基于TASLIMAGE系統的CR-39氡探測器測量氡的蝕刻條件研究*

王 晨 丁艷秋 鄧 君 武云云 王愷怡 郭 文*

人類所受的天然輻射劑量有將近50%來源于氡，氡對人類的影響及危害不容忽視，而氡的測量是評價其輻射危害的基礎，其測量方法和探測裝置也在不斷的完善和提高[1-2]。被動累積式氡劑量計是一種基于粒子蝕刻軌道探測器的測量裝置，廣泛應用于氡氣暴露的累積測量。CR-39作為氡劑量計中的固體核徑跡探測器塑料，一直是氡個人劑量計中應用最為廣泛的材料，且CR-39相比于其他徑跡探測器塑料能取得更好的監測效果，同時還具有靈敏度高、潛徑跡相對穩定、受環境濕度和溫度等影響小、對β射線、γ射線和電子射線不敏感、體積小以及價格低廉等優點[3]。

影響CR-39化學蝕刻的主要因素有蝕刻時間、蝕刻液種類和濃度以及蝕刻溫度，加之由于制作原料和生產工藝的不同，不同廠家不同批次的CR-39具有不同的靈敏度和輻射響應，人工讀取和自動讀取時要求也不相同，因此需要通過實驗確定最佳蝕刻條件[4]。為此，本研究基于TASLIMAGE核徑跡圖像自動分析(Radon and neutron dosimetry system TASLIMAGE系統)，針對CR-39固體核徑跡探測器化學蝕刻的蝕刻時間、蝕刻液種類與濃度和蝕刻溫度3個主要影響因素，采用正交法設計實驗，分析徑跡圖像和凈徑跡密度，得出的最佳蝕刻條件與推薦化學蝕刻條件對比，綜合考慮確定CR-39固體核徑跡探測器在實驗范圍內的最佳化學蝕刻條件。

1 材料和方法

1.1 實驗器材

(1)CR-39固體核徑跡探測器：采用TASTRAK聚烯丙基碳酸二乙二醇酯(Poly allyl diglycol carbonate，TASTRAK PADC)[英國Track Analysis Systems(TASL)公司]，規格為25 mm×25 mm×1.0 mm。

(2)蝕刻溶劑：使用麥克林生化科技有限公司生產的有效成分≥95%的NaOH固體粉末，分別配置5.0 mol·L-1、6.25 mol·L-1和7.0 mol·L-1的NaOH溶液。

(3)讀取系統：采用英國Track Analysis Systems公司的TASLIMAGE核徑跡圖像自動分析系統，該系統是一套自動掃描分析系統，包括顯微鏡、步進電機控制器、數碼CCD相機、顯示器、蝕刻槽(恒溫水浴箱)、蝕刻架及干燥箱等，可以自動記錄CR-39固體核徑跡探測器的徑跡圖像特征和徑跡數。

1.2 實驗方法

(1)正交實驗設計：正交實驗為蝕刻溫度T(℃)、NaOH蝕刻液濃度C(mol·L-1)和蝕刻時間t(h)3個主要因素和3種不同條件的3水平實驗。依據L9(34)正交表安排實驗，分別表述為實驗1～9組，TASL公司推薦的蝕刻條件表述為對照10組。

(2)正交實驗條件：影響CR-39化學蝕刻的3個主要因素為蝕刻溫度T(℃)、NaOH蝕刻液濃度C(mol·L-1)和蝕刻時間t(h)。每個因素取3個水平，蝕刻溫度T取80 ℃、90 ℃和98 ℃；蝕刻液濃度C取5.0 mol·L-1、6.25 mol·L-1和7.0 mol·L-1；蝕刻時間t取1 h、2 h和3 h。TASL公司推薦的蝕刻時間為1 h，蝕刻液為6.25 mol·L-1的NaOH溶液，蝕刻溫度為98 ℃。

(3)照射：將80個CR-39探測器分別置于圓柱形濾膜式氡劑量計中，根據實驗要求共分為10組，每組8個氡劑量計，其中每組包括照射組(5個)和本底組(3個)。將10組中的照射組共50個氡劑量計放于氡室中90.4 h，至氡劑量劑中氡濃度完全平衡。放置時氡室條件為：溫度為18.2～23.7 ℃，相對濕度為4%～9%，平均濃度穩定在(1796±85)Bq·m-3。同時將10組中作為本底組的30個氡個人劑量計放在氡室外的房間內。

(4)蝕刻：照射后將氡劑量計全部收回，從中取出CR-39探測器，按照正交實驗設計的9種蝕刻條件和公司推薦的1種蝕刻條件對10組CR-39探測器進行蝕刻實驗?；瘜W蝕刻時，蝕刻液濃度配制時使用有效成份≥95%的NaOH固體粉末，配置所用水為去離子水。

(5)烘干處理：蝕刻后將裝有CR-39探測器的蝕刻架放在超聲波清洗機中用去離子水清洗3次，放入干燥箱中0.5～1 h至完全烘干取出。

1.3 數據讀取

使用TASLIMAGE系統讀取10組實驗中的CR-39探測器數據。實驗中每片CR-39探測器讀取5次，系統分別記錄每片CR-39探測器每次的徑跡密度和徑跡圖像，后借助統計學中Grubbs法去掉異常數據之后計算實驗中10組CR-39的凈徑跡數以及凈徑跡密度平均值。

