应用α辐射的驻极体传感器测量氡的浓度选择的环境条件

文摘

小说驻极体传感器,由聚四氟乙烯(PTFE)薄膜,提出了封闭空间的氡浓度监测。一个三极管空气系统实施形成了驻极体薄膜。为了调整驻极体传感器、驻极体嵌入的电离室的底部,放置在一个包含已知浓度的氡射气室。的有效电荷密度的变化产生的驻极体交互与电离辐射的驻极体传感器,可以确定其反应程度的检测环境中氡浓度。驻极体的电荷传感器评估开始和结束时的浓度测量使用直升机。测量值的驻极体和参比电极之间的电场直接对应的有效驻极体的表面电荷密度。测量系统的校准值的驻极体等效电压U_z。为了评估驻极体属性,thermostimulated电荷弛豫(TSQ)方法和thermostimulated放电电流(TSDC)方法被用来评估相应的参数。这些调查导致优化驻极体形成过程的最大灵敏度的影响阿尔法粒子产生的氡放射性衰变。

1。介绍

氡是一种天然的惰性气体,是人类环境电离辐射的主要来源。平均氡的浓度封闭空间利用人们几倍,在外面的空气。为了防止健康风险暴露在放射性元素,有必要监控它的浓度在封闭空间。使用被动监测氡浓度剂量计,由聚四氟乙烯(PTFE)薄膜,以及空气湿度的影响的评估结果进行浓度测量的空间进行了早些时候(1]。预警系统,设计信号当电离辐射的数量超过容许浓度限制,保证人类的安全在这样的空间(2- - - - - -5]。

准确测定的年平均氡浓度要求是测量一段至少两个月。为了测量瞬时浓度的放射性气体,最小测量时间应该至少48小时。一般来说,测量时间越长越准确和可靠的结果(3- - - - - -7]。

1.1。辐射危害

以下几方面的原因是危险的氡Rn222对人类的影响。(我)是最稳定的,统计氡是人类暴露于辐射的主要来源(2)氡是唯一气体放射性元素,可以从岩石和土壤迁移到地球表面(3)氡衰变产物(钋、铋、铅)不是惰性,可以嵌入在肺组织,他们最终会停留一段时间破坏组织。例如,如果Rn222发生在航空公司的衰变,产生的固体Po218可以成为嵌入在支气管或肺泡壁。暴露相关的呼吸系统辐射衰变链会导致肺癌。如果Rn222在体外发生衰变,衰变产物可能附着于固体颗粒呈现在空气中形成所谓的放射性气溶胶,可进入呼吸道吸入空气,成为部分存入航空公司(iv)据统计,氡是比其他化学物质更危险,因为它会导致更高的死亡率那么其他致癌物质。与石棉相比,被称为一个强有力的致癌物质,氡10倍的死亡原因(v)室内氡的浓度平均几次高于在露天,尤其危险的现代社会中,人们花了他们生活的大部分建筑物内(1- - - - - -5]。

1.2。氡的迁移进入密闭空间

作为唯一的气体放射性元素,从岩石和土壤氡迁移到建筑通过所有可能的泄漏在建筑物的基础。它可以通过裂缝进入占据空间在两个错误组装安装通风管道和公用事业(水和排水管道等)渠道。在大多数国家,有规范指定的最大平均浓度氡在住宅和办公楼。例如,放射性极限是800 Bq / m³在北欧国家,250 Bq / m³在德国,和150 Bq / m³在美国。在波兰,符合国家原子能机构的建议,可接受的新建筑的平均氡浓度(01.01.1988后完成),不应导致放射性物质超过200 Bq / m³(1]。在老建筑,平均放射性不应超过400 Bq / m³。世界卫生组织建议在人类环境年平均氡活动不应超过100 Bq / m³。根据欧盟指令,放射性限制设置为300 Bq / m³(7- - - - - -11]。

1.3。方法测量的浓度氡及其衰变的产物

常用的方法来确定空气中氡浓度关在封闭空间可分为直接或间接。直接方法的特点是浓度测量的事实发生在网站使用专门的测试仪。间接方法需要两个步骤。在第一步中,包含或活性炭吸附氡探测器放置在一个特殊的箔敏感的阿尔法辐射研究空间。第二阶段包括检测器的分析国家专业实验室。

考虑到测量时间,方法也可以分为短期、长期或连续。在短期的方法中,探测器是暴露在放射性因素一段从2到7天。在长期的方法中,探测器曝光时间从1到12个月不等。在连续的方法,测量仪器总是更新氡浓度的平均值在预定的时间段(例如10分钟,30分钟,等等。)(8]。

