氡子体体积活度的液体闪烁计数方法研究

杨志杰， 李则书， 侯胜利， 刘皓然， 张 明， 梁珺成

（1.中国地质大学地球物理与信息技术学院，北京100083； 2.中国计量科学研究院，北京100029；3.南华大学核科学技术学院，湖南衡阳421001）

氡子体体积活度的液体闪烁计数方法研究

杨志杰1，2， 李则书2，3， 侯胜利1， 刘皓然2， 张 明2， 梁珺成2

（1.中国地质大学地球物理与信息技术学院，北京100083； 2.中国计量科学研究院，北京100029；3.南华大学核科学技术学院，湖南衡阳421001）

基于液体闪烁计数原理和滤膜采样技术，建立了一种氡（222Rn）子体体积活度和α潜能浓度的测量方法。应用该方法对氡室中处于放射性平衡状态的氡子体体积活度进行了取样测量，氡子体α潜能浓度测量结果的扩展不确定度小于1.5%（k＝2）；用α能谱法对氡子体液体闪烁计数测量方法进行了旁证，两种方法的测量结果在不确定度范围内一致。

计量学；液体闪烁计数法；α能谱法；氡子体体积活度；氡子体α潜能浓度

1 引 言

氡子体为氡（222Rn）的衰变产物，易与空气中的气溶胶结合形成放射性气溶胶，通过呼吸道吸入后将对人体产生内照射。UNSCEAR 2013报告指出氡子体是引起肺癌的原因之一［1］。ICRP第115号出版物规定［2］：正常人群平衡当量氡浓度年平均值不能超过300 Bq／m3，在我国住房内氡及其子体控制标准［3］为：平衡当量氡浓度年平均值不能超过200 Bq／m3。由此，氡子体体积活度的准确测量对准确评价环境氡暴露危害具有极其重要的意义。

α能谱法［4］是测量氡子体体积活度的重要方法，然而由于采样滤膜对α粒子的自吸收效应，会引起高能段α粒子进入低能段，从而出现α能谱拖尾甚至“峰重叠”现象。此外，α谱仪的探测效率受探测立体角影响，不会超过50%，而且确保刻度条件与实际样品的测量条件一致也很困难［5］。

液体闪烁计数法具有无自吸收、能实现4π立体角测量等优点。本研究工作将液体闪烁计数方法优势与纤维滤膜定量采样相结合，实现了222Rn子体体积活度的准确测量。

2 测量原理

氡子体指的是铀系中222Rn衰变后的几个短寿命子体核素，分别为218Po（RaA）、214Pb（RaB）、214Bi（RaC）、214Po（RaC′），其中218Po、214Po为α辐射体，214Pb、214Bi为β辐射体。氡与子体的衰变关系见图1［6］。

图1222Rn及其子体衰变关系图

利用专用取样器从氡室中进行氡子体滤膜采样，再将采样滤膜放入装有15 mL闪烁液的液闪瓶中震荡混匀，使得氡子体每一次衰变释放的α或β粒子均能在闪烁液中损失能量。在取样阶段，滤膜上氡子体的原子个数取决于取样收集、母体衰变（增加）和自身的衰变（减少）；取样结束或放入闪烁液后，氡子体的原子个数取决于母体衰变（增加）和自身衰变（减少）。以上过程中氡子体的原子个数随时间变化可用贝特曼微分方程［7］描述

式中：η为滤膜过滤效率，因控制气溶胶粒径大于微孔滤膜孔径，本实验中滤膜对各个子体的过滤效率相同且为1；θi为空气中第i种子体的原子浓度，m-3；v为取样流速，m3／s；λi为第i种子体的衰变系数，s-1；Ni（t）为t时刻滤膜上第i种子体的原子个数。

