基于能谱拖尾及探测效率测试的最优α放射性气溶胶取样滤膜选择研究

张俊新 谷 懿 万前银 刘秋实 林文钊

（成都理工大学核技术与自动化工程学院 成都 610059）

放射性气溶胶分为天然核素放射性气溶胶和人工核素放射性气溶胶，天然放射性气溶胶主要是指氡子体气溶胶，而在铀矿开采、核设施运行、退役和核废料储存等过程中，产生的238U、210Po 及其他半衰期很长的人工核素形成的气溶胶被称为人工放射性气溶胶［1］，它们都严重危害人体健康。因此，对放射性气溶胶的监测是非常必要的。气溶胶监测方法分为取样和测量两个过程，取样过程中取样滤膜因其本身特性差异对放射性气溶胶的过滤效果不同，进而影响监测系统的总探测效率。另外，滤膜的本身特性造成天然放射性气溶胶α 能谱拖尾，不仅会干扰人工放射性气溶胶监测，而且会增大核素识别难度，甚至会造成测量结果失效［2−3］。为了选择性能优异的取样滤膜，马晓等［4］测定了取样滤膜的过滤效率、自吸收因子、表面收集特性、阻力和流量的关系参数。夏源等［5］探究了大小流量下混合纤维素滤膜孔径对α 能谱拖尾的影响。康玺等［6］通过氡子体标准源研究了探测仪器对不同种类滤膜的探测效率的差 异。Holmgren 等［7］得出了微孔滤膜孔径小于1 µm 更适合于氡子体天然放射性气溶胶取样的结论。

本文针对不同浓度氡子体放射性气溶胶，开展氡子体气溶胶滤膜吸附实验，完成多种滤膜总探测效率和α 能谱拖尾性能分析，为天然放射性气溶胶监测的滤膜选择提供参考。

1 实验装置与方法

1.1 取样装置

放射性气溶胶取样装置部分由通气管、采样头、电子流量计、抽气泵和稳压器构成，取样时和氡室连通构成闭合回路（图1）。抽气泵选用中国卡川尔流体科技有限公司（KAMOER）生产的KVP15-KL-2-B-S 型真空隔膜泵，额定电压24 V 下其流量约为10 L∙min−1。电子流量计选用MF5700 型气体质量流量计，量程0～10，25 L∙min−1（标况），精度±（2.0+0.5）%FS。

图1 取样装置示意图Fig.1 Schematic illustration of the radioactive aerosol sampling device

放射性气溶胶取样滤膜分别是疏水性聚四氟乙烯（Hydrophobic Polytetrafluoroethylene，疏 水 性PTFE）滤膜、聚丙烯（Polypropylene，PP）滤膜和混合纤维素（Mixed Cellulose Ester Membrane，MCEM）滤膜。根据厂家提供数据手册和查阅资料可知三款滤膜性能如下［8−10］：疏水性PTFE滤膜，孔隙均匀，孔隙率在80%～90% 之间，吸水率小于0.01%，通气量大。PP 滤膜，无规则孔型和统一孔径，孔隙率高且具有疏水性。MCEM 滤膜具有孔径分布均匀的致密微孔，孔隙率高达80%，阻力小、滤速快且具有亲水性。图2（a～c）分别为三种滤膜的实测电子显微结构。本实验选用每种滤膜直径为50 mm，形状为圆形，孔径分别为0.22 µm、0.30 µm、0.45 µm和0.65 µm。

图2 三种滤膜的显微结构 (a) 疏水性PTFE滤膜，(b) PP滤膜，(c) MCEM滤膜Fig.2 Microstructure of three kinds of filter membranes (a) Hydrophobic PTFE, (b) PP, (c) MCEM

