氡气检测方法及原理，保障公路隧道安全

已知氡的放射性同位素比较多,通常所指的氡为氡-222,又称镭射气,是由铀-238系列中的衰变产物镭核素直接衰变产生的放射性惰性气体。隧道施工环境中的氡主要来源于围岩,由地层深处含有铀、镭的土壤、岩石产生高浓度的氡,通过围岩中存在的断裂、节理进入隧道。由于无色、无味,吸入人体后,氡及子体放出的α粒子对体内细胞组织形成内照射(核辐射的一种形式),造成辐射危害。

氡气可导致肺癌、白血病,使人丧失生育能力,造成胎儿畸形、基因畸形遗传等。

(一)隧道施工作业环境氡气浓度应符合的卫生及安全标准

隧道施工过程中的氡是由岩石中的镭、铀等衰变产生的,氡气是以扩散传播的方式从岩石表面和水中析出到空气中,扩散传播是从压力梯度的高压方向到低压。隧道施工作业过程中打钻、爆破和出渣作业会产生大量的岩石尘,岩石尘飘浮在空气中会造成更大的比表面积析出氡,最终引起作业场所氡浓度变大。氡的危害也逐渐受到重视,控制隧道内空气中的氡及其子体浓度,是保护隧道作业人员最直接的方法。

《公路隧道施工技术规范》(JTG/T3660—2020)未对氡气的浓度进行规定。待建地下建筑的设计水平为200Bq/m3(平衡当量氡浓度),隧道施工可照此标准进行氡及其子体的浓度控制。

(二)氡气浓度检测的方法及原理

氡气检测的方法很多,主要有以下种类(表5.1-7)。

表5.1-7　氡气常用测量方法分类及其特点

续表

1.电离室法工作原理

电离室法的工作原理:含氡气体进入电离室后,氡及其子体放出的α粒子在空气中电离,产生电子空穴对。电离室的中央电极积累的正电荷使静电计的中央石英丝带电,在外电场的作用下,石英丝发生偏转,偏转速度与其上的电荷量成正比,也就是与氡浓度成正比,测出偏转速度即可计算出氡的浓度。

2.闪烁室法工作原理

闪烁室法的工作原理:氡进入闪烁室后,氡及其子体衰变产生的α粒子使闪烁室壁的ZnS(Ag)产生闪光,光电倍增管将光信号转变成电脉冲信号,经过电子学线路放大、记录。单位时间内的脉冲数与氡浓度成正比,以此确定氡浓度。

3.双滤膜法工作原理

双滤膜法是一种绝对测氡方法,它的工作原理:含氡空气通过入口滤膜进入双滤膜筒,被滤掉子体的纯氡在通过双滤膜筒的过程中产生新的子体,其中一部分被出口滤膜收集。根据氡子体固有的积累、衰变规律,可确定被测气体中氡的浓度。双滤膜采样系统的结构如图5.1-9所示。

图5.1-9　双滤膜采样系统的结构

4.气球法工作原理

气球法的工作原理和双滤膜法类似,用气球代替了衰变筒。气球法属于主动式采样,是瞬时测量方法,可以同时测氡和子体。气球法的采样结构如图5.1-10所示。

5.扩散静电法工作原理(www.xing528.com)

图5.1-10　气球法的采样结构

扩散静电法的工作原理:采样室内外存在氡浓度差,被测环境中的氡以扩散的形式或者被抽气泵抽进采样室内。进入采样室之前,通过的滤膜已经将气体中已有的氡子体过滤。此时,进入采样室的氡衰变产生氡子体,主要是218Po正离子,在电场作用下被收集在中央电极上,由218Po再衰变产生α粒子,α粒子被探测器收集,经电子学线路整形、计数得到相应脉冲数,通过相对刻度就可以确定待测空气的氡浓度。

6.活性炭吸附法工作原理

活性炭吸附法是一种静态、累积测氡方法。其原理是利用活性炭对氡气有强吸附力的特点吸附收集氡气,通过仪器测量活性炭中氡的衰变子体放射出的γ射线强度,从而获得氡浓度。活性炭采样器通常用塑料或金属制成,敞口处带有滤膜或用青铜粉烧结而成的金属过滤器,如图5.1-11所示。

图5.1-11　活性炭采样器结构

7.径迹蚀刻法工作原理

径迹蚀刻法是一种累计测量方法,属被动式采样。其工作原理是:空气中的氡气通过滤膜扩散到测量杯中,氡及氡子体衰变产生的α粒子碰撞到径迹片上沿着它们的轨迹造成原子尺度的辐射损伤,经化学处理,这些潜径迹能够扩大为可观察的永久型径迹。径迹蚀刻探测器由扩散杯、渗透膜和径迹片组成,结构如图5.1-12所示。

图5.1-12　径迹蚀刻探测器结构

(三)氡子体的测量原理与方法

氡子体的测量原理是将待测空气用过滤膜过滤,将氡子体收集在滤膜上进行测量。测量的方法有很多,根据取样后测量时间和方法的不同有三点法、三段法、五段法和α能谱法等。

1.三点法

三点法是测量采样结束后3个时刻的α计数率,从而求出218Po、214Pb、214Bi三种子体的浓度。这种方法的优点是设备简单,测量容易;其缺点是对于低浓度氡测量精度差。其用于浓度较高的矿山、冶炼厂等工作场所是简单快捷的方法。

2.三段法

三段法是在三点法的基础上发展起来的,其不同点是通过测量取样后三段时间间隔内样品的α积分技术,从而求出氡子体浓度,该方法比三点法检测精度高。

3.五段法

五段法是测量取样后五段时间间隔内样品的α计数,从而确定氡子体浓度。该方法可同时测量氡、氡子体,对氡子体不可忽略的场合非常方便。

4.α能谱法

α能谱法是用α能谱仪分别测出218Po和214Bi的α计数,从而确定218Po和214Bi的浓度。该方法的最大优点是提高了氡子体测量的精度,对218Po的精度改善尤为明显;其缺点是设备笨重,不便现场使用。

氡的测量技术很多,方法的选择需要考虑测量环境、目的、时间、费用等因素。如果是大面积氡浓度普查,可考虑径迹蚀刻法、活性炭吸附等累计测量方法;对于隧道施工现场快速检测,可采用瞬时或连续测量的电离室法和双滤膜法。