1.4。技术测量氡的浓度

下面列出的是最常见的方法测量氡浓度:(我)观察α粒子与核乳胶室痕迹(2)卢卡斯闪烁测量用一个细胞(3)使用活性炭和伽马能谱测量

小型目前,越来越多的兴趣,便携式系统与实时数据收集的选项。这些系统通常可以通过互联网直接控制和连续测量成为可能。下面列出了最常见的解决方案。(iv)连续记录在一个过滤器9)——这些测量包括分析radon-containing空气通过它通过一个过滤器不受氡衰变产物。分解产品的测量活动的嵌入式测试期间的过滤器可以评估在研究空气中氡的浓度(v)使用一个集成的驻极体氡测量仪(2- - - - - -7)——的变化驻极体的电荷或相应的等效电压构成氡传感器在测量评估。根据氡的浓度在研究环境中,传感器响应与等效电压下降更大或更小。等价的驻极体电压的值在开始和结束的接触提供氡的浓度

1.5。驻极体传感器测量氡浓度

与所有与外部创造了亚稳态电极化电介质,驻极体可以使用不仅测量氡的浓度,而且在密闭空间检测β和γ辐射。当探测器受到辐射,空气的电离室导致薪酬的驻极体的极化电荷。这个属性使驻极体可行的α,β和γ剂量测定法。研究表明,无报酬的电荷的差异,测量辐照前后,是一个线性函数的辐射剂量。直线的斜率,代表的变化无报酬的驻极体的电荷作为功能辐射曝光时间,定义了剂量计的灵敏度。

一个被动的方法,在室内和室外氡浓度测量中描述(6]。电离室包含一个驻极体的电荷是无关紧要的依赖外部因素,如温度和湿度,也适用于室外环境。这些设备,通常称为氡显示器,有驻极体电离室共同设计和被称为electret-passive环境监控(E-PERM)。环境中氡浓度的测量使用被动测量方法中描述也(7- - - - - -11]。

2。实验的细节

2.1。从聚合物薄膜驻极体的形成

聚四氟乙烯(PTFE)薄膜已被选为制备驻极体用于设计氡剂量计。聚合物结构式如图1。

剂量计,一个驻极体用于氡检测,可以评估其浓度在封闭空间通过执行调查持续几天到两周。剂量计操作的原则是基于属性的辐射产生的氡衰变补偿引入的电荷在驻极体体积。阿尔法粒子,形成的电离室在氡的放射性衰变,间接负责驻极体电荷的补偿。后立即衰变,释放α粒子的能量约6.5兆电子伏,电离空气中包含的驻极体的附近。负离子,由于这个过程,形成补偿驻极体的正电荷。驻极体电荷的比较,或相应的驻极体的等效电压,测量之前和之后的辐射可以评估调查环境中的辐射源的浓度(2- - - - - -5]。

使用测试仪进行短期和长期的调查需要驻极体各种敏感性。这可以通过不同的材料的应用以及不同厚度的薄片用于驻极体插入测试仪。原型剂量计,驻极体插入的形式是由聚四氟乙烯薄膜平面,圆晶片直径35毫米,厚度为0.5毫米。正确选择插入被一个专门搭建的电离室的底部。空气中含有氡扩散进入电离室通过一个过滤器消除早期氡衰变的产物。为正确评价氡浓度,空气只包含氡进入电离室(6,7]。

空气电晕放电系统中配置一个三极管安排是利用聚四氟乙烯薄膜驻极体形成的10,12]。这个解决方案能获得驻极体不断重现值引入的电荷(等效驻极体的初始电压)。在这个过程中,高密度电荷是植入聚合物薄膜结构。应用方法保证了驻极体从而获得长寿命和稳定值的有效电荷密度累积的驻极体体积(相当于电压)12]。驻极体的制造安装的房间或体温升高如图2。

系统包含一个放电电极放置在驻极体样本,陶瓷环上的金属网格支持的示例中,和一个导电电极箔样本构成的基础处理。导电电极是严格固定在系统分离与其他导电电流的元素。电晕电极是为10毫米长针的尖端半径约。50μm。电晕电极安装在远处的45毫米箔样本用于驻极体的制造。的三电极系统,网格,是永久固定的距离大约9毫米以上示例。片面的镀金属箔样本,用于驻极体形成,被置于网格通过皮安表较低的电极接地。样品与陶瓷环压电极。下面的形成条件是采用:电晕电压U_k= + 12 kV,电晕电流_k= 5μ电网电压确定U_年代= + 1400 V。

