α能譜測氡儀測量原理及其影響因素

根據(jù)放射性動態(tài)平衡原理，當達到放射性動態(tài)平衡時，可由式5-1表示。

式5-1中，λ_a，λ_b分別為母體核素和子體核素的衰變常數(shù)，N_a、N_b分別為母體核素和子體核素的原子核數(shù)量，則λ_aN_a、λ_bN_b母體核素和子體核素發(fā)生α衰變產(chǎn)生的α粒子數(shù)。

由于在放射性動態(tài)平衡狀態(tài)下，由式1可知，母體核素的活度與子體核素的活度相等，因此，通過測量子體核素的活度來獲得對母體核素的活度的測量。

由放射性動態(tài)平衡理論結(jié)合由表5-1和表5-2所示的半衰期可知，²²²Rn和²¹⁸Po理論上30.5分鐘即可達到放射性動態(tài)平衡。²²⁰Rn和²¹⁶Po幾秒鐘內(nèi)即可達到平衡。²²²Rn和²¹⁴Po約4個小時能達到平衡，²²⁰Rn和²¹²Po約4天能達到平衡。

由天然放射性核素α射線能譜特性可知，理論上通過測量²²²Rn和²²⁰Rn的α能譜來直接實現(xiàn)對²²²Rn和²²⁰Rn活度的測量。

由于α能譜測量特點決定了在常溫常壓下必須對被吸附到半導體探測器表面α輻射體發(fā)生α衰變產(chǎn)生的α粒子進行探測。但通過分析²²²Rn和²²⁰Rn的電學特性及物理特性可知，由于其是不帶電的惰性氣體，其吸附力很弱，因此很難滿足對其進行α能譜測量的要求。因此，半導體探測器對²²²Rn和²²⁰Rn的探測效率是非常低的。

在鈾系中²¹⁸Po，²¹⁴Po，在釷系中²¹⁶Po，²¹²Po均具有能量特征性和******性，且均為短壽核素。在²²²Rn和²²⁰Rn及其子體發(fā)生α衰變時，α粒子為帶正電重核粒子，由于其反沖作用會激發(fā)出原子核的外層電子，使其帶正電。根據(jù)這一特性，因此²¹⁸Po、²¹⁴Po、²¹⁶Po及²¹²Po理論上會帶正電（小部分核素會被環(huán)境中的負離子中和而不帶電），其具有較強的范德華力，容易吸附到物體表面。

圖5-1 電場結(jié)構(gòu)

根據(jù)電學特性，通過靜電場，增加其吸附到半導體探測器表面的能力，從而提高測量靈敏度。一種常用的電場結(jié)構(gòu)如圖5-1所示，在圖5-1中，氡高壓靜電收集腔體加正高壓，探測器表面為地電平。理論上，氡高壓靜電收集腔體內(nèi)部的電場會指向探測器表面。

靜電吸附α能譜測量因素

在室內(nèi)氡污染檢測領域，一般用平衡當量氡濃度（Equivalence Equilibrium Concentration）和平衡因子來表示。平衡當量氡濃度指的是氡與其短壽命衰變產(chǎn)物處于平衡狀態(tài)，并具有與實際非平衡混合物相同的α潛能濃度時氡的活度濃度，常用單位為Bq/m³(貝可/立方米)。氡濃度值與平衡因子的乘積等于平衡當量氡濃度值。

由放射性動態(tài)平衡理論結(jié)合氡濃度的定義，氡濃度理論上可根據(jù)（式5-2）得出。

            （式5-2）

式1中，N為²¹⁸Po發(fā)生α衰變產(chǎn)生的被探測到的α粒子，Rn為氡濃度，v為氡高壓靜電收集腔體容積，t為測量時間，η為金硅面探測器的固有探測效率，一般小于50%，δ為氡子體的收集效率，它主要為氡高壓靜電收集腔體容積v、氡高壓靜電收集腔體內(nèi)部的溫度T，濕度h，探測器面積S，氡高壓靜電收集腔體內(nèi)部的電場分布的一個相關(guān)函數(shù)，由式5-3所示：

         （式5-3）

由于實際測量過程中，很難獲得探測器探測效率η和氡子體收集效率δ的確定值，因此難以通過直接測量α粒子數(shù)的方式用理論去計算氡濃度，只有通過標準氡室刻度獲得。

氡子體主要以兩種形式存在：一是以未結(jié)合的離子態(tài)或離子團形式存在，二是以放射性氣溶膠形式存在，兩者都帶正電荷，它們存在比例會因空氣的氣溶膠顆粒的多少有所差別。

根據(jù)α能譜測氡原理的論述，采用α能譜方法來測量室內(nèi)空氣氡濃度時，實際上是通過收集氡子體到探測器表面發(fā)生α衰變產(chǎn)生的α粒子來間接測量的。由式1可知，氡子體的收集效率直接影響氡濃度的測量。對一個固有的儀器系統(tǒng)來說，氡高壓靜電收集腔體容積是不變的。由式2可知，則影響氡濃度測量的主要因素為溫度和濕度。

氡衰變產(chǎn)生一系列非氣態(tài)放射性核素由于擴散或靜電吸附作用，被大氣中的微粒（粉塵、蒸汽等）捕集而形成放射性氣溶膠。濕度影響著氣溶膠的密度，濕度越大，氣溶膠的密度也越大，因此更容易形成放射性氣溶膠。

資料表明，由于濕度增大，大量的水分子在氡子體粒子周圍密集形成包殼，相當降低了子體粒子所帶的正電荷，使得降低了作為負電極的探測器對其的吸附能力，從而影響收集效率繼而引起測量誤差。

濕度還有一種可能性會影響探測效率，也即為濕度對氡子體在電場力作用下遷移能力的影響。在斯托克斯阻力范圍內(nèi)，粒子在電場中的運動速度可表示為式5-4的關(guān)系式：

         （式5-4）

其中Ve為粒子在電場力中的運動速度，η為空氣粘度，d為粒子直徑，Cc為坎寧安修正系數(shù)，E為電場強度。當濕度變大時，氣體粘度變大，因此粒子運動速度變慢。同時，以氣溶膠形式存在的氡子體直徑比以離子態(tài)存在的氡子體粒子直徑大，因此以氣溶膠方式存在的氡子體比以離子態(tài)方式存在的氡子體運動速度慢。由于外加電場E是一定的，因此在單位時間內(nèi)被吸附到探測器表面的氡子體數(shù)是有所差別的，從而影響氡子體的收集效率。

溫度主要影響粒子的擴散系數(shù)，根據(jù)愛因斯坦的推導，擴散系數(shù)與溫度成正比。當溫度高時，粒子的運動能力增強，因此形成氣溶膠的概率增加，從而影響氡子體的收集效率。

為了進一步降低溫濕度對測量結(jié)果的影響，本儀器采用標準氡室在不同溫濕度條件下對儀器系統(tǒng)進行刻度，并對溫濕度影響進行擬合。