基于静电收集法和CR-39探测器，降低氡监测仪的检测限，并减少湿度对其的影响

《Journal of Environmental Radioactivity》：Reducing the detection limit of the radon monitor with less humidity influence based on electrostatic collection method and CR-39 detector

检测极限优化：基于电场分布改进的Hynu EIRM III放射性探测器设计与应用

　　### 研究背景与意义

氡气（Radon，Rn-222）是一种天然存在的放射性气体，主要来源于土壤和建筑材料中的铀元素衰变过程。它在人类的自然辐射暴露中占据着重要地位，大约占到年均自然背景辐射剂量的42%。因此，准确测量氡气浓度对于辐射防护和环境健康评估至关重要。尤其是在户外环境中，由于氡气浓度通常较低，传统的检测设备往往难以满足实际需求，从而限制了其在环境监测和地质研究中的应用。

为了实现对低浓度氡气的精确测量，科学家们不断优化检测技术，尤其是在提高检测灵敏度和降低检测限值方面。其中，基于电场收集原理的CR-39探测器是一种常用的手段。CR-39是一种固态核径迹探测材料，能够记录α粒子在其中留下的微小损伤痕迹。这些痕迹经过化学蚀刻后，可以通过显微镜进行计数，从而推断出氡气的浓度。然而，这种方法存在一些固有的问题，例如，当氡气浓度非常低或暴露时间不足时，产生的径迹数量有限，影响测量精度。此外，探测器本身也会产生背景计数，这会进一步干扰测量结果的准确性。同时，测量结果往往只能提供一个平均值，而无法实时反映浓度变化，限制了其在动态环境监测中的应用。

因此，研究者提出了一种改进的检测方法，即结合电场收集技术和CR-39探测器，通过优化测量腔体的几何结构和降低收集电压，提高探测效率并降低检测限值。这一改进不仅提升了设备在低浓度环境下的适用性，也为环境风险评估、土壤氡气释放调查等关键应用提供了技术支持。

### 改进方案与实验分析

本研究提出了一种新型的氡气检测设备——Hynu EIRM III。通过调整测量腔体的几何结构和降低收集电压，该设备在保持测量稳定性的同时，显著提升了其对低浓度氡气的检测能力。具体而言，测量腔体的顶部由原来的半球形结构改为了倒置的圆台形状，并且CR-39探测器的安装位置也进行了优化，使其与腔体底部齐平，从而减少了检测盲区。这一设计不仅优化了电场分布，还增加了有效探测区域的比例，提高了探测效率。

在实验中，研究者通过COMSOL软件对Hynu EIRM III的电场分布进行了模拟分析。模拟结果显示，电场分布较为均匀，且电场线几乎全部指向探测器表面，从而有效减少了测量盲区。与原版Hynu EIRM相比，这一改进显著提高了探测器的电场收集效率，使得在低湿度环境下，检测限值从原来的21 Bq·m?3降低到了5.02 Bq·m?3，降幅高达76%。此外，通过延长测量时间，研究者还降低了检测限值，使得设备能够在更广泛的环境中应用。

### 电场收集效率的理论分析

为了进一步分析Hynu EIRM III的电场收集效率，研究者采用了两阶段拟合方法。该方法基于测量腔体的几何结构，将腔体近似为球冠体，并计算其电场强度和电势分布。结果显示，随着收集电压的增加，电场收集效率也有所提升，但在高湿度条件下，电压提升对效率的影响更加显著。然而，当电压超过一定范围后，效率提升趋于饱和，进一步增加电压对性能的改善有限。

因此，研究者选择将收集电压降低到1000 V，同时将测量时间延长四倍，从而在不牺牲测量精度的情况下，显著降低检测限值。这种优化策略使得设备在保持高灵敏度的同时，能够适应不同湿度条件下的测量需求，从而提高了其在实际应用中的适应性和可靠性。

### 材料与实验方法

在实验设计中，研究者采用了3D打印技术制造Hynu EIRM III的测量腔体，并通过表面处理使其更加光滑。此外，设备的上部和下部通过硅胶密封圈进行连接，以确保测量过程中的气密性。为了防止氡气的子体进入测量腔体，设备配备了过滤膜和多个密封结构，从而有效减少背景计数的干扰。

实验过程中，研究者在实验室环境下进行了三次不同湿度条件下的测试，分别模拟了低湿度（RH < 20%）、中等湿度（RH ≈ 75%）和高湿度（RH > 98%）的情况。每次实验持续12天，测量时间共计288小时。为了确保实验的准确性，研究者使用了RAD7设备进行同步监测，并结合CR-39的蚀刻和显微计数技术，获取了详细的测量数据。

在实验中，研究者还对CR-39的背景计数进行了测量，以评估其在不同湿度条件下的性能表现。结果表明，背景计数在低湿度和高湿度条件下分别降低了约9%和10%，显示出设备在不同环境中的稳定性。同时，通过计算校准因子和检测限值，研究者进一步验证了设备的性能提升。

### 实验结果与讨论

实验结果表明，Hynu EIRM III的校准因子在三种湿度条件下分别为0.0154 ± 0.0017、0.0149 ± 0.0012和0.0140 ± 0.0013，相较于原版Hynu EIRM，校准因子提高了约24%。与此同时，检测限值从21 Bq·m?3降低到了5.02 Bq·m?3，降幅达76%。这一结果充分证明了优化后的设备在检测性能上的显著提升。

此外，研究者还分析了不同湿度条件对检测限值的影响。结果显示，当湿度增加时，检测限值也有所上升，但增幅较小，仅约为10%。这表明，虽然设备对湿度有一定的敏感性，但整体性能仍然保持在可接受的范围内。通过延长测量时间并降低收集电压，设备在不同湿度条件下均能保持较高的检测效率。

### 结论与展望

综上所述，Hynu EIRM III通过优化测量腔体的几何结构和降低收集电压，显著提升了对低浓度氡气的检测能力，同时有效降低了检测限值。这一改进使得设备能够适应更广泛的环境条件，适用于室内和户外的辐射风险评估，以及大规模的土壤氡气释放调查等应用。其便携性、低功耗和高测量稳定性，使其成为环境辐射监测和地质研究中的重要工具。

尽管目前的实验结果已经证明了Hynu EIRM III的优越性能，但研究者也指出，未来可以进一步探索设备在不同空间位置的径迹分布情况，以提供更直观的电场分布和离子收集证据。此外，使用更高品质的CR-39探测器也可能进一步降低检测限值，提升设备的整体性能。

本研究的成果不仅为提高环境辐射监测的精度提供了新的思路，也为氡气的科学研究和实际应用奠定了坚实的基础。通过不断优化检测设备，我们可以更有效地应对环境中的辐射风险，推动相关领域的技术进步。