HD-6型氡室装置氡体积活度空间均匀性分析_田兴宇.pdf

30检验检测2023 年第 3 期（总第 167 期）HD-6 型氡室装置氡体积活度空间均匀性分析田兴宇，苏建文，李云洋，杜猛猛，王昕瑶（中国地震局第一监测中心，天津，300171）摘 要：HD-6 型氡室是为测氡仪校准测试提供参考体积活度的装置，通过动态循环控制方法进行校准环境的氡浓度控制。由于在测试过程中，标准器与被测仪器所测量气体分别来自氡室内的不同区域，因此氡室内部气体环境中的氡是否分布均匀是影响仪器校准因子测试结果准确度的重要因素，也是校准结果不确定度的主要来源之一。为此，研究通过实验对 HD-6 型多功能控制氡室装置内部氡核素的分布情况进行了测试，使用 AlphaGuardP2000pro 型测氡仪在 2951.5Bq/m3氡浓度条件开展了氡室氡分布均匀性试验，通过分析试验数据对氡室氡分布均匀性进行了评价，并通过对比测试分析了氡室氡分布均匀性对仪器校准结果的影响。关键词：测氡仪；氡室；均匀性；校准中图分类号：TL81 文献标志码：A 文章编号：1008-3103（2023）03-0030-04Spatial Uniformity Analysis of Radon Volume Activity in HD-6 Radon Chamber DeviceTianXing-yu，SuJian-wen，LiYun-yang，DuMeng-meng，WangXin-yao（FirstMonitoringCenterofChinaEarthquakeAdministration，Tianjing300171，China）Abstract：TheHD-6radonchamberisadevicethatprovidesareferencevolumeactivityforthecalibrationtestoftheradondetector.Theradonconcentrationofthecalibrationenvironmentiscontrolledbythedynamiccyclecontrolmethod.Duringthetestprocess，thegasmeasuredbythestandardandthemeasuredinstrumentcomesfromdifferentareasoftheradonchamber.Therefore，whethertheradoninthegasenvironmentinsidetheradonchamberisevenlydistributedisanimportantfactoraffectingtheaccuracyofthecalibrationfactortestresults，anditisalsothemainsourceoftheuncertaintyofthecalibrationresults.Therefore，thedistributionofradonnuclidesintheHD-6multi-functionalcontrolradonchamberdevicewastestedexperimentally.TheAlphaGuardP2000proradondetectorwasusedtocarryouttheradondistributionuniformitytestintheradonchamberundertheconditionof2951.5Bq/m3radonconcentration.Theuniformityofradondistributioninradonchamberwasevaluatedbyanalyzingtheexperimentaldata.Theinfluenceofradondistributionuniformityinradonchamberoninstrumentcalibrationresultswasanalyzedbycomparativetest.Keywords：radondetector；radonchamber；uniformity；calibration基金项目：中国地震局第一监测中心科技创新主任基金项目（FMC2022004）；中国地震局地震科技星火计划（XH22017YA）联合资助。作者简介：田兴宇（1996），工学硕士，助理工程师，主要从事计量检定与国家地震计量站建设工作。0 引言氡（222Rn）是由铀衰变产生的惰性放射性气体，广泛存在于自然界中，是天然辐射的主要来源1。目前，氡的测量在辐射防护、环境评估、矿物勘探、地震监测等诸多领域均有应用。测氡仪是氡流体观测的工作计量器具，作为相对测量仪器，在出厂前，须进行量值校准，通过校准取得仪器体积活度响应（校准因子），使仪器读数接近被测环境的氡浓度真值。另DOI:10.14127/ki.jiangxihuagong.2023.03.007312023 年 6 月HD-6 型氡室装置氡体积活度空间均匀性分析外，受测氡仪探测器性能和电子元器件参数影响，其校准因子必然随测量环境变化和时间增加而改变。因此，技术人员需定期对测氡仪进行校准，以保证其测量结果的准确性2。测氡仪的校准与检定主要通过氡室装置完成3，以氡室构建氡活度浓度（氡体积活度）稳定可控的测试环境，将标准器与被测仪器放入测试环境中，通过比较法测算出被测仪器的校准因子4,5。由于在测试过程中，标准器与被测仪器所测量气体分别来自氡室内的不同区域，因此氡室内部气体环境中的氡是否分布均匀是影响仪器校准因子测试结果准确度的重要因素，也是校准结果不确定度的主要来源之一。为此，本研究通过实验对 HD-6 型多功能控制氡室装置内部氡核素的分布情况进行了测试，分析了装置内氡分布的均匀性（以下简称氡体积活度均匀性）。1 氡室氡室是广泛应用于测氡仪刻度校准的装置，根据装置氡体积活度控制原理的差异，氡室可分为动态循环式控制型与静态非连续走气调控型6。