CN116299635A - 一种电离室测氡系统及探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电离室测氡系统及探测装置。电离室测氡系统至少包括探测装置、屏蔽装置、信号处理模块、计算分析模块、环境参数探测模块和人机交互模块。探测装置基于电离室测氡的原理，通过增大电离室的有效探测体积，使更多的氡气体进入探测装置，提升测量灵敏度。本发明的电离室测氡系统可提高工作级测氡仪在环境量级氡浓度条件下的校准准确度，亦可用于低本底地下实验室等特殊环境的极低氡浓度本底监测与污染控制，具有测量灵敏度高、分辨率好、不确定度小、测量准确度高等优点。

Description

一种电离室测氡系统及探测装置

技术领域

本发明涉及辐射测量技术领域，尤其涉及一种电离室测氡系统及探测装置。

背景技术

氡(Rn-222)是一种放射性惰性气体，广泛的存在于空气、水、岩石、土壤中。氡的半衰期约为3.823天，由地壳中的镭(Ra-226)衰变产生，后可以迁移、扩散至大气中，是低层大气中天然放射性的主要成份。氡会伴随呼吸进入人体的肺部，形成吸入内照射，是人类所受天然辐射最主要的来源。世界卫生组织于2009年发布的《氡手册》表明氡是继吸烟后的第二大肺癌诱因，于2014年2月3日发布的《2014年世界癌症报告》显示，2012年在全世界范围内新增的肺癌病例达180万，死亡人数达159万，其中超过1/3出现在中国，其中约有3％～14％的肺癌患者由氡及其衰变子体诱发。氡浓度每增长100Bq/m³，肺癌的风险将增长16％。流行病学调查数据表明，建筑物内的氡是导致一般公众肺癌的主要诱因。由于建筑物内的氡分布可以用对数正态分布来表示，大部分氡分布在较低的浓度范围内。因此，大多数与氡有关的肺癌是由低浓度和中浓度水平的环境量级氡浓度引起的，而不是由较高水平的氡浓度引起的。为了最大限度地减少民用建筑内氡暴露造成的健康危害，世卫组织和辐射防护委员会建议将民用建筑内氡参考水平设定为100Bq/m³，行动水平定为300Bq/m³。我国国标“GB/T16146-2015室内氡及其子体控制要求”规定，新建建筑物室内氡浓度设定的年均浓度目标水平为100Bq/m³，已建建筑物室内氡浓度设定的年均浓度行动水平为300Bq/m³。而1991年至2002年间，中国疾病预防控制中心对我国18个城市普通住房的氡浓度进行为期3～6个月的测量，被调查普通住房中氡浓度的算术平均值为44.1Bq/m³，其中超过100Bq/m³、200Bq/m³和400Bq/m³分别占总数的6.5％，1.0％和0.1％。2007年在26个城市进行的另一项氡浓度调查显示，氡浓度的算术平均值为43.8±37.7Bq/m³，其中超过100Bq/m³和200Bq/m³分别占总数的6.3％，0.7％。因此，准确评价环境量级氡浓度成为了抑制氡致肺癌战略的发展趋势。

公开号为CN112346106A的发明专利公开了一种小型空气脉冲电离室测氡装置，包括筒体结构的电离室，电离室的一个开口端安装有端盖，所述端盖上设置有透气孔，电离室的另一端开口安装有金属丝网，所述端盖的中心位置处设置有贯穿端盖的通孔，收集电极从该通孔伸入电离室中，并伸入靠近金属丝网处，所述收集电极远离金属丝网的一端与电路板电连接，电路板通过支撑柱安装在所述端盖上，所述电路板上设置有采集电路、前置放大电路、后端主放大电路、甄别电路、主控单元和通讯模块，所述电离室外壳接入高压电源，采用两端透气的筒体结构电离室，通过收集电极插入电离室中对氡浓度进行检测。

公开号为CN114325803A的发明专利公开了一种长期在线监测氡浓度的高灵敏度电离室测氡装置及其工作方法。该装置包括外壳、电离室、进气盒、单运放微电流放大模块、高压模块、信号调理电路、隔离接地模组、信号传输模块、气泵、主控板和电源。电离室中安装有收集电极。进气盒包括盒体、转盘和电机。转盘上安装有若干过滤网固定环。过滤网固定环中安装有过滤网。电离室的进气口与进气盒出气口相连。单运放微电流放大模块包括电路板信号输入部分和电路板信号放大部分。电路板信号输入部分包括保护环、信号针和保护缓冲器。电路板信号放大部分包括主运放、反馈电阻和电容。

公开号为CN110954935A的发明专利公开了一种基于电离室和半导体探测器的氡测量装置，包括流气式电离室和半导体探测器，所述电离室外壁接正高压，所述半导体探测器位于电离室端面的中心，半导体探测器接地为低电平，形成了一个电场。α粒子在电离室中电离产生电子-离子对，在电场作用下漂移至电离室收集极并形成信号。其中，电离室的收集极可以有多种不同的形式。同时，²²²Rn和²²⁰Rn的带正电子体²¹⁸Po、²¹⁶Po等也可以在电场作用下，漂移至半导体探测器表面，通过半导体探测器测量氡子体能谱。

现有技术在采用脉冲电离室原理测量氡浓度时使用传统的单电极探测模式，导致探测效率较低。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供一种探测装置。所述探测装置至少包括壳体、至少两个隔板和若干电极丝。所述壳体将所述探测装置的内部测量区域与外界隔离。至少两个所述隔板和若干所述电极丝设置在所述壳体内部，并且至少两个所述隔板和若干所述电极丝组成电离室的灵敏区。优选地，两个所述隔板作为电路板，所述电极丝的两端分别连接两个所述隔板，组成避免电子、负离子和正离子重新复合和使电子、负离子和正离子在电离室两极定向漂移的电场。

