閃爍室測氡不同時刻的刻度因子研究

張書燕 李志強 徐勇 張迷 李委剛 李彥秋 張登玉

為了快速標定閃爍室的氡濃度，本文提出一種無需通過實驗就能得到閃爍室測氡不同時刻的刻度因子來標定氡濃度的方法. 該方法首先利用Geant4模擬了ST-203閃爍室內氡及其子體不同能量α粒子的探測效率，再基于取樣3 h平衡后其刻度因子與閃爍室內氡及其子體平均探測效率的關系，然后根據氡及其子體的衰變規律，建立了閃爍室不同時刻的刻度因子計算方法. 基于上述方法， 本文利用ST-203閃爍室開展不同時刻測氡的刻度因子實驗研究，其理論值和實驗值的偏差小于5%. 由閃爍室結構直接確定不同時刻測氡刻度因子的方法，能夠快速標定閃爍室的氡濃度.

閃爍室； 探測效率； 刻度因子； Geant4

TL84A2023.024002

基金項目： 湖南省自然科學基金（2018JJ2007） ； 湖南省研究生科研創新項目（CX20211233）

作者簡介： 張書燕（1995-）， 女， 安徽東至人， 碩士研究生， 主要從事核電子學和探測技術的研究.

通訊作者： 李志強. E-mail：hysylzq@126.com

Study on calibration factor of radon measurement in scintillation chamber at different times

ZHANG Shu-Yan1， LI Zhi-Qiang1， XU Yong1， ZHANG Mi1， LI Wei-Gang2， LI Yan-Qiu1， ZHANG Deng-Yu1

（1.Hengyang Normal University， Hengyang 421002， China; 2. University of South China， Hengyang 421001， China）

In order to calibrate the concentration of radon in the scintillation chamber quickly， this paper proposes a method to calibrate the? radon concentration? by obtaining the calibration factor of measuring radon in scintillation chamber at different times without any experiments. Firstly， Geant4 was used to simulate the detection efficiency of α particles with different energies of radon and its daughters in ST-203 scintillation chamber， then based on the relationship between the calibration factor and the average detection efficiency of radon and its daughters in the scintillation chamber after 3 hours of sampling and equilibration， and according to the decay law of radon and its daughters， the calculation method of the calibration factor at different times in the scintillation chamber is established. Based on the method above， the calibration factor of radon measurement at different times were studied by using ST-203 scintillation chamber. The results show that the errors between the theoretical and experimental calibration factors of the scintillation chamber at different times are less than 5%. Therefore， the radon concentration in scintillation chamber can be quickly calibrated by directly determining the radon calibration factors at different times from the structure of scintillation chamber.

Scintillation chamber; Detection efficiency; Calibration factor; Geant4

1 引 言氡及其子體是人類所受天然輻射的主要來源［1］. 2009年世界衛生組織（WHO）公布， 氡是19種環境致癌物質之一 ［2， 3］. 隨著人們對氡危害的日益重視，氡測量方法也在不斷完善，其中閃爍室法測氡因操作簡便、探測靈敏度高以及受環境溫濕度等因素的干擾較小而成為氡測量的主要方法［4-6］. 其探測原理是閃爍室內氡及其子體釋放的α粒子打到涂有ZnS（Ag）的閃爍室內壁產生閃光，再由光電倍增管轉化為電脈沖，經電子學線路將脈沖信號放大后，記錄其脈沖數，3 h后依據刻度因子來確定閃爍室的氡濃度［7］.

張書燕， 等： 閃爍室測氡不同時刻的刻度因子研究

閃爍室法測氡不能分辨不同能量的α粒子，常需要較長的時間完成測量［8］. 如Zhu等［9］和Ye等［10］將閃爍室密封3 h后，在已知閃爍室刻度因子的情況下，利用實驗測得的α粒子凈計數率，計算得到氡濃度;? Sensintaffar等［11］將空氣混合物中的氡樣品轉移到疏散的閃爍槽中并密封4 h以上，利用α粒子凈計數率與氡活度的關系來計算刻度因子；趙桂芝等［12］依據平衡后α粒子的平均探測效率與閃爍室刻度因子之間的關系，建立了閃爍室標定氡濃度的方法；王政霞等［13］通過測定一組長測量周期的刻度因子來標定其他不同短測量周期的刻度因子，實現了小閃爍室氡濃度的快速標定. 針對上述情況，本文提出一種無需通過實驗測定即可得到閃爍室不同時刻的刻度因子計算方法來實現氡濃度的快速測量.