1.2 探测装置

探测装置部分选用美国CANBERRA 公司的钝化离子注入硅半导体探测器（Passivated Implanted Planar Silicon，PIPS），型号为PD450-17-100AM。为了避免环境和仪器噪声对实验的影响，对探测器的能量分辨率和本底计数进行测量。选用241Am 面源在真空条件下对探测器能量分辨率进行测试。测量时间为20 min，测量得到241Am面源α谱线图（图3）。由谱线数据计算可知，探测器对5.486 4 MeV特征峰的能量分辨率为0.57%。将空白滤膜置于探测器中，测量时抽真空，测量时间20 min，在大于3 MeV能量能区的仪器本底计数为1 个，实验仪器本底极低。

图3 241Am面源α谱线图（α射线能量为5.486 4 MeV）Fig.3 α spectrum of the241Am planar source (its characteristic peak at 5.486 4 MeV)

1.3 实验方法

本研究选用体积为4.4 m3的氡室作为实验平台进行实验，当氡室内氡浓度达到标准值后，在氡室内加入足量的悬浮微粒与氡子体结合，模拟天然放射性气溶胶。选用燃烧蚊香作为悬浮微粒（气溶胶）产生源，蚊香燃烧形成的微粒大部分属于亚微米气溶胶，粒径为0.1～0.4 µm［11］，易与氡子体结合形成放射性气溶胶。为了模拟饱和天然放射性气溶胶实验环境，实验前在氡室内放置点燃的蚊香30 min，产生大量的气溶胶。燃烧结束后稳定3 h，使氡子体与气溶胶粒子充分结合，达到饱和状态。实验时将待测滤膜放置于取样装置中抽气20 min，抽气流量由电子流量计读数记录。抽气完毕后将滤膜置于探测装置中测量20 min。按照上述步骤在不同氡浓度下对不同滤膜进行抽样测试实验，每种滤膜测试4 种孔径设置8个浓度，共进行96组实验。

2 探测效率

2.1 探测效率的计算方法

222Rn 短寿命衰变子体主要有218Po、214Pb、214Bi和214Po，因为218Po 的半衰期仅为3.05 min，故实验测量得到α能谱主要考虑214Po（7.68 MeV）的贡献。气溶胶监测方法整套系统的总探测效率（ε）主要包括：取样过程中滤膜过滤效率（η）和探测仪器对滤膜上α粒子的谱仪探测效率（η0），η和η0都会随滤膜种类不同而发生变化，满足［6，12］：

η0可由测得的放射性气溶胶α 能谱上的214Po（7.68 MeV）峰计数N与滤膜上氡子体214Po衰变放出的总粒子数NT之比来表示：

式中：ε表示总探测效率；N表示α 能谱上214Po 峰总计数；NT表示滤膜上氡子体214Po衰变放出的总粒子数。NT可由氡子体气溶胶在滤膜上的分布规律公式（3）～（5）进行理论计算。

氡子体气溶胶在滤膜上的分布规律公式描述了采样和测量这两个阶段。在采样阶段中，氡子体气溶胶富集在滤膜上，同时也在发生放射性衰变，该过程如式（3）所示［13］：

采样结束后，氡子体在滤膜上的衰变过程为：

式中：i= 1，2，3，4 分别表示氡子体218Po、214Pb、214Bi、214Po；θi是i种子体的原子浓度，原子∙L−1；λi是i种子体的衰变常数，min−1；η为滤膜过滤效率；ν是采样流速，L∙min−1；ηθiν表示取样过程中i种子体在滤膜上的直接沉积数；t是采样时间，min；Ni(t) 是采样t时刻滤膜上i种子体原子数；λi−1Ni−1(t)表示滤膜上已积累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；T是衰变时间，min，采样结束时T=0；Ni(T) 是测量过程中滤膜上衰变到T时刻i种子体的原子数；λiNi(T) 是测量过程中i种子体自身衰变而减少的数目。

数据代入到式（3）和（4）联立可解出Ni(T)，对λiNi(T)进行测量时间积分，便可得出从测量开始到T时刻富集在滤膜上的放射性核素衰变放出的总粒子数NT，见式（5），将NT代入式（2），由式（1）即可计算出系统总探测效率。

