专利名称：一种高灵敏空气氡浓度α能谱测量方法
技术领域：
本发明涉及一种α能谱测氡方法及相应的装置，具体涉及一种可实现空气中氡气浓度测量及分析的一种高灵敏空气氡浓度α能谱测量方法。
背景技术：
氡是天然放射性衰变系列中的气态放射性核素，它的衰变产物又是一种不易挥发 的放射性物质，一旦被吸入人体，就会对人体肺部造成损坏并增加诱发肺癌的可能。据统计 研究表明，室内氡气污染是仅次于吸烟导致肺癌的第2大诱因。为此，国家出台了国家标准 GB50325-2001《民用建筑工程室内环境污染控制规范》和国家标准GB/T18883-2002《室内 空气质量标准》，规定了对室内氡气检测的要求。一种高灵敏度空气氡浓度α能谱测量方 法在民用建筑工程室内辐射环境氡水平监测及污染控制领域、标准氡室氡浓度监测、矿井 坑道氡浓度监测等领域有广阔的应用前景。现有的测氡仪，如α径迹测氡、天然热释光测氡、活性碳法测氡、空气脉冲电离室 测氡等很难做到用α能谱测氡，因此无法区分氡及其子体的能谱特性，同时受环境温湿度 的影响，测量值不确定性较大，而且灵敏度也相对较低，这些都限制了人们对环境氡气危害 的进一步认识。由于采用α总量测量，测量时受氡子体平衡时间(4个小时以上)的影响， 一般需要较长的累积测量时间，这不符合对测量速度有要求的应用。虽然已有如美国产的 RAD7型泵吸式α能谱测氡仪，但由于其采用动态泵吸方式，在进行空气中氡浓度测量时， 对测量环境氡气场扰动较大，因此测量结果误差较大，其测量灵敏度也不够高，同时仪器系 统机械结构较为复杂、价格昂贵、功耗大、体积较大，因此也不便使用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，基于空气中的氡气静态扩散原理，采用静 电累积法实现对空气中的氡及其子体进行α能谱测量。该方法针对目前室内空气中氡气 的检测要求，采用α射线半导体探测器作为探测元件，利用氡气静态扩散原理，采用静电 累积方法对空气中的氡及其子体进行α能谱测量，并将氡及其子体收集装置和α能谱测 量分析系统进行一体化设计，同时集成了可测量氡及其子体收集装置腔体内部温湿度的测 量模块，可通过标准氡室刻度获得温湿度对氡浓度测量结果影响的修正模型。利用该方法 设计成的α能谱测氡仪可完成民用建筑工程室内辐射环境氡水平监测及污染控制，标准 氡室氡浓度监测、矿井坑道氡浓度监测等领域，具有结构简单合理、测量灵敏度高、不确定 度小、体积小、功耗低、价格低廉、使用方便等优点。为能达到上述发明目的，所采用的技术方案是一种高灵敏空气氡浓度α能谱测 量方法，其特征在于包括氡及其子体收集装置、α射线半导体探测器、温湿度测量模块、 电路系统、人机交互界面以及计算机数据分析系统；α射线半导体探测器(8)灵敏表面置 于氡及其子体收集装置腔体(7)内部，其信号输出端与电路系统的信号调理单元(4)相连 接；温湿度测量模块以及人机交互界面(1)通过接口与电路系统相连接，温湿度测量模块安装板上，其探测表面经由温湿度测量模块探测通孔(6)置于氡及其子体收集装置腔体内 部；电路系统通过USB接口(9)与计算机数据分析系统相连。按照本发明提供的一种高灵敏空气氡浓度α能谱测量方法，其特征在于所述的 氡及其子体收集装置为导电柱形腔体，腔体壁上加正高压，其内部电场力方向(10)指向α 射线半导体探测器灵敏表面；其腔体的下端留有氡扩散孔(11)，氡扩散孔处装有滤除空气 中灰尘的滤膜；腔体的另一端为绝缘材料(5)和α射线半导体探测器灵敏面积表面及温度 度测量模块表面组成的封闭面；氡及其子体收集装置通过绝缘材料(5)、(12)分别与电路 系统及仪器系统外壳相连接；整个仪器可以通过三角架固定口(13)固定在专用测量三角 1 ο按照本发明提供的一种高灵敏空气氡浓度α能谱测量方法，其特征在于所述的 α射线半导体探测器固定到电路系统的信号调理单元电路板上，电路板安装在绝缘材料 (5)上，通过绝缘材料与氡及其子体收集装置腔体连接成一体；绝缘材料下表面制成导电 面，构成氡及其子体收集装置腔体导电封闭面。