优选地，本发明采用若干所述电极丝组成电离室的灵敏区，从而形成一种线阵列的多丝电离室，相比于单电极探测，多电极丝的灵敏区的空间分辨和时间分辨都较好，能够在单位时间、单位体积中接收到更多的电信号。而且多丝电离室更适用于大体积的探测单元，在本发明中，通过提升灵敏体积来提高测量灵敏度，若依然使用单电极探测，有效探测空间比(有效探测体积/探测单元体积)会降低，即探测效率会下降。而多丝电离室的多个电极丝可以随体积增大而增加电极丝的数量和分布方式，能够提升对带电离子的探测效率接近100％。

根据一种优选实施方式，所述电极丝包括阳极电极丝和阴极电极丝，所述阳极电极丝和所述阴极电极丝按照双螺旋分布的方式设置在所述隔板上。优选地，所述阳极电极丝和所述阴极电极丝采用阿基米德双螺旋结构分布。阿基米德双螺旋结构与其它多丝分布结构在同样条件下，采用阿基米德双螺旋电极结构的电场更加均匀，同时在相同电极位置形成的电势相比其它多丝结构而言更大，更有利于带电离子的收集，探测效率更高。同时，若采用其它多丝结构，在扩大电离室有效探测体积后，有可能会使电离室能量分辨率降低。

根据一种优选实施方式，所述壳体的侧壁上设置有出气口和进气口。优选地，所述进气口设置在靠近所述壳体底部的位置，所述出气口设置在靠近所述壳体顶部的位置。优选地，所述壳体包括外层包壳和内层包壳，所述外层包壳和所述内层包壳通过尼龙螺柱连接。

本发明还提供一种电离室测氡系统。所述电离室测氡系统至少包括探测装置和屏蔽装置。所述探测装置通过电离室测氡的方式测量空气中的氡浓度。所述屏蔽装置用于屏蔽电磁、噪声和震动对所述探测装置的干扰。优选地，所述屏蔽装置包括屏蔽电磁、噪声的第一屏蔽装置和屏蔽震动的第二屏蔽装置。所述探测装放置于所述第一屏蔽装置内，所述第一屏蔽装置放置于所述第二屏蔽装置上。

根据一种优选实施方式，所述第一屏蔽装置至少包括：第一屏蔽壳体，第一隔音层，屏蔽网，第二隔音层和第二屏蔽壳体。所述第一屏蔽壳体设置在所述第二屏蔽壳体外部以屏蔽电磁信号。所述第一屏蔽壳体与所述第二屏蔽壳体之间的空腔依次填充有所述第一隔音层、所述屏蔽网和所述第二隔音层。所述第一隔音层，用于吸收探测装置内部的声波。所述第二隔音层，用于吸收第一屏蔽装置外部的声波。所述屏蔽网设置在第一隔音层和第二隔音层之间，以屏蔽电磁辐射。

本发明还提供一种电离室测氡系统。所述电离室测氡系统至少包括探测装置、信号处理模块和计算分析模块。所述探测装置通过电离室测氡的方式测量空气中的氡浓度，其中，所述探测装置设置有至少两个信号输出端，以输出所述探测装置在电离过程中收集的离子信号。所述信号处理模块与所述至少两个信号输出端连接并对探测装置收集的离子信号进行处理并将处理后的信号传输至所述计算分析模块进行计算，从而获得测量结果。所述信号处理模块对所述离子信号处理至少包括放大和类型转换。

根据一种优选实施方式，所述信号处理模块至少包括至少两个前置放大器、恒比定时甄别器和计数器。至少两个所述前置放大器以扇形等分将所述探测装置灵敏体积内收集到的信号进行分组处理和传输。所述前置放大器将所述探测装置收集的电流转换为电压，以电压脉冲信号的方式传输至恒比定时甄别器。所述恒比定时甄别器对至少两组脉冲信号进行噪声去除、逻辑相加并输出TTL信号至所述计数器。所述计数器对所述TTL信号进行转换后传输至计算分析模块。本发明的探测装置体积较大，其等效电容较大，受到干扰较多，直接输出的信号中夹杂的噪声信号幅度较大，影响信噪比。因此采用四个前置放大器将探测装置按照扇形四等分的方式，输出四路信号，每一路信号夹杂的噪声幅度较小，分别经过四个前置放大器输出形成脉冲信号(同时实现信号滤波，剔除噪声)，最后测量时经过信号相加，获得整个探测器的信号，既能保证将探测器信号全部收集，也能尽可能的降低噪声的干扰，提高信噪比。

根据一种优选实施方式，所述电离室测氡系统还包括环境参数探测模块。所述环境参数探测模块与所述计算分析模块信号连接，所述计算分析模块运用内置修正算法对不同环境条件下的测量结果进行自修正。优选地，环境参数探测模块可以探测温度、湿度、压力等参数。

电离室测氡原理是基于氡衰变产生的射线对空气的电离作用。当电离室内气压相对较低时，气体密度减少，射线电离产生的离子数量就可能减少，从而引起相对测氡效率的降低，气压升高则反之。气压变化越剧烈，这一现象越明显。

优选地，环境参数探测模块获取电离室测氡系统使用环境的气压数据，从而在不同的压力条件下将电离室测氡系统进行溯源性校准得到不同压力条件下的刻度系数，再将刻度系数倒数化处理后进行多项式拟合，即可得到压力校准系数随气压的变化关系曲线，进而利用实时监测到的压力进行氡浓度测量结果的修正，可避免压力变化对测量结果造成的影响。

