（核技术及应用专业论文）氡气测量方法研究及在环境检测中的应用.pdf

摘要 氡及其子体的测量，已经成为一个热点话题。它们的测量，是涉及核技术、 电子技术、计算机技术、地球科学和环境科学等学科领域的复杂问题。 本文从氡气及其子体的能谱测量入手，将k z d 0 2 d 环境测氡仪作为实验 工具，结合现场工作的特点，针对目前此类仪器在氡气测量方法方面存在的缺 陷和不足，在认真学习氡及子体测量方法技术的基础上，从解决高浓度场仪器 的探测器被污染问题入手，提出了改进方案；并在野外现场运用等方面做较为 系统的工作。 论文对本人在氡气测量方法技术研究、校园氡环境监测评价、核设施放射 性环境地质评价等方面的工作，做了较为详尽的沦述。该方法以解决高浓度场 仪器探测器的污染问题为核心，利用放射性衰变规律及误差传递的统计学原理， 改进了野外采集数据的工作方法，改写了仪器测量程序。实验证明，这一成果 能够起到消除污染的作用，在校园氡环境监测、插秧沟放射性环境地质评价工 作中，运用改进后的仪器取得了正确的测量结果，证明此方法能够消除污染， 提高测量效率，满足野外测量要求。 关键词：氡，a 能谱测量，空气中氡测量，壤中氡测量 a b s t r a c t t h em e a s u r e m e n tm e t h o d so fr a d o na n di t sd a u g h t e r sh a sb e c o m eap o p u l a r t o p i c t h em e a s u r e m e n ti s ac o m p l i c a t e dp r o b l e mr e f e r r e dt ot h ef i e l do fn u c l e a r t e c h n o l o g y ，e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，e a r t hs c i e n c e ，e n v i r o n m e n t s c i e n c e ，a n ds oo n t h ed i s s e r t a t i o ns t a r t sw i t ht h ee n e r g y s p e c t r u mm e a s u r e m e n to fr a d o na n di t s d a u g h t e r s i tu s e st h ee n v i r o n m e n t a lr a d o nm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t ，k z d 0 2 d ，a s t h ee x p e r i m e n ti n s t r u m e n t ，a n dc o m b i n e si t sa c t u a lw o r kc h a r a c t e r i s t i c a i m i n ga t t h ed e f i c i e n c yo ft h i si n s t r u m e n ti nr a d o nm e a s u r e m e n t ，a ni m p r o v i n gs c h e m ei s p r e s e n tf r o mt h ev i e wo fs o l v i n gt h ep o l l u t e d d e t e c t o ro fh i g hd e n s i t yf i e l d i n s t r u m e n t ，a f t e rw es t u d i e dt h em e a s u r e m e n tm e t h o do fr a d o na n di t sd a u g h t e r s a n dt h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ec o m p r e h e n s i v ew o r kc i r c u m s t a n c e st h a ti tw a s u s e da c t u a lm e a s u r e m e n ti no p e nc o u n t r y ， i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h er e s e a r c ho ft h em e a s u r e m e n tm e t h o do fr a d o n ，t h e e v a l u a t i o no fr a d o nd e t e c t i o ni nt h ec a m p u s ，a n dt h eg e o l o g i c a le v a l u a t i o no ft h e r a d i o a c t i v ee n v i r o n m e n to fn u c l e a re s t a b l