按照本发明提供的一种高灵敏空气氡浓度α能谱测量方法，其特征在于所述的 电路系统由数据采集单元(2)、电源管理单元(3)、信号调理单元三个部分构成，具体包含 低噪声信号调理电路、多道脉冲幅度分析器、微处理器系统、低功耗电源管理模块；低噪声 信号调理电路信号输入端与α射线半导体探测器相连接，信号输出端与多道脉冲幅度分 析器信号输入端相连；多道脉冲分析器信号输出端与微处理器系统相连接；低功耗电源管 理模块与仪器电路系统相连；其中，微处理器系统又包含实时时钟模块、数据存储模块、键 盘接口模块、显示接口模块及USB通信接口模块；微处理器系统同时具有不同温湿度条件 下的氡浓度修正模型。通过上面的叙述可以看出，本发明具有以下优点在结构设计上，将氡及其子体收 集装置和α能谱测量分析系统进行一体化设计，方便现场操作和维护；在系统设计上，采 用大探测灵敏面积α射线半导体探测器，采用带高压静电大容积圆柱型金属收集腔体，增 加测量灵敏度；在系统功能上，进行α能谱测量分析，有利于区分氡及其子体能谱特性，采 用温湿度同步测量，修正温湿度对氡气测量的影响，提高测量准确性；在测量原理上，采用 氡气静态扩散原理，利用静电累积测量方法，实现空气中氡浓度的测量，有利于消除空气扰 动对测量结果的影响。在系统性能上，采用低功耗电源设计方案，并采用最新的OLED显示 技术，并留有USB接口，方便与计算机的后台数据库相连接，以便数据的二次分析；在技术 指标上，仪器测量不确定度优于15%，Icph计数率对应的测量灵敏度优于lBq/m3，256道全 谱显示，整机功耗< 300mW。
图1为本发明提供的一种高灵敏空气氡浓度α能谱测量方法的系统构成原理框 图。图2为本发明提供的一种高灵敏空气氡浓度α能谱测量方法的结构图。其中(1)人机交互界面；(2)数据采集单元；(3)电源管理单元；(4)信号调理单 元；(5)绝缘材料；(6)温湿度测量模块探测通孔；(7)氡及其子体收集装置腔体；(8) α射 线半导体探测器；(9)USB接口 ；(10)电场力方向；(11)氡扩散孔；(12)绝缘材料；(13)三角架固定口。图3为本实用新型提供的一种高灵敏空气氡浓度α能谱测量方法的仪器电路系 统原理框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述图1为本发明提供的一种高灵敏空气氡浓度α能谱测量方法的系统构 成原理框 图，如图中所示包括氡及其子体收集装置、α射线半导体探测器、温湿度测量模块、电路系 统、人机交互界面以及计算机数据分析系统。α射线半导体探测器灵敏表面置于氡及其子体收集装置腔体内部，其信号输出端 与电路系统的信号调理单元相连接；温湿度测量模块以及人机交互界面通过接口与电路系 统相连接，温湿度测量模块安装在板上，其探测表面经由温湿度测量模块探测通孔置于氡 及其子体收集装置腔体内部；电路系统通过USB接口与计算机数据分析系统相连。图2为本发明提供的一种高灵敏空气氡浓度α能谱测量方法的仪器结构图。如 图中所示，具体包括人机交互界面(1)、数据采集单元(2)、电源管理单元(3)、信号调理单 元(4)、绝缘材料(5)、温湿度测量模块探测通孔(6)、氡及其子体收集装置腔体(7)、α射 线半导体探测器(8)、USB接口(9)、电场力方向(10)、氡扩散孔(11)、绝缘材料(12)、三角 架固定口(13)几个部分。