适用于铀矿井下复杂环境的智能氡测量仪的研制

王 攀，蒲 潇，杨明理，孙雪云，唐 婧

(1.中核安徽计量检测有限公司，安徽 阜阳 236500；
2.南华大学 资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳421001；
3.中核矿业科技集团有限公司，北京 101149)

在铀矿山井下开采过程中，放射性污染物聚集于岩层孔隙、裂隙及矿井涌水中，通过扩散、渗流等机制不断向射气介质表面运移，最终离开射气介质表面进入巷道和周围空气中，使得矿井中的氡浓度明显高于地面[1-2]。而氡是致使人类患癌的主要物质之一[3]，为避免矿工受到过多氡辐射，必须对铀矿井下氡浓度进行检测，为研究氡析出规律及研发防氡技术奠定基础。

目前常用的氡浓度监测仪主要有DHZM-7(双滤膜法)[4]、FD-125(闪烁室法)[5-6]、KF602(气球法)[7]、RAD7氡测量仪(静电收集法)[8-9]。DHZM-Ι体积大，操作不便；
FD-125外携使用不便；
KF602超期使用，性能差，不适应铀矿冶井下高湿环境及其测量要求。对比几种氡浓度检测仪，RAD7氡测量仪测量时间短，灵敏度相对较高，可以连续监测环境氡浓度变化。虽然RAD7氡测量仪成本高，干燥剂用量大，不适应铀矿冶井下高湿环境及测量要求；
但可通过改进，获得较好的测氡效果。

基于静电收集法通过硬件、软件、结构设计研制新型智能氡测量仪，对在铀矿井下复杂环境中快速获得氡测量结果具有重要意义。

1.1 氡测量技术方法

静电收集法又叫静电扩散法，是通过采样泵将过滤氡子体后的待测空气采集到氡测量室中，氡在测量室中衰变产生氡子体；
新生氡子体在衰变过程的核反冲作用下发生电离，带正电；
在氡测量室内壁加上1个高的正电压，半导体探测器表面加上1个负电压(接地)，带电新生氡子体在电场作用下向探测器漂移并附着到探测器表面；
探测器测量到附着在探测器表面的218Po衰变产生的α粒子，形成的脉冲经阈值甄别后计数。该计数与待测空气中的氡浓度呈正比，通过该计数可求得待测空气氡浓度[10]。

在静电收集法基础上，笔者提出了内循环式除湿技术：通过2个电磁阀调节气路，先抽气采样再进行内循环干燥，完成待测空气样品的除湿，降低测量中干燥剂的使用量。智能氡测量仪设置2种测量模式——标准模式(60 min)和快速模式(30 min)。标准模式主要用于低浓度环境下的氡测量；
快速测量模式更适应铀矿山实际情况，相同工作时间内可获得更多符合要求的测量数据，更受铀矿山辐射监测人员欢迎。氡测量技术实现如图1所示。

图1 氡测量技术实现框图Fig.1 Realization block diagram of radon measurement technology

1.2 电路硬件设计

智能氡测量仪电路硬件主要由放大器、阈值甄别电路、计数电路、控制电路、电源电路等组成。探测器输出端与放大器输入端连接；
阈值甄别电路输入端与放大器输出端连接，其输出端与计数电路连接；
控制电路和电源电路均与探测器、放大器、阈值甄别电路、计数电路连接，用于电路控制和供电。电路硬件设计如图2所示。

图2 电路硬件设计框图Fig.2 Circuit hardware block diagram

1.3 软件设计

氡测量仪的程序设计采用单片机C语言编程，使用Windows平台的IAR开发环境，编制了实现各种功能的子程序，包括计时程序、计数程序、计算程序、数据存储程序、显示程序、菜单程序、参数设置程序等。

1.4 结构设计

智能氡测量仪整体结构包括箱体、仪器面板和安装于箱体内的氡测量机构和氡测量电路。智能氡测量仪采用一体式外壳，整体液晶显示印刷面板和封闭式结构连接，便携、防水、防尘。智能氡测量仪箱体长×宽×高=275 mm×189 mm×258 mm，箱体面板及箱体效果如图3所示。

A1/A2—干燥口；
B—进气口；
C—出气口；
D—电源充电口；
E—电源开关；
F—触摸液晶屏。图3 智能氡测量仪面板及箱体效果图Fig.3 Effect drawing of instrument panel and cabinet

根据《测氡仪检定规程》(JJG 825—2013)对测氡仪的性能要求，加工完成了适应铀矿山井下高湿、高尘、易碰撞等环境特点的智能氡测量仪样机，并开展了氡浓度测量响应测试、湿度效应测试、机械冲击试验、样品交叉影响测试、连续工作稳定性试验等性能测试。

2.1 氡浓度测量响应测试

氡活度浓度分别为3.53×103Bq/m3(条件1)、5.82×103Bq/m3(条件2)、1.02×104Bq/m3(条件3)，空气相对湿度约50%，在2种模式下各取4个平行样，进行氡浓度测量响应测试。

依据测量结果的一致性和氡浓度线性响应程度来进行测试结果评价，其中测量结果的一致性由相对标准偏差(RSD)确定，氡浓度线性响应结果由氡参考浓度的线性拟合方程(截距=0)的线性相关系数(R2)来评定。在快速和标准模式下，智能氡测量仪的测量数据和评价结果见表1～2。

