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(dǎo)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(xué)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(dǎo)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(xué)特性，通過靜電場，增加其吸附到半導(dǎo)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(lǐng)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(dǎo)，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。