某些设施建构在海边和花岗岩山体内, 这些设施内的氡(²²²Rn)浓度一般较高, 对工作人员有潜在的健康危害, 按照国家相关法规规定, 必须进行监测。由于环境特殊, 内环境相对湿度(RH)较高, 变化范围大, 部分工区一年内大部分时间RH都在90%以上。高湿度环境条件给氡的监测带来一些特殊问题, 因此笔者对监测技术进行了专项研究。

国家标准推荐了两种累积测氡法, 一种是活性炭盒法, 另一种是径迹蚀刻法^[1]。径迹蚀刻法耗时长、操作复杂, 误差较大, 不适合大批量测量; 而活性炭盒法具有灵敏度高、操作简单、成本低廉、以及便于短时间大量布放和回收等优点, 因此IAEA的第300号报告也特别予以推荐^{[2, 3]}。结合实际应用, 笔者就湿度对活性炭盒法测氡的影响规律、布放时间以及数据处理等进行了研究。

1 材料与方法 1.1 活性炭盒与测量系统

8 ~ 16目的优质椰壳炭, 微孔结构发达、比表面积大, 性能良好。

1.1.2 活性炭盒结构

圆柱形, 直径90mm、高42mm; 活性炭床高37mm, 上覆金属筛网, 可装约80g活性炭。

1.1.3 谱仪测量系统

美国CANBERRA公司生产的直径76mm, 高76mm NaI探测器、Inspector谱仪以及铅室组成测量系统。

1.2 实验方法

① 将活性炭置于电热恒温箱内120℃下烘烤6 ~ 7 h, 去除残存的氡气和水分, 冷却后转入磨口瓶中备用; ②活性炭在磨口瓶中冷却后称重、放入盒中、密封, 整个过程操作迅速, 尽量减少活性炭的暴露时间; ③在可设定氡浓度和湿度的氡室内放置2d或3d, 然后取出, 平衡5 h后待测; ④进行γ能谱分析, 测量²¹⁴Pb的0.2419、0.2952和0.3520 MeV峰群以及²¹⁴Bi0.6093 MeV峰的净面积。

2 湿度的影响及其规律 2.1 活性炭盒响应

由于活性炭既吸附空气中的氡, 又吸附空气中的水分, 在吸附过程中氡和水分是竞争关系。随着水分吸收量的增加, 活性炭吸附氡的能力逐渐被抑制; 当湿度很大时, 监测期间活性炭吸附氡的能力大大降低, 即响应下降, 所以, 在同样氡浓度和布放时间条件下, 不同湿度中活性炭盒的γ计数值相差很大。

笔者与南华大学氡实验室(国防一级计量标准站)合作进行了相关研究, 实验过程中控制氡室内的氡浓度为800Bq/m³、温度为28℃、相对湿度在68%到96%之间变化, 活性炭盒布放2d时间, 实验数据见表 1。²¹⁴Pb峰群计数与湿度之间的关系见图 1。

图 1中纵轴所示214Pb峰群计数反映了活性炭盒的响应能力, 由图可知, 相对湿度从96%降至68%时, 活性炭盒的响应增加了32.6%。这说明相对湿度对活性炭氡吸收效率的影响十分明显, 同时也发现这种变化呈现明显的线性规律, 有可能根据实验数据模拟出校准曲线, 修正湿度变化的影响, 提供高湿度环境下活性炭盒法可靠地应用。

2.2 校准参数的选择

监测氡浓度的一般做法是现场布放活性炭盒期间同时测量温度、湿度等环境参数, 以进行分析和校准。但相对湿度一般只在布放和回收时进行测量, 取其平均值作为最终参数, 因此仅是对布放期间环境湿度的近似, 并不能准确表征布放期间的参数变化。而湿度对活性炭盒的影响最终体现在活性炭盒的吸水量上, 即活性炭盒的吸水量能够直接地、客观地反映整个布放期间的环境湿度。所以, 采用吸水量作校准参数更加适合。并且湿度的测量通常需要较长的稳定时间, 现场操作时往往很难严格遵守, 从而导致测量误差较大; 而吸水量的称量既方便又快捷, 且容易得到较高的精度, 有利于误差的控制。实际应用表明, 采用吸水量作校准参数, 能够有效提高测量结果的准确性和现场测量的可操作性。

