專利名稱：一種環(huán)境氡氣測(cè)定方法及測(cè)定儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氡氣測(cè)定方法及檢測(cè)儀器，屬于氣體檢測(cè)及儀器
1、測(cè)量方式對(duì)氡及其短壽子體的測(cè)量方法和儀器多種多樣，按照采樣特點(diǎn)又可分為如下三類(1)瞬時(shí)式測(cè)量方式在短時(shí)間內(nèi)采集被測(cè)空氣空間的空氣樣品(或者采集土壤中的氣體樣品、水中的氣體樣品)，采樣的最長(zhǎng)時(shí)間通常不會(huì)超過30分鐘，其測(cè)量結(jié)果只代表采樣這一瞬間或短時(shí)間段內(nèi)被測(cè)介質(zhì)的值。
(2)積累式測(cè)量方式以數(shù)小時(shí)、數(shù)天或數(shù)十天的時(shí)間乃至更長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采樣，采樣時(shí)間根據(jù)氡濃度水平選擇，測(cè)量結(jié)果代表采樣時(shí)間段內(nèi)被測(cè)介質(zhì)的平均值。
(3)連續(xù)式測(cè)量方式儀器傳感器(探測(cè)器)直接與被測(cè)位置的空氣接觸，連續(xù)測(cè)量被測(cè)空氣的氡濃度，測(cè)量值隨被測(cè)氡濃度的變化而變化。該測(cè)量方法不需采樣。
2、采樣方法在瞬時(shí)式測(cè)量方式中，采樣方式主要有a、以傳感器(常用的有ZnS閃爍室、電離室)做為采樣器，將容器抽真空后抽取被測(cè)空氣樣品。樣品的氡及其子體放射的α射線使空氣產(chǎn)生電離或使閃爍體產(chǎn)生閃光而形成可探測(cè)的信號(hào)。
b、雙濾膜采樣法用氣泵抽取被測(cè)空氣并采用流量計(jì)確定抽取的空氣體積?？諝饨?jīng)過進(jìn)氣口濾膜進(jìn)入擴(kuò)散室，然后經(jīng)出氣口濾膜流出到大氣中?？諝庠诹鹘?jīng)第一道濾膜時(shí)，原來已產(chǎn)生的懸浮在空氣中的氡子體被附著在濾膜上?？諝庠诹鹘?jīng)第二道濾膜時(shí)，空氣在通過第一道濾膜后至經(jīng)過第二道濾膜時(shí)這一段時(shí)間新產(chǎn)生的氡子體被附著在第二道濾膜上。對(duì)這兩道附著了氡子體的濾膜進(jìn)行測(cè)量，即可測(cè)得氡濃度及氡與其子體的平衡因子。
c、將被測(cè)空氣采入一定體積的容器，在容器中設(shè)置帶有靜電或負(fù)高壓的采樣片或柱極體，容器內(nèi)呈正離子狀態(tài)存在的氡子體在電場(chǎng)作用下被吸附到采樣片上，通過對(duì)采樣片或柱極體的測(cè)量得到氡濃度。該類儀器的靈敏度同樣受到采樣容器的體積的限制。
上述采樣方法均是通過采集設(shè)定量(體積)的空氣樣品進(jìn)行測(cè)量的，采樣容器的容積通常為0.5L～1.5L，樣品量小。流氣式采樣雖然樣品量很大，但樣品在擴(kuò)散室的停留時(shí)間很短。因而，這些采樣方法決定了儀器的靈敏度不可能很高，使在環(huán)境氡濃度水平下測(cè)量的準(zhǔn)確度過于偏低或不適合使用。
積累式測(cè)量的采樣方法常見的有活性炭吸附法、徑跡法及α熱釋光法。
采用積累式測(cè)量的采樣方法均是在氡水平很低的環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度測(cè)量的有效方法，其不足之處是工作效率低，測(cè)量過程的工序較多而比較麻煩。
在采用上述測(cè)量方法和采樣方法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，很重要的一個(gè)問題是考慮測(cè)量參數(shù)。例如，對(duì)于住房的氡檢測(cè)，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T16146-1995中，要求給出的量為平衡當(dāng)量氡濃度，因而用于住房氡檢測(cè)的儀器應(yīng)同時(shí)具有測(cè)量氡濃度和平衡因子這兩個(gè)參數(shù)的能力。在我國(guó)常見測(cè)氡儀器中，能用于同時(shí)測(cè)量這兩個(gè)參數(shù)的儀器種類很少，主要是采用雙濾膜采樣的儀器(如FT648型)。另外，用ZnS閃爍室作傳感器的儀器也能同時(shí)測(cè)量這兩個(gè)參數(shù)。這兩類儀器均比較笨重，攜帶不方便，且工作效率低(同時(shí)測(cè)兩個(gè)參數(shù)需要數(shù)小時(shí))。同時(shí)，由于儀器靈敏度不高，在住房氡水平下測(cè)量平衡因子的準(zhǔn)確性不高。
