基于單片機(jī)的便攜式瞬時(shí)土壤測(cè)氡裝置的野外測(cè)試與分析

田麗霞, 房冰冰，楊強(qiáng)

（1.東華理工大學(xué)核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心 江西 南昌 330013；2.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614000；3.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059）

氡是一種無色無味的放射性氣體，其衰變產(chǎn)生的α粒子易對(duì)人體組織產(chǎn)生損傷,因而誘發(fā)肺癌、呼吸道等疾病。據(jù)統(tǒng)計(jì),空氣中的氡有77%左右來源于陸地表面釋放。此外，探測(cè)土壤中氡濃度分布對(duì)勘察地下地質(zhì)構(gòu)造、礦產(chǎn)資源分布、斷裂，以及地震預(yù)報(bào)等都有重要的參考價(jià)值[1]。

目前國內(nèi)外發(fā)展起來的土壤測(cè)氡儀均需在土壤中創(chuàng)造一個(gè)空間以聚集氡氣，然后要么放入測(cè)量樣品（如乳膠片），要么使用專用工具從形成的空洞中抽吸氣體樣品，從而推斷土壤中的氡濃度。前者方法簡(jiǎn)單，無需高檔測(cè)量?jī)x器，費(fèi)用低，但測(cè)量周期長(zhǎng)（一般為15 d以上），在工程實(shí)踐中使用困難。后者測(cè)量過程便捷，所需費(fèi)用也不算太多，但卻要破壞土壤的原來狀態(tài)，因此，嚴(yán)格來說后者只能算是一種相對(duì)近似測(cè)量。由此，專門設(shè)計(jì)研制了一款基于單片機(jī)的便攜式瞬時(shí)土壤測(cè)氡儀，可用于野外復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的測(cè)量，并對(duì)它的性能進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試與分析。

1 試驗(yàn)裝置及原理

采用的試驗(yàn)裝置是由成都理工大學(xué)研制開發(fā)的基于單片機(jī)的便攜式瞬時(shí)土壤測(cè)氡系統(tǒng)[2]，整套測(cè)量系統(tǒng)由便攜式操控器、CAN-HUB和多臺(tái)土壤測(cè)氡儀構(gòu)成，通過CAN總線可連成局域測(cè)氡網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量，其整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)見圖1。

圖1 土壤氡測(cè)量系統(tǒng)組成Fig.1 Schematic diagram of soil radon measurement system composition

其中測(cè)氡儀采用埋入土壤無源擴(kuò)散采樣，內(nèi)置Φ30 mm的金硅面壘半導(dǎo)體探測(cè)器對(duì)氡及其子體衰變時(shí)放出α粒子進(jìn)行探測(cè)，通過計(jì)算達(dá)到衰變平衡后α粒子的計(jì)數(shù)值確定氡濃度。為了對(duì)土壤氡的變化做出快速響應(yīng)，通過脈沖幅度甄別，只測(cè)量222 Rn短壽命衰變子體218 Po放出的α粒子計(jì)數(shù)，不僅使衰變平衡時(shí)間縮短為30 min，而且排除可能會(huì)有的釷氣α衰變子體216 Po造成的干擾。此外，內(nèi)置高精度溫、濕度及氣壓傳感測(cè)量子系統(tǒng)，對(duì)土壤中的溫濕度、壓強(qiáng)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并把測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)在各自內(nèi)置的存儲(chǔ)器中；為了方便用戶野外操作，還專門設(shè)計(jì)了便攜操控器，用于野外代替PC機(jī)監(jiān)視測(cè)量機(jī)的工作狀況和檢查測(cè)量數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示218 Po計(jì)數(shù)值、溫、濕度、氣壓與測(cè)量時(shí)間等信息，或者通過CAN總線經(jīng)由CAN-HUB調(diào)入微機(jī)。圖2為便攜式操控器和土壤測(cè)氡儀。

圖2 便攜操控器和測(cè)氡儀Fig.2 Physical picture of portable controller and radon meter

2 測(cè)量方法及結(jié)果

本次試驗(yàn)選取成都理工大學(xué)校內(nèi)某片開闊的草地，進(jìn)行了為期1個(gè)月的實(shí)地測(cè)量試驗(yàn)，儀器每半小時(shí)給出一次α讀數(shù)，選取距地表130 cm及30 cm深處兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別放置兩臺(tái)測(cè)氡儀（分別標(biāo)記為1號(hào)和2號(hào)測(cè)氡儀），對(duì)土壤氡濃度進(jìn)行了長(zhǎng)期的連續(xù)測(cè)量。實(shí)地測(cè)量之前，在衡陽國家標(biāo)準(zhǔn)氡室對(duì)兩臺(tái)測(cè)氡儀分別進(jìn)行了標(biāo)定。在埋置探測(cè)器時(shí)，由于土壤氡聚集環(huán)境被臨時(shí)破壞，恢復(fù)穩(wěn)定的氡氣場(chǎng)需要一定的時(shí)間，因此等待24 h后再開始測(cè)量。內(nèi)置的傳感器可以給出土壤中的瞬時(shí)溫度及氣壓值，因此可用于研究氣象因素對(duì)土壤氡測(cè)量的影響因素并最終校正氡濃度結(jié)果。

