本發(fā)明涉及一種測(cè)量方法，尤其是一種冷凝氡源活度的2π立體角測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
氡-222(簡稱氡)是鈾系衰變鏈上的唯一氣態(tài)核素，半衰期3.823天，衰變時(shí)釋放α粒子，子體為釙和鉛等元素。氡能溶于水，常溫下呈氣態(tài)，廣泛存在于自然界中。氡主要通過呼吸道進(jìn)入人體，由于衰變的α粒子與呼吸道等組織作用，對(duì)人體造成的劑量超過天然環(huán)境輻射平均劑量(2.4mSv/年)的50％，致使生物組織受到損傷，極大增加肺癌風(fēng)險(xiǎn)。
現(xiàn)有的測(cè)量方法的測(cè)量精度太差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種冷凝氡源活度的2π立體角測(cè)量方法，測(cè)量精度高。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種冷凝氡源活度的2π立體角測(cè)量方法，所述方法包括：
步驟1，將氣態(tài)氡放置于冷凝艙室內(nèi)，將所述氣態(tài)氡冷凝為固態(tài)氡；
步驟2，對(duì)冷凝艙室及冷指、氡源以及探測(cè)器整體建模，模擬計(jì)算α粒子的行為；
步驟3，對(duì)α粒子的源吸收及散射效應(yīng)進(jìn)行修正處理；
步驟4，根據(jù)2π立體角的α能譜屏柵電離室探測(cè)器的α能譜計(jì)算固體氡 源的活度。
進(jìn)一步的，所述步驟2具體包括：構(gòu)建氡氣冷凝模型，仿真氡原子在冷凝艙室有限空間內(nèi)的行為，建立冷凝溫度和氣壓條件下氡氣氣相與固相的關(guān)系，結(jié)合冷指上的溫度分布，計(jì)算使氡氣被冷凝的冷指區(qū)域和殘留的氣體分子，計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)完全冷凝的溫度區(qū)間。
進(jìn)一步的，所述步驟3具體包括：步驟31，根據(jù)對(duì)被冷凝氡原子數(shù)目、冷凝區(qū)域及厚度的計(jì)算，結(jié)合磷屏方法的測(cè)量數(shù)據(jù)，建立α粒子在氡源內(nèi)部的作用模型，計(jì)算對(duì)α粒子的能量吸收系數(shù)及阻止系數(shù)，確定α粒子的自吸收修正系數(shù)；步驟32，進(jìn)行整體建模，模擬計(jì)算α粒子在探測(cè)器內(nèi)與工作氣體、冷指、氡源、屏柵電離室、艙室壁的散射與反散射作用，能量損失方式，計(jì)算α全能峰的散射修正系數(shù)。
進(jìn)一步的，所述步驟4具體包括：步驟41，冷凝的氡源含有衰變產(chǎn)生的氡子體，結(jié)合屏柵電離室的能量分辨能力和氡與子體發(fā)射α粒子的能量分布范圍，進(jìn)行能譜分析，建立解譜方法；步驟42，計(jì)算屏柵電離室α能譜分辨能力，建立2π立體角下的測(cè)量系統(tǒng)；步驟43，結(jié)合自吸收、散射與反散射修正，利用全能峰或全譜計(jì)算氡活度的算法，計(jì)算不確定度分量的構(gòu)成與大小，評(píng)估活度絕對(duì)測(cè)量的不確定度。
因此，本發(fā)明采用屏柵電離室2π立體角絕對(duì)測(cè)量方法，無需精確測(cè)量探測(cè)立體角，克服了準(zhǔn)直孔引起的散射，可以達(dá)到更高的測(cè)量精度。
附圖說明
圖1為本發(fā)明冷凝氡源活度的2π立體角測(cè)量方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