解決上述所稱技術(shù)問題的技術(shù)方案是這種環(huán)境氡氣測(cè)定方法，采用將帶負(fù)高壓的采樣器直接在室內(nèi)空氣空間吸附氡子體的方法采樣；采樣時(shí)，將采樣器支立于采樣位置，將由雙層薄膜片組成的采樣片套在電極板上，將電極板接通負(fù)高壓，在電場(chǎng)的有效作用空間范圍內(nèi)，呈正離子形式存在的氡子體(218Po、214Pb、214Bi)被吸附到采樣片薄膜上；將已采樣的采樣片置于主機(jī)內(nèi)上下兩個(gè)探測(cè)器之間的樣品盤內(nèi)，開始測(cè)量；儀器內(nèi)裝的按平衡因子與N′218-Po/N′214-Po比值的函數(shù)關(guān)系、氡濃度與總α計(jì)數(shù)(N′218-Po+N′214-Po)及平衡因子的函數(shù)關(guān)系建立的計(jì)算軟件，自動(dòng)計(jì)算得到采樣位置的空氣氡濃度和平衡因子。
上述環(huán)境氡氣測(cè)定方法，所述的計(jì)算軟件中的計(jì)算空氣氡濃度和平衡因子的公式為平衡因子(F)計(jì)算公式F=C-bK]]>式中C為214Po窗凈計(jì)數(shù)與218Po窗凈計(jì)數(shù)的比值，C＝N′214-Po/N′218-Po。
b為線性方程的截距，是取決于采樣時(shí)間和測(cè)量時(shí)間的常數(shù)。
K為線性方程的斜率，是取決于采樣時(shí)間和測(cè)量時(shí)間的常數(shù)。
氡濃度(CRn)計(jì)算公式CRn=(1R+aF×N′ta)/J]]>式中R和a均為常數(shù)，其值取決于采樣時(shí)間和測(cè)量時(shí)間。
F為平衡因子N′ta為214Po窗凈計(jì)數(shù)率與218Po窗凈計(jì)數(shù)率之和，即總α計(jì)數(shù)率。
J為校準(zhǔn)得到的儀器靈敏度(min-1/Bq·m-3)。
上述環(huán)境氡氣測(cè)定方法，所述的電極板接通的負(fù)高壓為-100～-10000V，所述的采樣時(shí)間為1-180分鐘。
一種為上述環(huán)境氡氣方法所設(shè)計(jì)的測(cè)定儀，它由采樣部分、樣品處理部分組成；采樣部分由薄膜采樣片、電極板、電纜、支架、高壓電源組成，薄膜采樣片套在電極板上，電極板與電纜相連接，支架與電極板相連接，電纜在支架中央空腔內(nèi)，電纜與高壓電源相連接；樣品處理部分由探測(cè)器、放大電路、脈沖分析器、譯碼器、微處理器、存儲(chǔ)器、鎖存器、與非門所組成，探測(cè)器的輸出端接放大電路的輸入端，放大電路的輸出端接脈沖分析器的輸入端，脈沖分析器再接譯碼器和微處理器，微處理器通過總線分別與鎖存器、存儲(chǔ)器、與非門相連接；上述探測(cè)器由兩塊金硅面壘探測(cè)器組成，它們面面相對(duì)放置，中間設(shè)置一個(gè)樣品盤；上述放大電路由前置放大電路和運(yùn)算放大電路組成，前置放大電路分為上、下兩部分，分別接上述探測(cè)器的兩塊金硅面壘探測(cè)器的輸出端；前置放大電路的上部由三極管T1、T2、T3，電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，電容C1、C2、C3、C4組成，三極管T1的基極接信號(hào)輸入端、發(fā)射極接地、集電極接三極管T2的發(fā)射極，三極管T2的基極接于電源V+和地之間、集電極接三極管T3的基極，三極管T3的發(fā)射極通過電阻R6接信號(hào)輸入端，還通過電阻R7接地、集電極通過電容C4、電阻R8接在信號(hào)輸出端，電阻R1一端接24V電源、另一端接信號(hào)輸入端，電阻R2、R3接在三極管T2基極與電源V+和地之間，電阻R4、R5分別接在三極管T2、T3的集電極與電源V+之間，電容C1接在信號(hào)輸入端，電容C2、C3分別跨接在電阻R2、R6的兩端；前置放大電路的下部由三極管T4、T5、T6，電阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18，電容C9、C10、C11、C12組成，其連接方式與上部相同；運(yùn)算放大電路由運(yùn)放器U1、U2、U3，電阻R9、R10、R19、R20、R21，電容C5、C6、C7、C8組成，運(yùn)放器U1的反相端2腳接前置放大電路的信號(hào)輸出端、同相端3腳通過并聯(lián)的電阻R9、電容C5接地、4腳接電源V-、8腳接電源V+、輸出端1腳通過電容C6接下級(jí)運(yùn)放器U2的反相端6腳，U2的同相端5腳通過電阻R19接地、輸出端7腳接下級(jí)運(yùn)放器U3的反相端2腳，U3的同相端3腳通過電阻R21接地、4腳接電源V-、8腳接電源V+、1腳是輸出信號(hào)端，電阻R10是滑動(dòng)可變電阻，它的固定端分別接運(yùn)放器U1輸出端和地，滑動(dòng)端接運(yùn)放器U2的輸入端，電阻R20與電容C7并聯(lián)后跨接在運(yùn)放器U2的6腳和7腳之間，電容C8接在運(yùn)放器U3的輸出信號(hào)端；上述脈沖分析器由比較器U4、單穩(wěn)觸發(fā)器U5、U6、采樣保持器U7、模數(shù)轉(zhuǎn)換器U13、與非門F1、反相器F2、F3、電阻R22～R30、電容C13～C18組成；比較器U4的反相端2腳通過電容C13接上述放大電路的信號(hào)輸出端、同相端3腳通過電阻R24接2.5V基準(zhǔn)電壓、輸出端1腳接單穩(wěn)觸發(fā)器U5的1腳、4腳接地、8腳接電