顏國(guó)旭 李佳俊 陳文秀 李姝彬

（成都理工大學(xué)，四川 成都610059）

1 概述

氡（222Rn）是一種廣泛存在于自然界的惰性氣體，在析出等運(yùn)移過(guò)程中基本上不參與任何化學(xué)反應(yīng)。氡屬于鈾系天然放射性衰變系列核素之一，是唯一一種氣體元素，其輻射量占年輻射總量的70%。氡的輻射污染作為一種高敏感環(huán)境污染，儼然已經(jīng)成為社會(huì)所面臨的嚴(yán)重問(wèn)題之一。準(zhǔn)確測(cè)量氡及氡的子體是采取各種防護(hù)措施的必要前提。本文針對(duì)壤中氡氣測(cè)量的特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析各種土壤測(cè)氡技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和工程適用性，獲得土壤測(cè)氡工程應(yīng)用最佳土壤測(cè)氡方案。

2 土壤中氡濃度現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)分析

目前的土壤氡測(cè)量方法按測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)分可分為累積測(cè)量和瞬時(shí)測(cè)量；按測(cè)量技術(shù)分可分為α 能譜測(cè)氡，α 總量測(cè)氡；按采樣方式可分為吸附測(cè)氡和泵吸式測(cè)氡；按探測(cè)器分半導(dǎo)體、ZnS（Ag）閃爍體、α 經(jīng)跡探測(cè)器、NaI（Tl）等。

累積測(cè)量中，典型的方法是α 徑跡法、活性炭法、α 杯吸附法。其中α 徑跡法需要幾十天至數(shù)月，這給徑跡片回收帶來(lái)困難。由于實(shí)際間隔太久，工程實(shí)踐中回收率僅80%左右?；钚蕴糠ㄐ枰裰脭?shù)天，通常是7 天左右，回收后必須要在同一間隔實(shí)際內(nèi)完成測(cè)量。α 杯累積法，時(shí)間較短，僅需要4 小時(shí)即可，同時(shí)可以現(xiàn)場(chǎng)完成快速測(cè)量。

3 常用土壤測(cè)氡技術(shù)工作原理分析

3.1 α 杯法土壤測(cè)氡

α 杯測(cè)氡也即RaA+RaC 測(cè)氡。α 杯為對(duì)氡子體具有良好吸附性能的聚酯塑料材料制成，將α 杯置于土壤中。壤中氡其子體具有氣溶膠性質(zhì)且是帶正電的，具有吸附到物體表面能力[6，7]。放射性動(dòng)態(tài)平衡后氡子體的吸附到物體表面的量是與氡濃度存在線性關(guān)系。根據(jù)放射性動(dòng)態(tài)平衡理論可以通過(guò)測(cè)量吸附到α 杯體上的壤中氡子體即可實(shí)現(xiàn)對(duì)壤中氡濃度的測(cè)量。

圖1 α 杯土壤測(cè)氡原理

此方法在取樣上最大優(yōu)點(diǎn)是累積吸附時(shí)間較短，大于4 小時(shí)即可，滿足當(dāng)天完成測(cè)量工作需求。同時(shí)采用靜態(tài)累積方式，取樣帶來(lái)的不確定度較小。

3.2 泵吸α 能譜法

其基本原理是利用放射性動(dòng)態(tài)平衡理論，通過(guò)測(cè)量222Rn 第一代子體218Po 實(shí)現(xiàn)對(duì)氡222Rn 的間接測(cè)量。由于218Po 具有帶正電性，便于靜電收集；218Po 衰變產(chǎn)生的α 射線能量具有特征性和唯一性，便于識(shí)別；218Po 半衰期只有3.05 分鐘，便于快速響應(yīng)和快速恢復(fù)；目標(biāo)核素218Po 的唯一性，便于根據(jù)放射性衰變規(guī)律自動(dòng)扣除本底計(jì)算。因此，泵吸α 能譜法理論上能滿足土壤中氡濃度測(cè)量需求。由于采用半導(dǎo)體探測(cè)器對(duì)氡濃度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，受溫濕度影響較大[6]，因此氣體在進(jìn)入氡及其子體收集裝置前需要進(jìn)行干燥，并做溫濕度修正。但是此種方法屬于瞬時(shí)測(cè)氡，有三個(gè)缺陷：第一是取樣不確定性大；第二是溫濕度修正模型不確定性導(dǎo)致溫濕度影響較大；第三是本底污染影響恢復(fù)時(shí)間；第四受取樣時(shí)間和排空時(shí)間影響。

3.3 RaA 測(cè)氡法

RaA 測(cè)氡法，又稱氡的218Po 測(cè)量，是一種利用放射性動(dòng)態(tài)平衡理論，通過(guò)測(cè)量222Rn 第一代子體218Po 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)222Rn 的間接測(cè)量方法。與α 能譜法相同，RaA 法采用靜電收集法，通過(guò)泵吸的方式將土壤中的氡氣引入到電離室收集腔。在收集腔內(nèi)衰變并產(chǎn)生新的子體RaA。RaA 在剛形成的瞬間為帶正電的離子，利用此帶電特性，通過(guò)負(fù)高壓產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，將氡的子體218Po 吸附到吸附卡上。當(dāng)吸附完成后，快速取出吸附卡，置于探測(cè)裝置上。吸附到氡子體的吸附卡片上的218Po 發(fā)生α 衰變而產(chǎn)生α 射線打到金硅面探測(cè)器上，使探測(cè)器產(chǎn)生電脈沖，由單片機(jī)對(duì)不同幅度的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。經(jīng)后續(xù)測(cè)量系統(tǒng)處理分析，可以更加可靠地得到218Po 的計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤氡（222Rn）濃度的測(cè)量。