根据表 1, 将图 1以吸水量为校准参数重新绘制可得图 2。如图 2所示, 通过数学拟合, 可得到y=ae-bx指数函数形式的校准曲线; 而图 1是直接以湿度为校准参数, 得到的校准曲线为y =-ax+b线性函数的形式。两者之间的差异体现出选取相对湿度为校准参数的合理性, 这是由活性炭的吸附原理所确定的:当环境湿度或活性炭盒吸水量逐渐增大时, 活性炭盒吸附水的量逐渐增加, 吸附氡的量逐渐减少, 但其增加或减少的幅度逐渐减弱, 最终活性炭盒的吸水量和吸氡量达到动态平衡, 趋近于一个定值。对照图 1与图 2可知, 采用活性炭盒吸水量为校准参数经指数函数拟合, 所得到的校准曲线更符合实际, 可用来修正湿度对测量的影响。

2.3 峰面积计算

如上所述, 高湿度环境下活性炭盒的响应大幅度降低, 而环境的氡浓度如果比较小, 在高湿度条件下测量时, 活性炭盒的响应就很低, 从而导致活性炭盒样品谱上的计数很小, 峰型不显著, 直接寻峰难以进行, 从而计算误差增大。若只是简单地增加测量时间, 则在氡浓度为100Bq/m³时, 活性炭盒布放2d, 至少需要测量15 000s。如果样品数量很多, 测量周期拉得太长, 活性炭盒内累积的氡也一直在衰变, 反而得不偿失。

例如:笔者在一次实际监测工作中需测量活性炭盒60个, 若按照每个炭盒测量15 000s计算, 则共需250h, 每天工作时间按16h计算, 约需15.6d才能测量完毕。而同时活性炭盒中吸附的氡也衰变了4.1个半衰期, 只有回收时的1/17.1, 这将使测量变得更加困难。

笔者在实践中首先通过测量标准源确定²¹⁴Pb0.2419、0.2952和0.3520 MeV峰群以及²¹⁴Bi0.6093 MeV峰, 记录其在γ谱上的位置, 然后在样品谱上设定感兴趣区(ROI), 计算积分面积(通过专用软件获得), 积分区域扩大至²¹⁴Pb和²¹⁴Bi的峰区以及高能端的计数。这样测量样品谱的时间可以大大缩短, 仅用1 800s就能达到要求, 能够比较快速的进行测量分析, 尤其适合环境放射性本底调查等大批量测量。实际应用表明, 采用扩大后积分区域的计数与采用局部峰面积计算氡浓度完全一致。

2.4 布放时间的选择

国家标准推荐活性炭盒的布放时间为3 ~ 7d^[1], 但由于在高湿度环境下, 活性炭盒吸附水分较多, 氡的吸附受到抑制, 随着布放时间的延长这种效应越来越显著, 若氡的累积速度低于氡的衰变速度, 将造成活性炭盒中聚集的氡开始减少, 因此在高湿度环境下应严格控制活性炭盒的布放时间, 以提高氡的采集效率。

在68%和96%两个湿度下, 控制氡浓度为800Bq/m³、温度为28℃, 将活性炭盒各布放2d和3d, 分析比较其响应的变化, 详见表 2。

由表 2可知, 当湿度为68%时, 布放3d的活性炭盒的²¹⁴Pb峰群计数率比布放2d增加8.23%;而当湿度为80%时, 布放3d的活性炭盒的²¹⁴Pb峰群计数率比布放2d反而减少1.78%;当湿度为96%时, 布放3d的活性炭盒的²¹⁴Pb峰群计数率比布放2d减少5.71%。因此, 随着湿度的增加, 布放时间的延长反而会造成活性炭盒响应的降低, 并且湿度越高, 这种趋势越明显。所以, 在高湿度环境下活性炭盒的布放时间应缩短至2d为宜。

3 结论

(1) 高湿度环境对活性炭盒法测氡虽然影响较大, 但可以通过实验进行校准。其中出现的一些技术问题采用笔者研究和应用的技术方法能够得到较好解决。

(2) 在高湿度环境下活性炭盒的布放时间应适当缩短, 以2d为宜, 以减少测量的系统误差。

(3) 对相对湿度影响进行修正时, 校准参数应采用活性炭盒的吸水量, 这不仅能够得到更准确的校准曲线, 而且方便测量操作, 易于控制误差, 提高测量精度。

(4) 由于在高湿度环境下活性炭盒吸附氡的能力受到很大削弱, 对氡的响应较低, 因此除了本文探讨的技术方法外, 还需要提高活性炭盒测氡方法的探测效率。例如通过改进活性炭盒的结构(把圆柱形改为凹形等)增加活性炭盒布放时的有效接触面积, 并且在测量时能够充分利用探测晶体的有效体积, 提高探测器对炭盒的探测效率, 从而提高整个方法的测量效率, 还能够降低探测下限, 减小误差。具体的结构以及几何尺寸还有待进一步研究。