源VCC，比較器U4的1腳還通過電阻R25接地，電阻R22、R23相串聯(lián)，其接點(diǎn)接比較器U4的2腳，兩端分別接電源VCC和地，電容C14接在比較器U4的3腳和輸出端之間；單穩(wěn)觸發(fā)器U5的2腳分別接單穩(wěn)觸發(fā)器U6的10腳和微處理器U8的1腳、3腳接U6的12腳、4腳接與非門F1的一個(gè)輸入端5腳、13腳接U6的9腳，15腳通過電阻R28接電源VCC，電容C16接在14腳和15腳之間；單穩(wěn)觸發(fā)器U6的7腳通過電阻R29接電源VCC，11腳Y也接電源VCC，電容C17接在6腳和7腳之間，單穩(wěn)觸發(fā)器U6的12腳接采樣保持器的8腳；采樣保持器的3腳通過電容C15接上述放大電路的信號(hào)輸出端、7腳接地、7腳還通過電阻R27、R30接2腳和電源V+、通過電容C18接6腳，5腳接模數(shù)轉(zhuǎn)換器U13的5腳；模數(shù)轉(zhuǎn)換器U13的8、14、15、17～21腳通過總線接微處理器U8的32～39腳、鎖存器U9的3、4、7、8、13、14、17、18腳和存儲(chǔ)器U11的13～15、17～21腳，它的10腳接時(shí)鐘信號(hào)輸入、12腳接5V基準(zhǔn)電壓、16腳接地、22腳接譯碼器、6腳接與非門F1的6腳、9腳接反相器F2的6腳、7腳接反相器F3的9腳；與非門F1的另一個(gè)輸入端4腳接微處理器U8的2腳，反相器F2的5腳接譯碼器，反相器F3的8腳接微處理器U8的13腳；上述譯碼器包括U10、U11兩塊譯碼芯片，U10的13腳接反相器F2的5腳、5腳接與非門F4的8腳、6腳接U11的6腳，U11的13腳模數(shù)轉(zhuǎn)換器U13的22腳；上述微處理器U8的21～28腳通過總線分別接鎖存器U9的2、5、6、9、12、15、16、19腳、存儲(chǔ)器U12的2～12、23、25～28腳、與非門F4的1～6、11、12腳；電阻R31、R32、R33、R34組成串聯(lián)環(huán)路，R32、R33的連接點(diǎn)接電源VCC，R34、R31的連接點(diǎn)接控制高壓、R33、R34連接點(diǎn)接微處理器U8的8腳，R32、R31的連接點(diǎn)接微處理器U8的7腳；上述鎖存器U9的1腳接地、11腳接微處理器U8的30腳；上述環(huán)境氡氣測(cè)定儀，所述放大電路的三極管T1、T4是復(fù)合三極管，它也可以由兩級(jí)獨(dú)立的三極管連接而成。
采用這種方法測(cè)定環(huán)境氡氣，其靈敏度是各類常見瞬時(shí)方法的20～600倍，為大幅度降低探測(cè)下限和大幅度提高測(cè)量準(zhǔn)確度提供了基礎(chǔ)，該方法能在較低的環(huán)境氡濃度水平下同時(shí)快速測(cè)量氡濃度和平衡因子，為該方法所設(shè)計(jì)的測(cè)定儀與常用的性能較好的FD-125型、FT648型相比，具有儀器體積小，重量輕，工作時(shí)只需一人，使用也很便捷的優(yōu)點(diǎn)，因此，對(duì)于環(huán)境氡檢測(cè)(主要是住房)，該方法及其所用儀器具有其他方法和各類儀器(包括積累式測(cè)量方式，因?yàn)檫@類測(cè)量方式不能測(cè)量平衡因子，且工作效率過低)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，是最適合環(huán)境氡檢測(cè)的方法和儀器。


圖1是本發(fā)明的環(huán)境氡氣測(cè)定儀結(jié)構(gòu)方框圖；圖2是本發(fā)明的環(huán)境氡氣測(cè)定儀采樣部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的環(huán)境氡氣測(cè)定儀樣品處理部分的的放大電路原理圖；圖4是本發(fā)明的環(huán)境氡氣測(cè)定儀樣品處理部分的脈沖分析器、譯碼器、微處理器、存儲(chǔ)器、鎖存器、與非門的電路原理圖；
圖5是本發(fā)明的環(huán)境氡氣測(cè)定儀的程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖2顯示，采樣部分由薄膜采樣片1、電極板2、電纜3、支架4、高壓電源組成。薄膜采樣片1由厚約4um的塑料薄膜制作，α射線可以穿透薄膜且能量損失很小。采樣片1套在電極板2上，電極板2與電纜3相連接，電纜3與高壓電源相連接，由電源向電極板2提供預(yù)定的高電壓。
樣品處理部分的探測(cè)器設(shè)置了上、下兩個(gè)大面積(φ＝50mm)金硅面壘探測(cè)器構(gòu)成對(duì)采樣片的雙向探測(cè)。兩個(gè)探測(cè)器之間的間距僅為6mm，中間為厚3mm的放置采樣片的樣品盤，這種設(shè)計(jì)使空氣對(duì)α射線的能量吸收達(dá)到最低限度，與常見的單面采樣單面測(cè)量的方法相比，其靈敏度可提高4倍。
