CN102176049A - 钍射气室及其使用方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种钍射气室(100)及其使用方法，所述钍射气室(100)包括：有效体积为0.25-0.35m³的长方体保温密闭箱体(10)；在所述长方体密闭箱体(10)内的一层或多层可上下调节的网格支架(20)；置于所述网格支架(20)上的含²³²Th放射源的²²⁰Rn发生装置(30)，以及置于所述长方体密闭箱体(10)内所述可上下调节的网格支架(20)上方的强制气体扩散装置(40)。

Description

钍射气室及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种钍射气室，该钍射气室可用作刻度²²⁰Rn测量仪器的校准因子或者用作²²⁰Rn测量仪器的性能试验装置。本发明还涉及所述钍射气室的使用方法。

背景技术

天然的电离辐射主要来源于宇宙射线、大气环境中氡及其子体产生的辐射、以及地表岩层与土壤中的天然放射性核素产生的γ射线，其中对人类健康威胁最大的是氡及其子体吸入引起的内照射。联合国原子辐射效应科学委员会发布的UNSCEAR 2000年报告推荐了²²⁰Rn和²²²Rn子体的有效剂量转换系数分别为40和9nSv·(Bq h m^-3)^-1，表明在子体浓度相当的情况下，²²⁰Rn及其子体吸入所致人体的内照射剂量要超过²²²Rn及其子体的贡献。

在我国，土壤中天然放射性核素²³²Th的含量为世界平均值的1.6倍，初步的调查结果表明我国有上亿人口居住在²²⁰Rn浓度水平较高的环境，因此²²⁰Rn及其子体对我国公众辐射剂量的贡献不容忽视。

大气环境放射性监测、环境放射性危害控制的研究、氡与人体健康的研究等等，都需以实现²²⁰Rn和²²²Rn浓度的准确测量为基础的。对于²²²Rn的测量国内外都已经建立了以标准氡室为氡浓度参考标准的计量标准装置，而对于²²⁰Rn的测量，由于其半衰期仅为55.6s，且在衰变链中与初始衰变母体核素²³²Th在短期内不能达成放射性平衡，因而对²²⁰Rn气体浓度作准确测量具有较大的困难，至目前在国内对于²²⁰Rn浓度准确测量方法与测量标准的研究基本上还处于初始阶段，不能提供²²⁰Rn浓度测量的刻度校准，导致相关仪器的²²⁰Rn测量功能只具有象征意义。

因此，建立²²⁰Rn测量的参考标准以统一²²⁰Rn测量量值，有助于推动与促进环境²²⁰Rn监测的开展，保障监测结果的准确，对促进²²⁰Rn及其子体所致人体辐射剂量的深入研究、预防环境放射性辐射危害、保障人类健康具有重要的科学意义和应用价值。