根据一种优选实施方式，所述电离室测氡系统还包括人机交互模块。所述人机交互模块与所述计算分析模块信号连接，所述计算分析模块通过所述人机交互模块显示氡浓度数据。

本发明还提供一种电离室测氡系统的量值溯源方法。所述溯源方法至少包括：

使用氡活度绝对测量装置制备氡气体标准参考物质；

将氡气体输入电离室测氡系统的探测装置内；

所述电离室测氡系统对所述探测装置内的氡气进行持续监测，直至所述探测装置内的氡浓度衰变至阈值以下。

优选地，所述探测装置内的氡浓度由所述氡气体标准参考物质经半衰期修正、泄漏率修正后的活度和所述探测装置灵敏体积的比值得出，所述探测装置的刻度系数由标准氡浓度值和计数率比值得出。建立量值溯源是一切测量的基础，建立完整的量值溯源链条可以将所有测量结果溯源至统一的国家基、标准，是保障测量结果准确可靠的基础，是保障不同测量结果间可评价的依据。本发明中建立了所述电离室测氡系统直接溯源至氡活度绝对测量装置的量值溯源技术，能够有效减少并准确评价量值传递过程中的不确定度，保障了电离室测氡系统的测量准确性，在环境量级氡浓度处，每小时测量周期的测量结果的相对扩展不确定度优于1.5％(k＝2)。

附图说明

图1是本发明提供的一种优选实施方式的探测装置的简化示意图；

图2是本发明提供的一种优选实施方式的探测装置的结构剖视图和电阻丝部分的放大图；

图3是本发明提供的一种优选实施方式的电离室测氡系统的简化模块连接关系示意图；

图4是本发明提供的一种优选实施方式的屏蔽装置的简化示意图；

图5是本发明提供的一种优选实施方式的第一屏蔽装置的简化示意图。

附图标记列表

100：电离室测氡系统；110：探测装置；111：出气口；1121：第一基板；1122：第二基板；1131：第一隔板；1132：第二隔板；1133：第三隔板；114：尼龙螺柱；115：电极丝；1151：阳极电极丝；1152：阴极电极丝；116：壳体；117：进气口；120：屏蔽装置；121：第一屏蔽装置；1211：第一屏蔽壳体；1212：第一隔音层；1213：屏蔽网；1214：第二隔音层；1215：第二屏蔽壳体；122：第二屏蔽装置；130：信号处理模块；131：前置放大器；132：恒比定时甄别器；133：计数器；140：环境参数探测模块；150：计算分析模块；160：人机交互模块。

具体实施方式

下面结合附图1至5进行详细说明。

实施例1

本实施例提供了一种用于检测氡浓度的探测装置110。优选地，探测装置110基于电离室测氡的原理，通过增大电离室的有效探测体积，使更多的氡气体进入探测装置110。

电离室测氡的原理是基于α射线对气体的电离作用而实现的。氡及其子体在衰变时会放出α粒子，使附近空气电离形成电子-离子对，由于α粒子出射后会前进一段距离，在此路径上会发生一系列电离现象，直至α粒子的能量消耗到小于气体分子的电离能时，电离作用才会结束。

空气电离所形成的一部分电子会被负电性气体吸附，形成负离子，而电离室两极间的灵敏体积内构建了足够强的电场来避免电子、负离子和正离子重新复合，并且营造电场作用力使电子、负离子和正离子向电离室两极定向漂移，从而在回路间输出相应电信号，通过对相应信号进行计算得出氡浓度。

参见图1和图2，优选地，探测装置110可以包括：出气口111、第一基板1121、第二基板1122、第一隔板1131、第二隔板1132、第三隔板1133、若干尼龙螺柱114、电极丝115、壳体116、进气口117。

优选地，壳体116将探测装置110的内部测量区域与外界隔离。优选地，探测装置110的内部测量区域即为电离室的灵敏区。

优选地，壳体116包括外层包壳和内层包壳。优选地，壳体116的外层包壳和内层包壳采用不锈钢制成。优选地，外层包壳接地形成电学上的0电位。

外层包壳和内层包壳通过尼龙螺柱114连接。优选地，内层包壳通过尼龙螺柱悬吊在外层包壳的顶部，不仅使得外层包壳与内层包壳绝缘，避免了外界电流对探测装置110性能的影响，还可以起到减震作用，并且双层壳体的设置为探测单元增加了自重，从而减小环境振动产生的干扰。

优选地，第一基板1121、第二基板1122、第一隔板1131、第二隔板1132、第三隔板1133、若干尼龙螺柱114和若干电极丝115设置在壳体116内部。优选地，第一基板1121、第二基板1121、第一隔板1131、第二隔板1132、第三隔板1133、若干尼龙螺柱114和若干电极丝115与内层包壳构成电离室的灵敏区，电离室的灵敏区的体积即为电离室的灵敏体积，用于构建避免电子、负离子和正离子重新复合和使电子、负离子和正离子在电离室两极定向漂移的电场。

参见图2，优选地，探测装置110的电极丝115包括阳极电极丝1151和阴极电极丝1152。优选地，电子(e^-)和负离子(ion^-)向电离室中的阳极电极丝1151飘移，正离子(ion⁺)向电离室中的阴极电极丝1152飘移。

有研究表明，使用电离室进行测量时，如果采用流气式方式进行探测实验，是不会给电离室本身造成辐射损伤的。

优选地，本发明采用流气式方式进行探测实验，避免给探测装置110本身造成辐射损伤，延长探测装置110的使用寿命。

优选地，壳体116采用圆柱形结构，出气口111和进气口117设置在贯穿圆柱形壳体116的侧壁上。优选地，进气口117设置在靠近壳体116底部的位置，出气口111设置在靠近壳体116底部的位置。

