基于土壤氡源的濕度可調控的氡室系統

茅鈺才，王云祥，張 磊，郭秋菊

(1.北京大學物理學院核物理與核技術國家重點實驗室，北京 100871；2.軍事科學院防化研究院核防護研究所，北京 102205)

鈾系衰變鏈中放射性惰性氣體氡(222Rn)測量在輻射環境監測、地質勘探、地震預報、大氣科學及地球物理學等領域有著廣泛的應用[1-4]。為確保測量質量，在氡計量體系內，氡測量儀器需要在可溯源的氡室內進行刻度校準。目前國際上公認的Alpha GUARD測氡儀(PQ2000，Saphymo，法國)因其良好的穩定性，其擴散模式測量可以用來傳遞氡活度濃度(以下簡稱“氡濃度”)基準(GB/T 13163《輻射防護儀器 氡及氡子體測量儀》)。

迄今為止，氡室的設計、建造、發展已經有30多年的歷史。國際上有諸如美國的EML、EPA，德國的PTB、BfS，英國的NRPB，澳大利亞的ARL，日本的NIRS，韓國的KRISS等相關科研機構和政府監管部門研發的氡室[5-10]。

我國自從1988年原核工業第六研究所(湖南衡陽，現南華大學)研制了國內的第一個氡室之后[11]，相繼發展誕生了東華理工學院研制的HD-3型氡室，南華大學的PWM控制法調控換氣量的氡室，國家建筑工程室內環境檢測中心的DSZ-3型標準氡室，國家計量科學院的自動調控氣溶膠粒徑和濃度的氡室[12-15]等等。這些氡室按照濃度調控原理，可以分為動態的循環式控制和靜態的非連續走氣調控兩種類型。從氡源類型上有固體和液體鐳源的不同形式[16-17]。

無論是國家級或行業內的大型標準氡室，還是體積相對較小的二級或三級氡室，通常調控系統復雜，成本昂貴。標準鐳源無論活度大小，存在購買和使用許可申請、放射源安全保存保管、鐳源的科學校準等實際問題。在實際工作中，例如地震臺站、輻射環境監測站或大多數實驗室，日常工作及科研活動并不需要大型氡室的諸多優異性能，只要有一臺在國家計量系統刻度認證過的Alpha GUARD測氡儀和能夠對測氡儀器開展檢驗或刻度校準的簡易箱體，即能滿足絕大多數儀器檢驗或刻度的應用需求。

聯合國原子輻射影響科學委員會(UNCSEAR)2000年報告中指出，土壤氣體中含有很高的氡[18]。國外研究者也有使用罐裝式土壤氡氣或是直接挖出土壤作為氡源的做法[19-21]。另外，在關于土壤氡氣的研究中，發現在地質條件穩定區域，深層土壤氡氣濃度能長時間的維持在一個較高的穩定水平[22]。鑒于土壤氣體中氡氣濃度較高、穩定性好這兩個理想特性，我們研發了一套基于土壤氡源的濕度可調控的簡易氡室系統。

該氡室系統使用土壤氣體作為氡源，選用有機塑料等可視材料作為箱體，設計了獨特的濕度調控及氡濃度調控系統，搭建方便，成本低廉、調控方式簡單。本文將對此氡室系統基本構成、濃度和濕度調控操作方式以及相關的性能參數進行介紹，希冀為國內同行提供參考和借鑒。

1 材料和方法

氡室系統的裝置示意圖如圖1所示。具體各模塊組成、功能、使用方法敘述如下。

圖1 基于土壤氡源的濕度可調氡室系統實驗裝置示意圖

1.1 采氣處理

為獲取穩定的較高濃度的氡氣，將不銹鋼采氣長管打入室外地表土壤深度大于1 m的位置，并長期固定。在露出地面的一端接氣管和氣泵并以恒定流速向外抽氣。在采氣管和氣泵之間使用具有較長回路的衰變通路以避免220Rn干擾，使得氣體經過通路的時間大于5 min，令220Rn充分衰變。得益于土壤氡濃度的長期穩定性和穩定的取氣流速，采用流氣法采氣，可以使得土壤氡取氣管出口處的氡濃度能夠較長時間保持穩定。

