本文介绍了用Ge(Li)γ谱测量空气中氡的方法, 研究了活性炭的吸附特性和湿度的影响, 选择了最佳灵敏炭床, 采取了去湿措施, 获得了较稳定的测量效果, 环境温度为20℃, 相对湿度RH < 90%条件下, 暴露一天, 测量1000、2000、3000秒, 探测下限(LLD)分别为1、0.76和0.56Bq/m³。

一 原理及活性炭吸附规律

活性炭是一种较好的固体吸附剂, 具有良好的机械强度, 理化性质稳定, 微孔结构发达, 表面积非常大, 本工作通过实验选用了GH-0型优质活性炭, 比面积为1300~1400 cm²/g, 微孔容积为0.55 cm³/g, 总孔容积为1 cm³/g, 比重0.37g/cm³。活性炭属于非极性吸附剂, 靠分子间引力作用, 附着力比较弱, 容易在物理作用下, 使吸附的分子脱离^{[1, 2]}, 为活性炭的重复利用提供了可能, ²²²Rn属非极性物质, 可被活性炭吸附, 加热后可被解附, 活性炭对非极性物质水吸附少, 一旦吸附了水, 亦可部分地被非极性物质或弱极性物质所替代。活性炭对空气中浓度一定的氡的吸附, 随暴露时间, 符合幂函数变化规律。

1 活性炭吸附氡随深度的变化

活性炭吸附氡强度随质量深度呈负指数变化。我们将退火(120℃, 5小时)后的活性炭, 取等量(125克)分装在5个圆柱型样品盒中, 每个盒内分5层(25克/层), 层间用滤纸分开, 同时放入氡浓度相同的地下室里, 放置一定时间, 取样后将5个等深度的样品分装在同一个炭盒中, 封存3小时进行测量, 并对实验数字进行指数拟合, 结果列于表 1。活性炭吸附空气氡, 随质量深度变化满足下式:

(1)

式中y为归一化吸附积分计数, x为活性炭的质量深度, g/cm²,

2 活性炭床面积的选择

为了提高监测灵敏度, 我们采用了可容250克的环型测量杯(680 ml), 通过实验选择了最佳炭床面积为S=551cm², 用250克活性炭, 在氡浓度相同的条件下, 以不同的铺放面积, 放置一天, 进行多次测量, 结果列于表 2, 变化规律见图 1。

为了验证所选最佳炭床面积的正确性, 我们用公式(1)作定积分式(2)

(2)

Ci和Ki分别为250克活性炭在质量厚度为t_i时吸附氡的归一化强度和归一化面积, t_o=0.4537g/cm², S_o=551 cm², K_o=1.00。测量和理论计算结果列于表 3, 两者符合的较好。

3 空气湿度的影响

干燥的活性炭吸附能力特别强, 除吸附氡气外, 还吸附部分水份及其他毒物, 占居了活性炭的部分微孔, 水附着在表面上, 堵塞了许多微孔, 降低氡与活性炭的接触几率, 因此空气湿度是影响测量精度的主要原因之一。本工作研究了活性炭吸水量与吸附效率的关系, 结果列于表 4。

空温在15℃气压为99.7kPa, 250克活性炭吸水量与吸氮率呈负相关:

(3)

f为吸氡率, m为吸水量, g。

为克服空气湿度不同造成的误差, 我们在活性炭上铺放250克烤干的硅胶袋, 空气湿度在高(90%)、低(47%)两种情况下, 加与不加防潮剂其吸氡率有明显差别, 不加防潮剂在两种湿度情况下, 吸氡率相差14.3%, 加防潮剂二者仅差4%, 见表 5。

二 样品的制备和测量

活性炭选用GH-0型250克(北京光华木材厂产), 粒度为10~28目, 使用前经120℃烘烤5小时, 以便除去活性炭中的水分并赶掉已吸附的氡, 装入塑料袋封好备用, 用时将活性炭放入29×19×5 cm³的搪瓷盘内铺平, 上面盖上0.5 cm厚的硅胶沙网。约250克硅胶用滤纸包好, 装入沙网中, 用前烤干呈兰色, 用塑料袋包好备用。

采样时, 将250克活性炭放入盘中铺平, 盖上带有硅胶的沙网盖, 氡气经过硅胶吸去水分后被活性炭吸附, 放置24小时后, 将活性炭转入环型测量杯, 密封3小时, 待氡与子体平衡后测量子体²¹⁴Pb的242、295和325 keV以及²¹⁴Bi的609keV的γ射线全能峰面积。以此求出氡的浓度。

本工作用美国Canberra公司产8180-4K Ge(Li)γ谱仪, 相对效率为25%, 对⁶⁰Co1.33MeV能峰半宽度为1.94keV, 峰康比为49.5:1。在一般情况下测10³秒即可, 用3个能峰确定的氡浓度与计数的响应系数为5.15×10^-2Bq/计数, 若浓度太低可延长测量时间, 氡浓度值为:

Nt为三个能峰的面积, t是样品布放后12小时起到测量时的时间间隔、h, e^λt为氡衰变校正因子, λ为氡的衰变常数。

三 刻度

活性炭探测器的刻度是在0.7×0.7×0.7m³的刻度室内进行。标准镭液体源分别为10⁴和10³Bq, 将氮气分别通入蒸馏水、液体源和缓冲瓶。调节两路进气量以便调节氡浓度, 用ZYW8501测氡仪进行浓度监测, 待刻度室氡浓度稳定后, 放入待刻度的活性炭盘, 刻度室每隔2小时用闪烁瓶取两个平行样，待3小时进行测量：

计算一天的平均浓度C, Ci为ZYW8501第i次给出的平均值, 一天采样后测出活性炭γ谱的三个光电峰和, 多次测量后, 求出γ谱计数与氡浓度的响应系数。在氡浓度不变的情况下多次采样分析, 结果在2%范围内符合, 其相关性为γ=0.9998(y=0.1925+ 0.9947x)。为了验证所测响应系数的准确度, 选用不同浓度的房间、地下室重复刻度时的方法步骤, 测得一天的空气氡浓度结果列于表 6。

四 探测下限的估计

探测下限(LLD)不仅取决于活性炭的吸附能力还取决于仪器的效率、本底计数和测量时间, 当置信度为95%, 本底与样品均测2000秒, 根据文献^[3]的方法计算, 其探测下限为:

N_b为本底计数。在不同条件下的LLD列于表 7。

在同样条件下, 暴露一天, 比国内外同类工作灵敏度提高5~10倍, 可满足绝大部分环境空气氡浓度测量, 在档案馆调查中获得满意结果。

五 讨论

1.GH-0型活性炭是一种很好的非极性固体吸附剂, 理化性质稳定, 对氡气有良好吸附作用, 本工作从实践与理论的结合上, 探讨了活性炭吸附氡随质量深度满足负指数变化规律。

2.活性炭吸水后明显影响对氡的吸收, 采用防潮剂克服了因湿度变化带来的测量误差。

3.本方法用250克活性炭, 1cm²炭床吸附, 采样时间由3天缩短到1天.其灵敏度提高近10倍。较准确地测出一天的空气氡平均浓度。