i s h m e n ti sd i s c u s s e di nd e t a i l t h i sm e t h o d c e n t e r i n go ns o l v i n gt h ed e t e c t o rp o l l u t i o no fh i g hc o n c e n t r a t i o nf i e l di n s t r u m e n t i m p r o v e st h em e t h o do fd a t aa c q u i s i t i o ni no p e nc o u n t r yb yu s i n gt h el a wo f r a d i o a c t i v ed i s i n t e g r a t i o na n ds t a t i s t i ct h e o r yo fe r r o rt r a n s f e r o nt h i sb a s i s ，t h e p r o g r a mo f t h ei n s t r u m e n ti sa l s oi m p r o v e d e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc a n a v o i dt h ep o l l u t i o n i nt h e a c t u a lm e a s u r e m e n to ft h ed e t e c t i o no fc a m p u sr a d o n e n v i r o n m e n ta n dt h eg e o l o g i ce v a l u a t i o no fr a d i o a c t i v ee n v i r o n m e n ti nr i c e s e e d l i n g sf i e l d s ，r i g h tt e s tr e s u l t sa r e a c h i e v e db yu s i n gt h ei m p r o v e di n s t r u m e n t t h i sp r o v e st h a tt h em e t h o dc a ne l i m i n a t ep o l l u t i o n ，i m p r o v et e s te f f i c i e n c y a n d m e e tt h et e s tr e q u i r e m e n ti no p e nc o u n t r y k e y w o r d s ：r a d o n ，m e a s u r e m e n to f0 【e n e r g ys p e c t r u m ，m e a s u r e m e n to fr a d o ni n a t m o s p h e r e ，m e a s u r e m e n to fr a d o ni ns o i l i i 第1 章引言 第1 章引言 1 1 选题依据及研究意义 氡及其短寿衰变子体( r a d o na n dr a d o np r o g e n y ) 是天然放射性系列中铀 系、钍系的成员，是人类受天然辐射主要的来源之一，每年约1 3 m s v ，占天然 辐射的5 4 ，其中室内氡的贡献约为l m s v 。 国际癌症研究机构( i a r c ) 已经确认，氡及其子体对人体有致癌作用。流 行病学研究表明：氡及其子体的吸入是矿工肺癌发病的主要原因，亦即氡和它 的衰变子体能停留在肺细胞组织内，在其衰变过程中辐射出n 粒子，破坏细胞 核中的d n a 分子，从而导致癌症的发生。1 9 9 2 年，英国学者m a i r h e a c l 等指出，j l 童骨髓性和淋巴性白血病中6 1 2 是由吸入环境氡所造成：1 9 9 7 年，美国学者 总结分析了8 组室内氡与肺癌的流行病学调查资料( 包括芬兰2 组、美国2 组、中 国l 组、瑞士2 组、加拿大1 组) ，病例对照研究总计4 2 6 3 6 6 1 2 例，当室内氡浓度达 2 0 0 b q m 3 时，肺癌危险将会明显增加。当今，许多国家应用矿工肺癌和流行病学 资料来外推环境水平氡的公众肺癌发病率，经推算得出，美国室内氡诱发公众肺 癌占全国肺癌的1 0 1 4 ，英国估算为6 ，我国估算为1 5 ，瑞典估算为1 8 3 0 。可见，环境中的氡对人体健康的危害不容忽视，环境中的氧已经成为除吸 烟外导致肺癌的第二因素m 。 在2 1 世纪的今天，各种建筑材料和消费品大量涌入室内，使室内氡污染的 来源和种类不断增加，人们的身体健康正受到日益严重的威胁，对此，我国党 和政府对氡的研究及防治给予了高度重视。 在我国，从1 9 9 4 年4 月1 日开始实旖环境空气中氡的标准测量方法( 中 华人民共和国国家标准g b t 1 4 5 8 2 9 3 ) ：1 9 9 5 年又制定了住房内氡浓度控 制标准( 中华入民共和国国家标准( 8 t 1 6 1 4 6 1 9 9 5 ) ；2 0 0 1 年制定民用 建筑工程室内环境污染控制规范( 中华人民共和国国家标准g b t 5 0 3 2 5 2 0 0 1 ) ；从2 0 0 3 年1 0 月1 日起，我国正式施行放射性污染防治法。