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1、应用指南 AN-004_CN使用 RTM1688-2 进行钍射气测量版本： 2007.7能谱法是目前唯一可实现氡/ 钍连续以及即时测量的方法， RTM1688-2 即是一台嵌入使用了能谱法的测量仪。将短寿命子体吸收到半导体探头的表面， 并根据其射线能量分辨单个核素。 但与此同时也存在一些其他核素粒子影响仪器的测量结果，我们必须了解这些核素粒子以求对混合氡/钍气体进行精确测量。物理知识背景氡/钍气体衰变分别立即释放出带电粒子Po-218 和 Po-216 ， 使用静电场将带电粒子收集在半导体探测器表面， 一小段时间后， 探头表面的氡子体浓度将与采样空气中氡浓度取得平衡。在一次测量过程当中，氡/
2、钍浓度可通过一段时间内收集的氡子体衰变计数信号计算得出（计算放射性强度）（可参考AN-003）。然后采用“能谱分辨各种子体核素，能谱中将出现以下核素种类：Rn-222 衰变链Po-218 ，衰变粒子能量6.002MeVPo-214 ，衰变粒子能量7.687MeVRn-220 衰变链Po-216 ，衰变粒子能量6.778MeVPo-212 ，衰变粒子能量8.785MeVBi-212 ，衰变粒子能量6.050MeV 和 6.080MeV能谱中将无法看到气体氡（5.49MeV）和杜（6.288MeV）的谱峰，因为他们并没有被收集在半导体表面。理想能谱的单个核素应该为一条单能直线， 也就是说在能谱中，
3、 所有计数都在一个道上； 但是， 实际情况却并非如此， 实际谱是在多个道址形成峰形而不是一条直线， 峰的形状与高斯函数类似，在其左侧有明显的平滑上升曲线，我们称其为“Tailing ” -拖尾。高斯形态是由探头和放大器的电子噪声产生的结果， 由于其物理固有属性， 不能完全剔除；Tailing的形成要源于“粒子在运动过程中经过探头的非灵敏保护层时的能量损失。保护层的厚度及探头的尺寸决定了 Tailing 的形状。由于氡钍子体沉积在半导体探头表面，衰变粒子的射程取决于粒子进入灵敏区的发射方向。为了给衰变的粒子分别分配计数区域，需预先定义每一个核素的感兴趣区( ROI=region of inter
4、est )， ROI 上限值应该稍大于发射粒子的能量值，而ROI 下限值则应该选择上一个具有更低能量的 ROI 的上限值，这样的定义方式能保证所考虑核素的绝大部分粒子都落在该ROI内，而且只有更高能量粒子的Tailing 才对其计数有影响。我们定义以下几种 ROI 及其对应核素：ROI Po-212 ：该 ROI 不会受到其他核素的影响，因为其包含了核素最高能量的区域，在氡/ 钍测量没有使用Po-212 的数据，仅仅只是作为计算影响因素而存在。ROI Po-214 ：除 Po-214 衰变粒子计数以外， Po-212 衰变粒子计数有5%落在此区域内，如果使用“ slow ”模式，在氡测量过程中
5、，高 Po-212 衰变粒子计数将反映在本底中；ROI Po-216 ： 在此区域内， 除了 Po-216 衰变粒子计数之外， 另外还有8%的 Po-214 以及2%的 Po-212 衰变粒子计数落入此区域内， Po-214 和 Po-212 放射性的增大将影响钍的测量本底。ROI Po-218 ：区域包含 Po-218 和 Bi-212 计数，两种衰变粒子能量几乎相等( 6.002MeV和6.050/6.089MeV ),因此想使用a能谱对其分辨是不可能的；另外，将有20%勺Po-216衰变粒子计数落入此区域内，高强度的 Po-216 和 Bi-212 影响氡的测量本底。以下图片充分描述了上
6、述情况:经过几个小时照射后的杜谱，仅仅只能看到Po-216的峰，因为在 Po-212和Bi-212之前还有半衰期很长的 Pb-212 （10.6小时），Pb-212衰变方式是3衰变；从图中可看出Po-216计数对Po-218ROI影响的Tailing社的放射性平衡谱，可以清楚的看到 Po-212和Bi-212的峰；Po-218 ROI的能量区域很 好的覆盖了 Bi-212衰变粒子的能量范围。Po-212峰右边侧的滑坡由Bi-212的3射线形成，由于Po-212的衰变时间很短（0.3Ws）a和3电子信号都覆盖在此区域内。社照射完成后谱图，照射完成后，Po-216的峰立即消失，由于在社照射的时间内