式中：T1为测量开始时间；T2为测量结束时间。

2.2 探测效率对比分析

2.2.1 滤膜种类和孔径大小对探测效率的影响分析

测量结束后，利用式（1～5）分别计算孔径为0.65 µm、0.45 µm、0.3 µm和0.22 µm的疏水PTFE滤膜、MCEM滤膜和PP滤膜在不同氡浓度下的探测效率，探测效率变化趋势如图4所示。

图4 不同氡浓度下疏水PTFE (a)、MCEM (b)和PP (c)滤膜探测效率随孔径的变化Fig.4 Detection efficiency vs. pore size for the hydrophobic PTFE (a), MCEM (b) and PP (c) filter membranes under different radon concentrations

由图4反映，疏水PTFE滤膜探测效率变化范围为12.95%～15.92%；MCEM 滤膜探测效率变化范围为14.09%～21.00%；PP 滤膜探测效率变化范围为1.80%～4.76%。不同氡浓度同一孔径下，MCEM 滤膜探测效率最高，疏水PTFE 滤膜次之，PP 滤膜最低。MCEM滤膜和疏水PTFE滤膜的结构分别属于体吸收性孔状膜和平板网状膜，两者孔隙分布均匀，孔隙大小一致。而PP滤膜结构为体吸收性网状膜，孔隙不均匀，大小不一致，没有标准孔径。滤膜在截留气溶胶时有多种效应共同作用，包括扩散效应、惯性效应、直接阻截和筛选效应等。PP滤膜的不标准孔径结构会导致直接阻截和筛选效应作用效果较差，这也是PP滤膜探测效率是最低的原因。

在不同氡浓度下，同种滤膜孔径对探测效率影响如下：MCEM 滤膜和疏水PTFE 滤膜在孔径为0.45 µm 时探测效率最高，而PP 滤膜在孔径为0.22 µm 探测效率最高，这是由于滤膜结构导致的。滤膜孔径尺寸过大会导致吸附放射性气溶胶量较少，而滤膜孔径尺寸过小时容易截留如蚊香燃烧形成的和大气中灰尘的悬浮小粒径颗粒覆盖滤膜表面导致探测效率过低［2］。MCEM 滤膜和疏水PTFE 滤膜开孔均匀且孔隙大小一致，孔径为与所测气溶胶最大粒径（0.4 µm）大小相当时截留的气溶胶量最多，故孔径为0.45 µm 时探测效率最高。而PP 滤膜孔径衡量标准称为标称孔径，这是指一系列网状孔隙的平均值，实际上有相当一部分的孔隙大小会高于标称孔径［8］，这种不均匀结构会导致孔径小（0.22 µm）仍能截留较大颗粒气溶胶，进而截留气溶胶量变多，故PP 滤膜在孔径为0.22 µm 时探测效率最高。综上所述，选择孔隙均匀大小一致的滤膜更适合放射性气溶胶取样，对于孔隙均匀大小一致的滤膜可选用和天然气溶胶粒径最大值接近的孔径。

2.2.2 浓度对探测效率的影响分析

不同孔径疏水PTFE 滤膜、MCEM 滤膜和PP 滤膜的探测效率受氡浓度影响变化趋势如图5所示。

图5 不同孔径疏水PTFE (a)、MCEM (b)和PP (c)滤膜探测效率随氡浓度的变化Fig.5 Detection efficiency vs. radon concentration for the hydrophobic PTFE (a), MCEM (b) and PP (c) filter membranes with different pore sizes

从图5 可以看出，总体上三款滤膜同一孔径下的探测效率均随氡浓度升高逐渐减小。这是由于氡子体浓度会伴随氡浓度升高而增大，进而结合形成的氡子体气溶胶浓度也会升高。故在相同采样时间内，高氡浓度下相比低氡浓度下吸附到滤膜表面上的氡子体气溶胶更多，在滤膜表面形成的吸附层更厚，导致探测效率偏低。因此，在天然放射性气溶胶测量时，需要注意气溶胶浓度的影响。