由此可 见，氡气及其子体的测量研究已经提到了重要的议题上来，这对维护居民的身 心健康，促进国民经济和社会发展等起到了十分积极的作用。 同样，随着经济的发展和居民生活水平的提高，对空气中氡水平的监测、 建筑物内部和居民住房内部的氡污染调查及环境保护都提上了议事日程。1 9 9 5 年我国卫生部颁布了住房内氡浓度控制标准，规定住宅中每立方米空气中氡 成都理工大学硕士论文 浓度的上限值为2 0 0 b q m 3 ( 新修的建筑物) 至3 0 0 b q m 3 ( 已居住的旧建筑物) 【2 一酣 。 现在，世界上已有二十多个国家和地区制定了室内氡浓度控制标准。美国 环境保护局( e p a ) 将2 0 0 2 年1 月定为全国氡行动月( n r a m ) ，此举是对连续 1 2 年的全国氡行动周活动的改进和加强。从1 9 9 0 年开始，美国已经把氡作为 一个比较严重的健康问题提出，并采用国家氡行动周的形式向公众进行室内氡 危害的宣传，以引导国民采取防护措施，尽可能地减小氡的危害。冬季由于 气温比较低，房间的门窗密闭，氡气容易在室内累积。天气冷人们更愿意留在 室内，长时间在高氡浓度的环境中生活，会增加发生肺癌的危险度。因此e p a 选择1 月份作为氡行动月，旨在对室内氡危害进行集中的宣传、使公众了解氡 的特性，采取措施降低居室中氡气的浓度。 1 2 研究现状及发展方向 为了深入研究氡及其子体的有关理论、测量方法技术、测量仪器设备，国 家有关部委及各省市多次立项，把氡气测量理论、方法技术的研究作为课题重点 它涉及到环境科学、核科学、地球科学等众多领域。 据在成都理工大学图书馆“中国期刊全文数据库”中进行的不完全检索， 仅从1 9 9 4 年至1 j 2 0 0 5 年就有大量有关探讨氡的论文，它们涉及氡的性质、氡的扩散 规律、氧气测量方法及其应用、环境中氡对入的危害及其浓度评价、测氡仅等 各个方面。以下图表直观地展示了最近1 0 年来人们在氡研究领域内的研究进展 状况。显然，人们对氡研究领域越来越关注，尤其是在有关空气中氡和室内氡 方面则表现得更加明显。 而换个角度，即从以下图表所反映的在该研究领域所发表的论文数量呈逐 年上升的趋势来看，在该研究领域内还有很大的发展空间，亦即还存在很多问 题有待解决。 表1 一l1 9 9 4 - 2 0 0 5 年发表的有关氧的论文统计表 年份( 年)发表文章数( 篇)年份( 年)发表文章数( 篇) 1 9 9 41 4 21 9 9 5 1 5 l 1 9 9 6 1 4 6 1 9 9 7 1 4 3 1 9 9 81 3 41 9 9 91 5 9 2 0 0 01 3 92 0 0 1 1 4 4 2 0 0 21 6 52 0 0 31 6 3 2 0 0 41 8 52 0 0 51 8 8 第1 章引言 对氡及其予体的测量分为总量测量和能谱测量，按测量对象可以分为氡 气测量、氡子体测量、氡加子体测量，基于此，国内外开发了各种类型的测 量仪器，如f t _ 一6 4 8 型测氡仪、r a d 7 型测氡仪、f d 一3 叭7 型测氡仪等。 成都理工大学硕士论文 f t 6 4 8 双滤膜型测氡仪是目前国内唯一无须刻度而能直接进行氡浓度及 氡子体测量的仪器。仪器采用双滤膜测氡浓度原理，即时获得测量结果，测量 结果不受氡及其子体之间放射性平衡程度的影响，它适用于环境氡浓度的调查 研究、室内氡浓度测量、事故监测、放射医学、地震监测、气象研究以及国防 工程核设施的环境监测等领域。 r a d 7 是一款可对氡气进行全面测量的多功能通用仪器，能在多种模式下 工作以完成不同测试目的，如矿井、各种弃置场所、实验室和厂矿等。仪器设 计精良，操作简单。 a 能谱测氡仪是采用高分辨率半导体n 射线探测器，以微控制器为核心的 新一代智能辐射防护检测仪表。该仪器能满足国家标准g b 5 0 3 2 5 2 0 0 1 民用 建筑工程室内环境污染控制规范和国家标准g b t 1 8 8 8 3 2 0 0 2 室内空气质量 标准中对室内空气氡和工程地点土壤以及水中氡测定的要求。可供民用建筑 工程和室内辐射环境氡水平监测及污染控制，民用建筑工程地点土壤中氡浓度 调查和评价；也可用于矿产资源勘查、工程地质勘探、核工业有关部门环境氧 浓度监测、地震及地质灾害预报监测、在地质调查中确定地质构造、水质评价 等工作中的氡浓度辐射检测等。 4 第1 章引言 虽然有以上大量的测量仪器出现，但由于各仪器在性能上不同程度地存在 着一定的缺点。在快速、大量、正确、可信的测量要求下，过去长期使用的刻 度方法已经不适用或者不能够满足要求，因此，我们必须对仪器的性能和测量 方法做迸一步的研究和改进，以适应新形式下的测量要求。 1 3 项目依托 本人结合九院二所科研项目“核废料处理库选址”这个项目为依托，开 展论文工作的。 1 4 研究内容 本人的主要研究工作是： ( 1 ) 对国内外有关氡的研究论文进行检索。 ( 2 ) 对比分析了国内外各种测氡仪的性能。 ( 3 ) 针对能谱类测量仪器探测器易受氡衰变子体污染的现状，研究 了改进的方法，并对k z d 0 2 d 环境测氡仪的测置程序进行了改进。 ( 4 ) 对成都理工大学室内环境氡浓度进行了检测和评价。 ( 5 ) 对高川插秧沟核环境地质评价。 成都理工大学硕士论文 第2 章理论基础 2 1 天然放射性系列 自然界中有三个天然放射性系列，即铀系、钍系、锕系。 2 1 1 铀系 铀系中主要有1 9 个核素。铀系的起始核素为2 ，3 ：g u ，它的半衰期为4 ，5 i 0 9 年，经过一系列q ，b 衰变之后形成2 8 2 6 2 矗一。2 。2 。2 砌是气态放射性核素，它经d 衰变形成r a a ( 2 。1 8 凡) 。该系衰变纲图如图2 - 1 。 2 i 2 钍系 图：2 - i 铀系衰变纲圈 钍系主要有1 3 个核素a 该系起始核素为2 跏，它的半衰期为1 4 1 0 ”年， 它的子体的寿命与铀系子体相比都很短。该系衰妻搠图如图2 _ 2 。 6 第2 章理论基础 2 1 3 锕系 图：2 - 2 钍系衰变纲图 变 锕系的起始核素是a c u ( 甚u ) 。该系主要有1 5 个核素。a c u ( 2 9 2 3 5 u ) 的 半衰期为7 0 1 1 0 8 年，它也是一个长寿放射性核素，其予体的寿命比钍系的子 体寿命还要短。 2 1 4 三个天然放射性综述 三个天然放射性系列具有以下几个共同特点： 1 )每一个系列中都有一个气态放射性核素，它们的原子序数为8 6 ，是氡 的放射性同位素。在铀系中，氡的同位素为”2 r n ；钍系中氡的同位索为”o r n ； 锕系中氡的同位素为2 ”r n 。通常把它们称为射气( 如钍射气、钢射气等) 。 2 ) 在三个系列中，射气的衰变产物均为固态。它们往往附着在物体表面， 称为放射性沉淀物。铀系中有氡的短寿沉淀物( r a a 、r a b 、r a c 、r a c7 、r a c ”) 和长寿沉淀物( r a d 、r a e 、r a f ) 。钍系和钢系的射气衰变子体都是短寿命的。 3 ) 三个系列的射气衰变子体中a 核素( 如r a a 、t h a 、a c a ) 都是钋的同 位素。它们几乎全部放出n 射线变成b 核素。所以a 核素是。辐射体，而b 核素及其衰变产物c 核素是系列中主要的b 和y 辐射体。三个系列中衰变产 成赧理工大学硕士论文 物为c7 的核素均为a 辐射体。 2 2a 射线谱 氡气测量分为能谱测量和总量测量，能谱测量是检测核素衰变放出的a 粒子。因此，我们必须清楚三个天然放射性系列衰变时放出的a 粒子的一些性 质。 一种处于基态的放射性核素的原子核，通过放出某一能量的a 粒子，所 形成的原子核同样处于基态。大多数n 衰变属于这种情况。同时也有少量的 原子核在q 衰变时只放出较小能量的q 粒子，所形成的原子核处于激发态， 当子核由激发态跃迂到基态时，伴随放出y 射线。因此一种核素可能放出几 种不同能量的d 粒子。总之，由于q 衰变前和衰变后放射性核素的原予核可 以处于激态或不同能级的激发态，所以一种核素作n 衰变时可以放出几种不 同能量的。粒子。 一种核索的原子核衰变时放出的n 粒子，若能量是单一的，则称此射线 谱为单色谱，若有几组不同能量，则称此射线为复杂谱，天然放射性系列中， 大多数核素放出的a 射线是复杂谱。 主要的几种。能量如下： 2 1 8 p o 放出的a 能量为6 0 0 2m e v ，半衰期t = 3 0 5 m i n 2 1 6 p o 放出的a 能量为6 7 7 4m e v ，半衰期t = 0 1 6 s 2 h p o 放出的n 能量为7 6 8 7m e v ，半衰期t 。= 1 6 4 x1 0 4 s 2 1 2 p o 放出的a 能量为8 7 5 8m e y ，半衰期t l ，2 = 3 0 5 1 0 - v s 2 3 放射性衰变的基本规律 例如2 1 8 p o 是不稳定核素，它在不断衰变的过程因有新的气体进入又得到积 累。因此，我们必须清楚这些核紊的衰变规律，以便消除污染，提高测量质量。 2 3 1 基本规律 随着放射性核索原子核的衰变，原子核的数量逐渐减少。设零时刻原子核 的数目为，t 时刻有个原子核未衰变，实验表明，在t + d t 的时间间隔内发 生衰变的原子核数。c v 与及如成正比，即 d n n d t ， 一d n ；k n d t或竺尘= 一 ( 2 - 1 ) 式中，入是比例常数，等号右边的负号表示 ，值随时间增长而减少。 第2 章理论基础 对21 式进行积分得到：n = 虬e “ t2 - 2 ) 2 2 式表明放射性核素的原子核n 随时间增长而呈负指数规律衰减。 放射性原予核衰变是个随机过程，2 1 式，2 - 2 式所描写的是个统计规律。 一种放射性核素的原子核不是同时全部衰变，而是有先有后。但从统计观点来 看，每个原子核在单位时间里衰变的几率就是衰变常数 ，即 一d n | a = 。1 。一 除了衰变常数外，通常还采用半衰期死! 来描写核素的衰变速度。半衰期 五! 