固体核径迹探测器(Solid State Nucler Trace Detector or SSNTD)技术经历了漫一长时间的发展, 目前已相当成熟, 应用甚广。为了提高探测灵敏度, 往往用静电收集型SSNTD; 但静电场使探测装置变得复杂、体积明显增大, 为此开发了驻极体收集型SSNTD。近年来在驻极体技术的基础上, 进而独树一帜, 脱色离开SSNTD, 独自发展成新型驻极体探测器, 广泛用于各个领城。
一 驻极体氡监测器驻极体首先是从氡浓度测量发展起来的。用于空气中氡浓度测量的驻极体被功式环境氧监测器(Electret Passive Euvironmental Radon Monitor or E-PERM)系统由驻极体(Electret)、离子室(Ion Chamber)和表面电位(电压)阅读器(Surface Potential Eleclret reader)二部分组成。
驻极体是用聚四氟乙烯制造的圆盘, 它经特殊处理而永久性带电。驻极体紧固在导电塑料托上, 并能拧进导电的离子室, 形成较强的静电场。
离子室由导电塑料而成, 它能使驻极体在离子室内建立稳定的静电场。射线电离离子室内的空气, 产生正、负离子对; 离子在静电场中漂移, 并被收集。典型的离子室设有开、关机构, 当处于关位时, 驻吸体与空气隔绝; 而处于开位时, 空气能通过滤膜扩散进入离子室。驻极体既是离子室内产生离子的收集器, 又是灵敏的探测元件。
只有室内空气中的氧气(不是氡子体)才能通过带过滤的入口扩散进入离子室, 直到室内氡浓度与离子室内氡浓度相同为止。离子室内的氡衰变生成子体, ,氡及其子体衰变后射出来的a粒子, 在空气中电离产生正、负离子时; 在离子室内驻极体产生的静电场中, 带正电荷的驻极体吸引负离子, 表面电荷被所收集到的离子中和; 而正离子则移动到室壁并消失。这些离子被收集到驻极体上后, 驻极体表面电位按比例下降。
表面电位(压)阅读器是测量驻极体面电位(压)的电子仪器。驻极体的面电位因离子收集而下降, 因此可通过测量其压降来确定室内平均氡浓度。驻极体的面电位降正比于氡浓度和暴露时间(累积氡浓度), 可利用面电位阅读器确定终电压降, 由刻度时得到的关系式计算待测空气中的平均氡浓度。
二 驻极体的性能国际上商品型驻极体于八十年代末、九十年代初问世, 如美国Rad Elec公司推出的E-PERM。由于它是用方便、方法可靠, 已为美国环境保护署认证, 并推荐为氡计量基准器具。
1.灵敏度和准确度
驻极体按灵敏度不同分二种规格, 短期驻极体具有高灵敏度, 可作短到一天的测量; 长期驻极体灵敏度较低, 可长达一年甚至更长的时间。离子室按体积不同分三种规格, 标准体积的S型(200ml)小体积的L型(50ml)和大体积的H型(1000ml)。驻极体和离子室可以自由组合, 以满足不同的灵敏度要求。
假设3天测量得到平均氡浓度约为22.2Bq/m3±15%。这意味着它能以3夭暴露至少15%的精确度测量22.2Bq/m3。
在正常室内条件下, 有理由说在4天内测量低于40Bq/m3的水平时, E-PERM可精确到10%以内。在更高浓度或暴露更长时间时, 它们有更高的精确度。
考虑到全部可能的随机系统误差(驻极体厚度、离子室体积、制度等), E-PERM系统的准确度约为±6%。
2.动态范因(Dynamie Range)
当驻极体电压低于150伏时, 离子收集收率较低.而大于750伏时又会出现离子倍增现象。200-750伏范围内电压降与累积氡浓度线性相关, 因此用驻极体作氡测量, 有用的电压范围为200-750伏。它确定了各种不同组合的E-PERM的功态范围。例如对于S型离子室短期驻极体, 这200-750伏可转换成约10, 000Bq/3-days的极限累积氧浓度。这意味着如果暴露于10, 000Bq/m3一天或1, 000Bq/m3十天的话, 电压将从750V降到200V。类似地, S型长期驻极体有100, 000Bq/m-3-days的极限, 和L型离子室长期驻极体有500, 000Bq/3-days的极限。这些就是驻极体的动态范围。
3.环境参数的影响