1.4 計算方法

(1)氡濃度計算：根據TASLIMAGE系統中測得徑跡數以及徑跡密度，計算監測周期內的累積濃度[5]；其計算為公式1：

式中CRn為監測周期內的濃度(Bqhm-3)；nR為監測用氡個人劑量計中的CR-39經蝕刻后測讀得到的凈徑跡密度(tr·cm-2)；T為暴露時間(h)；FR為刻度系數(Trcm-2/BqhBq-3)。

(2)探測限計算：固體核徑跡測量方法的探測限[6]LD的估算為公式2：

式中LD為固體核徑跡測量方法的探測限；Kβ為第一類錯誤(α錯誤)發生概率；Kα為第二類錯誤(β錯誤)發生概率；Nb為固體核徑跡元件的本底徑跡密度(tr·cm-2)；在95%的置信區間α和β均取5%，則Kα=Kβ=1.645。

(3)正交實驗極差分析法計算：在正交實驗極差分析法計算中，因素T、C、t各水平對應蝕刻條件下的凈徑跡密度之和及凈徑跡密度算數平均值記為K1、K2、K3和。R為各因素各水平下的極差。例如對于溫度T這一因素，記為第一水平80 ℃時對應的實驗1組、實驗2組、實驗3組的凈徑跡密度之和及凈徑跡密度算數平均值。依次計算各因素K2、以及極差R。

(4)凈徑跡數計算：凈徑跡數等于照射組的徑跡數減去本底組的徑跡數。

2 結果

2.1 徑跡圖像特征

實驗過程中，CR-39經過化學蝕刻、去離子水清洗及干燥處理后，使用TASLIMAGE系統中獲得CR-39在實驗中各個蝕刻條件下的徑跡圖像。整理分析后得到的徑跡圖像特征見表1。

表1顯示，實驗1組由于蝕刻不足，圖像中幾乎看不出徑跡，實驗7組、實驗組8出現了過蝕刻現象，徑跡圖像大部分呈灰色，達不到儀器識別的灰度值。實驗3組圖像特征最合適，圓形和楔形徑跡圖像清晰，較大。其他各組實驗也呈現了不同的徑跡圖像特征，表明基于TASLIMAGE系統，不同時刻條件下對于CR-39的蝕刻程度有很大的差異。

2.2 凈徑跡密度

在TASLIMAGE系統中讀取的10組不同蝕刻條件下的凈徑跡數以及凈徑跡密度實驗結果見表2。

表1 不同蝕刻條件下的徑跡圖像特征

表2中的凈徑跡密度顯示，不同化學蝕刻條件下蝕刻的CR-39在TASLIMAGE徑跡自動讀取識別系統中讀出的徑跡密度有很大差異，與對照10組的徑跡密度相比，實驗2組和實驗3組對應的化學蝕刻條件下讀取的徑跡密度提高了37.1%和40.7%，而實驗1組、實驗8組對應的化學蝕刻條件下讀取的徑跡密度很小，其他實驗組讀取的徑跡密度與實驗2組、實驗3組比較而言也相對較少。

2.3 最佳化學蝕刻條件的對比

實驗刻度系數FR在中國原子能科學研究院標準氡室進行刻度得出。用實驗所得出的最佳化學蝕刻條件和推薦的化學蝕刻條件，對放在標準氡室的5個柱形氡劑量計及放在環境中的3個本底劑量計中的CR-39進行蝕刻，在TASLIMAGE系統中測得徑跡密度，求得的兩種蝕刻條件下的刻度系數列于表3中。同時，由公式(2)求得最低可探測水平LD，見表3。

表2 不同蝕刻條件下的凈徑跡數實驗結果

表3 標準氡室中最佳化學蝕刻條件與公司推薦蝕刻條件的對比

表3顯示，兩種不同蝕刻條件的刻度系數不同，表明CR-39在不同蝕刻條件基于TASLIMAGE系統響應有差異。最低可探測水平越低，靈敏度越高，CR-39在最佳蝕刻條件下的靈敏度較好。

2.4 蝕刻條件影響分析

極差分析法是分析正交數據的常用方法[7]之一，根據表2的實驗數據處理后結果見表4。

表4 極差分析法實驗數據處理結果

表4顯示，對于凈徑跡密度而言，蝕刻液濃度極差最大，表明蝕刻液濃度在研究的3個影響因素中對徑跡密度的影響最大，而蝕刻時間極差最小，表明蝕刻時間的影響最小。

2.5 徑跡圖的對比

TASLIMAGE系統顯微鏡的放大倍數為200倍，正交實驗得出的最佳蝕刻條件下讀取的徑跡圖像(圖1A)與公司推薦蝕刻條件下讀取的徑跡圖像(圖1B)。兩種蝕刻條件下徑跡均清晰可見，大小合適。

