气球法氡气测量中滤膜性能的实验研究

杨 强 葛良全 王尔奇 周晓剑

1（成都理工大学 地学核技术重点实验室 成都 610059）

2（环境保护部核与辐射安全中心 北京 100082）

气球法氡气测量中滤膜性能的实验研究

杨 强1葛良全1王尔奇2周晓剑2

1（成都理工大学 地学核技术重点实验室 成都 610059）

2（环境保护部核与辐射安全中心 北京 100082）

滤膜是气球测氡仪的重要组成部分，选择过滤效率高、自吸收小的滤膜，不仅可以提高取样速度，更可有效减小测量误差。根据氡及其子体在滤膜上收集的物理过程，能够推导出空气滤膜上氡子体的收集和衰变随时间的变化规律。通过实验，在标准氡室中对不同材料的三种微孔滤膜过滤效率和自吸收因子关键指标进行了测试。实验表明，在同等厚度条件下，聚四氟乙烯滤膜和尼龙滤膜的过滤效率比常用玻璃纤维滤膜高，其自吸收情况也较玻璃纤维膜小；从气阻情况分析，聚四氟乙烯滤膜气阻最低，尼龙滤膜气阻最大；对常用玻璃纤维滤膜，通过增加膜厚度能够有效改善其性能指标。不仅为气球法测氡仪滤膜的选择提供了重要依据，也适用于其他滤膜测氡装置。

自吸收，过滤效率，气球法测氡，滤膜

随着社会的发展，人们对辐射环境的关注日益提升。据联合国原子辐射效应科学委员会(United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, UNSCEAR)估计，来自天然的辐射对公众的年有效剂量为2.4 mSv，其中氡及其子体的贡献占54%[1]。气球法测氡是一种主动式测量方法，利用托马斯(Thomas)绝对测氡公式，无需达到放射性衰变平衡，即可同时测量氡及其子体的潜能浓度，可广泛应用于矿山及环境中氡及其子体浓度的快速测量[2]。

气球法测氡的基本思想是将经滤膜过滤后去除子体的“纯氡气”压入气球中，等待一段时间后，气球内的氡气衰变产生“新子体”，再将“新子体”收集在采样滤膜上，测定其α放射性[3]。由此可见，取样滤膜是气球测氡法工作过程的重要组成部分，一般采用微孔滤膜作为氡子体的收集装置。目前常见的微孔滤膜种类很多，根据材料的不同有：滤纸(Filter Paper, FP)、玻璃纤维(Glass Fibre, GF)、混合纤维素(Cellulose Nitrate & Cellulose Acetate,? CN-CA)、硝酸纤维素(Nitrocellulose, NC)、醋酸纤维素(Cellulose Acetate, CA)、尼龙(Nylon)、直孔滤膜(Track Etch Membrane)以及聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene, PTFE)滤膜等，其孔径在0.15-5.0 μm[4]。滤膜有两个主要性能指标分别是过滤效率和自吸收因子，选择过滤效率高、自吸收小的滤膜，不仅可以提高取样速度，更可有效减小测量误差[5]。双滤膜测氡仪一般采用玻璃纤维滤膜，近年来PTFE滤膜在空气气溶胶采样中广泛使用。

1 氡子体在滤膜上的富集原理

1.1取样期间氡子体在滤膜上的累积

假定取样期间空气中各子体的浓度不变，并以恒定的抽气速率(V)取样，则滤膜上氡子体的变化规律服从Bateman方程[6-8]：

式中，Ni(t)为取样t时滤膜上子体i的原子数；λi为子体i的衰变常数；VQλ表示取样过程中i种子体在滤膜上直接富集数；λi-1Ni-1(t)表示滤膜上已沉积的前一种子体衰变产生i种子体，而使i种子体增加的数目；λiNi(t)是i种子体自身衰变而减少的数目，Qi是i种子体的浓度单位为(原子数/L)，下标i=1,2,3分别对应RaA(钋-218)、RaB(铅-214)和RaC(铋-214)。则氡三种子体的变化过程可用式(2)表示：