发明内容

本发明的一个发明目的是提供一种作为²²⁰Rn测量的参考标准的钍射气室。

本发明的另一个发明目的是提供一种所述钍射气室的使用方法。

因此，本发明的一个方面提供一种钍射气室，它包括：

有效体积为0.25-0.35m³的长方体保温密闭箱体；

在所述长方体保温密闭箱体内的一层或多层可上下调节的网格支架；

置于所述网格支架上的含²³²Th放射源的²²⁰Rn发生装置，以及

置于所述长方体保温密闭箱体内所述可上下调节的网格支架上方的强制气体扩散装置。

本发明的另一方面还涉及所述钍射气室的使用方法，它包括如下步骤：

(a)设定并控制钍射气室内温度和湿度条件，按照所需²²⁰Rn气体浓度选择设置²³²Th放射源；

(b)打开强制气体扩散装置，使箱体内的²²⁰Rn与子体达到平衡状态，并分布均匀；

(c)用标准装置测量该箱体内²²⁰Rn气体的浓度；和

(d)用待刻度的设备测量该箱体内²²⁰Rn气体的浓度，得到其换算因子。

附图说明

下面结合附图更详细地说明本发明，附图中：

图1是本发明钍射气室的示意图；

图2是²²⁰Rn活度随时间变化的曲线；

图3是本发明实施例中钍射气浓度及温湿度变化情况。

具体实施方式

本发明涉及一种作为²²⁰Rn气体浓度参考标准的装置---钍射气室。所述钍射气室是一套产生、储存²²⁰Rn气体的装置，该装置内²²⁰Rn气体的浓度可任意调节，并且在一定区域内该浓度保持均匀分布，在一定的时间内该浓度值保持稳定可控。钍射气室内²²⁰Rn气体浓度经准确测定后，可用作刻度²²⁰Rn测量仪器的校准因子，亦可作为²²⁰Rn测量仪器的性能试验装置。

如图1所示，本发明钍射气室100包括有效体积为0.25-0.35m³的长方体保温密闭箱体10，在所述长方体保温密闭箱体10内的一层或多层可上下调节的网格支架20，置于所述网格支架20上的²³²Th放射源30作为²²⁰Rn发生装置，以及置于所述长方体保温密闭箱体10内所述可上下调节的网格支架20上方的强制气体扩散装置40。

在本发明钍射气室100中，箱体10的有效体积较好约为0.28-0.32m³。在本发明的一个实例中，所述箱体10的有效体积为0.3m³，所述箱体10具有近似于长方体的形状，其长×宽×高一般为(550～650)mm×(550～650)mm×(800～900)mm，较好为600mm×600mm×850mm。

在本发明中，术语“有效体积”是指钍射气室箱体内壁所包围的空间体积。

在本发明中，术语“长方体保温密闭箱体”包括正方体保温密闭箱体，这种密闭箱体可在规定的时间(例如0.1-10小时，较好0.5-8小时，最好1-5小时)内维持所需的湿度和温度，使之变化值为5％或更小、更好为3％或更小、最好为1％或更小。

用于制造本发明钍射气室100的保温密闭箱体10的材料无特别的限制，可以是本领域已知的任何材料，只要它能如上所述，在规定的时间(例如0.1-10小时，较好0.5-8小时，最好1-5小时)内维持所需的湿度和温度，使之变化值为5％或更小、更好为3％或更小、最好为1％或更小即可。例如，它可由金属(如铝、不锈钢、铜、铅)、聚合物材料(例如聚氨酯、聚酯、聚酰胺)等材料或者所述金属和聚合物材料的复合材料制成。

在本发明的一个较好的实例中，所述保温密闭箱体10是由内层不锈钢层、中间聚合物层(例如聚氨酯层)和外层金属层(例如铝层、不锈钢层、铜层、铅层等)组成的复合材料制成。各层的厚度无特别的限制，只要能达到所需的保温性能、放射性材料辐射防护性能和保温密闭箱体的强度即可。本领域的普通技术人员根据本发明公开的内容以及所需的例如保温性能、放射性材料辐射防护性能和保温密闭箱体的强度，可容易地确定合适的用于制造保温密闭箱体10的材料以及该材料的尺寸(例如厚度)。

在本发明钍射气室100中，保温密闭箱体10内设置有多层(例如2-4层)可上下调节的网格支架20，用于安装²²⁰Rn发生装置，以及放置²²⁰Rn测量仪器进行扩散式测量。

在本发明的一个实例中，所述保温密闭箱体10内设置有2层可上下调节的网格支架20：上面一层网格支架上安装有1-4个²²⁰Rn(亦称为钍射气)发生装置30(例如，含²³²Th的放射源)，所述²²⁰Rn发生装置可在一个平面上进行位置的移动调整；下面一层网格支架上放置测量²²⁰Rn浓度的测量仪器(它可以是用于测量所述保温密闭箱体10内²²⁰Rn活度的标准测量仪器，也可以是根据所述²²⁰Rn浓度进行校准的测量仪器)。