氡活度絕對(duì)測(cè)量方法采用將氡從氣體冷凝成固體之后再開展絕對(duì)測(cè)量的 方法，精度較高的小立體角方案需要精確的測(cè)量立體角，相關(guān)測(cè)量必須在很小的空間范圍內(nèi)進(jìn)行，難度較大，由此帶來的測(cè)量不確定度也較大；而且準(zhǔn)直器的采用，使得α粒子在準(zhǔn)直空邊緣的散射無法避免，引起能譜的展寬和α粒子的損失，也降低了活度測(cè)量的準(zhǔn)確性。本發(fā)明基于冷凝氡絕對(duì)測(cè)量方法，采用2π立體角的α能譜屏柵電離室探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量，既排除立體角測(cè)量引入的不確定度，同時(shí)又克服液閃測(cè)量較大死時(shí)間的影響。通過本發(fā)明的方法為高準(zhǔn)確度氡活度基準(zhǔn)建立測(cè)量方法，為氡測(cè)量提供溯源依據(jù)和高水平的計(jì)量保障。
本發(fā)明利用2π立體角的α能譜屏柵電離室探測(cè)器實(shí)現(xiàn)氡活度絕對(duì)測(cè)量方法。包括：構(gòu)建氡氣冷凝模型，將氣態(tài)氡完全冷凝成固態(tài)；對(duì)冷凝艙室及冷指、氡源以及探測(cè)器整體建模，模擬計(jì)算α粒子的行為，研究α粒子的吸收與散射修正；研究α能譜的解譜技術(shù)與氡活度算法等學(xué)術(shù)問題。本項(xiàng)目主要通過建模與精密實(shí)驗(yàn)測(cè)量，研究α粒子被吸收與散射的行為，目標(biāo)是建立氡活度絕對(duì)測(cè)量方法。
圖1為本發(fā)明冷凝氡源活度的2π立體角測(cè)量方法的流程圖，如圖所示，本發(fā)明具體包括如下步驟：
步驟101，將氣態(tài)氡放置于冷凝艙室內(nèi)，將所述氣態(tài)氡冷凝為固態(tài)氡；
要建立基于氡源冷凝的絕對(duì)測(cè)量方法，需解決好兩方面問題。一是氣態(tài)的氡是否都能成功冷凝成固態(tài)以便于開展絕對(duì)測(cè)量。不同的冷凝與測(cè)量裝置，由于結(jié)構(gòu)的差異，冷凝過程中冷指與溫控的參數(shù)會(huì)有不同(冷指溫度一般在20K--100K的范圍)。
本發(fā)明將氡氣冷凝成固態(tài)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行活度的絕對(duì)測(cè)量方法；檢測(cè)氡衰變產(chǎn)生的α粒子在冷凝艙室內(nèi)的行為規(guī)律，對(duì)影響測(cè)量精度的散射進(jìn)行修正，對(duì)固體氡源對(duì)α粒子的吸收進(jìn)行建模及修正；源吸收與散射模型的建立
氡源的要求，為了嚴(yán)格控制水分子等其他雜質(zhì)氣體分子進(jìn)入冷凝艙室， 采用超高真空密封的鐳源。含鐳樹脂固定于600目絲網(wǎng)及不銹鋼支架之間，整體先行密封于約10cm3的真空容器中，氡從鐳中擴(kuò)散到容器內(nèi)，沒有水分子等其他雜質(zhì)。
建立冷阱，捕捉氡原子，冷凝系統(tǒng)包括制冷機(jī)和冷指，冷指上的溫度變化通過恒定功率制冷與可變功率加熱來動(dòng)態(tài)控制。能使得二級(jí)冷頭上的溫度在15K--300K的溫度范圍內(nèi)任意調(diào)控。艙室內(nèi)處于常溫，冷頭上是低溫，由此形成一個(gè)冷阱，使得氡原子源源不斷被冷凝在冷指上。通過溫控調(diào)節(jié)，改變冷指上的溫度梯度，將氡源容器與冷凝容器真空連接，氡氣擴(kuò)散進(jìn)入冷阱，氡被冷凝在很有限的區(qū)域。