圖1 不同蝕刻條件下的兩組徑跡圖像

3 討論

徐秀清等[8]在CR-39探測器應用于帶電粒子識別的實驗研究中，模擬出了不同能量的α粒子的徑跡被讀取最小直徑時的蝕刻條件，其中模擬的5.48 MeV的α粒子的徑跡被讀取最小直徑時的蝕刻條件是：蝕刻液濃度為6.25 mol·L-1、蝕刻溫度為80 ℃及蝕刻時間為63 min，這與222Rn衰變產生的能量最為接近。許偉等[9]研究了日本生產的CR-39固體核徑跡探測器在測量氡時的最佳蝕刻條件：蝕刻溫度為70 ℃、蝕刻液濃度為6.25 mol·L-1及蝕刻時間為12 h。這些研究表明，不同的CR-39探測器需要通過實驗的方法確定最佳化學蝕刻條件。良好的化學蝕刻條件下讀取的徑跡數量較多，大小適度，徑跡輪廓清晰可見[10]。因此，通過徑跡圖像和徑跡密度等確定正交實驗1～9組中的最佳蝕刻條件。以下從徑跡圖像和徑跡密度角度進行綜合分析，確定CR-39在實驗范圍內的最佳蝕刻條件。

本研究中表1顯示，98 ℃溫度時各個蝕刻條件下的徑跡很大，出現灰色過蝕刻區域較多，過蝕刻狀態下的徑跡數灰度值底，表2中相對應的凈徑跡數顯示，TASLIMAGE系統可以自動測讀出的徑跡數和徑跡密度也很少。90 ℃溫度和80 ℃溫度下的各組蝕刻條件存在很大差異，其中實驗3組蝕刻條件下的圓形徑跡和楔形徑跡清晰可見，大小合適且容易分辨，數量較多，蝕刻效果最佳。實驗3組中α粒子徑跡圖像與推薦蝕刻條件下對照10組的圖像類似，兩者圖像均清晰可見，大小合適?？梢缘贸鼋Y論，實驗3對應的化學蝕刻條件與推薦的化學蝕刻條件相比取得了良好的蝕刻效果。因此，實驗3組對應的化學蝕刻條件可以作為此次正交實驗的最佳蝕刻條件。

本研究中表2表明，在正交實驗的實驗1～9組中，實驗2組和實驗3組相比于其他7組所測得的徑跡數最多，徑跡密度最大。在其他實驗條件相同時，徑跡數越多，徑跡密度越大，對應的化學蝕刻條件越好，從這兩個參數分析，可以認為實驗2組和實驗3組對應的化學蝕刻條件在9組正交實驗中是最適合的。實驗2組對應的化學蝕刻條件是蝕刻時間為2 h、NaOH蝕刻液濃度為6.25 mol·L-1、蝕刻溫度為80 ℃。實驗3組對應的化學蝕刻條件是蝕刻時間為3 h、NaOH蝕刻液濃度為7 mol·L-1，蝕刻溫度為80 ℃。實驗2組和實驗3組相差不到6%，就節約實驗時間而言，實驗2組顯然更適合，但是結合徑跡圖像分析，實驗3組的徑跡較大，容易清晰分辨，且實驗3組條件下得出的數據在誤差范圍內優于實驗2組。

根據表2中凈徑跡密度顯示，實驗3組比對照10組的凈徑跡數密度高約40.7%。因此，實驗3組對應的化學蝕刻條件優于廠家推薦的化學蝕刻條件，徑跡顯示效率和測讀效率更好。同時，由表3可知，本研究中正交實驗得出的最佳化學蝕刻條件比公司推薦的化學蝕刻條件響應更好，探測下限更低且靈敏度更高。

通過對徑跡圖像和凈徑跡密度的綜合分析，實驗3組對應的化學蝕刻條件是9組正交實驗中最佳的蝕刻條件，而且優于推薦的化學蝕刻條件。對處于實驗3組條件下，通過TASLIMAGE系統保存的所有的徑跡圖像進行人工測讀，其人工測讀的凈徑跡數為516 tr，TASLIMAGE系統測讀出的474 tr，二者之間的誤差＜10%，可以認為實驗3組的蝕刻條件滿足TASLIMAGE系統的測讀。

極差法分析正交法實驗中，極差越大，該因素對實驗影響就越大。本研究中表4顯示，蝕刻液濃度極差最大，表明蝕刻液濃度的取值對于實驗的凈徑跡密度而言起到的作用最大，而蝕刻時間極差最小，起到的作用就越小。

4 結論

化學蝕刻是固體核徑跡探測探測技術中的一個重要環節，在實際的應用中需要通過實驗得出所需的最佳蝕刻條件?；赥ASLIMAGE系統的實驗結果顯示，CR-39探測器的最佳蝕刻條件是蝕刻時間為3 h，NaOH蝕刻液濃度為7 mol·L-1，蝕刻溫度為80 ℃。影響CR-39探測器化學蝕刻的3個主要因素中，通過極差法分析表明，NaOH蝕刻液濃度對蝕刻后凈徑跡密度影響最大，而蝕刻時間的影響最小。