在检测氡浓度时，氡气从进气口117处由外置泵吸入电离室内部进行测量，由出气口111排出。优选地，出气口111和进气口117设置在壳体116平面，以获得最长气体流动距离。

优选地，第一隔板1131、第二隔板1132和第三隔板1133可以采用环氧隔板。优选地，第一隔板1131、第二隔板1132和第三隔板1133的可以是直径可以是280mm。优选地，第一隔板1131和第三隔板1133作为电路板。第一隔板1131和第三隔板1133的距离为220mm。

第一隔板1131、第二隔板1132和第三隔板1133，主要起到对固定和支撑电极丝115位置的作用，自身具有绝缘特性。优选地，第一隔板1131和第三隔板1133作为所述探测装置110的内部电路板，同时与第二隔板1132均起到固定和支撑电极丝115的作用，其中第二隔板1132上并没有设置导线，而是增加许多密集分布的小孔，便于探测装置110的探测单元内部上下部分空气交换。

优选地，第一基板1121和第二基板1122可以是直径为280mm的不锈钢材质的圆盘，主要起到屏蔽和保护支撑作用。氡气体不易被不锈钢材质吸附并且不锈钢材料本身属于低放射性材料，可以避免对测量结果产生干扰。优选地，第一基板1121和第二基板1122对整体内部隔板的横向面加固支撑并起到一定的电磁屏蔽作用。

加载在电极丝115上的工作电压，经过介质与相对地形成电流回路，在介质与电极丝115间产生漏电流，影响探测装置110的探测效果。

尼龙螺柱114，主要起到支撑整体结构的作用。优选地，尼龙螺柱114采用绝缘材料，从而增加探测装置110中介质的绝缘特性，以尽可能地减小或避免漏电流对探测装置110的影响。

优选地，电极丝115可以采用Be-Cu(铍-铜)合金，半径为0.5mm。优选地，电极丝115外部做镀金处理，以增强其的导电性。

优选地，阳极电极丝1151和阴极电极丝1152参照Matlab模拟的电极丝115分布最优结果，相近两电极丝115的间距设定为1cm。采用双向阿基米德螺旋结构分别布线阳极电极丝1151和阴极电极丝1152。优选地，分布的点位遵循阿基米德螺旋参数方程：

极坐标方程：

r＝a+bθ

平面笛卡尔坐标方程：

x＝(a+bθ)cos(θ)

y＝(a+bθ)sin(θ)

其中，a为θ＝0°时的极径，即起点距原点的距离；b为阿基米德螺旋线系数(mm/°),表示每旋转1度时极径的增加/减小量，即相邻电极丝115间距；θ为极角,单位为度,表示阿基米德螺旋线转过的总度数(弧度)。

分布参考了现行最有效的双阿基米德螺旋分布电离室结构，正反螺旋分别为阳极和阴极，在阳极两侧1mm处添加两条互相连接且轨迹相同的保护环，其电位与阴极相同，使阳极到地的漏电流不通过阴极，减少漏电流的影响，使电场边缘均匀化，从而提升探测装置110的测量稳定性。

优选地，本发明使用MATLAB对相同的外加条件下形成的电势、电场情况进行三维傅里叶场强变换模拟，使电势的边缘更加均匀化，同时使相同电极位置形成的电势更大，最终得到最优的螺旋分布结构，使探测单元的探测效率最优化，并为电离室内离子的收集提供更加优良的条件。在对场强变化的模拟仿真中，在外加电压相同的条件下，阳极每条电极丝115上电压也是相等的，加上每条阳极电极丝1151长度、粗细、材料等均相同，则理论上阳极电极丝1151上分布的电荷也应大致相同。在多丝电离室任意横截面上，阳极电极丝1151处分布电荷应大致相同。因此，电场强度的组成与阳极电极丝1151的分布形式有关。

理论：假设阳极电极丝1151周边分布电荷量相等的正电荷，设带电量为Q的点电荷，在相距为r的电荷q处的电势

为：

其中，k为库仑力常数，k＝8.987×10⁹N·m²·C^-2。

其静电力F的大小可表述为：

因为F＝E·Q，表示为电荷Q在电荷q处的电场强度，则

对电场强度进行距离r的积分，可得

模拟思路：第一步，在相同的坐标系区域内做不同的反向双螺旋阿基米德螺旋电极分布结构，其余条件均相同，运用上述积分公式，可得到不同螺旋分布结构的电势情况，观察不同分布结构的电势均匀分布做出初步优选。第二步，对已得到的电势采用gradient()函数，即可求得电场强度。求出电场强度后，对其进行傅里叶变化，最终得到电场强度的三维傅里叶变化场强，比较不同分布结构的三维傅里叶变化场强进行分布结构优选，确定最终的分布结构。

优选地，探测装置110可通过改变其大小、形状及气体压力等以满足各种不同的测量条件及要求。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。

现有针对工作级测氡仪开发的校准技术是在500～3000Bq/m³的氡浓度条件下开展的，现有测氡装置并不适用于直接在小于500Bq/m³的环境量级氡浓度条件下，作为氡浓度标准器开展校准工作。例如，德国SYPHMO公司销售的AlphaGuard测氡仪，是世界公认最稳定、最可靠的仪器，被世界范围内90％以上的机构/实验室作为校准工作级测氡仪的主要标准器。该仪器采用电离室原理进行测量，灵敏度为3cph/Bq/m³，探测下限为10.8Bq/m³。但将其在500Bq/m³以下的环境量级氡浓度范围内开展校准，由于灵敏度不够高，导致统计涨落引入的不确定度分量大；虽然现有技术可以通过延长测量时间来减少统计涨落，但是测量时间的延长会增加氡浓度调控所需时间，氡浓度波动和各种相关涨落的叠加会导致不确定度较大等问题。换言之，现有技术在对环境量级的氡浓度进行检测时需要延长测量时间，从而导致氡浓度调控所需时间大大延长，氡室内氡浓度的实际波动也增大，相关各种涨落和波动的叠加，使得现有测氡装置在环境量级氡浓度范围内开展校准时的扩展不确定度较大。