是指放射性核素数目衰减到原来数目的一半所需要的时间的数值，它与衰变 常数有如下关系： t = 7 ：，! 时，二堑= m p “m 所以 一地吾o 6 9 3 2 _ 2 _ 一种放射性核索经过一个半衰期，它的原子核数目衰变掉一半，经过两个 半衰期还剩下原来的1 4 。从理论上说，需要经过无限长的时间，该核素才能 衰变完。但实际上，当某核素残留的原子核数目为起始时的干分之一时，已可 以认为该核素衰变完了。设原子核数目衰变到原来的干分之一所需的时间为r ， 则尘l ：n o g - z ， 1 0 0 0 ，：i n l 0 0 _ _ _ _ 0 0 。丝。1 0 z ， 即一种放射性核素经过1 0 个半衰期后，可以认为该核素己衰变完了。 2 3 2 两张和多种放射性核素的衰变规律 在三个天然放射性系列中，除3 ”u ，。”t h ，2 ”u 外，任何一个放射性核素在 它的衰变过程中，都同时不断地得到积累。因此研究递次衰变的放射性核素的 衰变规律，要比研究单个核素的衰变规律复杂。 2 3 2 1 两个放射性核素相继衰变的规律 假定有两个放射性核素月与鼠核素占是核素a 的衰变产物，且没有和a 分离，这时核素曰的数目就不能用2 3 式计算。因为核素口一方面因自身衰变 而减少，另一方面还由a 的衰变而得到补充，单位时间内核素口的变化将是这 两个因素的综合结果。 设时间f 时核素a 、占的数目分别为此、m ，衰变常数分别为 。和a ，。则 越是核素a 的衰变率，即核素曰的增加率， 成是核素口的衰变率，因而在 时间 的瞬间，核素曰的变化率为 成都理工大学硕士论文 竺= a na z 8 nb t2 - 3 ) 设当时间t ? ，时，核素a 的原子核数目为，将m = 。e 。代入2 - 3 式 并移项得：型+ 厶。= 九0 。e 叫， 上式为一阶线a l 性微分方程，它的解是： 虬= e - a b s f九氓。e吨可，+c|=ce-x4l d o + e 吨九o 。f 水“出 积分后：| v 。：。一“，+ 季尘毕目p v 一1 ” 设当产o 时，忙，则：c = 氓。 所以： 。：n o b e - 如，+ ；- 尘毫l 。如r 。t “一 ”一1 如一 4 。 。 或简写为：b = n b l + 虬2 式中 卷e w 水吨”叫 ( 2 4 ) 从2 4 式可知，核素口的原子核数量随时间的变化规律与 。、 。及两者 之间的差有关。 为了进一步研究核素占原子核数目的变化规律 并且假定乒o 时，忙o ，则2 - 4 式可简化为： = 畿e 咄7 h 下面分几种情况来讨论， ( 2 5 ) 一 。“_ 。的情况 在这种情况下，核素a 的衰变速度要比核素占的衰变速度慢的多，在测量 过程中，可以认为核素a 的数量实际上是保持不变。因此2 5 式可以简化为： 虬：学( 1 嘞 从2 6 式所表示的规律可以看出， 当t 一一时m 达到极大值 虬一：学 如 2 7 式可写成：n b 乃= 0 。乃z m 九 ( 2 - 6 ) 核素占的原子核数随时间增长而增加 ( 2 7 ) 即单位时间内核素口衰变的原子核数等于核素a 衰变的原予核数，此时称 1 0 第2 章理论基础 a ，占两核索达到放射性平衡。 假定。= 0 9 9 9 a a 。n a 时，认为核素a 与b 达到放射性平衡，a ，b 两核素达 到放射性平衡所需要的时间可用2 - 6 式计算如下 虬= n 9 9 9 n b m = 。( 1 _ e - 州) 1 0 9 9 9 = e - 如 f i n 0 0 0 1 一正i n 0 , 0 0 1 z 旦：l o t 屯扣0 6 9 31 2 bo 6 9 3扣 即经过l o t , 时间，核素a 与核素口达到放射性平衡，同时，这个时间也是 尹 核素占积累到极大值所需的时间。 从上面的讨论可以得出很有用的规律，a 、口两个核素满足条件 “九。时， 爿核素的子体核素曰的原子核数积累到极大值一半所需的时间，即是该衰变子 体的半衰期，经过l o 倍矗核素的半衰期后，彳核素与其子体核素占达到放射性 平衡，此时二者的衰变率( 肋相等。 二 。 1 0 z ) ，( 2 5 ) 式中口一先趋于零，2 - 5 式可改写为 尹 一 = 格= 辔 c z 一 丝：土 n 九8 一九 即爿、口两个核索的原予核数的比值保持不变，并且的变化规律随核素彳 的衰变规律e 一而变化，这时a 、b 两核素所处的状态称为放射性动平衡。 三 。 。的情况 这是一种核素a 的半衰期比核素口的半衰期短的情况，此时2 - 5 式可改写 如下； 帆：型鳖口w 一五堑口w 。 忑 一九a兔 一九8 当乒1 0 正时，上式右边第二项先趋于零，则 一 = 矬e 哪 从上式可看出，当 1 0 正时，核素a 己衰变完，便按照自己的衰变规 律变化了。这种情况与单个放射性核素衰变的规律完全一样。 2 3 2 2 三个和多个放射性核素的衰变规律 设有若干放射性核素，它们递次衰变如下：爿一肛( - 口”。现在我们研究 放射性核素f 的原子核数的变化规律。在这种情况下核素f 的数量不仅取决于 核素占数量的变化，同时还取决于核素彳的数量变化。