本文所使用 HD-6型氡室属于动态循环式氡室，装置采用自动化控制系统实现校准环境的氡体积活度动态稳定7，可调配不同氡体积活度的气体环境，为测氡仪校准测试提供特定氡体积活度的气体测试环境。整套装置主要由主氡箱、固体氡源、氡体积活度控制系统、温湿度控制系统、废气排控系统组成，其组成示意图如图 1 所示。1.1 装置浓度动态控制方法HD-6 型氡室通过循环补氡来调控主氡箱内的气体氡体积活度8,9。当开启氡体积活度控制时，氡源控制系统打开固体氡源与调控气路的开关，使含氡气体不断流入主氡箱，随着氡在主箱体内不断累积，箱体气体氡体积活度不断上升，当主氡箱内的氡体积活度累积至目标氡体积活度允许误差上限后，装置完成第一次补氡。补氡完成后，氡源内部气体向排控装置进行输出，主氡箱内的氡体积活度随着氡的不断衰变而逐渐下降，装置根据氡衰变系数确认理论衰变曲线，当主氡箱内部氡体积活度理论值下降至装置所设置允许误差下限时，再次将氡源与调控气路进行连接，重新开始补氡直至氡体积活度再次达到允许误差上限，重复以上操作使得氡室主氡箱内氡体积活度稳定在目标氡体积活度允许误差范围内10，使氡体积活度达到动态稳定状态，其氡体积活度变化过程示意图如图 2 所示。标准仪器被测仪器主氡箱固体氡源氡源控制系统温湿度控制系统排控气路排控装置控制终端调控气路氡体积活度首次补氡完成动态稳定阶段时间0允许误差上限目标氡浓度允许误差下限1.2 氡室有效均匀区域由于氡核素本身的原子质量较大，因此主箱体内部的氡会自然地沉积在下层空气中。为保证测试或实验过程中取气区域内的氡处于均匀分布状态，氡室装置在主氡箱内部设置有风机，通过风机产生的循环气流带动沉积在箱体下层的氡，使其随气流在主氡箱内部循环，从而构建氡核素分布相对均匀的取气测试区域（有效均匀区域）。通过风机带动内部气流可在主氡箱内构建氡体积活度相对稳定的有效均匀区域，但该区域无法完全覆盖箱体，装置有效均匀区域的体积通常与主箱体总体积成正比，二者比例关系通常为 1：2，氡室装置有效图 2 氡体积活度动态稳定过程图 1 HD-6 型氡室装置组成示意图322023 年第 3 期（总第 167 期）均匀区域如图 3 所示。1.3 氡体积活度均匀性测试1.3.1 主要试验仪器与装置Alpha-GUARDP2000Pro 型测氡仪：德国SaphymoGmbH公司产品，内置 0.62L 气体脉冲电离室，具备快速浓度梯度响应功能，测量范围为 22000000Bq/m3；HS03B型测氡仪：成都核盛科技有限公司产品，内置 0.9L 高灵敏度空气脉冲电离室，测量范围为 21000000Bq/m3；HD-6 型多功能自控氡室：东华理工大学研制，配有 4m3主氡箱，内置氡浓度、温度、相对湿度控制系统，具备远程独立控制终端，装置氡浓度控制范围为20020000Bq/m3。1.3.2 测试条件测试使用装置为 HD-6 型氡室装置，配置有 4m3玻璃主氡箱，根据装置使用说明，其有效均匀区域为装置中心 2m3的矩形空间。为对有效均匀区域内的氡核素分布情况进行测试，研究在有效均匀区域边界处及中心区域共选取了 10 个取气测试点位，点位位置如图 4 所示。图 4 取气位置示意图测试过程中，本研究使用 P2000pro 型测氡仪对氡室主氡箱内的氡体积活度进行测量。测氡仪采用扩散模式进行测量，将仪器放入氡室支架后依次移动支架使测氡仪进气口置于各取气点处，仪器单次测量周期为 1 小时。为减小中途动态稳定补氡过程对氡体积活度测试结果产生的影响，各点位氡体积活度测量值取 3 小时内测氡仪的平均测量值；考虑到放射性统计涨落影响，测试过程中主氡箱内氡体积活度调控设置为 3000Bq/m3。最终以各点位测量结果与所有点位平均测量结果之间的相对偏差对氡分布均匀性进行分析。2 测试结果与分析通过 30 小时的连续测试，笔者得到了氡室主箱体有效均匀区域内氡分布均匀性的测试数据，结果如表 1所示。表 1 氡分布均匀性测试结果测试点位编号 氡体积活度测量结果（Bq/m3）相对偏差值（%）12968.00.5622920.01.0732930.70.7042952.00.0252994.71.4662957.30.2072962.70.3882925.30.8992968.00.56102936.00.53均值2951.5/图 3 氡室装置有效均匀区域332023 年 6 月HD-6 型氡室装置氡体积活度空间均匀性分析结果表明，各点位下测量结果平均值为2951.5Bq/m3，与平均测量值相对偏差小于 0.5%的测试点共 3 个；与平均测量值相对偏差在 0.5%与 1.0%之间的点位共 5个；与平均测量值相对偏差在 1.0%与 2.0%之间的点位共 2 个。各测试点位下测量结果的相对偏差均小于 2%，由此说明装置主氡箱测试区域内的氡分布均匀性良好。为进一步分析氡空间分布均匀性对仪器校准测试结果的影响，本研究以 HS03B 型测氡仪作为被校仪器，P2000pro 型测氡仪作为标准仪器，在各点位进行了校准测试。测试过程中标准仪器连接至 5 号取气点位，被校仪器依次放置在其他点位，依据测氡仪检定规程中的测试方法11，每个取气点位下分别选择了三个测试体积活度点，各测试点氡气体积活度选取范围分别为小于800Bq/m3、10001500Bq/m3、大于 2000Bq/m3。将两台仪器均以 1 小时的循环时间进行连续测量，在校准环境达到稳定状态后以连续 6 次测量结果计算被校仪器校准因子，计算方法如式（1）所示。RNNQjjbj=-（1）其中，Rj是被校测氡仪在第 j 个浓度点的校准因子；Nj是被校测氡仪在第 j 个浓度点的平均示值；Nb是通过测量空气环境得到的被校测氡仪的本底示值；Qj是第 j 个测量点标准测氡仪的平均测量值。最终以各浓度点校准因子测量结果的算术平均值为被校仪器的校准因子值。通过对比测试，本研究得到的各取气点位下校准因子测试结果如表 2 所示。表 2 取气点位校准对比测试结果被校仪器取气点位校准因子测试