2 不同時刻閃爍室刻度因子理論推導

氡（Rn-222）進入閃爍室后發生衰變直到產生穩定的核素Pb-206，衰變過程中其原子核數變化滿足遞次衰變規律. 但各子體的半衰期不一樣，其中半衰期最長的核素是Pb-210，因此在它后面的子體核素對于研究閃爍室的刻度因子沒有實際意義［5］，故氡及其子體的衰變鏈可簡化為圖1所示.

3 方案驗證

3.1 閃爍室對α粒子的探測效率模擬

蒙特卡羅模擬跟蹤α粒子在閃爍室中的輸運是估計閃爍室對α粒子探測效率最有效的方法［17］. 本文利用Geant4構建ST-203閃爍室模型. ST-203閃爍室內部腔體近似于球體，直徑為9.85 cm，容積為500 mL.閃爍室被有機玻璃隔板分為4個相同體積的隔間，其內壁和隔板都涂有ZnS（Ag），且每個隔間對α粒子的探測效率相等［9］. 因此可將閃爍室的模型簡化為1/4球體，其外殼材料為ZnS（Ag），里層填充空氣. 由于閃爍室底部是觀察窗，未涂有ZnS（Ag），因此在構建模型時可利用布爾運算對閃爍室的底部進行切割，其可視化模型見圖2.

Geant4的模擬過程需要自定義粒子的屬性并添加相關的物理過程. 選用G4GeneralParticle Source方式來自定義α粒子源，其發射方向為各向同性，且α粒子在閃爍室內隨機分布. 由于α粒子與空氣中的粒子主要發生非彈性碰撞進而產生電離反應，其物理過程可選用Geant4自帶的電磁相互作用QBBC來模擬［18-20］. 在自然環境狀態下，基于構建的閃爍室模型分別發射104個不同能量（5.49、6.00和7.69 MeV）的α粒子模擬其在閃爍室內的探測效率，將模擬得到的探測效率代入式（4）計算得到平衡后閃爍室的刻度因子K0.

3.2 實驗裝置與步驟

閃爍室刻度因子實驗裝置主要由北京核儀器廠生產的ST-203閃爍室、FD125氡釷分析儀和BHC336定標器組成，如圖3所示.

采用閃爍室氡濃度標定方法進行實驗驗證. 實驗環境氣溫范圍在10～35 ℃，相對濕度在50%左右，氣壓為標準大氣壓. 為減少計數誤差，保證氡及其子體衰變產生的α粒子打到閃爍室內壁及有機隔板上所產生的光電信號均能被記錄，將BHC336定標器的工作高壓設置為-528 V，下閾值設置為0.7 V. 本實驗首先采用真空泵清洗閃爍室，再利用FD125氡釷分析儀測得閃爍室內的本底計數；然后將閃爍室抽真空（約定真空度小于0.1 MPa時為真空）并用彈簧夾夾緊；選用容積為1 mL的注射器抽取1 mL氡源經子體過濾器注入真空閃爍室內，松開彈簧夾使閃爍室內外氣壓平衡后再夾住并靜置.整個取樣過程在5 min內完成.

取樣結束后將閃爍室放在FD125氡釷分析儀上，設置定標器的采集時間和次數，以測量不同時刻閃爍室內氡及其子體衰變產生的總α粒子計數率N. 將模擬得到平衡后閃爍室的刻度因子K0和實驗測得t0時刻的總α粒子計數率代入式（1）計算，可得到閃爍室的氡濃度C，再根據C和式（1）計算不同時刻閃爍室的實驗刻度因子Kex.