在某一时间r 的瞬间核 素f 的变化率是； 等喃”k n c 其中 w q 畿 e - a _ t _ e - a g 防 式中，第一项表示核素f 残留的原子核数，以符号儿表示，第二项和第三 1 2 第2 章理论基础 项表示从核紊口和核索爿的衰变中积累的核素f 的原予核数，以儿和m 。表示。 则上式可简写为： c = m ，+ m 2 + 3 当劳0 时， 缸o ， 铲o ，即开始时不存在占核素和f 核素，则2 - 1 2 式仅有 第三项。 ，。，je 一 e - 埘 e - & 肛m 产以九0 一【历了了舀西i j 丽+ 西- 了口i 两+ i i j i 石两j 2 4误差传递理论 ( 2 一1 3 ) 目标核素的活度测量，一般是叠加在本底的背景上进行的。因此，反映放 射性活度的净计数值要从总计数中扣除本底计数，在计数值的演算过程中，误 差得到传递，产生了新的误差。因此我们要研究误差传递的有关理论。去评价 测量结果的误差。 2 4 1 误差传递的基本公式 设：x ，y ，z 为独立的测量量，n 为待测物理量，其函数关系为：n = f ( x ，y ，z ，d x ，d y ，d z ) 对上式进行全微分有； 拼= 等幽+ 善咖+ 鼍如+ 似 印 盘 上式表示，当测量值x ，y ，z 有微小改变d x ，d y ，d z 时，间接测量量n 改变 d n ，通常误差远小于测量值，把d x ，d y ，d z ，d n 看作是误差，上式就是误差传 递公式了。当然上式表示的是绝对误差。 在某些情况下，计算间接测量量的相对误差较为简便，其计算公式为 型：业由+ 型咖+ 型挑 玉匆 。 如 成都理工文学硕士论文 以上两式就是误差传递的基本公式，其中等于号“= ”后面的每一项称为绝 对误差或相对误差的分误差项：d x ，d y ，d z 前面的系数称为误差传递系数。可以 看出，一个独立测量量的误差对总误差的影响，不仅取决于本身误差的大小， 还取决于误差传递系数。 2 , 4 2 偶然误差的传递和合成 根据误差理论，在误差传递过程中，标准偏差的合成方式为 善：孵麓f 雨 ( 2 ) 相对误差： 鱼： 常用函数的标准偏差传递公式( a 、b ) 为常数 函数关系误差传递公式 n = 甜+ b y b = o 矗) 2 一0 4 ) 2 n = 甜一6 v 酩= ( 4 磊) 2 + ) 2 n = a x y 鲁= ( 睾) 2 + ( 等) 2 ：订芝 鲁= 婀+ ( 封 矿 n - - a 型 等= 乒降) 2 耐( 铲糟斜 z _ 1 4 r 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 第2 章理论基础 2 5k z d 0 2 d 环境测氯仪 2 s 1 工作原理 本仪器以金硅面垒型半导体探测器做为a 探测器，将a 粒子能量转换成电 信号，且电信号幅度的大小正比于a 粒子的能量。该探测器安放在采样室顶部， 采样室加有3 0 0 0 v 的高压，以收集氡的短寿子体：p o - 2 1 8 、p o - 2 1 4 、p o 2 1 6 、 p o - 2 1 2 。 2 5 2 峰值检测 图：2 - 3k z - d 0 2 d 能谱铡氧仪工作原理框图 环境测氡仪主要由核能谱数据采集和核能谱数据处理两个部分组成。作为 实现数据采集功能的多道脉冲幅度分析器是环境测氡仪的重要组成部分，而峰 值检测是其核心内容。其工作原理是：不同幅度的模拟信号转换成对应的数字 信号，这个数字代表一个道址，以道址作为存储器的地址记录脉冲数。各道地 址的计数就可以把脉冲幅度的分布情况表现出来，而幅度信号大小为各元素辐 射能量不同的表现。其工作过程是：获得能谱信号( 采样脉冲峰值) ，a d c 将 脉冲转换成成正比的数值量，再以数字量作为存储器的道址码记录脉冲数，存 储于存储器中的各道计数即表征了脉冲按幅度大小的分布情况，然后再进行数 据处理。 2 5 3 探测器 此测氡仪选择的核辐射探测器是面垒型探测器( 也称金硅面半导体探测 器) ，它一般采用n 型单晶硅片，并将金属沉积在该片上制成，通常沉积的金属 是金，故也称为金硅面垒型探测器。它是利用金层和半导体之间接触电势差在 成都理工大学硕士论文 半导体中形成没有自由载流予的耗净层。 在设计时，将此探测器作为了采集室的一部分。当有氡气进入时，其衰变 子体便附着在金硅面上，探测嚣由此受到污染。 2 5 4 信号的形成 在口射线粒子轰击垒型金硅面半导体操测器时。在半导体表面积累微弱的 电荷信号，信号调理是指把这微弱的信号通过电路整形放大这个微弱电荷信号， 并转换成我们能够认识的电压脉冲信号。 26k z - d 0 2 d 的盎要技术指标 2 6 i 能量分辨率测定 表2 1 能量分辨率测量数据表 道计道 计 道址计数道址计数道址计数 址 数址数 3 5 053 5 51 03 6 01 2 03 6 51 5 73 7 02 3 5 1 53 5 61 53 6 l1 8 5 3 6 6 “4 3 7 1o 3 5 2 4 3 5 72 43 6 2 2 1 5 3 6 76 63 7 2 0 3 5 37 3 5 8 4 53 6 32 3 63 6 82 53 7 33 3 5 473 5 95 73 6 41 9 83 6 91 03 7 4o 特征峰p o 2 1 4 能量7 6 7 m e v ，对应峰位道址3 6 3 道，半商宽6 道，能量分 辨率1 9 。