因此，在保持稳定、可靠的性能基础上，研制灵敏度更高的测氡装置作为量值传递的标准器，用于在环境量级氡浓度处(500Bq/m³以下)准确校准工作级测氡仪是十分必要的。

本发明针对面向低浓度水平氡计量发展的需求提供了一种灵敏度高、分辨率好，稳定性强的高灵敏测氡系统100作为环境量级氡浓度校准的标准器，从而克服现有氡计量标准器的灵敏度不够高，在较低水平氡浓度条件下，特别是氡浓度在500Bq/m³以下测量的统计涨落较大的问题。

本实施例提供了一种电离室测氡系统100。优选地，电离室测氡系统100可以包括实施例1中所述的探测装置110。参见图3，优选地，电离室测氡系统100还包括信号处理模块130、环境参数探测模块140、计算分析模块150和人机交互模块160。

参见图3，优选地，探测装置110的信号输出端与信号处理模块130信号连接，信号处理模块130对探测装置110收集的离子信号进行放大，并实现电流与电压的转换。优选地，处理模块130与计算分析模块150信号连接，计算分析模块150计算计数与刻度系数关系。

氡及其子体衰变释放的α粒子入射到电离室的灵敏体积内，并电离空气形成电子-离子对，正离子由探测器收集电极收集后输出脉冲信号被信号处理单元计数。计数与电离产生的正离子成正比。因此计数是指信号处理单元对于离子脉冲信号的计数。刻度系数是指在溯源至氡活度绝对测量装置时，氡浓度的标准值与计数之间的比例关系，刻度系数由标准氡浓度值和计数率比值得出。

环境参数探测模块140与计算分析模块150信号连接，计算分析模块150运用内置修正算法对不同环境条件下的测量结果进行自修正。

优选地，环境参数探测模块140可以采集电离室测氡系统100使用环境的气压，计算分析模块150运用内置修正算法对不同气压下的测量结果进行自修正。

优选地，压力修正是将电离室测氡系统100在不同的压力条件下进行溯源性校准，从而得到不同压力条件下的刻度系数，再将各刻度系数随气压变化关系进行多项式拟合(R²＞0.999)，即可得到压力校准系数随气压的变化关系曲线。

压力校准系数随气压的变化关系的理论公式如下：

ε_(x)＝(4.28×10^-12)·x⁴-(2.09×10^-8)·x³+(3.85×10^-5)·x²-(3.23×10^-2)·x+11.37)

不同压力条件下的氡浓度测量值进行压力修正的理论公式如下：

C_Rn＝C₀·ε_(x)

其中，C_Rn为压力修正后的氡浓度结果；C₀为不同压力下电离室测氡系统(100)的实测结果；ε_(x)为随压力x变化对应的压力修正系数。

人机交互模块160与计算分析模块150信号连接，计算分析模块150通过人机交互模块160显示氡浓度数据。

本发明根据氡浓度与粒子计数成正比的函数关系(即刻度系数)，通过测量计数来计算氡浓度，同时脉冲幅度与氡的粒子能量成正比，用能谱显示谱(用脉冲幅度的分布直方图表示)。氡浓度由能量范围内的计数率与测量时间和浓度的比值给出，计算分析模块150通过人机交互模块160显示氡浓度数据。

本实施例提供的电离室测氡系统100融合了多种技术与算法模型，可以提高工作级测氡仪。在环境量级氡浓度条件下的校准准确度，亦可用于低本底地下实验室等特殊环境的极低氡浓度本底监测与污染控制。本实施例提供的电离室测氡系统100具有测量灵敏度高、分辨率好、不确定度小、测量准确度高等优点。

优选地，信号处理模块的工作原理如图3所示。优选地，氡气体由进气口进入探测装置110后，氡及其子体衰变释放的α粒子入射到电离室的灵敏体积内，并电离空气形成电子-离子对。正离子由阴极电极丝1152收集，收集电压由ORTEC556高压电源提供，为-600V。

由于收集的离子信号非常微弱不能直接进行测量，所以利用低噪声电流灵敏放大器将信号放大，电离室的灵敏体积与其体电容成正比，若单纯通过增加灵敏体积来提高测量灵敏度，反而会造成噪声干扰的增大，信噪比增加。

为了减少信噪比，提高分辨率，本实施例的信号处理模块130采用至少两个独立前置放大器131处理信号。优选地，信号处理模块130可以采用4个独立前置放大器131处理信号，其具有良好的屏蔽效果以及足够大的放大倍数。优选地，探测装置110输出四路信号，每一路信号夹杂的噪声幅度较小，每一路信号都经过放大，最后将四路信号再相加，放大倍数更高，滤除噪声效果更好。参见图2，优选地，四个前置放大器131均设置于探测装置110的壳体116内部，使得连接线缆更短，带来更好的信噪比和良好的电磁屏蔽效果。