为了在不同环境中满意地使用E-PERM, 了解环境参数对系数性能的影响是重要的。
A.温度和相对湿度的影响
室内或环境中温度的变化不影响E-PERM测量。但是当混度显著变化时, 聚四氟乙烯驻极体表面趋于变凹或变凸。这使得读数时驻极体表面稍微移得离传感器更近或更远, 这造成电压值的微小变化(几伏)。这种影响可在相同的(室)温度下作初始和终了读数来限制; 也就是如果当它们读数时驻极体较热或较凉, 那么可简单地放置1-2小时使驻极体在读数前回到室温。
此外, 阅读器温度的明显变化也会影响驻极体读数, 每10°F不到Ⅳ。因此, 在进行读数前, 最好将阅读器在室温下放些时间。
因此, 使驻极体和阅读器在相同温度下进行初始和终了读数, 就能有效地克服温度的影响。
室内或环境中的相对湿度都不影响E-PERM工作, 特别是在作水氡测量时, 实际上在10%石相对限度下使用, 工作正常。
然而, 阅读器必须保持干燥以便提供正确的电压值。只要阅读器放在便携式箱内, 干燥剂正常发挥作用, 它就能提供正确的电压读数。
B.海拨高度的影响
E-PERM在位于海平面的纽约城的DOE/EML氡室刻度。在较高的海拨高度下, 每单位体积空气含有少一点的空气分子被氡的a粒子电离。结果对于相同的氡浓度产生稍低的电离, 而实际氡浓度应比测量值略高。因此, 在用作精确测量时, 要对这种影响进行仔细的实验测定。附表 提供了用于修正海拨高度影响的修正因子。由附表可以看出, 对于S型离子室在4, 000英尺以下海拨高度没有影响, 因此, 不必作修正。在L型室的情形, 海拨1000英尺以上就必需作修正。而正Ⅱ型室对海拨高度不必修正。
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附表 E-PERM结果的海拨高度修正因子 |
C.飘尘的影响
在每个房间内总有一些离子。如果离子发生器正在工作, 或燃烧, 或开放性火陷正在漱烧, 那么就有大量离子存在。房间周围的离子可用滤膜完全阻止住。这已经为有和没有离子发生器工作的室内氡测量所证实。此外, 全部氡子体也被滤膜阻止住了。只有气体, 如氡气才能扩散进入离子室内。
由于飘尘在被动扩散通过滤膜时被滤掉了, 所以飘尘不会影响E-PERM的性能。然而在取出驻极体进行测量之前, 也就是将驻极体拧出离子室时, 如果灰尘沾在驻极体上, 那么可能影响读数的准确性。因此, 在取出驻极体进行测量之前, 最好擦干净沉积在外表面上的灰尘, 以免结果受影响。
D.γ辐射的影响
E-PERM只对透射的电离辐射, 例如X或Y辐射, 以及离子室内的氡产生的离子灵敏。
天然本底辐射在大部分测量点只是γ辐射源。可以根据各省的平均本底辐射进行天然本底辐射修正。当然, 省内各地的本底是有些变化的, 但是, 这种省内的变化可能导致的误差很小的, 通常为3-5 Bq/m3。
如果怀疑某地有放射源, 那么可用隔氡袋密封起来的E-PERM精确测量出来并作修正。
三 讨论1.与其它方法的比较
环境中氡及其子体监测往往希望得到平均氡浓度, 以便进行所致公众剂量估算。连续氡监测器能提供每小时或氧浓度的平均值。然而, 它比累积方法昂贵得多, 并且必需由热练的专业人员操作。因, UNSCEAR1990年报告推荐采用累积方法。常用的方法有活性炭盒和SSNTD, 它们能在较长时间内提供较为真实的平均氡浓度。
用活性炭作氡测量受环境参数, 例如温度、相对湿度和空气流动等的影响。由于测量点上这些参数的不确定性, 它们能产生明显的测量误差。此外, 活性炭吸附和解析氡不随氡浓度变化。人所共知, 24小时内室内氡浓度会变化2~5倍或更多。在这种情形下, 活性炭盒不能忠实地累积氧浓度。活性炭的结果总是偏向于取样期间最后的8小时。另外, 用作三天测量的刻度因子不能用于四天的测量。因此, 如果在准确要求的时间暴露没有停止的话, 精确度受到损害。活性炭扩散垒探测器受某些环境因素影响较小, 但由于氡的3.8天寿命, 它们趋于丢失或“忘记”7天暴露期的开始时的氧浓度。活性炭盒由于被吸附氧气的衰变也必需在暴露后尽快测量。由于上述全部原因, 即使在刻度室工作良好的活性炭系统也会在实际居优条件下提供错误的浓度值。