7、Pb-212的累积效应，Po-212和Bi-212的峰继续存在长达几天；Pb-212的半衰期10.6小时，其子体为 Bi-212 和 Po-212。谱中也可明显看出 Po-212 在Po-216 和Po-214 区域内的Tailing 。平衡状态下氨及其子体能谱，Po-214能谱影响Po-216的计数，Po-218的能谱与Bi-212能谱相比更加靠左一些，因其能量更低。我们可据此得出结论，在即时测量中，氢和社之间相互干扰，需要采用适宜的修正程序。修正程序Tailing可以看做是探头特定的仪器参数，在对每一台仪器进行刻度时，干扰核素对某一 ROI的影响按照百分比例进行确定。例如，Tailing
8、常数 “Tailing (Po-212 Po-214) ”指定了在由 Po-212 引起的 Po-214ROI3的本底，仪器在纯社的照射下刻度，该常数将具有足够高的精确度，在该种情况下，仅存在Po-212 对 Po-214ROI 内的 Tailing 本底，而不存在 Po-214。K212 214 =100%*N(ROI3)/N(ROI3)+N(ROI4)N(ROI3)和 N(ROI4)实质上均为 Po-212 的计数，K 212214 为 Tailing 常数。在实际混合空气测量时，ROI3包含了 Po-214和一部分Po-212衰变粒子计数，为了分离出Po-214的真实计数，需要采用 RO
9、I4中不受影响的Po-212的计数进行相应计算然后进行扣除：N(Po-214)=N(ROI3)- K 212214 /(1- K 212214 )*N(ROI4)N(Po-214) 代表在 ROI3 区域内 Po-214 的真实衰变计数。以上计算过程贯穿在所有的 ROI 计算中。当 Bi-212 存在于 Po-218ROI 中时，则必须考虑到其他物理关系，我们无法对两种核素进行有效分辨，但是，我们可以注意到 Po-212 和 Bi-212 之间比例恒为常数，他们由Pb-212的两种不同衰变方式产生而来，约 36%Bi-212以“衰变的形式直接衰变，而其他64%W以3的形式衰变为Po-212;产
10、生的 Po-212随即以0.298科s的半衰期进行a衰变，因此，在任何时间内， Po-212 与 Bi-212 之间存在平衡关系，我们可以用下式计算Bi-212在 Po-218ROI 内产生的计数：N(Bi-212)=0.5625*N(ROI4)N(ROI4) 表示不受干扰的 ROI4 的 Po-212 计数。修正的统计考虑探测限值由于核素的衰变具有统计特性， 因此所有由于核素衰变造成干扰形成的本底均具有统计涨落， 以上表达式仅表示在计数为无穷大时， 得到的确定的干扰的平均值。 在实际工作当中，我们所面对的是有限的计数， 因此需要对计数的统计涨落进行评估， 为了理清此问题， 我们再次回到上一个
11、举例中。我们假设探头上不存在任何 Po-214 粒子，但是即使浓度、采样时间保持不变，在Po-214ROI 内探测到的 Po-212 粒子数目也不尽相同； 使用修正程序后， Po-214 计数依然有 50%的几率得到正或者负的结论，由于现实情况下不可能为负值， 我们将对其修正为零；问题在于正值的部分，50%的采样周期结果显示Po-214 计数为正值， 而实际上这并不存在。为了避免这种错误，需要通过统计误差规律计算本底的可能涨落，我们认为 ROI3 的Po-214 的计数只有大于或等于统计涨落的范围时，才是可以接受并具有意义的。其他的正值可能出现Po-214 计数，但却不是真实存在的。会超过某一