1.2 氡濃度調控設計

采用流氣式方法對氡室內氡濃度進行調控。如圖1所示，我們設計了由5個轉子流量計(A～E)構成的濃度調節系統，通過調節5個轉子流量計的限流來控制土壤氡氣和室外大氣氣體的混合比，從而實現對注入氡室氣體的氡濃度調節。具體描述如下：

a)使用流量計A控制抽氣流速，確保以恒定流速采集和獲取氡氣。北京大學氡室系統中使用的流速值vA為3 Lpm。

b)引入轉子流量計B、C、D。其中轉子流量計B控制土壤氣流的分流流速，C控制氣泵從大氣中抽取氣體的流速，兩者混合實現對土壤氡氣稀釋比的調控，從而實現調控氡濃度的目的。兩個流量計可調節范圍為0～5 Lpm。流量計D不限流，為了使得土壤氡氣和大氣氣體可以充分混合，且確保不會出現回流的情況，同時也有觀察分流流速，確定稀釋比的效果，進而實現對濃度調節的預估。

c)為了便于濕度穩定調控，需確保E處的流量穩定。在濃度調節的最后加入不限流的流量計E，通過調節B和C處的流量，保證E處的流量穩定。經過氡濃度調節后的混合氣體以恒定的流速，通過濕度調節系統，進入氡室系統。北京大學氡室系統中，進入氡室的恒定流速設定為3 Lpm。

根據以上設計，得到的流量計E處的混合氣體的氡濃度CE滿足以下方程：

(1)

在連續流氣式調控的氡室系統中，在一段時間的穩定后，CE濃度即可代表氡室內的濃度，穩定所需時長將在下文中展示。上式中Csoil為土壤氣中的氡濃度，可以通過調節空氣氣路流速使得vC為零，即土壤氣體完全不被混合的情況下由氡室內的標準儀器AlphaGUARD測量得到Csoil數值。在得知土壤氣體氡濃度的前提下，就可以通過調節兩路氣體混合比，實現對進入氡室的氣體的濃度調控。

1.3 濕度調節設計

為了實現對氡室內環境的濕度調節，以滿足不同濕度條件下測氡儀器的刻度需求，氡濃度調節后的氣體需要經過濕度調節模塊進行二次處理。濕度調節模塊由一個鼓泡瓶和電子除濕器(正源電熱機械有限公司，DH-1，中國)構成，氣體以穩定流速經過鼓泡瓶，加濕至接近于飽和空氣濕度，再通過電除濕器，除濕至設定的穩定濕度。電除濕器溫度可以設定在1 ℃至室溫之間，進而穩定調控進入氡室內的氣體濕度，實現氡室內的濕度調控。

1.4 氡濃度與濕度測量

北京大學氡室系統中，較高濃度氡氣在完成濃度和濕度調節之后，將鼓入一個體積約300 L的方形腔室。該方形腔室內置入一臺風扇確保氡氣在腔室內均勻分布。放置Alpha GUARD PQ2000測氡儀在腔室內作為標準儀器，以其擴散模式測量腔室內的氡濃度和濕度。如圖1所示，該氡室中，待測儀器可以通過上蓋，直接放入腔室內測量。另外，氡室上方開有4個進出氣口，合計兩條循環氣路，可供待測儀器測試標定使用。這兩種不同的使用方式，可以為多種不同原理的測氡儀進行刻度校正或檢驗。

2 結果和討論

為了檢驗氡室系統的性能，我們進行了兩輪分別調控氡濃度和濕度的實驗，以期檢驗該氡室系統的調節范圍與穩定性。

2.1 濕度恒定的氡濃度調控實驗

在氡濃度調控期間，固定電除濕的溫度為12.5 ℃(室溫25 ℃左右)，Alpha GUARD的測量周期設置為1 h，以擴散模式對氡室內的氡濃度和濕度進行測量記錄，并對濃度調節模塊的各個轉子流量計進行調節。利用公式(1)，可以根據流量計B、C的流速和實測的Csoil，計算得到預估的氡室濃度Ccal，并將其與Alpha GUARD測氡儀實測的氡室內濃度進行比對。三次調節的流量計流速參數設置以及得到的氡室內氡濃度如表1所示。

表1 氡濃度調節參數及氡室內氡濃度實測值和預估值

在3 Lpm取氣流速情況下，北京大學氡室系統取氣點位上，取氣出口處的氡濃度約為5 852 Bq/m3，此時可認為CE=Csoil，理論濃度基于此可通過(1)式計算。不同的土壤氣體和大氣氣體混合比情況下，可以實現氡室內氡濃度的調控，且實測的氡室內濃度值同理論預估值基本符合。實驗表明，通過氣體氡濃度調控系統，實現不同比例土壤氣體的稀釋，可以簡單有效地調控氡室內的氡濃度。