用于制造网格支架的材料无特别的限制，可以是本领域已知的任何材料。例如，它可由金属(如铝、不锈钢、铜)、聚合物材料(例如聚氨酯、聚酯、聚酰胺)、玻璃、陶瓷等材料制成。

作为²²⁰Rn发生装置30的²³²Th放射源由含²³²Th的钍化合物(例如硝酸钍)或者吸附有²³²Th元素的离子交换树脂制成，颗粒直径约0.5mm，衰变产生的²²⁰Rn气体可析出。²²⁰Rn发生装置30通常制成底面直径为120mm，高为5mm的圆柱体，或者制成边长120mm正方形薄片。用于由钍化合物制造所述²³²Th放射源的方法及其工艺条件是本领域已知的。

²²⁰Rn发生装置30还可由市场上购得，例如它可购自上海市计量测试研究院。

本发明钍射气室100还包括置于所述长方体保温密闭箱体10内所述可上下调节的网格支架20上方的强制气体扩散装置40。所述气体扩散装置40的作用是使²²⁰Rn发生装置30释放出的²²⁰Rn气体能均匀地分布在整个长方体保温密闭箱体10内。

在本发明的一个较好实例中，所述强制气体扩散装置40是由多个(例如1-6个，较好1-4个，更好2-3个)小风扇和一个风机组成的。

在本发明的一个较好实例中，所述²³²Th放射源被制成边长120mm正方形薄片，所述强制气体扩散装置40是由与²³²Th薄片源面积相匹配的紧密组合的小风扇和箱体风机组成，每一个小风扇对应一个²³²Th薄片源并且在所有小风扇-²³²Th薄片源组合的上方放置箱体风机。所述小风扇将²³²Th源衰变产生的²²⁰Rn气体吹出，加快其扩散；小风扇上方的风机使整个箱体内形成循环气流，通过调节风机和小风扇形成的风场或者调节风机的风速和²²⁰Rn发生装置在箱体内一个平面上的分布方式，可以实现箱体内²²⁰Rn气体浓度分布的均匀。

用于调节风机和小风扇形成的风场或者调节风机的风速和²²⁰Rn发生装置在箱体内一个平面上的分布方式以便使箱体内²²⁰Rn气体浓度均匀分布的方法无特别的限制，可以是本领域已知的任何常规方式。在阅读了本发明公开的内容后，本领域的普通技术人员非经创造性劳动就可容易地调节风机、风扇和²²⁰Rn发生装置的排列方式以在保温密闭箱10内获得均匀分布的²²⁰Rn气体。

本发明钍射气室100还可任选地包括气体排放口70，该气体排放口70通常位于箱体10的顶面上，以便在需要时排空所述箱体10内形成的²²⁰Rn气体，以方便各种开箱操作。例如，当需要调整²²⁰Rn发生装置的位置或者需要调节网格支架位置时，出于安全考虑需要先由气体排放口70排空放射性的氡气，随后打开箱体10进行操作。

本发明打开所述保温密闭箱体10的方法无特别的限制，可以是本领域已知的任何常规方法。例如可以在所述保温密闭箱体10的前面或一个侧面安装一扇门，以便开箱操作。

本发明钍射气室还可任选地包括钍射气采集口60，该采集口60通常位于所述箱体10的侧面上。射气采集口的作用是从箱体10中引出标准的²²⁰Rn气体以刻度例如采用循环式或抓取式采样测量方式的设备。

在一定的温度和湿度条件下，本发明钍射气室可通过更换不同活度的²³²Th源来改变箱体内²²⁰Rn气体浓度值并且在相同²³²Th源的条件下，可在一个有限的范围内通过调节温度和湿度来改变箱体内²²⁰Rn气体浓度值。

本发明调节箱体内温度和湿度的方法无特别的限制，可以是本领域的任何常规的技术方法，但是调节温湿度方法不得导致腔体与外界发生明显换气现象。例如，采用压缩机、蒸发器的程控式恒温恒湿方法。