在圖3中，樣品處理部分的放大電路可以將探測(cè)器送入的電脈沖進(jìn)行放大，電路中采用復(fù)合三極管可以達(dá)到高阻抗、高放大倍數(shù)，以克服干擾，保證探測(cè)信號(hào)靈敏且不失真。電路中的電阻R18、R10、R20均為可變電阻，電阻R18的作用是調(diào)節(jié)前置放大電路的上、下兩部分輸出信號(hào)的平衡，電阻R20的作用是調(diào)節(jié)總放大倍數(shù)。運(yùn)放器U1、U2為同一集成電路的兩部分。
在圖4中，樣品處理部分的脈沖分析器是128道脈沖分析器，它對(duì)送入的放大電信號(hào)的脈沖幅度進(jìn)行分析，得到樣品的218Po計(jì)數(shù)值(N′218-Po)和214Po計(jì)數(shù)值(N′214-Po)。它的電路結(jié)構(gòu)中，比較器U4及其外圍電路是起到比較器的作用，將輸入信號(hào)與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，電阻R24是可變電阻，改變它的阻值可以調(diào)節(jié)比較器U4的工作閾值。單穩(wěn)觸發(fā)器U5、U6是同一集成電路的兩個(gè)功能塊。采樣保持器U7的作用是使模數(shù)轉(zhuǎn)換器U13的輸入信號(hào)在轉(zhuǎn)換期間保持不變。本發(fā)明選用型號(hào)為L(zhǎng)F398的采樣保持器芯片，工作中，當(dāng)邏輯輸入為高電平時(shí)，采樣保持器工作于采樣模式；當(dāng)邏輯輸入為低電平時(shí)，它工作于保持模式，電容C18是保持電容。模數(shù)轉(zhuǎn)換器U13是A/D轉(zhuǎn)換器，它將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，本發(fā)明的實(shí)施例選用ADC0809A/D轉(zhuǎn)換芯片，它的IN-0～I(xiàn)N-7端口為8路模擬信號(hào)輸入端，D0～D7端口為數(shù)字量輸出端，A、B、C、ALE端口為通道地址鎖存和譯碼。與非門F1的兩個(gè)輸入端分別單穩(wěn)觸發(fā)器U5和微處理器U8，輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換器U13，它的作用是接收U5、U8的信號(hào)，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器U13的啟動(dòng)。
樣品處理部分的脈沖分析器再接微處理器U8、譯碼器U10、U11、鎖存器U9、存儲(chǔ)器U12，微處理器U8通過總線分別與鎖存器U9、存儲(chǔ)器U12、與非門F4相連接。微處理器U8的P16、P17端口(7、8腳)是控制高壓端口。微處理器通過接口還與外設(shè)部分的操作鍵盤、顯示器、打印機(jī)相連接，將檢測(cè)結(jié)果顯示和打印出來。
本實(shí)施例選用的一些器件的型號(hào)如下運(yùn)放器U1、U2、U3為NE5532芯片，比較器U4為L(zhǎng)M393A芯片，單穩(wěn)觸發(fā)器U5、U6為74HCl23芯片，采樣保持器U7為L(zhǎng)F398芯片，模數(shù)轉(zhuǎn)換器U13為ADC0809芯片，與非門F1、F4分別為74HC00、74HC30芯片，反相器F2、F3為74HC04芯片，微處理器U8選用8031芯片，也可以采用8051系列芯片，鎖存器U9為74LS373芯片，譯碼器U10、U11為74HCl38芯片，存儲(chǔ)器U12為628128芯片。
本發(fā)明與國(guó)內(nèi)外常用測(cè)量氡氣的儀器相比較具有測(cè)量時(shí)間短、準(zhǔn)確性高、能夠測(cè)量氡濃度和平衡因子兩項(xiàng)參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。
本儀器的采樣方法是直接在被測(cè)空氣空間采集氡的子體，然后對(duì)采集的氡子體進(jìn)行測(cè)量，而不是通過采集一定量(體積)的空氣樣進(jìn)行測(cè)量或從該空氣樣中提取(靜電吸附或?yàn)V膜吸附)氡子體進(jìn)行測(cè)量。因而，本儀器的采樣方法與傳統(tǒng)的采樣方法是截然不同的。本儀器采用帶負(fù)高壓的采樣器直接在室內(nèi)空氣空間吸附氡子體的方法采樣。采樣時(shí)，將采樣器支立于采樣位置，將由雙層薄膜片組成的采樣片套在電極板上(如圖2所示)，按主機(jī)面板上的 鍵，電極板即接通負(fù)高壓。在電場(chǎng)的有效作用空間范圍內(nèi)，呈正離子形式存在的氡子體(218Po、214Pb、214Bi)被吸附到采樣片薄膜上。到達(dá)設(shè)定的采樣時(shí)間時(shí)，儀器自動(dòng)切斷電極板的高壓。本實(shí)施例設(shè)定的采樣時(shí)間為10分鐘。
將已采樣的采樣片置于主機(jī)內(nèi)上下兩個(gè)探測(cè)器之間的樣品盤內(nèi)，按 鍵即開始測(cè)量。采樣片上218Po及氡的第四代子體214Po產(chǎn)生的α射線射到金硅面壘探測(cè)器上，使探測(cè)器產(chǎn)生電脈沖，脈沖經(jīng)放大電路放大，并經(jīng)128道分析器對(duì)脈沖幅度進(jìn)行分析，得到樣品的218Po計(jì)數(shù)值(N′218-Po)和214Po計(jì)數(shù)值(N′214-Po)。