SSNTD的情形与活性炭盒类似, 另外, 它的分析很复杂, 要求在中心实验室读数, 所以, 即使在美国, 能分析这种探测器的公司不超过十家。
而上述的变化并不影啊E-PERM系统的测量。它的最大优点是能立即读出, 并且驻极体读数与环境条件无关, 故能真实地累积变化着的氡浓度。因此, 驻极体技术大大增加了能作长期氡测量基准实验室的数目, 并且其数目还在迅速扩大之中。此外, 它也提供了暴露期间(作终了读数前)进行多次中间读数的可能性。
2.误差分析
F-PERM系统的总误差由A.用于驻极体的聚四氟乙烯厚度的变动; B.室与室之间体积的细微变动; C.阅读器的电压读数误差和D.环境γ水平的不确定性(如果不实地测量的话)等组成。误差源A.和B.的合成误差通常认为是系统误差。阅读器提供准确到1V的读数, 取二个读数之差时, 误差约为1.4V。这意味着读14V电压差时, 电压读数误差为10%。而D.类误差, 即环境γ辐射本底可实地准确测定。
如果有所作测量地的平均本底修正值, 那么氡读数的合成不确定度会小于4Bq/m3。如果要求更精确读数(即仅仅是天然环境本底)的话, 那么可用能量无关μR计或封在防氡袋内的E-PERM作精确的本底测量。这样测得的本底, 容易计算修正因子。
根据误差合成规则合成总不确定度。如果系统误差为5%, 读数误差为10%, 则总不确定度为11.2%。它包括在室内遇见的最恶劣条件下全部可能的系统不确定度, 如果暴露时间增加, 将提高其精确度和准确度。
而活性炭盒测量只报告放射计数统计误差和总误差, 而忽略了上述多种系统误差。如果考虑已知系统总误差, 包括温度、湿度、浓度的变化、盒的结构、活性炭重量不同等, 那么一次特定测量的总不确定度是很大的。不定量这些变化着的组分的误差, 就不能定量待定的活性炭测量的总不确定度。
通常报告SSNT的误差仅仅是根据径迹读数的统计误差, 所有系统误差(也就是立体角、处理参数、自动阅读系统、探测器阅读面积等的不确定度)通常不报告。这是SSNTD实验室所作的、和现场实际测量遇到的误差传递之间的巨大差异的原因。因此, 活性炭盒和SSNTD与E-PERM不能公平地进行比较。但总体上讲, E-PERM准确得多。
3.质量保证
驻极体、离子室和阅读器都应存放在清洁的环境中.尤其是不能让灰尘或赃东西进入离子室内的住何地方, 最好将它们存放在加封塑料袋内。暂时不用的驻极体每一或二周应进行质量稳定性检测。对于短期驻极体每周放电应小于1V;而长期驻极体每月放电应小于1V, 才算符合质量控制稳定性标准。
阅读器都应存放在便携式手提箱内, 并应定期检查干燥剂是否继续发挥作用, 从而使阅读器始终处于干燥环境中。
每周应对阅读器作“零检验”, 检查无电荷存在时是否指示“零”。也就是将清洁的金属片进行读数, 其数值应为“零”, 并能再现(1-2V的变动是允许)。
每周还应用“参考”驻极体进行检测。“参考”驻极体是电压相当稳定的驻极体, 具有确切的电压值。阅读器读数应在标称电压的±2V以内, 否则阅读器必须送检。
“零检验”和用“参考”驻极体检测每周都要进行, 其结果作为质量保证计划的一部分记录下来, 并长期保存。
由于测量过程中, 房间内的离子可能造成驻极体放电, 所以, 最好在暴露前或后立即读数。此外, 读数时驻极体和阅读器的温度应该相同, 否则会影响读数。如果进行读数时驻极体较凉或较热, 则应在驻极体回到室温后, 再进行终了读数, 这可以简单地放置1~2小时来实现。
如果在暴露期间有人关了E-PERM, 那么测得的电压将会低于本底值, 导致负浓度值。如果得到零或负结果的话, 那么测量可疑, 应重新进行测量。
驻极体除能用于环境空气中累积式氡浓度监测外, 还能用于个人氡监测, 氡子体浓度, 环境γ辐射水平, 土壤和水中镭含量, 水氡, 土壤、岩石、建筑材料等氡的发射率测量, 以及其它剂量测量。由于它用途广泛, 所以发展迅速。但国际上也只不过刚刚起步, 据了解国内驻极体技术也已相当成熟。只要引起足够的重视, 从其它领域引入现成而成熟的技术, 诸如驻极、面电压读出等技术, 就能捷足先登, 在较短时间内赶上并超过世界先进水平。