4 結果與討論

4.1 模擬結果

在自然環境狀態下，基于所構建的閃爍室模型分別發射104個不同能量（5.49、6.00和7.69 MeV）的α粒子，模擬其在閃爍室內的探測效率，三種能量的α粒子能譜圖如圖4所示. 其中Entries表示閃爍室收集到能量為5.49、6.00和7.69 MeV的α粒子數分別為8093、8707和9626. 依據收集到的α粒子數與發射的α粒子數之比，可得到閃爍室對5.49、6.00和7.69 MeV α粒子的探測效率

分別為ηR=80.93%、ηA=87.07%和ηC=96.26%.將探測效率代入式（4），計算可得到平衡后閃爍室的刻度因子K0=12.6 Bq·m-3·cpm-1.

4.2 實驗驗證與誤差分析

用FD125氡釷分析儀測得不同時刻閃爍室內氡及其子體單位時間衰變產生的總α粒子數，重復測量3次求平均值. 已知t0時刻閃爍室的刻度因子K0=12.6 Bq·m-3·cpm-1，實驗測得t0時刻閃爍室內的α粒子凈計數值N（Δt0），將其代入式（1）計算得到閃爍室的氡濃度C，結果如表1所示.

從表1可看出3次實驗測量的數據之間存在差異，這是由測量時閃爍室內的本底波動、人工取樣的不準確、α粒子產生的隨機性以及統計漲落等因素導致的. 但總的來看， 實驗測得的數據符合放射性核素的衰變規律.為減少上述因素帶來的α粒子計數誤差，取3次實驗測量結果的平均值. 由于上次實驗殘留的氡子體對本次實驗會產生影響，故需要扣除閃爍室內的本底計數，通過實驗測得閃爍室的本底計數為8 cpm. 由式（1）計算得到進入閃爍室的氡濃度C=81 526 Bq·m-3. 根據實驗測得不同時刻閃爍室內氡及其子體單位時間衰變產生的總α粒子數和式（1）即可得到不同時刻閃爍室的實驗刻度因子Kex，將其與不同時刻閃爍室的理論刻度因子Kx進行比較，兩者之間的偏差Kerror=（Kex-Kx）/Kex×100%. 分別計算閃爍室在第30、60、90 和120 min的理論刻度因子與實驗刻度因子并計算兩者之間的偏差，結果如表2所示.

由表2可知，在第30、60、90 和120 min測量時刻，理論計算的刻度因子和實驗數值分析得到的刻度因子結果基本一致，偏差小于5%，證明在這四個時刻閃爍室的理論刻度因子計算公式是可行的. 同理計算得到不同時刻閃爍室的理論刻度因子Kx和實驗刻度因子Kex隨時間t的變化關系，如圖5a所示. 對不同時刻閃爍室的Kx和Kex兩者進行誤差分析，結果如圖5b所示.

由圖5a可知， 不同時刻的理論刻度因子Kx與實驗刻度因子Kex的曲線基本一致. 由圖5b可知，不同時刻的理論刻度因子Kx與實驗數值分析得到的實驗刻度因子Kex的偏差小于5%，證明不同時刻閃爍室的理論刻度因子計算公式是可行的.

5 結 論

本文依據平衡后ST-203閃爍室的刻度因子與氡及其子體平均探測效率的關系，基于ST-203閃爍室的結構，利用Geant4模擬其對氡及其子體不同能量α粒子的探測效率，得到平衡后閃爍室的刻度因子；然后根據氡及其子體的衰變規律，建立了閃爍室不同時刻的刻度因子計算方法. 本文還利用ST-203閃爍室開展了不同時刻的刻度因子實驗研究.實驗測得閃爍室內氡及其子體衰變產生的總α粒子凈計數率，計算了不同時刻閃爍室的實驗刻度因子. 結果表明，閃爍室在不同時刻的刻度因子理論值和實驗值偏差小于5%. 基于閃爍室結構直接確定不同時刻測氡刻度因子的方法，能夠快速標定閃爍室的氡濃度.

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