儀器內(nèi)裝的按平衡因子與N′218-Po/N′214-Po比值的函數(shù)關(guān)系、氡濃度與總α計(jì)數(shù)(N′218-Po+N′214-Po)及平衡因子的函數(shù)關(guān)系建立的計(jì)算軟件，自動(dòng)計(jì)算得到采樣位置的空氣氡濃度和平衡因子。
常規(guī)的采樣方法因空氣樣品體積不可能太大(通常0.5L～1.0L，雙濾膜采樣法雖然氣量很大，但單位體積氣樣流經(jīng)擴(kuò)散室的時(shí)間很短，產(chǎn)生的并能為濾膜采樣到的子體量受到限制)，使得儀器的靈敏度(單位氡濃度的儀器計(jì)數(shù)率)難以做得很高，從而不利于對(duì)居民環(huán)境水平的氡濃度進(jìn)行測(cè)量。而本儀器的采樣方法，采樣器的(電場(chǎng)的)有效作用范圍即采樣體積可以足夠大(即滿足給定的探測(cè)下限的需要)，使得相當(dāng)大范圍內(nèi)的(數(shù)十升)呈正離子形態(tài)存在的氡子體被采集到采樣片上。也就說，這種采樣方法可使分散的微量的被測(cè)核素濃集成為易于可靠測(cè)定的樣品。這種采樣方法所需的采樣時(shí)間也不長(zhǎng)，可得到滿意的工作效率。
人們?cè)缇椭溃諝庵须钡母鞫虊圩芋w在生成后的短時(shí)間內(nèi)是以正離子形式存在的，可以方便地采用帶負(fù)高壓(或靜電)的采樣器吸附這些子體，但用這種原理直接在空氣空間采集子體進(jìn)行氡濃度和平衡因子定量測(cè)量的儀器，不僅在我國(guó)市場(chǎng)上沒有見到，在國(guó)際上的氡測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中也未列出這類采樣方法及儀器。由于這種采樣方法的影響因素多，在開放的空氣空間直接吸附氡的子體，不同子體的份額、子體的沉降(包括擴(kuò)散)、空氣狀態(tài)、氣溶膠密度等因素及其相互間的作用共同制約著測(cè)量結(jié)果的可靠性，如果不能定量解釋采樣的機(jī)理及主要的影響量，并建立氡濃度、平衡因子、儀器讀數(shù)(α計(jì)數(shù))相互間的函數(shù)關(guān)系，該采樣方法就不可能成為實(shí)用的方法。我們的創(chuàng)新就在于建立了采樣的數(shù)學(xué)解釋模型，成功地解決了這些問題。由于在方法上取得了這一突破性成果，使得本儀器成為一種能同時(shí)快速測(cè)量氡濃度和平衡因子、測(cè)量范圍大、適用性廣、準(zhǔn)確度高、且使用便捷的儀器，尤其在相當(dāng)?shù)偷沫h(huán)境氡濃度水平下同時(shí)快速測(cè)量上述兩個(gè)參量，該儀器具有其他各類測(cè)氡儀器無法比擬的優(yōu)勢(shì)。
數(shù)學(xué)模型是描述采樣片在足夠大的空氣空間所采集到的子體的組成。根據(jù)觀察到的現(xiàn)象，通過反復(fù)模擬確定所采集的子體按來源可分為四個(gè)部分。
第一部分一在電場(chǎng)作用范圍內(nèi)原先已有的呈正離子狀態(tài)存在的子體(218-Po、214-Pb和214-Bi)。當(dāng)采樣片置于采樣位置并建立電場(chǎng)的一瞬間，這些子體即被吸附到了采樣片上；第二部分一從采樣片置于采樣位置并建立電場(chǎng)的那一刻起到采樣結(jié)束時(shí)為止，222-Rn在這一時(shí)間段內(nèi)所生成的子體(218-Po、214-Pb和214-Bi)，這部分子體在生成后的一瞬間就被吸附到采樣片上(實(shí)時(shí)吸附)；第三部分一在沉降(包括擴(kuò)散)作用下，外部的以正離子狀態(tài)存在的子體(218-Po、214-Pb和214-Bi)以勻速運(yùn)移進(jìn)入電場(chǎng)作用范圍內(nèi)(可用流向電場(chǎng)作用范圍的密度和流速穩(wěn)定的子體流來描述)而被采樣片所吸附；第四部分一在電場(chǎng)作用范圍以內(nèi)的已與氣溶膠結(jié)合的子體(218-Po、214-Pb)在衰變時(shí)各自產(chǎn)生的子體(214-Pb和214-Bi)，這兩種子體同樣在生成后的一瞬間就被采樣片吸附。由于結(jié)合態(tài)子體的沉降(其速度顯著低于未結(jié)態(tài)子體)使電場(chǎng)作用范圍內(nèi)的這兩種子體的衰減得到補(bǔ)充，因而可把電場(chǎng)作用范圍的這兩種子體的量視作恒定的量，這樣估計(jì)不會(huì)帶來明顯的附加誤差。
用電場(chǎng)吸附方法采集子體是一個(gè)持續(xù)的過程，已吸附到采樣片上的子體在不斷衰變產(chǎn)生新的子體，在采樣結(jié)束時(shí)任一子體剩余的量及產(chǎn)生的后代子體的量可通過計(jì)算得到。
以上模型未考慮氣子體的影響。在通常情況下，進(jìn)入空氣中的氣射氣量很小，且在同一環(huán)境條件下，氣射氣與其子體的平衡因子遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氡與其子體的平衡因子，因而不會(huì)給HDC型儀器的測(cè)量結(jié)果帶來明顯的影響。