12、个值的几率，95%的置信度表示95%的测量周期内测量的本底将低于或等于这个限值，而另外的5%的测量周期内，落在ROI3 内的 Po-212 计数将高于这个限值，这是很重要的：在这5%的事件中，即使采用了修正程序，结果将依然为正数。当然，你也可以考虑扩大置信区间，但与此同时，探测到真实存在的 Po-212 的计数的几率将降低。能够提供所需信号（本底涨落限值，在此以 Po-214 为例）的最小限值，我们称之为探测限值。探测限值对实际测量的意义我们将考虑以下三种情况：案例 1：纯氡环境，不存在 Po-212/Bi-212 。Po-218 和 Po-214 的 ROI 均不受影响， 每一个探测到的粒子
13、均可以认为来自于其对应的核素，快速测氡模式下的探测限值为 Po-218ROI 内有一个计数，慢速测氡模式下为Po-218ROI 或 Po-214ROI 有一个计数。Po-216ROI 由于受到 Po-214 的干扰，并且 Po-214 需要 3 小时才能与Po-218 取得放射性平衡， 与此同时， Po-216ROI 内本底涨落限值也同样升高， Po-216 的探测限值随着Po-214 的浓度的升高而升高。选择95%的置信区间，就可以知道所有测量周期中实际不存在Po-216 的贡献的事件几率为5%。也因此我们钍的测量限值提高了，因为钍的浓度计算基于Po-216 的计数率。实际不存在钍的情况下，
14、将有约5%的测量周期显示有钍的存在。00Lmff0ZLI0J6Mmunuc金 JL1J50Erkennungsgrenie liir Thoron00*-00000000 WRadon KcmzentrationFig 1 Detection Threshold （2cr） fof Thoron （RTM16BEL2, 60 Minutes Sample Interval）图1.牡测量的探测限值（2（r）（RTM1688-2,60分钟周期）X轴-浓浓度，Y轴-探测下限案例2:纯社气体在测量的开始阶段仅仅出现Po-216的能谱，由于半衰期 10.64小时的中间核素Pb-212 的存在，Po-21
15、2 和Bi-212 的能谱不会马上出现， Po-218ROI受到来自Po-216 的计数的Tailing影响，与事件1类似，随着Po-216计数的增大，Po-218的探测限值将 随之增大。一段时间之后，缓慢增长的Po-212在PO-216ROI和PO-214ROI中逐渐增长，因此Po-216和Po-214的探测下限也随之增长。但是，最主要的问题出现在 Bi-212 ,因为他的所有衰变均发生在 Po-218ROI内，这就 意味着，Po-218的探测下限相比 Po-216和Po-214将会有很明显的上升。我们可以得出结论：对社的测量来讲，其受到来自于 Po-212的Tailing影响，探测下 限将
16、稍有上升；而氢的测量探测下限则出现明显的上升，对于选择快速测氢模式（仅使用Po-218的信号）是如此；同样的情况也会发生在慢速测氢模式上，因为其中Po-218的信号占据有一半的比例；在这样的情况下，使用 Po-214的信号是更好的选择，探测下限将会相比之下低很多，因为仅仅只有Po-212的Tailing对其产生影响。 RTM1688-2 在Bi-212的本底过高时将自动转换到该测量状态。在对本底进行评估的过程中，我们将有5%勺测量周期的测氢数据不为零，即使仅有社存在。图2.氮测量的探测限值（2 b）（RTM1688-2,60分钟周期）X轴-钍浓度，Y轴-探测下限案例3:混合空气（同时存在氢和社
17、）一个基本的前提是，对于瞬时测量而言，氢和社的浓度均高于探测下限，统计误差一方面取决于氢/社之间的浓度比例，另一方面也与各个ROI中的总计数相关，后者与浓度水平、所选测量周期以及设备灵敏度有关；通过下图我们来讨论与浓度比例之间的关系。Quialitative wertung das zu Fwarleriden n. Statistlschen Fehlers力IL中|4。蛆=3二36 一中川 巧1用 1 /71/210 98Fig 3 Statislical Error of a mixed Atmosphere, qiualilaliv图3. 一个混合环境下的统计误差X轴-钍就混合比例，Y