由²³²Th衰变到²²⁰Rn需要经过两个半衰期较长的核素²²⁸Ra(5.75a)与²²⁸Th(1.91a)，导致²²⁰Rn与²³²Tn达到衰变平衡需要很长的时间。

为实现钍射气室内²²⁰Rn浓度的稳定，需确保钍射气发生装置²²⁰Rn析出的稳定。对于本发明钍射气发生装置，根据衰变链计算公式，计算得²²⁰Rn活度随时间变化的曲线如图2所示。

由图2可见，²²⁰Rn与²³²Tn达到99％的平衡约需要40年。在未达到平衡的条件下，由计算结果可知，²³²Th放射源制成一年以后，²²⁰Rn析出变化已经趋于很小，7日内钍射气活度变化小于5％，3日内的变化约为1.5％，而24小时内的变化约为0.5％，明显小于其他因素带来的²²⁰Rn浓度波动，以及一般仪器的测量误差。

温湿度对钍射气发生装置析出率有影响，其中湿度变化对于析出率的影响更为显著。对于本发明使用的钍射气发生装置，经实验测定，²²⁰Rn析出率与湿度的关系近似于线性，与温度则具有良好线性关系，当温度在10℃～30℃内变化(湿度固定为40％RH)，²²⁰Rn浓度将按下式变化：

C(T)＝[0.0367*(T-20)+1]*C₀

其中C(T)表示²²⁰Rn浓度，C₀表示20℃时²²⁰Rn浓度，T为温度(单位：℃)。

由此可见，在确定的温湿度条件下，使用制成1年后的²³²Th放射源，在一个较短的时间周期(如0.1-24小时)内钍射气室内由²²⁰Rn析出率的变化导致的²²⁰Rn浓度的变化可以忽略。

本发明钍射气室适用的温度范围一般为10～40℃，湿度范围一般为10～80％(RH)，符合常规的实验室使用环境。

本发明还涉及一种用本发明所述钍射气室刻度各种氡测量设备的方法，它包括打开强制气体扩散装置，使箱体内的²²⁰Rn气体达到稳定的平衡状态的步骤。

在本发明的一个较好实例中，所述使箱体内的²²⁰Rn气体达到稳定的平衡状态约为20-60分钟，较好为25-40分钟，更好约30分钟左右。

本发明钍射气室的²²⁰Rn气体浓度分布的均匀性采用固体径迹探测器法检测，检测结果显示在使用强制气体扩散装置30min后箱体内²²⁰Rn浓度均匀区域大于箱体有效体积的一半，因此，本发明方法通常将使用前强制气体扩散装置的运行时间定为30min或更长的时间。

在本发明的一个实例中，钍射气室的²²⁰Rn气体浓度范围为500～20000Bq/m³。

本发明方法还包括用标准装置测量该箱体内²²⁰Rn气体的浓度的步骤。在确定的温度和湿度条件下，钍射气室内²²⁰Rn气体浓度例如可以卢卡斯闪烁室为探测器，与α粒子计数器组成测量装置进行测量。

闪烁室测量装置对²²⁰Rn探测效率的测定：以蒙特卡罗模拟方法计算卢卡斯闪烁室对²²²Rn及其子体探测效率，并通过在标准氡室进行校准实验，验证并确定蒙特卡罗模拟计算方法，由于卢卡斯闪烁室对²²²Rn和²²⁰Rn的测量原理相同，用同样的方法计算卢卡斯闪烁室对²²⁰Rn及其子体的探测效率。用闪烁室测量装置对²²⁰Rn探测效率的测定是本领域众所周知的，例如可参见T.IIMOTO，S.TOKONAMI和R.KUROSAWA.的“闪烁瓶α粒子计数效率的估算方法”(Estimation Method for Alpha Particle Counting Efficiency for Scintillation Flasks).《辐射防护射线测量》(Radiation Protection Dosimetry).72(1)，55-60(1997)