按照數(shù)學(xué)模型建立的數(shù)學(xué)表達(dá)式a、采樣結(jié)束時(shí)采樣片上的218-Po原子數(shù)(以電場(chǎng)作用范圍內(nèi)的氡原子數(shù)為一個(gè)單位計(jì)算，以下同)N218Po=NI218Po+NII218Po+NIII218Po]]>NQ218Po·KAi·J·e-λA·t+NII218Po+NQ218Po·KAi·J·PAl……(1)]]>b、采樣結(jié)束時(shí)采樣片上的214-Pb原子數(shù)N214Pb=N1214Pb+NII214Pb+NIII214Pb+NIV214Pb]]>=[NQ214Pb·KBi·J·e-λB·t+NQ218Po·KAi·J(1-e-λA·t)-RC1]+NII214Pb]]>+(NQ214Pb·KBi·J·PB1+NQ218Po·KAi·J·PA2)]]>+[NQ218Po·KAi(1-J)·λA/λB(1-e-λB·t)]………(2)]]>c、采樣結(jié)束時(shí)采樣片上的214-Bi原子數(shù)N214Bi=N1214Bi+NII214Bi+NIII214Bi+NIV214Bi]]>=[NQ214Bi·KCi·J·e-λC·t+NQ214Pb·KBi·J(1-e-λB·t)-RC1]+NII214Bi]]>+(NQ214Bi·KC·J·PC+NQ214Pb·KB·J·PB2+NQ218Po·KA·J·PA3)]]>+[NQ214Pb·KBi(1-J)·λB/λC(1-e-λC·t)+RC2]………(3)]]>上面三個(gè)算式中①N0218Po、N0214Pb、N0214Bi-為相應(yīng)子體與222-Rn平衡時(shí)的原子數(shù)。
②λA、λB、λC-分別為218-Po、214-Pb、214-Bi的衰變常數(shù)。
③KAi、KBi、KCi-在不同平衡因子(Fi)時(shí)，222-Rn分別與218-Po、214-Pb、214-Bi的平衡比。
④N11218Po、N11214Pb、N11214Bi以零時(shí)刻的氡的原子數(shù) (N222Rn)為一個(gè)單位，經(jīng)t時(shí)間(采樣時(shí)間)后所積累的三代子體(218-Po、
214-Pb、214-Bi)的原子數(shù)。
⑤RC1一采集的第一部分218-Po原子在采樣時(shí)間t內(nèi)經(jīng)衰變產(chǎn)生的214-Bi的原子數(shù)。
⑥RC2-采集的第四部分子體中，來自結(jié)合態(tài)218-Po的子體214-Pb在采樣時(shí)間t內(nèi)的衰減數(shù)。
⑦J-呈正離子狀態(tài)存在的子體份額(％)。
⑧PA1，PB1，PC-采集的因沉降和擴(kuò)散而進(jìn)入電場(chǎng)作用范圍的子體份額。
⑨PA2、PA3-采集的沉降和擴(kuò)散進(jìn)入電場(chǎng)作用范圍的218-Po在采樣時(shí)間t內(nèi)衰變產(chǎn)生的214-Pb和214-Bi的份額。
⑩PB2-采集的沉降和擴(kuò)散進(jìn)入電場(chǎng)作用范圍的214-Pb在采樣時(shí)間t內(nèi)衰變產(chǎn)生的214-Bi的份額。
由子體的組成可知，采集的子體數(shù)量除與采樣位置的氡濃度有關(guān)外，還與采樣前形成的懸浮在空氣中的子體數(shù)量有關(guān)，這部分子體所占的份額取決于氡與其子體的平衡因子。因此，只要定量確定不同部分的子體組成及其份額，就可以采用這種采樣方法測(cè)量氡的濃度及其平衡因子。儀器內(nèi)裝的實(shí)用計(jì)算公式包括平衡因子(F)計(jì)算公式F=C-bK]]>式中C為214Po窗凈計(jì)數(shù)與218Po窗凈計(jì)數(shù)的比值，C＝N′214-Po/N′218-Po。
b為線性方程的截距，是取決于采樣時(shí)間和測(cè)量時(shí)間的常數(shù)。
K為線性方程的斜率，是取決于采樣時(shí)間和測(cè)量時(shí)間的常數(shù)。
氡濃度(CRn)計(jì)算公式CRn=(1R+aF×N′ta)/J]]>式中R和a均為常數(shù)，其值取決于采樣時(shí)間和測(cè)量時(shí)間。
F為平衡因子N′ta為214Po窗凈計(jì)數(shù)率與218Po窗凈計(jì)數(shù)率之和，即總α計(jì)數(shù)率。
