α能谱测氡仪测量原理及其影响因素

根据放射性动态平衡原理，当达到放射性动态平衡时，可由式5-1表示。

式5-1中，λ_a，λ_b分别为母体核素和子体核素的衰变常数，N_a、N_b分别为母体核素和子体核素的原子核数量，则λ_aN_a、λ_bN_b母体核素和子体核素发生α衰变产生的α粒子数。

由于在放射性动态平衡状态下，由式1可知，母体核素的活度与子体核素的活度相等，因此，通过测量子体核素的活度来获得对母体核素的活度的测量。

由放射性动态平衡理论结合由表5-1和表5-2所示的半衰期可知，²²²Rn和²¹⁸Po理论上30.5分钟即可达到放射性动态平衡。²²⁰Rn和²¹⁶Po几秒钟内即可达到平衡。²²²Rn和²¹⁴Po约4个小时能达到平衡，²²⁰Rn和²¹²Po约4天能达到平衡。

由天然放射性核素α射线能谱特性可知，理论上通过测量²²²Rn和²²⁰Rn的α能谱来直接实现对²²²Rn和²²⁰Rn活度的测量。

由于α能谱测量特点决定了在常温常压下必须对被吸附到半导体探测器表面α辐射体发生α衰变产生的α粒子进行探测。但通过分析²²²Rn和²²⁰Rn的电学特性及物理特性可知，由于其是不带电的惰性气体，其吸附力很弱，因此很难满足对其进行α能谱测量的要求。因此，半导体探测器对²²²Rn和²²⁰Rn的探测效率是非常低的。

在铀系中²¹⁸Po，²¹⁴Po，在钍系中²¹⁶Po，²¹²Po均具有能量特征性和******性，且均为短寿核素。在²²²Rn和²²⁰Rn及其子体发生α衰变时，α粒子为带正电重核粒子，由于其反冲作用会激发出原子核的外层电子，使其带正电。根据这一特性，因此²¹⁸Po、²¹⁴Po、²¹⁶Po及²¹²Po理论上会带正电（小部分核素会被环境中的负离子中和而不带电），其具有较强的范德华力，容易吸附到物体表面。

图5-1 电场结构

根据电学特性，通过静电场，增加其吸附到半导体探测器表面的能力，从而提高测量灵敏度。一种常用的电场结构如图5-1所示，在图5-1中，氡高压静电收集腔体加正高压，探测器表面为地电平。理论上，氡高压静电收集腔体内部的电场会指向探测器表面。

静电吸附α能谱测量因素

在室内氡污染检测领域，一般用平衡当量氡浓度（Equivalence Equilibrium Concentration）和平衡因子来表示。平衡当量氡浓度指的是氡与其短寿命衰变产物处于平衡状态，并具有与实际非平衡混合物相同的α潜能浓度时氡的活度浓度，常用单位为Bq/m³(贝可/立方米)。氡浓度值与平衡因子的乘积等于平衡当量氡浓度值。

由放射性动态平衡理论结合氡浓度的定义，氡浓度理论上可根据（式5-2）得出。

            （式5-2）

式1中，N为²¹⁸Po发生α衰变产生的被探测到的α粒子，Rn为氡浓度，v为氡高压静电收集腔体容积，t为测量时间，η为金硅面探测器的固有探测效率，一般小于50%，δ为氡子体的收集效率，它主要为氡高压静电收集腔体容积v、氡高压静电收集腔体内部的温度T，湿度h，探测器面积S，氡高压静电收集腔体内部的电场分布的一个相关函数，由式5-3所示：

         （式5-3）

由于实际测量过程中，很难获得探测器探测效率η和氡子体收集效率δ的确定值，因此难以通过直接测量α粒子数的方式用理论去计算氡浓度，只有通过标准氡室刻度获得。

氡子体主要以两种形式存在：一是以未结合的离子态或离子团形式存在，二是以放射性气溶胶形式存在，两者都带正电荷，它们存在比例会因空气的气溶胶颗粒的多少有所差别。

根据α能谱测氡原理的论述，采用α能谱方法来测量室内空气氡浓度时，实际上是通过收集氡子体到探测器表面发生α衰变产生的α粒子来间接测量的。由式1可知，氡子体的收集效率直接影响氡浓度的测量。对一个固有的仪器系统来说，氡高压静电收集腔体容积是不变的。由式2可知，则影响氡浓度测量的主要因素为温度和湿度。

氡衰变产生一系列非气态放射性核素由于扩散或静电吸附作用，被大气中的微粒（粉尘、蒸汽等）捕集而形成放射性气溶胶。湿度影响着气溶胶的密度，湿度越大，气溶胶的密度也越大，因此更容易形成放射性气溶胶。

资料表明，由于湿度增大，大量的水分子在氡子体粒子周围密集形成包壳，相当降低了子体粒子所带的正电荷，使得降低了作为负电极的探测器对其的吸附能力，从而影响收集效率继而引起测量误差。

湿度还有一种可能性会影响探测效率，也即为湿度对氡子体在电场力作用下迁移能力的影响。在斯托克斯阻力范围内，粒子在电场中的运动速度可表示为式5-4的关系式：

         （式5-4）

其中Ve为粒子在电场力中的运动速度，η为空气粘度，d为粒子直径，Cc为坎宁安修正系数，E为电场强度。当湿度变大时，气体粘度变大，因此粒子运动速度变慢。同时，以气溶胶形式存在的氡子体直径比以离子态存在的氡子体粒子直径大，因此以气溶胶方式存在的氡子体比以离子态方式存在的氡子体运动速度慢。由于外加电场E是一定的，因此在单位时间内被吸附到探测器表面的氡子体数是有所差别的，从而影响氡子体的收集效率。

温度主要影响粒子的扩散系数，根据爱因斯坦的推导，扩散系数与温度成正比。当温度高时，粒子的运动能力增强，因此形成气溶胶的概率增加，从而影响氡子体的收集效率。

为了进一步降低温湿度对测量结果的影响，本仪器采用标准氡室在不同温湿度条件下对仪器系统进行刻度，并对温湿度影响进行拟合。