ηθiv表示取样过程中直接沉积在滤膜上的第i种氡子体的原子个数；而取样停止后，氡子体在滤膜上的直接沉积现象已不存在，ηθiv＝0。

由于214Po的半衰期只有164μs，远小于其母体214Bi的半衰期，这两种子体处于长期放射性平衡状态，所以在分析过程中可以假设214Bi属于α和β的混合发射体，同时218Po释放α粒子，214Pb释放β粒子，因此由218Po，214Bi发射的总α活度为

由214Pb，214Bi发射的总β活度为

由于氡子体发射的α和β粒子均能与闪烁液作用，滤膜的自吸收问题可忽略，根据法国Picolo等人的实验和在中国计量科学研究院的验证，液体闪烁计数器对于222Rn子体所释放的α粒子和β粒子均有接近100%的探测效率［8］，由此液闪的测量计数率等于所有222Rn子体的衰变率，即n＝D·E。根据式（2）和式（3），可以得到液闪对于α和β的总的计数率n（α＋β）为

对式（4）做关于测量时间的积分，参考托马斯三段法［9］，在液闪测量取样结束后的2～5min，6～20min，21～30min 3个时间段内，α、β总计数率分别为A1，A2，A3。取样时间tp选择为10 min，可以得到

式中：Ci为第i种氡子体的体积活度，Bq／m3；Ai为第i段测量时间内的液闪测量计数率，min-1。222Rn的各个子体衰变到210Pb时所发射的α粒子能量总和为氡子体α潜能，氡子体α潜能浓度用PAEC表示，μJ／m3，利用式（6）计算氡子体α潜能浓度［10］

3 实验测量

3.1 取样条件

实验在中国计量科学研究院氡室中进行，氡室总体积为19.988 m3，主体箱为12.460 m3，最高氡体积活度可调节到232 kBq／m3。温度、相对湿度、气溶胶浓度调节范围分别为0.66～44.39℃，16.4%RH～95%RH和102～106 cm-3。

通过自动控制，使氡室中氡体积活度连续12 h保持在10 000±1 000 Bq／m3，气溶胶浓度保持在10 000±1 000粒子／cm3，氡室主箱体内的温度保持在25±2.5℃，湿度保持在30%RH～40%RH。用TSImode3781监测氡室内气溶胶浓度，EQF3220监测氡室内222Rn体积活度及平衡当量氡浓度，监测结果见图2和图3。

根据TSImode3781的监测结果，12 h内气溶胶浓度平均值为9 794 cm-3，相对标准偏差为4.8%。

根据EQF3220的监测结果，12 h内氡体积活度的平均值为9 957 Bq／m3，相对标准偏差为3.0%，平衡当量氡浓度平均值为7438 Bq／m3，相对标准偏差为0.83%。结果表明，液闪方法的取样测量可在氡室系统自动调节控制的基础上，当氡子体体积活度处于稳定、平衡的状态时再进行。

图2 TSImode3781监测取样前后气溶胶浓度

图3 EQF3220监测取样前后222Rn体积活度及平衡当量氡浓度

3.2 取样与测量

在氡室内的氡子体与222Rn达到平衡及体积活度稳定时进行取样，取样滤膜为0.8μm硝酸纤维滤膜（NITROCELLULOSE MEMBRANE，型号AAWP03700），采样泵为Gilian5000恒流泵，采样流量设为3 L／min（取样前用检定合格的皂膜流量计校准），取样时间为10 min。取样结束后，迅速将滤膜从取样器取出，沿采样面对折，小心撕碎后放入20 mL液闪瓶中，充分摇匀，该过程在2min内完成。将滤膜-闪烁液样品放入液体闪烁计数器中测量，自动记录2～5min，6～20 min，21～30min 3个时间段内的α、β总计数率，将测量结果代入式（5）和式（6），分别计算得到取样时刻氡室内空气中各氡子体的体积活度及氡子体α潜能浓度。取样及测量的流程见图4。