3 拖尾指标

3.1 拖尾指标确定

在实际的放射性气溶胶测量中，α 能谱产生低能拖尾主要有谱仪和非谱仪因素：非谱仪因素指的是一部分α粒子穿过取样滤膜进入夹层及测量过程α粒子在空气层发生自吸收导致α粒子能量降低，产生低能拖尾。谱仪因素指的是α粒子以不同角度进入到探测器灵敏区过程中会损失部分能量导致低能拖尾，同时受到电子学噪声影响［14］。本实验对滤膜拖尾指标的研究以214Po 的7.68 MeV 特征峰为研究对象，为了量化拖尾程度，定义K为滤膜本身的性能造成的拖尾指标［5］，有：

其中：ξ是滤膜表面收集特性，该特性是指滤膜的表面收集到的气溶胶份额多少。滤膜表面收集特性越低，则越容易产生α 能谱拖尾。ξ可由式（7）计算得到［15］：

式中：M为第t道214Po 特征能量峰计数；S1为214Po 特征能量峰的高能部分（图6 阴影部分）积分计数；S2为谱仪记录214Po（7.68 MeV）核素α粒子能峰的总积分计数。

图6 214Po核素特征峰和低能拖尾示意图Fig.6 Schematic diagram of the characteristic peak of214Po and its low energy tailing

3.2 拖尾指标对比分析

由实验所测得的放射性气溶胶α能谱数据得到S1、S2和M值，根据式（6）和（7）计算出不同孔径疏水PTFE 滤膜、MCEM 滤膜和PP 滤膜在不同氡浓度下的拖尾指标（表1～3）。

表1 不同孔径疏水PTFE滤膜在不同氡浓度下的拖尾指标Table 1 Tailing factor of the hydrophobic PTFE filter membrane with various pore size under different radon concentration

对比拖尾指标K可以发现，三款滤膜中疏水PTFE 滤膜拖尾指标最低，MCEM 滤膜拖尾指标稍高于疏水PTFE膜，PP滤膜拖尾指标最高，这主要与滤膜自身材质结构有关。同种滤膜的孔径大小对α能谱拖尾的影响并不明显。因此，对于α 能量分辨率要求高的放射性气溶胶取样环境可以考虑疏水PTFE滤膜，孔径大小可结合探测效率要求来选择。

表2 不同孔径MCEM滤膜在不同氡浓度下的拖尾指标Table 2 Tailing factor of the MCEM filter membrane with various pore size under different radon concentration

表3 不同孔径PP滤膜在不同氡浓度下的拖尾指标Table 3 Tailing factor of the PP filter membrane with various pore size under different radon concentration

4 结语

取样滤膜影响着放射性气溶胶监测的测量效果，放射性气溶胶测量时应综合考虑探测效率、α能谱拖尾和放射性气溶胶浓度的影响来选择材质、孔径和尺寸适宜的滤膜。通过本文研究可知：为了保证放射性气溶胶测量时的高探测效率及减小α能谱拖尾的影响，尽可能选用具有孔隙均匀大小一致的滤膜；对于孔隙均匀大小一致的滤膜，为了提高测量时的探测效率，可选用和所测气溶胶粒径最大值接近的孔径；另外，天然放射性气溶胶测量时需注意气溶胶浓度的影响。相同孔径下，MCEM滤膜相比疏水PTFE 滤膜和PP 滤膜，探测效率最高，MCEM 滤膜适合于低浓度的天然氡子体放射性气溶胶测量；疏水PTFE 滤膜相比MCEM 滤膜和PP 滤膜，对α 能谱测量拖尾影响最小，适合用于人工放射性气溶胶测量；PP 滤膜作为取样滤膜时探测效率低且对α 能谱测量拖尾影响大，不适合用于放射性气溶胶取样。