氡是自然界中唯一的放射性气体，氡及其子体所致我国公众平均天然辐射年有效剂量(1.15 mSv)^[1]约占天然本底年总有效剂量(2.4 mSv)的47%。目前氡及其子体产生的放射性危害可增高肺癌发病率已得到认可。应用氡实时连续监测仪对铀矿山巷道和地下室等高氡浓度场所的空气质量进行实时连续监测，对减小相关人员的吸入内照射危害具有实际意义。目前，现有氡连续监测仪工作模式均是累积—测量—累积—测量的循环过程^[2-4]，其测量的是一段时间内的氡浓度值而非对氡浓度变化的瞬时测量值。基于离子收集原理研制的氡连续监测仪可以实现对氡浓度变化的瞬时测量，其可以真正实现对高氡区域氡浓度的实时监测与报警。

1 工作原理

实时连续监测仪测量氡的工作原理为氡通过空气载带进入前端带有高效空气过滤系统的衰变室(Decay Chamber)(图 1)，氡在衰变室中衰变发射α粒子，α粒子与衰变室中空气分子发生电离产生大量电子离子对(²²²Rn发射出一个5.49 MeV的α粒子在空气中大约能产生157 000^[5]个电子离子对)。电子离子对被气泵产生的定向气流送入到电离室(Ion Chamber)，电离室收集极收集的电子或者正离子再经由静电计读出电离电流。电离电流与氡浓度在一定范围内成正比，通过刻度即可导出样品中氡浓度值。

2 仪器结构

氡实时连续监测仪结构框图见图 2，整套测量系统包括拦截衰变单元、测量单元和动力单元。拦截衰变单元由高效空气过滤器和氡衰变室组成，主要功能是去除空气中粉尘和氡子体以及氡在衰变室中电离产生的电子离子对。测量单元包括电离室和静电计，主要完成电荷收集和电流读出。动力单元由控制阀、流量计和真空泵组成，其功能是为气流提供动力和实时监测气体流量。

3 仿真模拟

仪器仿真模拟主要针对衰变室流场和电离室静电场进行，主要目的为设计合理的机械结构，使气流在衰变室中以层流态流动和减弱电离室电场边缘效应等。衰变室气流要保持层流是基于以下三点因素考虑：

① 载氡气流在衰变室中以层流流动，可减少氡气在器壁上的吸附，以增加其在空气中的电离率，从而提高探测效率。②气流层流流动可防止湍流产生的气流漩涡使氡衰变产生的α粒子与器壁直接撞击，提高α粒子电离空气产生的电子离子对数量。③气流层流流动可减少衰变室中电子与正离子复合，提高收集极对电子离子对的收集效率。

此外减弱电离室的电场边缘效应和保持电离室的静电场为匀强电场，在一定程度上也能提高探测器对电荷的收集效率。

3.1 流场仿真

探测器衰变室实体模型采用Solidworks三维建模软件绘制，流体域网格剖分采用ANSYS ICEM CFD 14.0网格划分工具，探测器衰变室流场模拟软件为ANSYS CFX。在确保探测器衰变室主体结构不变的情况下，分别设计模拟了进气管半径为10、20、30、40、50和60 mm与四种导流孔板(见图 3)组合形成的探测器衰变室流场。流场仿真结果显示半径60 mm进气管与导流孔板4的组合其流线(见图 4)较平滑和顺畅。

3.2 电场仿真

探测器平行板电离室三维静电场模拟采用Ansoft Maxwell软件。Ansoft Maxwell是一款比较实用的低频电磁场模拟软件，其所用算法为有限元分析法。Maxwell 3D三维静电场计算原理以标量电位Φ作为求解量，三维电场计算公式见式(1)：

$ \nabla \cdot \left( {{\varepsilon _{\rm{r}}} \cdot {\varepsilon _0}{\nabla _\Phi }} \right) = - {\rm{ \mathsf{ ρ} v}} $

1)

平行板电离室极板设计为1.5 mm厚黄铜板，极间距分别为25、15和10 mm，极板上导流孔直径分别为20、10和5 mm，见图 5。分别模拟了上述三种极间距和三种极板导流孔径组合下的平行板电离室静电场。仿真模拟结果表明：在极板间距为10 mm、极板导流孔直径为5 mm的组合情况下，平行板电离室静电场边缘效应较弱，极板内部电场畸变较小，见图 6。

4 性能测试 4.1 静电计性能

仪器所用静电计为Keithley 6430，其最小量程为1 pA；前置放大器最大输入阻抗为10¹⁶Ω，本底噪声约为0.4 fA。开机预热1 h后每分钟测一组数据。见表 1。

4.2 仪器性能

探测器本底测试是在有除氡功能通风良好的实验柜中进行的，探测器本底电流约为20.6 fA。氡实时连续监测仪在氡室内进行了实时氡浓度测量性能测试。测试条件为：氡室内相对湿度设定值为30%，氡室氡浓度本底值约为70 Bq·m^-3(未打开镭源)。氡室氡浓度平衡在设定测量值时启动探测器开始测量。探测器测量结果如表 2所示，对测量结果进行线性拟合(图 5)，可以得出探测器测氡灵敏度约为0.23 fA/Bq·m^-3。实验测试过程中，探测器电流测量值随氡浓度变化响应时间约为2 s，而RAD7、PQ 2000等连续测氡探测器给出一个氡浓度测量值最小时间间隔约为5~10 min，因此基于离子收集原理研制的氡连续测量仪在对氡浓度变化瞬时测量应用方面相较于RAD7、PQ 2000等具有明显的优势。

5 结论

本文论述了氡实时连续监测仪的工作原理，基于衰变室流场和电离室静电场模拟优化设计加工了氡实时连续监测探测器。探测器在氡室内完成了相关性能测试实验，结果表明该仪器可实现对氡浓度的实时连续监测，探测器测氡灵敏度约为0.23 fA/Bq·m^-3。经实验测试该型氡监测仪可应用到铀矿山巷道和地下室等高氡场所的实时氡浓度测量，以提醒相关人员做好氡防护。