子体衰变更容易测量的γ射线，进行计算反演，提高了氡气浓度的检查效率。
附图说明
[0046]
图1为本发明中的大气中氡气浓度检测技术路线示意图。
[0047]
图2为本发明中的探测装置结构示意图。
[0048]
图3为本发明中的大气中氡气浓度检测系统信息传输流程图。
[0049]
图4为本发明中的大气中氡气浓度检测方法流程图。
[0050]
图5为本发明中的
222
rn衰变过程示意图。
[0051]
图6为本发明中的探测效率ε确定流程图。
具体实施方式
[0052]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0053]
实施例1：
[0054]
如图1～2所示，一种大气中氡气浓度检测系统，其特征在于，包括：
[0055]
探测装置，用于采集环境中的氡子体产生的γ光子，并确定其能量分布；
[0056]
数据处理装置，用于对γ光子的能量分布进行解析，测量氡子体衰变产生的γ射线，进而反演计算出大气中的氡气浓度。
[0057]
图2中的探测装置包括铅室、闪烁体、光电倍增管和电子学电路；
[0058]
所述铅室为上端开放的倒三角结构，所述闪烁体、光电倍增管和电子学电路从上
至下依次排列，且设置于所述铅室内部；
[0059]
所述闪烁体、光电倍增管和电子学电路依次连接，所述电子学电路还与所述数据处理装置连接。
[0060]
上述铅室用于对地面伽马射线进行屏蔽，由于自然环境，比如土壤、周边墙体中存在伽马射线，可能会对整个测量产生影响，为了减少地面本底对测量的影响，提高大气氡浓度的测量精度，使用铅室对地面本底进行屏蔽，本实施中的铅室的铅壁厚度为8cm，采用该中铅室结构，能尽量减少地面γ射线对探测晶体的影响，增加测量的精度。
[0061]
所述闪烁体用于采集环境中的γ光子，并将光信号传输至光电倍增管中，针对测量的要求，闪烁体的体积越大，探测装置整体的探测效果越好，但成本更高，本实施例中采用尺寸至少为1l的闪烁体晶体。
[0062]
所述光电倍增管用于将光信号转换为电信号，并传输至电子学电路中；
[0063]
所述电子学电路用于将接收的电信号进行放大及幅度分析，获得γ光子的能量分布，并将其传输至数据处理装置。
[0064]
基于上述结构，如图3所示，本系统的工作过程为：将探测装置安装完成后，由闪烁体采集环境中氡子体产生的γ光子，光子体激发闪烁体发光后，闪烁体将光信号传输到光电倍增管中进行放大及幅度分析，最终显示出探测装置采集的能量分布，再通过对能量分布进行解析，获得氡子体所发出的γ射线的数量，进而反演计算出大气中氡气的浓度。
[0065]
实施例2：
[0066]
基于上述实施例1中的大气中氡气浓度检测系统，本实施例提供了相应的氡气浓度检测方法，如图4所示，包括以下步骤：
[0067]
s1、通过探测装置采集氡子体产生的γ光子，确定其能量分布并将其传输至数据处理装置；
[0068]
s2、基于能量分布，在数据处理装置采用氡子体伽马能谱分析方法测量氡子体衰变产生的γ射线；
[0069]
s3、通过测量的γ射线，反演计算出大气中的氡气浓度。
[0070]
在本实施例的氡气浓度检测方法中，氡共有三种同位素(
222
rn、
220
rn、
219
rn)，衰变链分别起始于地壳中的原生放射性核
238
u、
232
th、
235
u。在整个自然界中，
238
u的含量比
232
th要少，但半衰期更短，故两者的放射性活度大致相等。在同等单位时间内，
222
rn和
220
rn的核数能够保持基本等同。但由于
220
rn的半衰期(54.5s)短，只有很少一部分的
220
rn能从地壳中转移到大气中，存留在大气中的
220
rn放射性活度尚不足
222
rn的10％。
219
rn的半衰期更短，只有3.9s，生成后即刻衰变，在整个大气中，几乎无法检测出它的存在。由于
220
rn和
219
rn的含量太少，半衰期又短，其重要性远不如相对而言半衰期较长(3.82d)的
222
rn，从辐射卫生学角度考虑，研究上述两者的科研意义并不大。
222
rn作为低层大气中天然放射性的主要成分，它的半衰期长达3.83d，它可以从较深的地层土壤中扩散、迁移到地表，进而释放到大气中，并能随着流动的空气传播到较远的地带。因此，在本实施例中，将氡的同位素
222
rn的测量结果表征为大气中的氡气浓度，
222
rn衰变过程如图5所示。
[0071]
在上述衰变过程中，
222
rn的衰变伴随着α粒子的产生，也可以说它是一种α衰变元素。
222
rn首先会衰变成
218
po，
218
po经过进一步的一系列α和β衰变(包括po、pb、和bi等核素)，
222
rn的短期衰变产物包括从
218
po到
214
po(ra a到rac')四种核素。从整体上来看，
222
rn的衰
减链的总半衰期约为30min，α和β放射性衰变中伴随着γ射线的产生(如
214
bi，0.609mev的γ射线)，因此，本实施例中可以通过测量γ射线来反演大气中氡气的浓度。
[0072]
在上述步骤s2中，当测量获得的γ射线的计数值为n0时，单位时间、单位体积的伽马计数n
tv
为：
[0073][0074]
式中，t为测量时间，v为测量的气体体积。
[0075]
上述步骤s3具体为：
[0076]
s31、根据伽马计数n
tv
，确定γ射线的来源
214
bi的浓度a
bi
：
[0077][0078]
式中，ε为0.609mev的γ射线的探测效率，p
γ
为
214
bi发出0.609mev的γ射线的几率；
[0079]
s32、按照
222
rn的衰变链，反演计算出大气中的氡气浓度a
ra
：
[0080][0081]
式中，为
214
pb通过β衰变发射出
214
bi的几率，为
218
po通过α衰变发射出
214
pb的几率；为
222
ra通过α衰变发射出
218
po的几率。
[0082]
本实施例中的，探测效率ε通过蒙特卡洛模拟和物理实验确定，其确定流程如图6所示，建立蒙特卡洛模型进行仿真，计算计算机模拟仿真获得的探测效率ε；再通过搭建的整个平台的物理模型，通过
40
k的溶液来进行真实物理实验。通过计算机仿真核物理实验计算，获得探测效率ε。