优选地，信号处理模块130可以包括前置放大器131、恒比定时甄别器132和计数器133。优选地，信号处理模块130设置有四个前置放大器131。优选地，信号处理模块130通过四个前置放大器131将探测装置110灵敏体积内收集到的信号以扇形等分为四组进行处理输出电信号。优选地，探测装置110的输出端(第一隔板1131)俯视分成四象限，每个象限独立输出，分别经过一个前置放大器131，放大，滤波，然后再经过信号相加，实现整个探测装置110的信号收集。

优选地，信号处理模块130通过四个前置放大器131接收的探测装置110输送的电流并将电流转换为电压，以输出脉冲信号至恒比定时甄别器132。优选地，恒比定时甄别器132对四组脉冲信号进行噪声去除、逻辑相加并输出TTL信号。优选地，恒比定时甄别器132输出的TTL信号的频率与探测装置110输出电流的大小成正比。优选地，恒比定时甄别器132输出TTL信号至计数器133，计数器133对TTL信号进行转换后传输至计算分析模块150。计算分析模块150通过环境参数探测模块140采集到的数据对进行校准，并且在完成校准后计算分析模块150通过人机交互模块160显示氡浓度测量结果。

优选地，前置放大器131的型号可以是德国FEMTO公司研制生产的DLPCA-200增益可调低噪声电流放大器，恒比定时甄别器132的型号可以是CF8000，计数器133的型号可以是ORTEC996。

优选地，前置放大器131输出信号的上升时间约为2ms，由四个前置放大器131获取的四组信号相似。优选地，四组信号同时输入到恒比定时甄别器132进行信号筛选。优选地，根据信号噪声水平，甄别器的阈值可以设置为-300mV。四组信号进入恒比定时甄别器132依次实现噪声去除、逻辑相加后，恒比定时甄别器132输出TTL信号，TTL信号的频率与电离室输出电流的大小成正比。优选地，各电子器件间的传输电缆均选用低噪声双层屏蔽电缆以达到良好的屏蔽以及降噪性能。

优选地，计数器133将记录的TTL信号换成频率后通过串口输入计算分析模块150，计算分析模块150经温湿度、压力自修正和氡灵敏系数校准后，在人机交互模块160上显示氡浓度测量结果。优选地，计算分析模块150可以是计算机。

优选地，本发明的人机交互模块160搭载了为了实现连续测量记录氡测量的数据，而编制的用于电离室氡测量系统的操作软件，实现对测量系统定时、设定测量次数、记录测量时间和对应的测量计数等功能。优选地，人机交互模块160包括键盘、触摸屏、按钮等输入设备，数码管、显示器等输出设备，以及微型计算机、可编程逻辑控制器、现场可编程门阵列、可编程逻辑阵列、微处理器等能够以定义的方式响应并执行指令来实现期望的结果的处理设备。

优选地，人机交互模块160主要负责接收/发送特定的命令字给硬件设备，同时接收数据分析程序的信息值和数据。对信息值和关键字等信息进行显示，告知用户当前仪器运行的状态(包括测量状态、测量剩余时间等)；并对返回的数据进行整合，储存等。优选地，用户可以通过人机交互模块160的输入设备设定测量周期、测量时长等测量参数；开始测量后，人机交互模块160将用户设置的参数发送给计算分析模块150，计算分析模块150接收参数后开始测量。优选地，测量到的信号经放大、甄别后得到测量数据，返回数据至分析程序。获得测量数据后的分析程序，读取测量数据的计数、能量、时间等信息，对测量数据进行刻度系数计算、气压修正计算后，得到测量结果发送至人机交互模块160。人机交互模块160的处理设备对测量结果、测量日期、测量模式等数据进行分类保存和整理并通过显示设备向用户展示。

实施例3

本实施例是对实施例1和实施例2的进一步改进，重复的内容不再赘述。

本实施例提供了一种电离室测氡系统100。优选地，电离室测氡系统100还可以包括屏蔽装置120。

虽然探测装置110的壳体116可以有效减小一定的外界环境电子噪声的影响，起到一定的电磁屏蔽效果，但是大幅度的机械震动引起的探测装置110内电极丝115的“麦克风效应”(即颤噪响应，指因震动和噪声而产生的干扰信号叠加到正常信号上)以及偶然的强电磁信号，会对探测装置110的输出信号产生很大影响。

本实施例提供的电离室测氡系统100在为探测装置110配置具有一定电磁屏蔽能力和减震能力的壳体116的基础上，设置了屏蔽装置120以保证电离室测氡系统100在环境量级氡浓度条件下开展校准时连续测量的稳定性。参见图4和图5，优选地，屏蔽装置120包括屏蔽电磁、噪声的第一屏蔽装置121，屏蔽震动的第二屏蔽装置122。优选地，探测装置110置于第一屏蔽装置121内，第一屏蔽装置121放置于第二屏蔽装置122上。

优选地，屏蔽装置120用于减少机械振动和电子学产生的噪声对于能谱计数的干扰。优选地，本发明可以采用多道脉冲幅度分析器进行能谱计数。脉冲幅度与能量成正比，能谱是脉冲幅度的分布直方图，采用多道脉冲幅度分析器进行以横轴为幅度值，纵轴为对应幅度的计数。

优选地，第二屏蔽装置122可以减少地面固有震动、人员活动震动等外界震动和装置本身运行震动的产生的颤噪效应。优选地，第二屏蔽装置122可以是气动光学平台，其采用气浮平台作为主体，利用半膜式空气弹簧原理，以及水平方向隔振的三线摆方式设计而成，实现自动充气，自动平衡，主要用于过滤水平方向和垂直方向的震动，对低频和高频震动滤除效果均较好，具有响应时间短，平衡速度快的特点，平台桌面尺寸为：60cm*90cm。承重能力为100kg。