表1 快速模式氡测量结果和评价Table 1 Radon measurement results and evaluation under rapid mode

表2 标准模式氡测量结果和评价Table 2 Radon measurement results and evaluation under standard mode

由表1～2可看出，标准模式下的测量结果一致性平均为2.69%，而快速模式下的测量结果一致性平均为3.38%，在2种模式下的测量结果均具有较好的一致性，标准模式下的测量结果重复性略优于快速模式。随着测量浓度的增加，测量结果一致性变好，符合放射性统计涨落规律；
且线性相关系数均近似等于1，有较好的线性响应。

2.2 湿度效应测试

在空气相对湿度20%(条件1)、50%(条件2)、95%(条件3)，氡活度浓度2.10×103Bq/m3条件下，智能氡测量仪样机分别在标准模式和快速模式下各进行1次测量。当3个湿度条件下氡浓度测量结果的相对标准偏差与智能氡测量仪测量计数的统计涨落相当时，表明二者在测量误差范围内没有湿度效应。在标准和快速测量模式下，不同湿度条件的氡浓度测量结果及评价结果见表3。

表3 湿度效应测试结果和评价结果Table 3 Test results and evaluation results of humidity effect

由表3可看出，在所测试的相对湿度范围内(20%～95%)，标准测量模式和快速测量模式下的RSD均小于5%，测试结果受湿度变化影响小。测试结果符合《测氡仪检定规程》(JJG 825—2013)中测氡仪在同一浓度点的RSD重复性不大于15%的要求。智能氡测量仪样机在测量误差范围内湿度效应可忽略。

2.3 机械冲击试验

机械冲击试验过程是将智能氡测量仪固定在的冲击台上，承受来自3个方向相互垂直的、在18 ms内加速度达到300 m/s2的机械冲击。冲击脉冲的形状是半正弦波，在每个方向上正面冲击3次，共9次。试验结果表明，仪器外观结构无损坏，可正常工作。

2.4 样品交叉影响测试

样品交叉影响测试是将智能氡测量仪与氡室气路相连，抽入氡气(氡活度浓度5 000 Bq/m3)连续测量3个样品；
然后在室外环境(氡活度浓度约20 Bq/m3)下排掉氡气，再连续测量3个样品，观察高浓度氡气样品对低浓度氡气样品的影响。使用RAD7分别在sniff和normal模式下按同样测试方法进行对比测量。按上述测试方法重复测试3次，测试结果见表4。高浓度样品对低浓度样品的交叉影响=(排出氡气测量值1-室外环境本底值)/抽入氡气测量值3。

表4 样品交叉影响测试结果Table 4 Sample cross-influence test results

试验发现，当抽入氡气测量时，智能氡测量仪在快速模式下，第1个样品测量值略低(气体置换不充分导致)，第2个样品测量值可信；
标准模式下第1个样品即可信。RAD7在sniff模式下第1个样品测量值略低，第2个样品测量值可信；
在normal模式下第3个样品测量值才可信。

当排出氡气测量时，智能氡测量仪在快速和标准模式下第1个样品由高浓度氡气样品残留带来的影响不到2%，且在第2个样品测量时已完全无影响。RAD7在sniff模式下第1个样品由高浓度氡气样品残留带来的影响为12.6%，在第2个样品测量时已基本无影响；
在normal模式下第1个样品由高浓度氡气样品残留带来的影响高达68.2%，在第3个样品测量时仍有23.0%的影响。与RAD7氡测量仪相比，智能氡测量仪在氡浓度测量时响应更快，样品交叉影响更小。

2.5 连续工作稳定性试验

连续工作稳定性测量是将智能氡测量仪电池充满电，在正常室内环境条件下，电池供电连续测量8 h，即完成标准测量8次。重复3次试验，测量过程应无异常情况出现，且3次测试的电池电量应可满足连续工作8 h的要求。3次测试得到的氡活度浓度平均值分别为36、41、34 Bq/m3，智能氡测量仪在电池供电情况下可连续工作8 h以上，无异常情况。智能氡测量仪的主要性能指标见表5。

表5 氡测量仪主要性能指标Table 5 Main performance indexes of radon measuring instrument

在104矿井开展智能氡测量仪现场应用研究。选取451平硐、6中段632掘进面、10中段探矿巷道做测试点，测试地点的相对湿度为80%～97%，10中段探矿巷道的相对湿度达97%。在每个测试点测量4个平行样，采用智能氡测量仪和RAD7氡测量仪进行对比测量。

智能氡测量仪测量模式采用快速测量，干燥剂为氧化铝。RAD7氡测量仪的干燥剂为硫酸钙，测量模式为sniff，测量周期30 min。测试结果见表6。

表6 氡测量仪现场测试结果对比Table 6 Comparison of field test results of radon measuring instrument

由表6可看出，在快速模式下，智能氡测量仪平行样品氡测量结果的RSD平均为7.8%，在可接受的误差范围内，表明智能氡测量仪测量氡的平行样重复性较好。智能氡测量仪与对比仪器的测量结果相对偏差均小于15%，测量结果基本一致，在高湿度环境下(RH=97%)的氡测量值与RAD7的偏差只有2.5%，表明智能氡测量仪在高湿环境下的测量湿度效应可忽略。

研制的智能氡测量仪性能可靠，测量结果可信，防水、防尘、防压，携带方便，稳定性好，实用性强，操作简单，适用于铀矿山井下高尘高湿的复杂环境。智能氡测量仪分为标准测量模式和快速测量模式，可满足不同的测量需求。

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