驻极体的形成始于同时电网电源电压和电晕放电电压被打开。从电压是开启电流流经示例Ip测量(12]。电晕放电系统被放置在一个室温度控制。室加热器的功率为470 W和100 PT电阻温度探测器是用来控制腔内的温度。探测器是放置在一个洞钻在较低的电极系统的直接样品。应用解决方案可以连续控制形成的驻极体的温度。必要的程序在腔体内温度的变化,在驻极体的制造过程中,使用可编程温度控制器进行了构建。这个解决方案成为可能形成箔驻极体在环境温度以及温度为100°C和150°C。

时间依赖的温度在形成过程和驻极体一起调查的时间打开和关闭高压供给图所示3。

形成和24小时的休息后,驻极体寿命确定分析的过程中获得的曲线热刺激放松的驻极体通过监控它的电荷(TSQ) [13)或其放电电流(TSDC) [13- - - - - -15]。

2.2。驻极体参数使用TSQ方法的决心

电荷保留时间期间,通常称为驻极体寿命,在形成箔驻极体决定了其是否适合实际应用。在这个实验中,驻极体寿命是决定分析的热刺激放电的过程中获得的曲线(13]。TSQ频谱的一生被发现通过分析从点,获得割线的斜率表示的值等效电压U_z对于选定的温度T_n和T_e(它的斜率在拐点)。样品的等效电压监控使用的电压补偿法(10,16]。条件下的测量数据进行驻极体样品的温度是线性提高。获得的光谱,如一个如图4的决心,导致活化能的弛豫过程研究驻极体。

在单一弛豫过程,在驻极体电荷的变化是由指数函数描述的(13]: 问在哪里_年代和问_s0代表有效的表面电荷密度在植入后温度T和它的初始值,b是样品升温速率试验期间,W代表弛豫过程的活化能,k是玻尔兹曼常数,τ_o时间常数。

活化能是评估从方程(2)。 在W代表弛豫过程的活化能,T_n对应的温度拐点TSQ光谱,U_z(T_n)表示的值相对应的等效电压拐点(有效驻极体的表面电荷密度温度T_n),tgα(T_n)代表的斜率曲线拐点,k是玻尔兹曼常数。

最后,驻极体一生被发现从方程(3)[13]。 在哪里τ温度(T)的驻极体寿命T, T_e代表的温度等效电压下降了一个因素e的最大值(U_z马克斯/ e), W表示弛豫过程的活化能,b是样本加热速度。

TSQ光谱的特征参数,如图4,以及计算活化能和生命周期,给出了表1。

2.3。驻极体参数使用TSDC方法的决心

为了验证TSQ结果前所述,驻极体电荷的生命周期也由另一种,热刺激去极化的方法。在TSDC方法中,使用静电计测量去极化电流在一个封闭的电路,包含样例与沉积金属电极。这项研究也进行温度线性增加。

作为目前的测量结果,我们得到一个称为TSDC光谱特征关系。频谱由孤立或重叠的电流峰值。这种光谱分析复杂的弛豫过程,由于相互重叠和个人峰的分离困难,通常的一个大错误。为了个人的松弛参数估计过程,实现了遗传算法(13,14]。TSDC光谱研究驻极体膜,结果从两个弛豫过程的叠加α和β,如图5。

使用高温峰的特征点βTSDC谱,一阶的估计活化能的弛豫机制确定从以下关系: W是活化能的对应于一个特定的松弛机理,k -玻耳兹曼常数,T₂——温度,频谱达到一半的最大电流温度较高,T_米——温度对应的最大光谱(10]。

弛豫过程的参数从而获得,与重叠的电流峰值,被用作输入值TSDC光谱利用遗传算法的分析。计算全球Matlab优化工具箱实现图书馆(15,17]。库包含专门的基因功能的二进制和浮点表示。基于图书馆资源,申请TSDC光谱分析用遗传方法。应用程序需要定义一个目标函数,确定各个参数的搜索范围,完成计算的判据,确定的人口规模、选择的类型选择、变异、交叉以及它们的参数。这种方法会导致个别弛豫峰的分离从一个复杂TSDC光谱(15,17]。在图6,相对应的情节个人弛豫机制识别,以及他们的叠加的结果,而收集到的数据。