步驟102，對(duì)冷凝艙室及冷指、氡源以及探測(cè)器整體建模，模擬計(jì)算α粒子的行為；
具體的，構(gòu)建氡氣冷凝模型，仿真氡原子在冷凝艙室有限空間內(nèi)的行為，建立冷凝溫度和氣壓條件下氡氣氣相與固相的關(guān)系，結(jié)合冷指上的溫度分布，計(jì)算使氡氣被冷凝的冷指區(qū)域和殘留的氣體分子，計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)完全冷凝的溫度區(qū)間。
測(cè)量完成后通過逐步升溫使得固態(tài)氡恢復(fù)為氣態(tài)，并在冷凝艙室外部實(shí)現(xiàn)完全冷凝的方法。結(jié)合磷屏的顯影測(cè)量和HPGeγ譜儀相對(duì)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)手段，建立氡氣是否完全冷凝的評(píng)價(jià)方法。
根據(jù)Wagner公式，建立冷凝評(píng)估模型，對(duì)轉(zhuǎn)移進(jìn)入冷凝艙室的氡原子的冷凝效果進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于轉(zhuǎn)移進(jìn)入的，活度為105--106Bq的氡，結(jié)合這些氡原子的分布空間幾何體積，實(shí)驗(yàn)確定各項(xiàng)參數(shù)。
結(jié)合氣壓差估算氡是否完全冷凝。比如對(duì)于幾十kBq的氡原子，在工作氣體溫度下(293K)，分布于幾十立方厘米的空間時(shí)，氣壓在10-8hPa量級(jí)，而冷凝面上的溫度為50K時(shí)，氡對(duì)應(yīng)的蒸汽壓在10-14hPa量級(jí)，由此可確定未被冷凝的氡原子只占總量的10-6，達(dá)到可以忽略的程度，能實(shí)現(xiàn)完全冷凝。
方案一：改變冷指溫度，比如從110K降低到40K，再將溫度升至100K， 測(cè)量冷凝氡的計(jì)數(shù)率變化。此變化過程中，如果氡的計(jì)數(shù)率結(jié)果在統(tǒng)計(jì)漲落范圍內(nèi)一致，則基本可說明冷凝完全的，反之則未被完全冷凝。即可根據(jù)溫度變化過程中計(jì)數(shù)率的變化以及能譜測(cè)量結(jié)果判定氡氣是否被完全冷凝。
方案二，絕對(duì)測(cè)量與冷凝回收再蒸發(fā)的重復(fù)性測(cè)量實(shí)驗(yàn)。結(jié)合絕對(duì)測(cè)量后的氡冷凝回收系統(tǒng)，在氡完成絕對(duì)測(cè)量后將其蒸發(fā)，并在液氮制冷的回收安瓿瓶或金屬容器中收集，再將此回收容器的冷凝氡蒸發(fā)，再進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量，看是否能與最初的絕對(duì)測(cè)量結(jié)果吻合。這種重復(fù)性實(shí)驗(yàn)可起到雙重功效，一方面有利于檢驗(yàn)絕對(duì)測(cè)量時(shí)氡是否被完全冷凝，另一方面可檢驗(yàn)?zāi)芊窨煽块_展氡活度的量值傳遞。
步驟103，對(duì)α粒子的源吸收及散射效應(yīng)進(jìn)行修正處理；
具體的包括：
步驟31，根據(jù)對(duì)被冷凝氡原子數(shù)目、冷凝區(qū)域及厚度的計(jì)算，結(jié)合磷屏方法的測(cè)量數(shù)據(jù)，建立α粒子在氡源內(nèi)部的作用模型，計(jì)算對(duì)α粒子的能量吸收系數(shù)及阻止系數(shù)，確定α粒子的自吸收修正系數(shù)；