优选地，第一屏蔽装置121主要用于屏蔽环境电磁干扰、声波震动以及空气震动等干扰，对外接口包括：电源线、高压线、信号线和通气口。参见图5，优选地，第一屏蔽装置121可以包括：第一屏蔽壳体1211，第一隔音层1212，屏蔽网1213，第二隔音层1214和第二屏蔽壳体1215。

优选地，第一屏蔽壳体1211设置在第一屏蔽装置121的最外层，采用不锈钢制成，厚度为3mm，作为结构支撑，起到一定的电磁屏蔽功能；第二屏蔽壳体1215采用3cm不锈钢方通，起到支撑作用。优选地，第二屏蔽壳体1215设置在第一屏蔽装置121内部，探测装置110设在第二屏蔽壳体1215内部，并且第二屏蔽壳体1215与第一屏蔽装置121之间存在空腔。优选地，第一屏蔽装壳体1211与第二屏蔽壳体1215之间的空腔依次填充有第一隔音层1212、屏蔽网1213和第二隔音层1214。优选地，第一隔音层1212为2cm厚度的吸音海绵，用于吸收探测装置110内部的声波。优选地，第二隔音层1214为5cm厚度的海绵，用于吸收第一屏蔽装置121外部的声波，从而减小外部声波对探测装置110信号干扰的作用。优选地，屏蔽网1213采用紫铜屏蔽网，设置在第一隔音层1212和第二隔音层1214之间，以屏蔽电磁辐射。优选地，第一隔音层1212和第二隔音层1214还可以采用微孔吸音板、槽木吸音板等隔音材料。

优选地，本实施例提供的电离室测氡系统100将测量灵敏度提升至44.98cph/Bq/m³，约为现行氡浓度标准器(AlphaGUARD系列测氡仪)的15倍，探测下限低至1Bq/m³以下，在100Bq/m³氡浓度水平下连续测量24个小时，重复性优于2.5％。

优选地，本实施例提供的电离室测氡系统100能够对测量系统定时、设定测量次数、记录测量时间和对应的测量计数等功能。针对不同测量需求，拓展了测量能力，提升了工作效率。

实施例4

本实施例是对实施例1、实施例2和实施例3的进一步改进，重复的内容不再赘述。

本实施例提供一种电离室测氡系统100的量值溯源方法。

为了准确测量并评价环境量级氡浓度，不仅需要发展测量方法与测量技术，更应发展稳定、可靠且灵敏度高的标准器作为工作级测氡仪的参考标准，同时需要建立标准器的溯源技术来保障校准结果的统一性和可追溯性。目前市场上主流的多种商用氡浓度测量仪，在使用之前均应对其进行可溯源性氡测量校准，以此来建立氡测量仪器的质量保障和质量控制(QA/QC)体系。针对工作级测氡装置的校准程序已相对成熟，但从国家氡计量需求的角度出发，仍需要优化现有工作级测氡仪校准的准确性，尤其是需考虑在环境量级氡浓度水平上直接校准工作级测氡仪，建立其量值溯源能力。

优选地，本实施例提供一种电离室测氡系统100的量值溯源方法。优选地，溯源方法至少包括：

使用氡活度绝对测量装置制备氡气体标准参考物质；

将氡气体输入电离室测氡系统100的探测装置110内；

电离室测氡系统100对探测装置110内的氡气进行持续监测，直至探测装置110内的氡浓度衰变至阈值以下。优选地，探测装置110内的氡浓度由氡气体标准参考物质经半衰期修正、泄漏率修正后的活度和探测装置110灵敏体积的比值得出。

优选地，本发明所使用的氡活度绝对测量装置是基于小立体角测量原理所建立的²²²Rn冷凝小立体角绝对测量装置。

优选地，溯源方法还包括：

使用氡活度绝对测量装置制备氡气体标准参考物质后，将氡气体标准参考物质置于高密封性金属容器中放置一段时间直至其自然衰变到合适的活度；优选地，本发明关注的氡浓度量值溯源范围是80～500Bq/m³环境量级氡浓度，因此按照体积比例关系，衰变至10Bq左右打入探测装置110内部，可以形成1000Bq/m³的氡浓度参考环境。让1000Bq/m³在探测装置110内自然衰变并使用110持续测量计数，理论上便可得到涵盖80～500Bq/m³的氡浓度标准与探测装置110计数的关系，即刻度系数。

利用氮气作为载气，采用冲压转移技术将自然衰变到合适的活度的氡气体输送至提前抽至真空的电离室测氡系统100的探测装置110内部；

继续补充氮气确保金属容器中的氡气体完全转移至探测装置110内并使探测装置110内的气压恢复至常压(101kPa)；

电离室测氡系统100启动测量，持续监测直到探测装置110内的氡浓度衰变至80Bq/m³以下。

优选地，在溯源期间精确记录所有时间节点和测量周期内的计数。优选地，探测装置110的泄漏率由指数拟合得出。

(氡的自然衰变符合指数衰变，衰变系数为λ_d＝2.1*10^-6/s，理论公式为：

其中，C(t)为随时间变化的氡浓度；C_s为初始时刻氡浓度；t为时间

若存在泄露，则容器内氡浓度的损失受衰变和泄露的影响，理论公式为：

其中λ_损为泄漏率系数，此系数可通过探测装置110测量得到的计数随时间变化拟合得出(λ_d+λ_损)，再减去λ_d得出。)

优选地，探测装置110内的氡浓度由氡气体标准参考物质经半衰期修正、泄漏率修正后的活度和探测装置110灵敏体积的比值得出。

凭借此溯源方法，电离室测氡系统100可以在环境量级氡浓度条件下溯源至氡活度绝对测量装置。优选地，在80～500Bq/m³的氡浓度条件下，在1小时测量周期内的刻度系数为2.22×10^-2，扩展不确定度优于1.5％(k＝2)。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