激活能量的最优参数值W,有效的表面电荷密度P₀,初始时间常数τ₀和驻极体寿命τ遗传算法获得的,孤立的弛豫过程α和β驻极体薄膜中标识,表中列出2。活化能,发现通过使用遗传算法,负责一生的值已经确定了两个弛豫机制τ₁= 7.71 * 10⁵年代和τ₂= 7.9 * 10⁵年代。

3所示。应用电离辐射探测器的驻极体

驻极体属性的验证,使用TSQ和TSDC调查,证实,通过选择合适的工艺参数,如温度和电荷注入时间、电晕充电方法保证制造聚四氟乙烯薄膜驻极体与所需的属性。在图7这样的故事情节,驻极体等效电压的变化作为时间的函数所示样品形成于环境和温度升高。驻极体最优用于电离辐射传感器在高温条件下制作的。这个过程在环境温度不能保证足够长的一生的驻极体10]。

基于样本的结果相当于电压U_z,这一趋势的变化作为时间的函数确定驻极体形成于环境温度和驻极体在升高的温度下形成的。结果如图所示7。他们表明,驻极体形成的高温比驻极体的电荷形成更稳定的环境温度(12]。

3.1。建设一个驻极体剂量计

一个原型的驻极体剂量计由一个电离室,如图8一个机电单位,如图9等效电压的测量。驻极体(3),在一个平面的圆盘的形式由聚四氟乙烯薄膜,位于底部的室。使用电晕充电系统在空中三极管配置中,驻极体已经被指控一个预定值的无报酬的正电荷密度(等效电压)。空气中氡浓度的测量调查空间开始当孔盖打开,气体进入室通过一个过滤器,防止衰变产物进入室。氡是3.8天的半衰期时间及其衰变链电离辐射造成腔内的空气。驻极体吸引,带负电荷的离子释放电子驻极体导致薪酬的正电荷。测量结束时剂量计室关闭(11]。

使用电测量的电压表,永久附在电离室的顶部,驻极体的等效电压测量之前和之后关闭电离室。驻极体等效电压的测量是通过测量电场的强度进行E的驻极体之间的差距和电压表的参比电极。图9显示了电场测量的原则使用电场直升机。直升机桨叶旋转的参比电极周期性中断电场驻极体和参比电极之间的界线。因此,恒定电场转化为一个交变信号,与磁场强度成正比。电场仪校准直接显示驻极体等效电压的值(16]。

在这里的解决方案了,电测仪表机械与驻极体附着在电离室。这个设计可以直接确定的价值驻极体的等效电压没有删除的驻极体室的必要性。

完整的剂量计的驻极体传感器如图10。它包含一个电离室和一个驻极体,一米的有效驻极体的表面电荷密度,机械地连接到电离室。电离室的结合与电场测量系统是一种新型的驻极体剂量计的原型。

3.2。驻极体测试射气室

形成的驻极体被暴露在校准氡辐射调查。这个过程发生在50 l射气室由GENITRON GmbH是一家现代化的工具。室充满空气含有氡从泄漏监管认定SRM - 4968源与50 Bq活动。好几天(4 - 7天)暴露周期是由强大的破坏以达到所需的氡累积所需的均衡水平。从获得的数据,它发现平均氡电离室的活动是285.9 Bq和平均氡浓度在室5648 Bq / m³。驻极体等效电压的变化作为曝光时间的一个函数图所示11。

获得图清晰地显示了线性相关的变化有效的表面电荷密度(等效电压U_z驻极体的曝光时间的函数氡衰变产生的辐射。

4所示。结论

静电测试进行驻极体空气中电晕放电方法形成三极管配置显示方法和加工条件提供可重复的值的表面电荷密度(等效电压U_z驻极体获得的)。

(等效电压U_z)的驻极体形成的高温比这更稳定的驻极体在环境温度下进行处理。

驻极体高温电晕放电产生的方法从选择的衬托作者,有一个足够长的生活和驻极体可以作为元素测试仪氡浓度的测量。

这研究表明有效的驻极体表面电荷密度之间的线性关系(等效电压是乌斯)电离辐射曝光时间的函数。

平均变化率在剂量计的驻极体的等效电压受到阿尔法粒子产生的影响^222年Rn衰变试验箱内部平均氡浓度的5648 Bq / m³为4.4 V /天。

为了获得尽可能高的稳定的驻极体等效电压U_z氡浓度测量中需要存储期间,有必要对形成执行老龄化调查驻极体在环境条件选择适当的测量。

结果将允许优化的驻极体的形成条件,以获得一个足够的驻极体对电离辐射敏感。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

资金

这项工作是由波兰高等教育和科学,项目0401/0049/18。

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