α粒子与液体闪烁液作用时，5 MeV能量的α粒子所产生的光子数只相当于0.5 MeV能量的β粒子所产生的光子数［6］，因此液体闪烁计数器完全可以同时适用于222Rn子体发射的α和β粒子的测量。本研究采用Tri-Carb 3100TR型液体闪烁计数器进行实验测量研究，其能量测量范围为0～2 000 keV，采用时间分辩液闪计数（TRLSC）技术，有效降低本底，正常计数模式时本底为28 min-1（0～2 000 keV）。其装置结构见图5。

图4 液体闪烁计数法测量222Rn子体体积活度取样测量流程图

图5 液体闪烁计数器装置结构图

4 液闪测量结果

用Tri-Carb 3100TR液体闪烁计数器测量滤膜-闪烁液样品在3个时间段内的计数率，结果见表1。

表1 液闪的三段计数率测量结果 min-1

以上测量中，液体闪烁计数器本底计数率为28 min-1，结合计算式（5）和（6），可以得到表2所示结果。

表2中的测量结果不确定度主要来源于取样流速、统计涨落、氡子体体积活度波动等因素，各子体体积活度的不确定度可用式 （7）表示，实验中应用ULTIMA GOLD F型滤膜专用闪烁液。闪烁液浸透滤膜，使得滤膜上或转移到闪烁液中的氡子体核素衰变产生的α或β粒子均能与闪烁液作用，损失能量，产生荧光，从而被探测到，因此避免了自吸收损失，滤膜自吸收效应引入的不确定度可以忽略不计。

式中：Ni为第i种氡子体的计数；χ为其发射α粒子或β粒子的概率；Ei为对第i种氡子体发射的α粒子或β粒子的探测效率；v为取样流量；t为取样时间；M1为取样期间，第i种氡子体体积活度的均匀稳定性 （相对变化）；M2为液闪本底的影响；M3为氡子体死时间修正的影响。

表2222Rn子体体积活度、α潜能浓度测量结果

以上分量中，取样流速v的不确定度由皂膜流量计的标准不确定度 （证书给出）与加滤膜后取样流量的相对标准偏差合成，典型值为0.7%；液体闪烁计数器对于α粒子的计数效率为100%，对于氡子体的β粒子的典型探测效率大于99.5%，且受样品的猝灭程度的影响可忽略，由此相对标准不确定度为0.2%［8］。

由3种氡子体体积活度的统计涨落引起的不确定度可用式 （8）计算［11］

此外，由于液体闪烁计数器测量过程中存在扩展死时间，且214Po的半衰期仅为164μs，因此在液闪探测死时间期间214Po发生衰变的概率不能忽略，即死时间期间214Po的计数率损失需要校正。根据法国Picolo等人的研究，在50μs的死时间条件下，计数率达到4 500 s-1时的计数率损失达到5%［8］；而在本文的实验测量中，已经精确确定液闪系统的死时间，在样品的实际计数率为378～574 s-1时，死时间引入的不确定度分量不超过0.5%。以No.1组为例，上述各不确定度分量的典型值汇总见表3。

以上各分量相互独立，可根据公式 uc＝算出各子体体积活度的典型合成相对标准不确定度，以No.1组测量结果为例，对于RaA，ucA＝3.8%；对于RaB，ucB＝2.3%；对于RaC，ucC＝2.4%。

根据式 （6），氡子体α潜能的合成标准不确定度为

对于No.1组测量数据，根据式（9）可计算得到氡子体α潜能的相对合成标准不确定度uPAEC＝0.75%。

表3 典型不确定度分量表

5 测量结果的旁证与讨论

为了旁证液体闪烁计数法的测量结果的可靠性，通过平行采样，基于ORTEC Alpha-Duo谱仪应用α能谱法［4］测量了氡室内氡子体的体积活度，其能谱见图6，而氡子体在液闪中的能谱见图7。α能谱法与液闪方法获得的氡子体α潜能浓度的测量结果见表4。