钍射气室内²²⁰Rn气体浓度的测量：卢卡斯闪烁室采用抓取采样模式采集²²⁰Rn气体，按卢卡斯闪烁室对²²⁰Rn及其子体的时间系列计数，通过编程计算获得²²⁰Rn浓度值。

下面结合实施例进一步说明本发明。

实施例1

钍射气室内²²⁰Rn浓度均匀性试验

分别在钍射气室内的×Z平面(y＝0)与YZ(x＝0)平面上各放置成像板(IP板)记录²²⁰Rn衰变发出的α射线留下径迹，放置时间2h。将四个²³²Th源均衡放置在距离底面约57cm的水平面上。

其中空间坐标系定义如下所示：

1)定钍射气室底面中心点位置为原点；

2)垂直底面方向为z方向，z轴正方向指向上；

3)垂直腔室门方向为x方向，x轴正方向指向门外；

4)垂直侧面方向为y方向，人面对腔室时，y轴正方向指向人右手方。

整个测量过程中，控温20℃，控湿40％RH。

数出每块小方块上α粒子的计数。由于α粒子计数与邻近区域内²²⁰Rn浓度成正比，因此可用该计数的分布代表²²⁰Rn浓度分布。

按之前定义的空间坐标，将四片IP上的每个小方块上α计数的二维分布图画出，以便观察，如下表所示：

YZ平面

XZ平面

直接观察数据，可以直观地发现：最上方两层区域α计数较大；而除去该区域外，虽然α计数存在一定波动，但并无规律性变化。

这是因为在高处，比较靠近源，²²⁰Rn气体未经风场充分搅拌，浓度相对较高。而在下方区域，²²⁰Rn气体已经过风场充分搅拌，故较均匀，而不再有规律性变化。下方区域α计数的波动有两个来源：

1)由于α衰变及IP计数本身具有统计涨落，因此即使²²⁰Rn气体完全均匀分布在钍射气室内，每个小格的计数仍将不同；

2)虽然经过了风场充分搅拌，但风场中难免会存在一定的涡流、死角，这也将造成²²⁰Rn气体本身分布不均匀。

事实上我们关心的是²²⁰Rn气体分布情况(不均匀度)，所以在实验结果中应该将统计涨落部分剔除掉。

假设衰变计数带来的标准差为Ss，²²⁰Rn浓度本身分布不均匀带来的标准差为St，而最终α计数的标准差为Sa。由统计学知识可知：

Ss²+St²＝Sa²

且：

$\mathrm{Ss}=\sqrt{\stackrel{\‾}{N}},$

其中，为N的平均值、N为α粒子计数。

据此，可以分别计算出IP1～IP4，在下方区域的Ss、Sa、St，如下表所示

如上表所示，最终求出²²⁰Rn浓度分布标准差≈5％。可以认为在测量区间，除最上方两层外，²²⁰Rn浓度均匀性较佳。

钍射气室是一密封箱体，在静态下，由于钍射气的原子序数高，²²⁰Rn及其子体会向下沉降，同时由于半衰期仅为55.6s，所以在常态下起自动扩散的范围不大，为此钍射气室采用气流扰动方式使气体保持动态，使²²⁰Rn在箱体内分布均匀。

采用主动式测量时，通过取样泵使²²⁰Rn在探测器与钍射气室之间连续循环，由于钍射气室内气体在流动，从取样口进入的²²⁰Rn相当于在某一瞬间来自于钍射气室内取样口周围各个位置；而被动式测量时，钍射气室内流动的气体进入探测室，因此在动态条件下，当²²⁰Rn浓度分布的不均匀不是很严重时，对测量结果的影响相对较小。