可通过人际交互界面完成对仪器的操作以及仪器信息的输出； 数据采集单元、电源管理单元、信号调理单元通过绝缘材料(4)安装在氡及其子体收集装 置腔体上部；温湿度测量模块安装在温湿度测量模块探测通孔处，用于测量氡及其子体收 集装置腔体内部的温湿度；氡及其子体收集装置为导电柱形腔体，腔体壁上加正高压，由于 α射线半导体探测器灵敏表面置于氡及其子体收集装置腔体内部且其表面和电路系统地 相连接，所以氡及其子体收集装置腔体内部的电场力方向指向α射线半导体探测器灵敏 表面，通过电场力吸附氡及其子体收集装置腔体内的氡带电子体；空气中的氡通过氡扩散 孔进入氡及其子体收集装置腔体内部，而空气中的氡带电子体在电场力作用下不能进入氡 及其子体收集装置腔体内部；计算机系统可以通过USB接口实现对仪器装置的控制及数据 读取；整仪器装置可以通过三角架固定口固定在测量三角架上。图3为本实用新型提供的一种高灵敏空气氡浓度α能谱测量方法的仪器电路系 统原理框图。如图中所示，包括氡及其子体收集装置、α射线半导体探测器、低噪声信号调 理电路、多道脉冲幅度分析器、人机接口、温湿度测量模块、实时时钟、USB接口、片上系统微 处理器、低功耗电源管理模块以及计算机数据分析系统。低噪声信号调理电路信号输入端 与α射线半导体探测器相连接，调理放大由半导体探测探测到的氡及其收集装置的腔体 内部的α射线信号，其信号输出端与多道脉冲幅度分析器信号输入端相连，通过多道脉冲 幅度分析器将信号调理电路的输出信号转换成数字信号；多道脉冲分析器信号输出端与片 上系统微处理器相连接，微处理器读取存储这个数字信号并进行处理；片上系统微处理器 同时可通过温湿度测量模块测量氡及其子体收集装置腔体内部的温湿度，通过这个温湿度 数据，配合标准氡室的刻度模型，实现氡浓度测量数据的温湿度影响的修正；片上系统微处 理器与时时钟模块、数据存储模块、人机接口模块及USB通信接口模块构成微处理器系统； 低功耗电源管理模块与仪器电路系统相连，实现对整个电路的电源系统进行低功耗管理。
为了说明本发明内容，下面对本发明的原理作进一步阐述理论上，在一个稳定的空间中，氡及其子体处于放射性动态平衡状态。氡及其子体 发生α衰变放射出α粒子，根据放射性平衡理论，氡浓度与这些α粒子数成正比，通过测 量这些α粒子从而实现空气中氡浓度的测量。通过α能谱的方式累积测量扩散到氡及其 子体收集装置腔体内部的氡的第一代衰变子体218Po衰变产生的α粒子信息，从而可以确 定空气中氡的浓度。由于氡子体为带正电气溶胶粒子，空气中原有的氡带电子体在氡及 其子体收集装 置的腔体表面的电场力作用下，无法进入氡及其子体收集装置的腔体内部。而氡本身是不 带电的惰性气体，会在空气对流、氡浓度梯度差、氡团镞等作用下进入氡及其子体收集装置 的腔体内部，在内部发生α衰变产生氡带电子体，这些子体在氡及其子体收集装置腔体的 高压电场作用下，被吸附到半导体探测器表面，在半导体探测器表面发生α衰变产生α粒 子，这个α粒子进入半导体探测器PN结区。由于α粒子具有很强的电离能力，所以会在 PN结区产生大量电子_空穴对。这些电子_空穴对在PN结偏置电压的作用下，迅速积累并 输出到后续低噪声信号调理电路中，由其放大后输出一个电脉冲信号，后续电路记录这个 电脉冲信号，从而获取α粒子信息。不同子体衰变产生的α粒子能量是不同的，因此电离 出来的电子-空穴对数量也不同，反映在后续电路脉冲幅度也不同。根据这一特性采用α 能谱测量，能够有效地区分氡及其子体的能谱特性，从而可以确定被测环境中的氡含量。根 据放射性动态平衡理论，氡与其第一代子体Ρο-218达到放射性平衡只需30分钟即可，因此 通过α能谱测量技术来测量Ρο-218信息，过半小时即可实现空气中氡浓度测量。虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员在所附权利要 求的范围内不需要创作性劳动就能够做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。