原始数据如表2 - l 所示。 2 6 2能量刻度系数 第2 章理论基础 圈2 4 能量线形图 表2 - 2 能量系教刻度数据表 能量( m e v )峰位道值刻度系数 核素 p o - 2 1 86 0 0 2 2 8 6 a = 2 1 2 2 8 p o - 2 1 47 6 8 73 6 4 b = 一3 0 5 l p o - 2 1 28 7 8 54 1 2 输入气体源2 2 0 r n ，2 1 6 p o 能量6 7 7 4m e v ，峰位道址3 2 1 道，仪器显示能 量6 7 8 m e v 。线性度o 1 ，其线性关系如图2 - 4 所示。 2 6 3 系统稳定性测定 保持测量条件不变，连续测量8 小时，计算计数平均值、均方差及相对标 准偏差。数据稳定性测量原始数据如表2 3 所示。 + 表2 - 3 系统稳定性测量原始数据表 、卿 l 2 345678 次数 11 3 2 4 21 3 1 2 21 3 5 4 61 3 4 6 21 3 2 4 51 3 4 2 21 3 5 2 21 3 4 3 6 21 3 3 7 01 3 3 5 81 3 3 8 51 3 3 4 41 3 1 6 81 3 1 4 21 3 2 5 11 3 3 1 0 成都理工大学颈士论文 31 3 2 8 61 3 2 9 91 3 2 7 01 3 5 0 41 3 2 4 11 3 3 9 21 3 3 1 11 3 4 4 5 41 3 3 6 41 3 4 8 01 3 4 1 81 3 5 5 91 3 2 4 41 3 2 7 91 3 3 8 81 3 2 8 6 5 1 3 4 6 31 3 3 3 51 3 2 8 5 1 3 2 3 9 1 3 4 7 91 3 3 6 21 3 6 4 7 1 3 3 1 7 61 3 3 9 21 3 4 8 41 3 2 2 71 3 4 4 0 1 3 3 7 71 3 3 2 91 3 1 6 31 3 2 1 0 71 3 4 3 21 3 4 7 61 3 4 2 81 3 5 2 11 3 4 0 81 3 2 4 61 3 4 3 51 3 4 5 8 81 3 2 4 11 3 3 2 61 3 6 1 81 3 4 8 71 3 2 7 61 3 3 5 8i 3 3 1 21 3 4 1 2 91 3 2 1 61 3 1 3 41 3 2 7 61 3 3 2 31 3 3 4 8 1 3 3 9 51 3 3 8 21 3 5 0 9 1 01 3 1 2 01 3 5 2 11 3 5 6 91 3 0 1 11 3 5 0 41 3 4 9 91 3 0 3 31 3 4 0 7 平均值 1 3 3 1 31 3 3 5 41 3 4 0 21 3 3 8 81 3 3 2 91 3 3 3 31 3 3 4 41 3 3 7 9 最大平均值 1 3 4 0 2 最小平均值 3 3 1 3 相对标准偏差 0 2 3 2 6 4 系统精确度( 重复性测量) 保持测量条件不变，对同一样品进行1 0 次测量，相对标准误差6 。 丙：e n , j ：三 式中：i 为第f 次测量值；竹是测量总次数。 重复性测量原始数据见表2 - 4 。 2 6 5 浓度测量准确度 在标准氡室内，输入氡的浓度2 6 8 0 5 b q m 3 ，测量氡浓度2 7 0 2 b q m 3 ，准 确度标准偏差0 8 2 。 表2 - 4重复性涮量原始数据表 次数 读数测量条件 1 1 3 4 0 8 采用”9 p u 固体d 面源， 21 3 2 2 4 测量时间1 分钟 3 1 3 3 4 7 41 3 4 1 8 51 3 霉3 l 61 3 3 6 6 7 1 3 4 1 5 81 3 2 6 4 91 3 4 6 5 1 01 3 4 1 1 0 5 7 2 7 小结 通过实验，可以得出k z d 型a 能谱仪各项性能指标： i ) 能量分辨率1 9 。 2 ) 刻度系数a = 2 1 2 2 8 b = 3 0 5 i 。 3 ) 稳定性：相对标准偏差0 2 3 。 4 ) 精确度0 5 7 。 5 ) 准确度标准偏差o 8 2 。 6 ) 该仪器探测器是采集室的一部分，因此容易受到氡子体的污染，将为 测量工作带来影响。 综上，该仪器能满足国家标准g b 5 0 3 2 5 2 0 0 1 民用建筑工程室内环境污染 控制规范和国家标准g b t 1 8 8 8 3 2 0 0 2 室内空气质量标准中对室内空气氡 和工程地点土壤中氡测定的要求。 1 9 第3 章有关方法技术研究 3 1 氯及子体引入a 能谱仪的有关实验 为了了解2 1 8 p o 被引进采集室之后它的衰变规律，我们做了以下两个实验。 