实施例2

钍射气室内²²⁰Rn浓度稳定性实验

²²⁰Rn浓度稳定性是钍射气室重要特性之一。实验时，将钍射气室温度设定为20℃，相对湿度设定为40％RH，持续约2天(52h)。整个实验中，保持风机、风扇运行。使用Rad7型氡测量仪，以2h为周期监测氡浓度，同时监测钍射气室内温湿度变化情况。测得钍射气浓度及温湿度变化情况如下图3所示：

由图可见，在一个稳定的温湿度环境下(20℃，40％RH)，该钍射气室²²⁰Rn浓度稳定性优良。从稳定时间而言，²²⁰Rn浓度可维持至少2天的长时间稳定；从变化趋势而言，整个测量过程中²²⁰Rn浓度无升高或降低趋势；从波动性而言，²²⁰Rn浓度测量的相对实验标准差约为3％，十分理想。

实施例3

本实施例说明刻度校准试验：

标准测量仪器：

卢卡斯闪烁室测氡仪(型号为AB-5，加拿大PYILON公司生产)，闪烁室标称容积：300ml，钍射气(²²⁰Rn)测量档校准因子通过实验室间比对获得，为kc＝102Bq·m^-3·min^-1)

被测仪器：

RAD-7型电子测氡仪

干燥管：

CaSO₄干燥管对钍射气的吸收系数：kg＝1.68

测量条件：

钍射气室内温度20℃，湿度40％RH，钍射气源的²²⁰Rn放射性活度为2180Bq

测量方法：

标准器和被测仪器均采用流气循环式测量，同时连接于钍射气室取样管道进行测量；

测量时间均为10min/次，共10次，取读数平均值。

测量结果与校准因子：

标准仪器的10次读数平均值：

体积活度

被测仪器10次读数平均值：Ac＝3163Bq·m-3，体积活度校准因子：

k＝As/(Ac·kg)＝1.17

Claims (10)

1.一种钍射气室(100)，它包括：

有效体积为0.25-0.35m³的长方体保温密闭箱体(10)；

在所述长方体保温密闭箱体(10)内的一层或多层可上下调节的网格支架(20)；

置于所述网格支架(20)上的含²³²Th放射源的²²⁰Rn发生装置(30)，以及

置于所述长方体保温密闭箱体(10)内所述可上下调节的网格支架(20)上方的强制气体扩散装置(40)。

2.如权利要求1所述的钍射气室(100)，其特征在于所述²²⁰Rn发生装置具有正方形薄片的形状。

3.如权利要求1所述的钍射气室(100)，其特征在于所述强制气体扩散装置(40)由一个风机和一个或多个风扇组成。

4.如权利要求1所述的钍射气室(100)，它还包括位于箱体(10)的顶面上的气体排放口(70)。

5.如权利要求1-3中任一项所述的钍射气室(100)，它还包括位于所述箱体(10)的一个侧面上的钍射气采集口(60)。

6.如权利要求1-3中任一项所述的钍射气室(100)，其特征在于所述钍射气室(100)的有效体积为0.28-0.32m³。

7.如权利要求1-3中任一项所述的钍射气室(100)，其特征在于所述钍射气室(100)具有正方体的形状。

8.一种如权利要求1-8中任一项所述的钍射气室(100)的使用方法，它包括如下步骤：

(a)按照所需²²⁰Rn气体浓度设定并控制钍射气室内温湿度条件和/或选择设置²³²Th放射源；

(b)打开强制气体扩散装置，使箱体内的²²⁰Rn与子体达到平衡状态，并分布均匀；

(c)用标准装置测量该箱体内²²⁰Rn气体的浓度；和

(d)用待刻度的设备测量该箱体内²²⁰Rn气体的浓度，得到其换算因子。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于将所述钍射气室(100)内的湿度控制在10～80％，温度控制在10～40℃，并且所述打开强制气体扩散装置使箱体内的²²⁰Rn与子体达到平衡状态所需的运行时间为30min或更长的时间。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于通过更换不同活度的²³²Th放射源来改变箱体内²²⁰Rn气体的浓度。

Images