J為校準(zhǔn)得到的儀器靈敏度(min-1/Bq·m-3)。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)境氡氣測(cè)定方法，其特征在于采用將帶負(fù)高壓的采樣器直接在室內(nèi)空氣空間吸附氡子體的方法采樣；采樣時(shí)，將采樣器支立于采樣位置，將由雙層薄膜片組成的采樣片套在電極板上，將電極板接通負(fù)高壓，在電場(chǎng)的有效作用空間范圍內(nèi)，呈正離子形式存在的氡子體(218Po、214Pb、214Bi)被吸附到采樣片薄膜上；將已采樣的采樣片置于主機(jī)內(nèi)上下兩個(gè)探測(cè)器之間的樣品盤內(nèi)，開始測(cè)量；儀器內(nèi)裝的按平衡因子與N′218-Po/N′214-Po比值的函數(shù)關(guān)系、氡濃度與總α計(jì)數(shù)(N′218-Po+N′214-Po)及平衡因子的函數(shù)關(guān)系建立的計(jì)算軟件，自動(dòng)計(jì)算得到采樣位置的空氣氡濃度和平衡因子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境氡氣測(cè)定方法，其特征在于所述計(jì)算軟件中計(jì)算空氣氡濃度和平衡因子的公式為平衡因子(F)計(jì)算公式F=C-bK]]>式中C為214Po窗凈計(jì)數(shù)與218Po窗凈計(jì)數(shù)的比值，C＝N′214-Po/N′218-Po；b為線性方程的截距，是取決于采樣時(shí)間和測(cè)量時(shí)間的常數(shù)；K為線性方程的斜率，是取決于采樣時(shí)間和測(cè)量時(shí)間的常數(shù)；氡濃度(CRn)計(jì)算公式CRn=(1R+aF×N′ta)/J]]>式中R和a均為常數(shù)，其值取決于采樣時(shí)間和測(cè)量時(shí)間；F為平衡因子N′ta為214Po窗凈計(jì)數(shù)率與218Po窗凈計(jì)數(shù)率之和，即總α計(jì)數(shù)率；J為校準(zhǔn)得到的儀器靈敏度(min-1/Bq·m-3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的環(huán)境氡氣測(cè)定方法，其特征在于所述的電極板接通的負(fù)高壓為-100～-10000V，所述的采樣時(shí)間為1～180分鐘。
4.一種為權(quán)利要求1所述的環(huán)境氡氣測(cè)定方法所設(shè)計(jì)的測(cè)定儀，其特征在于它由采樣部分、樣品處理部分組成；采樣部分由薄膜采樣片[1]、電極板[2]、電纜[3]、支架[4]、高壓電源組成，薄膜采樣片[1]套在電極板[2]上，電極板[2]與電纜[3]相連接，支架[4]與電極板[2]相連接，電纜[3]在支架[4]中央空腔內(nèi)，電纜[3]與高壓電源相連接；樣品處理部分由探測(cè)器、放大電路、脈沖分析器、譯碼器、微處理器、存儲(chǔ)器、鎖存器、與非門所組成，探測(cè)器的輸出端接放大電路的輸入端，放大電路的輸出端接脈沖分析器的輸入端，脈沖分析器再接譯碼器和微處理器，微處理器通過總線分別與鎖存器、存儲(chǔ)器、與非門相連接；上述探測(cè)器由兩塊金硅面壘探測(cè)器組成，它們面面相對(duì)放置，中間設(shè)置一個(gè)樣品盤。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測(cè)定儀，其特征在于所述放大電路由前置放大電路和運(yùn)算放大電路組成，前置放大電路分為上、下兩部分，分別接上述探測(cè)器的兩塊金硅面壘探測(cè)器的輸出端；前置放大電路的上部由三極管T1、T2、T3，電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，電容C1、C2、C3、C4組成，三極管T1的基極接信號(hào)輸入端、發(fā)射極接地、集電極接三極管T2的發(fā)射極，三極管T2的基極接于電源V+和地之間、集電極接三極管T3的基極，三極管T3的發(fā)射極通過電阻R6接信號(hào)輸入端，還通過電阻R7接地、集電極通過電容C4、電阻R8接在信號(hào)輸出端，電阻R1一端接24V電源、另一端接信號(hào)輸入端，電阻R2、R3接在三極管T2基極與電源V+和地之間，電阻R4、R5分別接在三極管T2、T3的集電極與電源V+之間，電容C1接在信號(hào)輸入端，電容C2、C3分別跨接在電阻R2、R6的兩端；前置放大電路的下部由三極管T4、T5、T6，電阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18，電容C9、C10、C11、C12組成，其連接方式與上部相同；運(yùn)算放大電路由運(yùn)放器U1、U2、U3，電阻R9、R10、R19、R20、R21，電容C5、C6、C7、C8組成，運(yùn)放器U1的反相端2腳接前置放大電路的信號(hào)輸出端、同相端3腳通過并聯(lián)的電阻R9、電容C5接地、4腳接電源V-、8腳接電源V+、輸出端1腳通過電容C6接下級(jí)運(yùn)放器U2的反相端6腳，U2的同相端5腳通過電阻R19接地、輸出端7腳接下級(jí)運(yùn)放器U3的反相端2腳，U3的同相端3腳通過電阻R21接地、4腳接電源V-、8腳接電源V+、1腳是輸出信號(hào)端，電阻R10是滑動(dòng)可變電阻，它的固定端分別接運(yùn)放器U1輸出端和地，滑動(dòng)端接運(yùn)放器U2的輸入端，電阻R20與電容C7并聯(lián)后跨接在運(yùn)放器U2的6腳和7腳之間，電容C8接在運(yùn)放器U3的輸出信號(hào)端；