Claims (10)

1.一种电离室测氡系统，其特征在于，所述电离室测氡系统至少包括探测装置(110)、信号处理模块(130)和计算分析模块(150)；

所述探测装置(110)通过电离室测氡的方式测量空气中的氡浓度，其中，所述探测装置(110)至少包括至少两个隔板(113)和若干电极丝(115)；

至少两个所述隔板(113)和若干所述电极丝(115)设置在所述壳体(116)内部，并且至少两个所述隔板(113)和若干所述电极丝(115)组成电离室的灵敏区；

其中，两个所述隔板(113)作为电路板，所述电极丝(115)的两端分别连接两个所述隔板(113)，组成避免电子、负离子和正离子重新复合和使电子、负离子和正离子在电离室两极定向漂移的电场；

所述探测装置(110)设置有至少两个信号输出端，以输出所述探测装置(110)在电离过程中收集的离子信号；

所述信号处理模块(130)与所述至少两个信号输出端连接并对探测装置(110)收集的离子信号进行处理并将处理后的信号传输至所述计算分析模块(150)进行计算，从而获得测量结果。

2.根据权利要求1所述的电离室测氡系统，其特征在于，所述电极丝(115)包括阳极电极丝(1151)和阴极电极丝(1152)，所述阳极电极丝(1151)和所述阴极电极丝(1152)按照双螺旋分布的方式设置在所述隔板(113)上。

3.根据权利要求1或2所述的电离室测氡系统，其特征在于，所述壳体(116)的侧壁上设置有出气口(111)和进气口(117)，

其中，所述进气口(117)设置在靠近所述壳体(116)底部的位置，所述出气口(111)设置在靠近所述壳体(116)顶部的位置；

其中，所述壳体(116)包括外层包壳和内层包壳，所述外层包壳和所述内层包壳通过尼龙螺柱(114)连接。

4.根据权利要求1～3任一项所述的电离室测氡系统，其特征在于，所述电离室测氡系统还包括屏蔽装置(120)；

所述屏蔽装置(120)用于屏蔽电磁、噪声和震动对所述探测装置(110)的干扰；

其中，所述屏蔽装置(120)包括屏蔽电磁、噪声的第一屏蔽装置(121)和屏蔽震动的第二屏蔽装置(122)；

所述探测装(110)放置于所述第一屏蔽装置(121)内，所述第一屏蔽装置(121)放置于所述第二屏蔽装置(122)上。

5.根据权利要求1～4任一项所述的电离室测氡系统，其特征在于，所述第一屏蔽装置(121)至少包括：第一屏蔽壳体(1211)，第一隔音层(1212)，屏蔽网(1213)，第二隔音层(1214)和第二屏蔽壳体(1215)；

所述第一屏蔽壳体(1211)设置在所述第二屏蔽壳体(1215)外部以屏蔽电磁信号；

所述第一屏蔽壳体(1211)与所述第二屏蔽壳体(1215)之间的空腔依次填充有所述第一隔音层(1212)、所述屏蔽网(1213)和所述第二隔音层(1214)；

所述第一隔音层(1212)，用于吸收探测装置(110)内部的声波；

所述第二隔音层(1214)，用于吸收第一屏蔽装置(121)外部的声波；

所述屏蔽网(1213)设置在第一隔音层(1212)和第二隔音层(1214)之间，以屏蔽电磁辐射。

6.根据权利要求1～5任一项所述的电离室测氡系统，其特征在于，所述信号处理模块(130)对所述离子信号处理至少包括放大和类型转换。

7.根据权利要求1～6任一项所述的电离室测氡系统，其特征在于，所述信号处理模块(130)至少包括至少两个前置放大器(131)、恒比定时甄别器(132)和计数器(133)；

至少两个所述前置放大器(131)以扇形等分将所述探测装置(110)灵敏体积内收集到的信号进行分组处理和传输；

所述前置放大器(131)将所述探测装置(110)收集的电流转换为电压，以电压脉冲信号的方式传输至恒比定时甄别器(132)；

所述恒比定时甄别器(132)对至少两组脉冲信号进行噪声去除、逻辑相加并输出TTL信号至所述计数器(133)；

所述计数器(133)对所述TTL信号进行转换后传输至计算分析模块(150)。

8.根据权利要求1～7任一项所述的电离室测氡系统，其特征在于，所述电离室测氡系统还包括环境参数探测模块(140)；

所述环境参数探测模块(140)与所述计算分析模块信号连接，所述计算分析模块(150)运用内置修正算法对不同环境条件下的测量结果进行自修正。

9.根据权利要求1～8任一项所述的电离室测氡系统，其特征在于，所述电离室测氡系统还包括人机交互模块(160)；

所述人机交互模块(160)与所述计算分析模块信号连接，所述计算分析模块(150)通过所述人机交互模块(160)显示氡浓度数据。

10.一种探测装置，其特征在于，所述探测装置(110)至少包括壳体(116)、至少两个隔板(113)和若干电极丝(115)；

所述壳体(116)将所述探测装置(110)的内部测量区域与外界隔离；

至少两个所述隔板(113)和若干所述电极丝(115)设置在所述壳体(116)内部，并且至少两个所述隔板(113)和若干所述电极丝(115)组成电离室的灵敏区；

其中，两个所述隔板(113)作为电路板，所述电极丝(115)的两端分别连接两个所述隔板(113)，组成避免电子、负离子和正离子重新复合和使电子、负离子和正离子在电离室两极定向漂移的电场。

Images