由式(1)引入初始条件：取样前换上的新滤膜，设滤

膜上无氡子体原子，即Ni(0)=0，解方程得[7]：

式中，Dij(t)是取样时间的函数，下标j与i含义相同，为三种不同的氡子体。式(3)表明抽气时t时刻第i种子体的数量与抽气速率、抽气时间以及空气中子体的浓度有关。根据气球法测氡的基本原理，在抽气结束后需等待5-10 min，使收集到的老子体充分衰变成新子体后，再进入测量阶段，测量时间3-10 min。因此，有必要讨论子体在滤膜上的衰变规律。

1.2取样结束后氡子体在滤膜上的衰变

取样结束后，抽气速率V=0。设取样结束时间，即t时刻为衰变起始时间T=0时刻，则Bateman方程变为：

式中，Mi(T)为衰变T时滤膜上子体i的原子数。

1.3测量期间滤膜上的积分计数

式(4)是采样结束后滤膜上各子体随时间的变化规律，即t=T时刻滤膜上各子体的原子数。在气球法测氡过程中，得到的是一段时间范围内α子体的积分结果，即t∈(Ta-Te)间隔的积分净计数，故有：

式中，Ci(T)为子体i的积分净计数；Gi为仪器对子体i的总效率（包括仪器效率、滤膜过滤效率和自吸收等）；Ta和Te分别为取样结束后测量起始和终止时间，min。由式(5)，仪器测量的净计数除与子体的浓度、收集时间有关以外，还与仪器探测效率、滤膜过滤效率和自吸收等因素有关，应该开展相关研究。

2 滤膜性能指标的测试方法

从滤膜上氡子体随时间的变化关系可以看出，如果滤膜过滤效率太低，在式(1)中除气球中产生的新子体外，还有部分外部空气中“老子体”的影响。由于“老子体”中各子体的形成时间未知，会使得式(5)中仪器测量的积分净计数与子体数量的线性关系破坏，造成结果的偏差。此外，滤膜的自吸收效应会使得到达探测器表面的α粒子数量减小，降低仪器的灵敏度。

2.1滤膜的过滤效率

滤膜过滤效率η的定义是：滤膜收集到的粒子数与射向滤膜的粒子总数之比，即：

式中，KP为透过率，测定η要先确定KP，一般可用双层法测定KP。假定射向第一张滤膜的总放射性活度为A0，一二层之间的为A1，而透过第二张的为A2，根据气溶胶粒子在滤膜中随着深度是按指数规律分布，所以有：

式中，k为比例常数，α为滤膜的厚度。而透过率为：

KP虽然有了定量表达式，但e-kα并不是一个好测的量。现假定第一、二张滤膜截留的放射性活度分别为N1、N2，则有：

则过滤效率η为：

2.2滤膜的自吸收

滤膜所收集的α粒子分布于整个滤膜中，在进行测量时，部分α粒子会由于滤材的阻挡不被记录，这种现象叫做滤膜的自吸收，经常用自吸收因子来表征。

假定A1层内的α粒子能够射入探测器的灵敏体积内，令其α粒子数为N1，A2层内的粒子射不到探测器的灵敏体积内，其数量为N2，则α自吸收因子Kα定义为：

由于式(11)中N1和N2不太容易直接被测量，常用正反面计数法来测量滤膜的自吸收因子。该方法的操作程序为利用待测滤膜取样氡子体，等待30min后测量样品正面α计数率，记为n1；迅速将此样品翻过来，测其反面的α计数率，记为n2；以同种滤膜盖在样品的正面，再测其α计数率，记为n3；自吸收因子Kα由式(12)确定：

3 实验过程与结果

3.1测量仪器

本次实验使用的是成都理工大学研制的气球法测氡仪，该仪器采用φ20mm金硅面垒型半导体探测器，抽气流量为30 L·min-1，可根据测量程序自动切换气路，仪器主要技术指标见表1。

表1 气球测氡仪主要技术指标Table 1 Main specifications of balloon emanometer.