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)定儀，其特征在于所述脈沖分析器由比較器U4、單穩(wěn)觸發(fā)器U5、U6、采樣保持器U7、模數(shù)轉(zhuǎn)換器U13、與非門F1、反相器F2、F3、電阻R22～R30、電容C13～C18組成；比較器U4的反相端2腳通過電容C13接上述放大電路的信號(hào)輸出端、同相端3腳通過電阻R24接2.5V基準(zhǔn)電壓、輸出端1腳接單穩(wěn)觸發(fā)器U5的1腳、4腳接地、8腳接電源VCC，比較器U4的1腳還通過電阻R25接地，電阻R22、R23相串聯(lián)，其接點(diǎn)接比較器U4的2腳，兩端分別接電源VCC和地，電容C14接在比較器U4的3腳和輸出端之間；單穩(wěn)觸發(fā)器U5的2腳分別接單穩(wěn)觸發(fā)器U6的10腳和微處理器U8的1腳、3腳接U6的12腳、4腳接與非門F1的一個(gè)輸入端5腳、13腳接U6的9腳，15腳通過電阻R28接電源VCC，電容C16接在14腳和15腳之間；單穩(wěn)觸發(fā)器U6的7腳通過電阻R29接電源VCC，11腳也接電源VCC，電容C17接在6腳和7腳之間，單穩(wěn)觸發(fā)器U6的12腳接采樣保持器的8腳；采樣保持器的3腳通過電容15接上述放大電路的信號(hào)輸出端、7腳接地、7腳還通過電阻R27、R30接2腳和電源V+、通過電容C18接6腳，5腳接模數(shù)轉(zhuǎn)換器U13的5腳；模數(shù)轉(zhuǎn)換器U13的8、14、15、17～21腳通過總線接微處理器U8的32～39腳、鎖存器U9的3、4、7、8、13、14、17、18腳和存儲(chǔ)器U11的13～15、17～21腳，它的10腳接時(shí)鐘信號(hào)輸入、12腳接5V基準(zhǔn)電壓、16腳接地、22腳接譯碼器、6腳接與非門F1的6腳、9腳接反相器F2的6腳、7腳接反相器F3的9腳；與非門F1的另一個(gè)輸入端4腳接微處理器U8的2腳，反相器F2的5腳接譯碼器，反相器F3的8腳接微處理器U8的13腳；
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測(cè)定儀，其特征在于所述譯碼器包括U10、U11兩塊譯碼芯片，U10的13腳接反相器F2的5腳、5腳接與非門F4的8腳、6腳接U11的6腳，U11的13腳模數(shù)轉(zhuǎn)換器U13的22腳；
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測(cè)定儀，其特征在于所述微處理器U8的21～28腳通過總線分別接鎖存器U9的2、5、6、9、12、15、16、19腳、存儲(chǔ)器U12的2～12、23、25～28腳、與非門F4的1～6、11、12腳；電阻R31、R32、R33、R34組成串聯(lián)環(huán)路，R32、R33的連接點(diǎn)接電源VCC，R34、R31的連接點(diǎn)接控制高壓、R33、R34連接點(diǎn)接微處理器U8的8腳，R32、R31的連接點(diǎn)接微處理器U8的7腳；所述鎖存器U9的1腳接地、11腳接微處理器U8的30腳。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測(cè)定儀，其特征在于所述放大電路的三極管T1、T4是復(fù)合三極管，它們也可以由兩級(jí)獨(dú)立的三極管連接而成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的測(cè)定儀，其特征在于所述薄膜采樣片[1]由塑料薄膜制成，厚度為4-54um。
全文摘要
一種環(huán)境氡氣測(cè)定方法及測(cè)定儀，屬于氣體檢測(cè)方法及儀器技術(shù)領(lǐng)域。所要解決的技術(shù)問題是提供一種能同時(shí)快速測(cè)量氡濃度和平衡因子、測(cè)量范圍大、適用性廣、準(zhǔn)確度高、且使用便捷的檢測(cè)方法及檢測(cè)儀器。其技術(shù)解決方案是采樣器支立于采樣位置，將由雙層薄膜片組成的采樣片套在電極板上，電極板接通負(fù)高壓，采樣片吸附室內(nèi)空氣空間的氡子體，然后將已采樣的采樣片置于主機(jī)內(nèi)上下兩個(gè)探測(cè)器之間的樣品盤內(nèi)，開始測(cè)量，儀器內(nèi)裝的計(jì)算軟件，自動(dòng)計(jì)算得到采樣位置的空氣氡濃度和平衡因子。測(cè)定儀的采樣部分由薄膜采樣片、電極板、電纜、高壓電源等組成，樣品處理部分由探測(cè)器、放大電路、脈沖分析器、微處理器、存儲(chǔ)器、譯碼器、鎖存器等組成。
文檔編號(hào)G01T1/17GK1455246SQ03112268
公開日2003年11月12日 申請(qǐng)日期2003年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月27日
發(fā)明者鄒禮規(guī), 黃清波 申請(qǐng)人:石家莊核工業(yè)航測(cè)遙感中心