时间：2 0 0 5 5 2 1 温度：2 7 净化：3 分钟测量：3 分钟 湿度：7 5 表3 - i 氧及其子体实验l f ds t as t c 时间a 浓度c 浓度 17 6 2 85 l1 6 ：3 42 0 1 5 2 71 3 4 7 24 2 2 l1 6 61 6 ：3 71 1 1 5 1 64 3 8 5 32 2 7 32 4 21 6 ：4 06 0 0 5 16 3 9 2 41 2 1 93 7 71 6 ：4 33 2 2 0 59 5 5 8 56 7 04 0 61 6 ：4 61 7 7 0 11 0 7 2 4 63 6 0 5 2 3 1 6 ：4 99 5 1 11 3 8 1 4 71 6 65 8 01 6 ：5 24 3 8 61 5 3 1 9 89 96 1 51 6 ：5 52 6 1 61 6 2 4 4 96 47 2 91 6 ：5 81 6 9 11 9 2 5 5 1 03 77 1 01 7 ：0 i9 7 81 8 7 5 3 1 11 87 2 21 7 ：0 44 7 61 9 0 7 0 1 2 1 37 2 1 1 7 ：0 73 1 71 9 0 4 4 1 31 4 7 5 71 7 ：1 13 4 31 9 9 9 5 1 477 4 61 7 ：1 43 7 o1 9 7 0 4 时间：2 0 0 5 5 2 3 温度：2 4 净化：3 分钟测量：3 分钟 湿度：6 5 表3 - 2 氧及其子体实验2 f ds t as t c时间a 浓度 c 浓度 l1 2 4 230 9 ：4 23 2 8 1 37 9 27 4 71 80 9 ：4 51 9 7 3 54 7 5 34 4 44 20 9 ：4 8 1 1 7 3 o 1 1 0 9 42 5 7 5 30 9 ：5 16 7 9 0 1 4 0 0 51 2 67 50 9 ：5 43 3 2 91 9 8 1 66 99 50 9 ：5 81 8 2 32 5 0 9 73 89 21 0 ：0 l1 0 0 42 4 3 0 82 39 41 0 ：0 46 0 7 2 4 8 3 91 21 2 61 0 ：0 73 1 73 3 2 8 1 0 6 1 1 6 1 0 ：1 01 5 93 0 6 4 “31 2 31 0 ：1 37 93 2 4 9 1 241 1 3l o ：1 61 0 62 9 8 4 从表3 - l 和3 - 2 中我们可以看到，”8 p o 的计数率是按公式2 2 规律衰变的， 每经过3 分钟计数率基本上减少一半。以3 0 5 分钟为半衰期进行计算，在1 2 分钟内降到测量值的1 0 ，在3 0 分钟内降至1 以下。k z d 0 2 d 在受到高浓 度氡的污染后，降至本底需要三十分钟，因此，不能马上进行下一个点的测量。 在实地测量中，我们不可能每次测量后都等上3 0 分钟才进行下一个点的测 量。为了提高工作效率，我们必须对原有测量方法加以改进。 3 2 问髓的理论分析 本仪器以金硅面垒型半导体探测器做为c 1 探测器，将a 粒子能量转换成电 信号，且点信号幅度的大小正比于a 粒子的能量。该探测器按放在采样室顶部。 采样室加有3 0 0 0 v 的高压，以收集氡的短寿子体：p o 2 1 8 、p o - 2 1 4 、p o 2 1 6 、 p o 2 1 2 ，它们的半衰期见：表3 3 。 其中的p o 2 1 8 是金属，它堆积在金硅面上，而其a 射线被探测器检测到。 正因为如此，当我们从高浓度场测完之后，如果接着测的是低浓度场，此时大 成都理工大学碗士论文 量的p o 2 1 8 附着在金硅面上，仪器就会被污染，在高本底下测量会带来测量误 差。 表3 3 氧及其予体半衰期 核素 2 2 2 r n2 1 8 p o2 p o2 1 0 p o 2 1 4 b i 能量5 4 8 26 0 0 27 6 8 75 3 0 15 5 0 8 ( m e v ) 半衰期 3 8 2 5 d3 0 5 m i n1 6 4 x1 3 8 4 d1 9 7 m i n 1 0 1 4s 3 3 解决方案 为了解决在实验中遇到的仪器被污染的问题，我们在此引入检出限的概念。 检出限，又称为最小探测极限，用n d l 表示，即测量装置能发现的最小照 射量率变化值。与之对应的元素含量称为探测限含量w 。，他定义为：在给定 时间内，测得的净峰面积为本底计数三倍均方差时所对应的元素含量称为探测 限含量。 在给定时间内，净蜂面积n 。为总计数n 口之差，即n 。= u ，- n 。( 3 1 ) n 。的标准差为n ，标准差叮，和本底标准差c r 。的叠加，其关系式为叽= 盯；+ 仃；在待测元素含量很低( 最小探测极限) 时，n p 兰n 。即盯，兰，因而 有盯= 2 盯；= 2 盯b( 3 2 ) 取置信度为9 5 ，即精密范围为2 a 。，这样 2 0 l = 2 菇口兰3 0 r 8 在给定时间t 内的计数n 。等于本底照射量i 。与时间t 的乘积， 对应的含量应表示为计数与工作曲线斜率的商，即 w “。3 口b s ( 3 - 3 ) 而计数所 而工作曲线斜率s 为元素含量w 与对应净峰面积n 。；k f 之比， 张m2 j 瓜t 帆t i x 禹 由( 3