2.1 土壤氡濃度的日變化

選取晴天時(shí)連續(xù)一個(gè)星期的早、中、晚測(cè)量的土壤中218 Po計(jì)數(shù)值并加以平均，繪制其不同深度處的α計(jì)數(shù)日變化曲線，見圖3。并對(duì)這些數(shù)值進(jìn)行方差分析，表1列出了該段時(shí)間內(nèi)早、中、晚218Po計(jì)數(shù)的平均值 ,均方差s及變異系數(shù)V（=s/ ），從中可以看出，在正常天氣下，不論是靠近地表還是土壤深層，清晨的氡濃度最高，中午和下午氡濃度相對(duì)較低，埋于30 cm處的2號(hào)機(jī)的變異系數(shù)均高于更深層的1號(hào)機(jī)的變異系數(shù)，說明淺表地層氡濃度更容易受氣象因素的影響而出現(xiàn)波動(dòng)。測(cè)得的土壤氡濃度日變化規(guī)律與石玉春[3]、汪棟[4]等的測(cè)量結(jié)果是一致的。

圖3 連續(xù)晴天時(shí)土壤中218Po計(jì)數(shù)日變化Fig.3 Diurnal variation of 218Po count in soil under continuous sunny days

2.2 土壤氡濃度與氣象因素的關(guān)系

土壤氣氡含量與土壤溫濕度、氣壓等氣象因素具有一定的相關(guān)性，國內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究[5-9]， Bunzl[5]及Winkler[6]等指出，當(dāng)氣壓改變16 mmHg，溫度變化＞3.5℃，可引起土壤氣氡含量變化2倍左右。Iakovleva[7]等認(rèn)為在同一地點(diǎn)一個(gè)月內(nèi)由氣象條件引起的土壤氣氡含量可以變化2倍左右，而由氣象條件和土壤類型不同引起的土壤氣氡含量變化可以達(dá)到10倍左右。為此，為了進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)氡儀的可靠性，我們將兩臺(tái)測(cè)氡儀記錄的不同深度的土壤瞬時(shí)氡濃度、瞬時(shí)氣壓及氣溫相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，時(shí)間周期為25天，其結(jié)果見圖4 ～ 6。

圖4 距離地表30cm和130cm處氡濃度變化曲線Fig. 4 Radon concentration variation curve at a distance of 30 cm and 130 cm from the surface

圖5 距離地表30cm壤內(nèi)氣壓變化曲線Fig. 5 Pressure variation curve in soil 30 cm above the surface

圖6距離地表30cm壤內(nèi)溫度變化曲線Fig. 6 Temperature variation curve in soil 30 cm above the surface

圖4 為距離地表30 cm和130 cm處測(cè)量的壤中氡濃度變化曲線，從圖中可以看到，土壤氡濃度隨著深度的增加而逐漸增加，淺表30 cm處的壤中氡濃度平均值約為428 Bq/m3, 深層130 cm左右的氡濃度均值則高達(dá)5244 Bq/m3，與周曉劍[10]和宋海龍[11]等人的測(cè)量結(jié)果相符。從變化趨勢(shì)來看，不同深度上氡濃度的變化規(guī)律是一致的，但距離地表越近，氡濃度受氣象因素的影響越大，因而波動(dòng)幅度也比較明顯，最大值與最小值相差近10倍之多，與Iakovleva[7]、周曉劍[10]的結(jié)論相符。而處于130 cm處的1號(hào)機(jī)的氡濃度計(jì)數(shù)變化則平緩的多，表明受氣象因素的影響相比要小。

圖5和圖6分別為30 cm處測(cè)得的壤中瞬時(shí)氣壓及氣溫變化曲線，通過與圖4中的土壤氡濃度變化相對(duì)比，我們可以看到，整體來看，土壤氡濃度的變化氣溫的變化趨勢(shì)與呈正相關(guān)，與氣壓呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)氣壓降低，氣溫升高時(shí)，氡濃度也隨之升高，反之亦然。這與王康[8]、高超[9]等人的結(jié)論是一致的。而且，從圖中還可以看到，當(dāng)氣壓改變約16 mmHg，溫度變化3℃左右時(shí)，可引起土壤氣氡含量變化2倍以上，這與Winkler[6]等人的觀點(diǎn)一致。

3 結(jié) 論

采用成都理工大學(xué)自主研發(fā)的基于單片機(jī)的便攜式瞬時(shí)土壤測(cè)氡裝置對(duì)校園內(nèi)不同深度土壤氡濃度、溫度、氣壓進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明該套測(cè)量裝置能夠?qū)崿F(xiàn)野外環(huán)境下土壤氡濃度的長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)量，其采用高可靠性的CAN總線構(gòu)建測(cè)氡網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量。設(shè)計(jì)的便攜操控器，可使系統(tǒng)可脫離PC機(jī)獨(dú)立工作，極大的方便野外應(yīng)用,其內(nèi)置的高精度溫、濕度及氣壓傳感測(cè)量子系統(tǒng)，能夠進(jìn)行多參數(shù)監(jiān)測(cè)，可用于研究氣象因素對(duì)土壤氡測(cè)量的影響程度并最終校正氡濃度結(jié)果。結(jié)果表明該地區(qū)淺表（30 cm左右）土壤氡濃度均值為428Bq/m3, 深層(130 cm左右)的氡濃度均值為5244 Bq/m3，均低于全國平均水平7300 Bq/m3。土壤氡濃度隨深度增加而增加，約靠近地表受氣象因素影響越大，其變化與壤內(nèi)溫度呈正相關(guān)，與壤內(nèi)氣壓呈負(fù)相關(guān)。壤內(nèi)氡濃度的日變化也呈現(xiàn)一定的規(guī)律，一般是中午和下午氡濃度較低，清晨最高。其氡濃度變化規(guī)律與其他學(xué)者的結(jié)論一致，從而驗(yàn)證了該儀器在土壤測(cè)氡方面的穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿足野外連續(xù)測(cè)量的需要，為今后該儀器用于野外地質(zhì)礦產(chǎn)資源勘查、環(huán)境放射性水平調(diào)查等提供了參考依據(jù)。