3.4 閃爍瓶法

閃爍瓶是總量測(cè)氡法。在進(jìn)行α 總量測(cè)量時(shí)，無(wú)法很好的區(qū)分氡與釷的性質(zhì)，在測(cè)量土壤中的氡濃度時(shí)容易受釷射氣干擾，且測(cè)量值相對(duì)于其他方法偏大。閃爍瓶?jī)?nèi)壁均勻涂有ZnS（Ag）閃爍體，需要避光，土壤中的氡與釷及其他子體一般通過(guò)泵吸的方式進(jìn)入到閃爍瓶?jī)?nèi)部。在完成收集后之后，氡與釷會(huì)衰變產(chǎn)生α 射線，α 射線會(huì)射到閃爍瓶?jī)?nèi)壁上，使閃爍瓶?jī)?nèi)壁上的ZnS（Ag）閃爍體發(fā)光。高壓使原子或分子電離、激發(fā)，在退激時(shí)產(chǎn)生光子（楊娟娟等，2003）。光子被閃爍瓶?jī)?nèi)的反射物盡可能地收集到光電倍增管上。在PMT 中由于光電效應(yīng)而產(chǎn)出光電子。電場(chǎng)力使光電子加速運(yùn)動(dòng)并逐級(jí)倍增，最后以電流信號(hào)的形式輸出。輸出放大后的電信號(hào)通過(guò)后續(xù)放大、甄別，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氡與釷的混合測(cè)量。

3.5 活性炭吸附法

活性炭吸附法測(cè)氡是利用活性炭對(duì)氡氣這一惰性氣體有較強(qiáng)吸附能力的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。土壤中氡氣由于擴(kuò)散作用會(huì)遷移到埋置的活性炭表面，在被活性炭吸附后，裝置周圍相對(duì)于土壤形成濃度差，致使土壤中氡氣繼續(xù)向活性炭遷移，直到裝置內(nèi)活性炭氡濃度與其埋置的環(huán)境中氡濃度達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。

活性炭吸附法測(cè)氡具有測(cè)量精度高、抗釷射氣等干擾能力強(qiáng)、成本低、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。但活性炭測(cè)氡需要二次去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行活性炭裝置回收。此外在回收裝置后，由于氡在不斷衰變及樣品周圍不再滿足環(huán)境內(nèi)的動(dòng)態(tài)平衡，需盡快回到實(shí)驗(yàn)室對(duì)樣品進(jìn)行處理并測(cè)量。作為一種靜態(tài)累積的氡濃度測(cè)量方法，活性炭吸附法測(cè)氡更適合用于環(huán)境氡濃度評(píng)價(jià)、煤礦采空區(qū)探測(cè)、煤田地下火區(qū)勘查等領(lǐng)域。

4 土壤測(cè)氡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

按照測(cè)量時(shí)間將4 月27 日與5 月14 日的三種瞬時(shí)測(cè)氡法分別取平均值，并與當(dāng)天測(cè)量的兩種靜態(tài)累積測(cè)氡法同時(shí)進(jìn)行對(duì)比，如圖2 所示。很明顯地可以看出，閃爍瓶法測(cè)氡的測(cè)量值整體明顯偏高。這是因?yàn)殚W爍瓶法屬于α 總量測(cè)量，在測(cè)量中不能消除釷射氣的干擾。由于無(wú)法對(duì)氡與釷進(jìn)行很好的區(qū)分，導(dǎo)致其測(cè)量值偏高。對(duì)比第二周與第三周的靜態(tài)累積法，可以得到與第一周相同的結(jié)論，即在取出活性炭吸附裝置時(shí)用α杯法測(cè)量的數(shù)據(jù)與當(dāng)周埋下的活性炭測(cè)量值更為接近。所以在此直接選用4 月27 日與5 月14 日的α 杯測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。兩種靜態(tài)累積的測(cè)量方法的一致性相對(duì)于瞬時(shí)測(cè)量的方法更好。

5 結(jié)論

本文針對(duì)土壤中氡濃度測(cè)量的需求特點(diǎn)，分析了土壤中氡濃度測(cè)量的需求特點(diǎn)，介紹了現(xiàn)有土壤中氡濃度測(cè)量技術(shù)。結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)修訂情況以及現(xiàn)有常用土壤測(cè)氡特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了α 杯法土壤測(cè)氡技術(shù)、泵吸α 能譜法瞬時(shí)土壤測(cè)氡技術(shù)、RaA 法瞬時(shí)土壤測(cè)氡技術(shù)。論文對(duì)從事土壤氡測(cè)量的檢測(cè)人員具有重要的參考意義。