测量前仪器在南华大学氡室进行了氡及其子体潜能浓度的刻度。在使用前开展了仪器稳定性测量工作，测量采用的是239Pu面源，活度未知，测量时间600 s，共得到了40组数据，见表2。

表2 仪器工作稳定性数据表Table 2 Instrumentation stability data.

测量数据标准误差为21.3，标准偏差为20.3，落在1倍、2倍和3倍均方差内的数据点的概率分别为72.5%、95.0%和100%，基本符合放射性统计涨落的分布规律。

3.2实验滤膜

实验玻璃纤维滤膜、PTFE滤膜以及尼龙滤膜均为国产。玻璃纤维滤膜使用玻璃纤维制成，机械强度差，吸水性小，耐高温[9]，在滤膜法测氡仪中广泛使用。通过测量，购置的单张玻璃纤维滤膜厚度可达1 mm，对于气球测氡仪所使用的小型直流采样泵阻力太大，可分解为4层，通过叠加测量求得单层玻璃纤维膜的厚度约为280 μm。PTFE滤膜采用PTFE为原料，经拉伸压制后形成，具有表面光滑、透气量大、耐高温、过滤效率高的优势，常覆合在其他基材上具有极好的机械抗拉性能，适合大流量的空气采样。测得实验用单张PTFE滤膜的厚度约为100 μm，不可再进一步分层。尼龙滤膜具有较好的亲水性，用在氡气测量采样装置中，可以降低湿度对测量结果的影响。实测单张尼龙滤膜厚度约为120 μm，不可再分层。

对于气球法测氡仪测量的氡子体(222Rn)而言，衰变的主要能量为5.49 MeV，根据α粒子在空气中的射程公式[10]，推导出其在空气中的射程约为4.2cm，远大于实验滤膜的厚度。图1为滤膜在物镜(×10)条件显微观测照片。可以看出，在相同放大倍数条件下，三种滤膜纤维密度按大小顺序为：尼龙、玻璃纤维、PTFE滤膜。尼龙滤膜表面看不到明显的空隙，PTFE滤膜纤维间隙明显，单其底面基材密度很高。

图1 玻璃纤维滤膜(a)、PTFE滤膜(b)和尼龙滤膜(c)镜下观测照片Fig.1 Photo of glass fiber filter (a), PTFE filter (b) and nylon membrane filter (c).

由镜下观测结果可推测，三种滤膜的空气阻力尼龙最大，其次是玻璃纤维。透气性最好的是PTFE滤膜。在直流抽气泵相同功率条件下，单张三种不同材料滤膜实测流量为玻璃纤维26 L·min-1、PTFE滤膜30 L·min-1、尼龙滤膜22 L·min-1。实测结果与观察结果一致，尼龙滤膜气阻最大，要达到相同流量所需功耗也高，这对于仪器的野外使用产生不利的影响。

3.3滤膜过滤效率测量

测量过程如下：将气球测氡仪放在氡室中，保持氡浓度不变；选2张厚度相近的滤膜（厚度相对误差小于20%），重叠在一起，保证滤膜间有2.0 mm的距离，以30 L·min-1流速采样5 min；采样结束后，将2张滤膜分别装在两个采样头上，在同一台仪器上各自测量2 min，得到两条衰变曲线；根据氡子体的衰变常数推算出初始时刻（采样完的时刻）的校正计数，得到N10、N20，代入式(10)即得η值，每种滤膜测量三次取平均值，结果见表3。

可以看出，单PTFE滤膜和尼龙滤膜的过滤效率均接近99%，比单层玻璃纤维滤膜的过滤效率约高1倍。

表3 三种滤膜过滤效率结果对比表Table 3 Comparison results of three kinds of membrane filtration efficiency.