权利要求
一种高灵敏空气氡浓度α能谱测量方法，其特征在于包括氡及其子体收集装置、α射线半导体探测器、温湿度测量模块、电路系统、人机交互界面以及计算机数据分析系统；α射线半导体探测器(8)灵敏表面置于氡及其子体收集装置腔体(7)内部，其信号输出端与电路系统的信号调理单元(4)相连接；温湿度测量模块以及人机交互界面(1)通过接口与电路系统相连接，温湿度测量模块安装板上，其探测表面经由温湿度测量模块探测通孔(6)置于氡及其子体收集装置腔体内部；电路系统通过USB接口(9)与计算机数据分析系统相连。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏空气氡浓度a能谱测量方法，其特征在于所述 的氡及其子体收集装置为导电柱形腔体，腔体壁上加正高压，其内部电场力方向(10)指向 a射线半导体探测器灵敏表面，其腔体的下端留有氡扩散孔(11)，氡扩散孔处装有滤除空 气中灰尘的滤膜；腔体的另一端为绝缘材料(5)和a射线半导体探测器灵敏面积表面及温 度度测量模块表面组成的封闭面；氡及其子体收集装置通过绝缘材料(5)、(12)分别与电 路系统及仪器系统外壳相连接；整个仪器可以通过三角架固定口(13)固定在专用测量三 角架上。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏空气氡浓度a能谱测量方法，其特征在于所述 的a射线半导体探测器固定到电路系统的信号调理单元电路板上，电路板安装在绝缘材 料(5)上，通过绝缘材料与氡及其子体收集装置腔体连接成一体；绝缘材料下表面制成导 电面，构成氡及其子体收集装置腔体导电封闭面。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏空气氡浓度a能谱测量方法，其特征在于所述 的电路系统由数据采集单元(2)、电源管理单元(3)、信号调理单元三个部分构成，具体包 含低噪声信号调理电路、多道脉冲幅度分析器、微处理器系统、低功耗电源管理模块；低噪 声信号调理电路信号输入端与a射线半导体探测器相连接，信号输出端与多道脉冲幅度 分析器信号输入端相连；多道脉冲分析器信号输出端与微处理器系统相连接；低功耗电源 管理模块与仪器电路系统相连；其中，微处理器系统又包含实时时钟模块、数据存储模块、 键盘接口模块、显示接口模块及USB通信接口模块；微处理器系统同时具有不同温湿度条 件下的氡浓度修正模型。
全文摘要
本发明公开了一种高灵敏空气氡浓度α能谱测量方法，包括氡及其子体收集装置、α射线半导体探测器、温湿度测量模块、电路系统、人机交互界面及计算机数据分析系统。α射线半导体探测器灵敏表面置于氡及其子体收集装置腔体内部，α射线半导体探测器、温湿度测量模块及人机交互界面与电路系统相连接，电路系统通过USB接口与计算机数据分析系统相连。采用静态扩散的方式收集空气中的氡，采用高压静电方式吸附氡带电子体进行探测；利用α射线半导体探测器采用α能谱测量来区分氡钍子体，实现空气氡浓度测量；采用温湿度同步测量方式修正其对氡浓度测量的影响。该方法适用于民用建筑工程室内辐射环境氡水平监测及污染控制、矿井坑道氡浓度监测等领域。
文档编号G01T7/02GK101832955SQ201010183739
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月26日 优先权日2010年5月26日
发明者丁卫撑, 周建斌, 方方, 杨勇, 阮菊红, 马英杰 申请人:成都理工大学