氡濃度調控期間，氡室內氡濃度及相對濕度隨時間的變化情況如圖2所示。

圖2 濕度恒定的氡濃度調控變化曲線

從圖2中可以得知，在整個調控過程中，氡室內的相對濕度可以較好地穩定在(50.8±1.7)%RH的水平。通過控制轉子流量計流速來改變土壤氣路和大氣氣路的流速混合比，可以實現在826～5 852 Bq·m-3范圍內的氡濃度穩定調控，且每個濃度穩定平臺能長達40小時。

同時還可以注意到，受限于腔室體積300 L、換氣流量3 Lpm以及氡室潛在漏氣影響，濃度降低過程需要時間約為22小時，濃度上升需要時間約為19小時。事實上，在實際操作過程中，可以通過氡室中其他氣路快速補充氡和快速排空氡，或者依據實際的需求，提高換氣率，降低腔室體積，有效縮短濃度調控的響應時間。

需要注意的是，土壤中氡濃度水平與采氣點的地質環境、土壤鐳含量和含水量等多種局地因素有關，也與連續采氣的氣體流速有關。故該實驗系統可調節范圍內的最高濃度在不同區域使用時會存在差異，選擇更低的采氣流速，也可以提高氡濃度調控上限。而實驗所需的低濃度下限，可以通過已知的最高濃度值和更大的稀釋比獲得。

2.2 氡濃度恒定的濕度調控實驗

為了實現單一變量的實驗條件，將控制稀釋比例的轉子流量計B、C完全關閉，即不進行氡濃度調節。在氡室內溫度穩定的情況下，電除濕器調控的露點溫度和相對濕度之間存在一一對應的關系。濕度調節完成后，記錄氡室內連續測量的Alpha GUARD的濕度濃度數據，測量周期同樣為1 h。當腔室內濕度和氡濃度穩定達到一定時長后，再進行另外一個平臺的濕度調節。實驗中分別設置電除濕的溫度為5.0 ℃、18.0 ℃、12.5 ℃三個檔位，最終得到測量結果如圖3所示。

圖3 氡濃度恒定時濕度調控變化曲線

由圖3可見，氡室內氡濃度在整個濕度調節期間能夠保持長時間穩定。通過調節電除濕的溫度檔位，得到的三個不同濕度分別可以穩定在(30.8±0.8)%RH、(70.6±0.5)%RH、(50.2±0.7)%RH水平，且每個檔位能夠在長時間內維持濕度穩定。即可以通過上述的調控方式使得氡室在氡濃度穩定的情況下得到不同的濕度環境，通過調節電除濕的溫度，可以實現濕度在(30.8～70.6)%RH范圍內的連續調節。另外濕度上升和下降過程中達到平衡時間分別約為58和48 小時。相比于濃度調節過程，濕度調節則需要更長的平衡時間。

從圖2和圖3的結果中可以注意到，在氡濃度和濕度調節過程中，穩定平臺之間的調控需要較長時間，需要時間的長短取決于氡室體積的大小和流速限值二方面因素。為縮短濕度平臺之間的調控時間，實際操作中可以在圖1裝置圖中氡室上方的循環氣路中接入干燥劑或鼓泡瓶加快氣體交換與濕度平衡。

3 結論

為滿足氡測量儀器在實際使用中檢驗、刻度和校準需求，確保氡測量質控工作開展，本研究基于地表深層土壤中氡濃度高且長時間穩定的特性，研發建立了一種簡易的流氣式氡室系統。通過對土壤氣體和大氣氣體的混合比例控制以及電子除濕器的溫度設定控制，分別實現了對氡室內氡濃度和相對濕度的長時間穩定調控。

北京大學氡室系統，腔體體積300 L，在本研究實驗條件下，可調控相對濕度范圍為(30.8～70.6)%RH，可調控氡濃度范圍為826～5 852 Bq·m-3，且在此范圍內均可以實現連續穩定調節。本氡室系統符合中華人民共和國國家計量檢定規程《測氡儀》(JJG 825—2013)[23]中關于檢定的氡濃度和濕度條件，滿足大多數工作場景中對測氡儀器的刻度校準需求。

本研究研制的簡易氡室系統結構簡單、易于制備、操作方便、成本低廉，性能方面具有可調范圍大、穩定時間長的優點。同時還省去了標準鐳源在購置及使用管理中的繁瑣環節。有望推廣應用于測氡儀的比對和質量控制，為教學、科研和輻射環境監測服務。