18、轴-相对统计误差X轴为社/氢比率，取值4表示社的浓度为 4倍于氢浓度，而1/4则表示氢浓度4倍于社浓 度。在浓度比率取值为1/22之间，相对误差比较小；比值越小，社的误差越大，因为其 受到氨（Po-214）的影响；而氢的误差则微弱减小。比值大于2时，测氢误差根据测量方式不同有不同程度的上涨。假如使用快速测氢模式（仅使用Po-218信号），因为Bi-212的存在，以及Po-216的Tailing 的影响，误差上升很快。如果使用慢速测氢模式（绿线），误差偏小一些，因为在计算中包含了Po-214的计数,而Po-214的计数仅受到 Po-212Tailing 影响。而当仅使用Po-214的信号（橙色线
19、条）时，我们可获得最小的统计误差，此时，仅有来自 于Po-212的本底影响，与社的曲线的反方向比较可看出，橙色线的曲线上升速度更平缓,原因在于受到 Po-212的影响更小（仅有 5%而 Po-214对Po-216为20% ,同时仅有64%勺Po-216将在衰变链中变成 Po-212,其他 36%W衰变为 Bi-212 。混合空气下的仪器使用如果执行长期的监测，氢 /社的相互干扰并不是一个问题，当混合比率超过100时，那么占比较小的成分从辐射防护的角度来说可以忽略不计；唯一的限制是为了保证统计误差而建议使用慢速测氢模式将延长响应时间。图4显示在氢浓度高于社浓度100倍时的统计误差，相关的社浓度值
20、（与绝对探测计数相关）以函数参数的形式给出。go Erwarteter rel. St3tlstischer Fehler fOr ThoronThoron - lOBq/rrf 100 -Ort OCM 号 口 3070605040302010口 【!u S52S1 oh 06 2 0KFig 4 Statistical Error （1i） for Thoron （RTM1506-2, 60 Minutes Sample Interval）图4.牡测量的统计误差（1（r）（RTM1688-2,60分钟周期）X轴-氡就混合比例，Y轴-统计误差例如：当社浓度为1000Bq/m 3,氢浓度为40
21、倍至40000Bq/m 3时，结果的统计误差接近20%图5显示当社浓度为氢浓度 100倍时的统计误差，相关的实际氢浓度值（与绝对探测计数有关）以函数参数的形式给出。Erwarteter re . Statistischmr Feh er fur Radon00骊80和种M103c2010JI-【武 dHzHu-0 -F oMischunasve rtiflltnis Thoron/RadonFig. 5 Slatistka） Error （1n） for Radon （RTM158B-2, 60 Mimules Sample Interval）图5.氢测量的统计误差（1（r）（RTM1688-
22、2,60分钟周期）X轴-氡就混合比例，Y轴-统计误差例如：当氢浓度为200Bq/m 3,杜浓度为20倍至4000Bq/m 3时，结果的统计误差约为20%在经过高浓度社的测量后，此时测量低浓度氢时，问题出现了；经社照射后，Pb-212仍在驻留在探测器表面，并且以10.64小时的半衰期衰变，Pb-212的子体Bi-212和Po-212不断被释放出来，Po-212和Bi-212的衰变将形成氢的本底，即使此时社已经不再存在于 腔室内。因此，请仔细留意以下内容：在氢浓度预期最低的地点开始执行测量，在楼房内部，我们经常在底层发现较高的氢浓度，而在二层以上氢浓度将下降。在每次测量结束时测量土壤氡浓度， 并且
23、测量过程越快越好， 大多数情况下土壤氡的浓度很高，并且同时含有不少钍。如果存在钍，保持采样时间越短越好，测量腔室在56 分钟内腔室内气体更换即已完成，这段时间对于钍的测量已经足够， 在此之后， 可用软管将仪器进气口和出气口连接起来， 然后可以开始进行氡的测量。如果可能的话，经过高钍浓度测量后，过几天再进行新的测量，在此期间， Po-212/Bi-212应该已经完全衰减。在一段时间的测量序列中， 偶尔出现的一些浓度值通常被视做表明测量本底被升高。 这一情况可以被理解为，并不存在真实的浓度值，而只是由于置信偏差的5%的几率所引起的，测量本底的震荡。 这些异常的浓度值， 对其左右几个周期取平均值的话， 通常是产生一个低于探测下限的结果。