步驟32，進(jìn)行整體建模，模擬計(jì)算α粒子在探測(cè)器內(nèi)與工作氣體、冷指、氡源、屏柵電離室、艙室壁的散射與反散射作用，能量損失方式，計(jì)算α全能峰的散射修正系數(shù)。
根據(jù)氡源的原子個(gè)數(shù)、冷凝溫度及冷凝模型，可以計(jì)算出氡源的厚度，微觀來看，這個(gè)氡源就是一個(gè)體狀源，根據(jù)氡原子的分布及α粒子的衰減規(guī)律，建立源吸收的評(píng)估模型，計(jì)算出從體內(nèi)發(fā)的α粒子的能量損失情況和數(shù)量損失情況，由此計(jì)算吸收系數(shù)。
當(dāng)然，氡的微觀分布可能不是均勻的，要根據(jù)磷屏成像系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行修正。
預(yù)先將磷屏通過支架放置于冷指的上方，氡源冷凝后，衰變產(chǎn)生的α粒子打在磷屏上，反映能量強(qiáng)度的DLU值被保存下來。讀取磷屏上的圖像后，結(jié)合磷屏的分辨能力，確定氡源的直徑和發(fā)射α粒子能量的分布，作為結(jié)合 自吸收模型確定修正系數(shù)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
步驟104，根據(jù)2π立體角的α能譜屏柵電離室探測(cè)器的α能譜計(jì)算固體氡源的活度。
具體的包括：
步驟41，冷凝的氡源含有衰變產(chǎn)生的氡子體，結(jié)合屏柵電離室的能量分辨能力和氡與子體發(fā)射α粒子的能量分布范圍，進(jìn)行能譜分析，建立解譜方法；
步驟42，計(jì)算屏柵電離室α能譜分辨能力，建立2π立體角下的測(cè)量系統(tǒng)；
步驟43，結(jié)合自吸收、散射與反散射修正，利用全能峰或全譜計(jì)算氡活度的算法，計(jì)算不確定度分量的構(gòu)成與大小，評(píng)估活度絕對(duì)測(cè)量的不確定度。
應(yīng)用GEANT4程序，對(duì)冷指、氡源、艙室壁、屏柵電離室進(jìn)行三維編程描述，輸入各個(gè)部件的材料成份，應(yīng)用蒙特卡羅模擬計(jì)算各個(gè)能量的α粒子與這些部件發(fā)生散射的概率，以及相應(yīng)能量的分布，損失的份額等等。
用已知發(fā)射率的Am-241源和Pu-239源檢驗(yàn)所建模型計(jì)算結(jié)果的可靠性，對(duì)于分析偏差
的原因進(jìn)行修正，直到能分析出正確結(jié)果為止。
將修正后的模型用與分析冷凝氡源，獲得氡源α粒子的散射與反散射修正系數(shù)。
α能譜的解譜算法：
方案一：根據(jù)屏柵電離室輸出能譜，在盡可能改善屏柵電離室能量分辨能力的基礎(chǔ)上，應(yīng)用加權(quán)最小二乘擬合、樣條插值等算法，確定Rn-222的5.489MeV能峰的凈峰面積，扣除Po-218的6.114MeV能峰的的影響，由此可單獨(dú)用5.489MeV能峰的峰面積經(jīng)過本底、散射、吸收和死時(shí)間修正后，得到2π立體角下的粒子數(shù)，計(jì)算出4π下的粒子數(shù)即為氡源活度。進(jìn)行此條件下的不確定度評(píng)估。
方案二：如果屏柵電離室的能量分辨不夠好，不確定度評(píng)估結(jié)果顯示解譜引起的誤差過大，則考慮用積分譜計(jì)算活度。
因此，本發(fā)明采用屏柵電離室2π立體角絕對(duì)測(cè)量方法，無需精確測(cè)量探測(cè)立體角，克服了準(zhǔn)直孔引起的散射，可以達(dá)到更高的測(cè)量精度。
最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。