3.4滤膜自吸收因子测量

根据前面所述方法，在氡室中分别测量三种滤膜的自吸收因子，每种滤膜测量三次取平均值，结果见表4。

通过对比可以看出，尼龙和PTFE滤膜对α粒子的自吸收因子均比玻璃纤维滤膜要大10%，说明尼龙和PTFE滤膜自吸收情况要好于玻璃纤维滤膜。同时，从仪器测量的净计数值来看，PTFE滤膜最高，其次是尼龙滤膜，玻璃纤维滤膜最低，这也说明PTFE滤膜的过滤效率也较高。结果表明PTFE和尼龙滤膜对于α粒子具有较高的过滤效率和较低的自吸收现象。

表4 两种滤膜自吸收因子对比表Table 4 Comparison results of two kinds of membrane absorption factor.

3.5不同厚度滤膜实验结果

上述实验结果仅针对单层玻璃纤维滤膜。购买的单张玻璃纤维滤膜共分为4层，将多层滤膜叠加对其性能改善效果如何？对此，开展了不同厚度滤膜性能的测试实验。实验中，分别采用单层、双层、三层和四层（单张）玻璃纤维滤膜采用§3.2和§3.3方法再次测量过滤效率和自吸收因子，结果见表5。

表5 不同厚度玻璃纤维滤膜过滤效率对比表Table 5 Filter efficiency of different thicknesses glass fiber membrane.

由表5，采用四层即单张玻璃纤维滤膜合并也能获得99%左右的过滤效率，这也是单张玻璃纤维膜分四层构成的重要原因。因此，增加滤膜厚度确实能够改善滤膜的性能指标。但是，与PTFE滤膜相比，达到同等过滤效率所需玻璃纤维滤膜的厚度较PTFE滤膜厚10倍以上，会极大地增大空气阻力。

4 结语

滤膜是气球法测氡仪的重要组成部分，其主要性能指标过滤效率和自吸收系数对测量结果的准确性和仪器灵敏度有极大的影响。通过对三种材料滤膜过滤效率和自吸收系数的实验测试，结果表明：PTFE和尼龙滤膜的自吸收情况好于玻璃纤维滤膜；在获得同等过滤效率的条件下，玻璃纤维滤膜厚度约为其他两种滤膜的十倍以上；从气阻情况来看，PTFE滤膜明显好于其他两种滤膜，尼龙滤膜最差。

综上所述，虽然PTFE滤膜的价格较高，但在气球法测氡仪中，具有极好过滤性能的PTFE滤膜是一种理想的过滤装置。该结论也适用于其他滤膜法测氡装置。

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CLCTL84

Performance research of filter in radon measurement with balloon method

YANG Qiang1GE Liangquan1WANG Erqi2ZHOU Xiaojian2
1(Applied Nuclear Techniques in Geosciences Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China) 2(Nuclear and Radiation Safety Centre, Beijing 100082, China)

Background:Filter membrane is an important part of the balloon emanometer. The membrane of high filtration efficiency but little self-absorption can not only improve the sampling rate, but also reduce the measurement error effectively. Purpose: The experiment aims to compare the performance of three different filter membrane materials. Methods: Based on the radon and its progeny collecting physical processes on the membrane, we deduced the collection of radon in filters and its decay variation with time. Through the experiment, the filtration efficiency and self-absorption factor of the three different membranes have been tested. Results: When the thickness is almost the same, the filtration efficiency of Polytetrafluoroethylene (PTFE) filter and nylon filter is higher than that of commonly used glass fiber filter and its self-absorption is better than that of glass fiber membrane. The air resistance of PTFE filter is the best. It can effectively improve the performance by increasing thickness of the glass fiber filter membrane. Conclusion: This is not only a good reference for the selection of filter membrane in radon measurement with balloon method, but also applicable to radon-measuring devices with other methods.

Self-absorption, Filtration efficiency, Balloon radon method, Filter membrane

TL84

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.060404

国家863计划课题“高精度能谱探测仪器研发”(No.2010AA061803)、中国地质调查局工作项目(No.1212011120186)资助

杨强，男，1982年出生，2012年于成都理工大学获博士学位，核技术及应用专业

2014-02-25，

2014-04-01