图6 α能谱法测量222Rn子体α能谱图

可借助｜En｜判断准则确定液闪和α能谱两种方法获得的测量结果的一致性：

图7 液闪测量222Rn子体α、β能谱图

式中：x和Ulsc分别为液闪方法测量得到的氡子体α潜能浓度和不确定度；X和Uref为用α能谱法测量得到的氡子体α潜能浓度和不确定度。

根据表4的结果，两种方法测量结果的｜En｜值为0.90，根据｜En｜判定标准，说明液闪法测量结果与α能谱法测量结果在不确定度范围内一致。

表4 液闪方法与α能谱法测量比较结果

表4 中，α能谱法测量结果的合成标准不确定度除了需要考虑计数统计、发射概率、取样流速、取样时间、氡室内氡子体体积活度的均匀稳定特性和仪器本底外，相对于液体闪烁计数方法，还需要特别考虑取样滤膜的自吸收和α能谱解谱所引入的不确定度。而由于α能谱法的探测效率相对较低 （4π探测效率一般低于40%），计数统计涨落引入的不确定度分量也远比液闪方法大。

液闪方法对于α和β粒子的探测效率近似为100%，但由图8可以看出，由于分辨率的限制，实际的α和β能谱会重叠在一起，不易区分，因此不适宜单独基于α能谱或β能谱或解谱法进行单个氡子体的活度计算。此外，结合Picolo等人［8］和本研究工作，由于214Po的衰变特点以及商用液体闪烁计数器的死时间难以精确确定，液闪探测中死时间导致的计数率损失不可忽略，否则在高计数率情况下将引入较大的不确定度，如在计数率达到4 500 s-1时，计数率损失将达到5%。

6 结 论

基于液体闪烁计数原理和滤膜采样技术，建立了一种氡子体体积活度和α潜能浓度的测量方法，典型情况下，对于氡子体218Po的体积活度测量结果的扩展不确定度小于8%（k＝2），对于214Pb和214Bi小于5%（k＝2），而对于氡子体α潜能浓度则小于1.5%（k＝2）。

与α能谱法比较，液体闪烁计数法对于α粒子和β粒子均具有近似100%的探测效率，可以同时利用α和β粒子产生的计数进行体积活度计算，因此由计数统计涨落引入的不确定度更小，并且不存在采样滤膜自吸收和能谱解谱的问题。因此，在测量结果的不确定度方面，液闪测量结果远优于单纯依赖α能谱获得的测量结果。

液体闪烁的扩展死时间必须精确确定，并需要对能级寿命仅为164μs的214Po的计数率损失进行修正，否者测量结果的精确性将受到影响。

］

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Research on the Progeny Volume Activity Measuring Method of222Rn w ith Liquid Scintillation Counting

YANG Zhi-jie1，2， LIZe-shu2，3， HOU Sheng-li1， LIU Hao-ran2， ZHANGMing2， LIANG Jun-cheng2
（1.School of Geophysics and Information Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China；2.National Institute of Metrology，Beijing 100029，China；3.School of Nuclear Science and Technology，University of South China，Hengyang，Hunan 421001，China）

Based on liquid scintillation counting，ameasuringmethod of222Rn progeny volume activity is established.Using this kind ofmethod，measurements are executed in NIM’s radon chamber when222Rn and its progenies get to the secure equilibrium，and a typically expanded uncertainty of 1.5%（k＝2）for the potential alpha energy concentration is obtained.Comparative measurements based on the alpha energy spectrum are also executed and the results of the two methods agree within the estimated uncertainty limit.

Metrology；LSCmethod；αenergy spectrum method；222Rn progeny volume activity；PAEC

TB98

：A

：1000-1158（2015）03-0328-05

10.3969／j.issn.1000-1158.2015.03.22

2014-10-08；

：2014-11-28

杨志杰（1990-），男，蒙古族，内蒙古赤峰人，中国地质大学（北京）硕士研究生，主要研究方向为放射性活度计量。qizaiyy＠163.com梁珺成为通讯作者。liangjc＠nim.ac.cn