基于间接测量方法的便携式连续测氡仪的研制

　　目前,氡及其子体的测量与控制已经成为一个多学科共同关注的问题[1]。传统的便携式测氡仪测量灵敏度较低,体积和功耗较大,已经不能满足日益发展的便携式测量的要求。基于被动式间接测量方法研制的便携式连续测氡仪,整合了金硅面垒半导体探测器、电荷灵敏前置放大器和主放大器,设计成功了新型高分辨率窄脉冲峰值展宽电路,应用了混合信号系统芯片的软硬件开发技术,提高了仪器的测量灵敏度,具有携带方便、功耗低、现场处理、现场打印和人机交互友好等特点。

　　1　间接测量方法

　　氡的天然放射性同位素:219Rn、220Rn、222Rn,分别来源于锕系(235U)、钍系(232Th)、铀系(238U)。235U含量很少,仅占238U含量的0. 32%,且219Rn的半衰期很短(3. 96 s),所以大气中几乎显示不出219Rn的存在[2]。因此,环境空气中的氡主要是指220Rn和222Rn。在220Rn和222Rn的衰变子体中除了218Po和212Bi衰变产生的α射线的能量接近外,其他几种都能被明显区分。根据220Rn的衰变链可知,212Bi具有约2∶1的衰变方式, 33. 7%通过α衰变成208T,l 66. 3%通过β衰变成212Po,212Po的半衰期很短,因此可以通过测量212Po的放射性来间接测量212Bi的放射性。

　　在222Rn的衰变链中,214Bi发生α衰变的几率很小(0. 04% ),210Pb半衰期很长(22. 3 a),因此测量中通常忽略214Bi和210Po的影响[3]。

　　根据氡在空气中运移的理论,本仪器采用被动式测量的方法,通过测量扩散进入采集腔内的氡的子体的放射性来间接测量环境空气中氡的浓度。氡通过滤纸排除了其后代元素后进入采集腔。在采集腔中,氡及其后代元素达到放射性平衡后,满足放射性平衡公式:

　　λ220RnN220Rn=λ216PoN216Po=λ212PbN212Pb=λ212BiN212Bi≈32λ212PoN212Po;

　　λ222RnN222Rn=λ218PoN218Po=λ214PbN214Pb=λ214BiN214Bi≈λ214PoN214Po(1)

式中,λ为元素的衰变常数,N为腔体内该元素的原子核数。根据(1)式,可通过测量216Po和212Po的放射性来间接测量220Rn的浓度。同样,通过测量218Po和214Po的放射性来间接测量222Rn的浓度,并通过测量212Po的放射性来间接测量212Bi的放射性,进而纠正212Bi对218Po的影响。

　　2　系统构成

　　系统分为4部分,如图1所示。探测部分主要包括金硅面垒半导体探测器;信号放大调理部分由电荷灵敏前置放大器、主放大器和峰值展宽电路组成,可以对来自探测器的微弱脉冲信号进行放大、整形和展宽后送入ADC;数据处理及控制部分负责数据的采集和分析处理,并将分析处理的结果进行显示、存储、打印或上传等;上位机部分通过串口与便携仪器通信,并对测量数据做进一步处理。

　　3　系统硬件设计

　　3. 1　探测器的选择