基于成像板的220Rn子体沉积速度快速测量方法研究

《Radiation Measurements》：Study on a rapid measurement method for the deposition velocity of 220Rn progeny based on an imaging plate

本研究提出基于BAS-TR成像板（IP）的快速放射性沉积速率测量方法，通过Python自动化数据处理程序实现沉积速率、IP检测效率等关键参数的精准计算，并与校准α谱仪对比验证，结果显示该方法可在8小时内完成多尺寸收集板的测量，显著提升传统方法的效率。

　　

刘宇凡|王凯新|徐文杰|冯家璐|陶傲|吕丽丹|周青志|何正中

中南大学核科学技术学院，湖南省氡重点实验室，中国湖南省衡阳市421001

摘要

研究²²⁰Rn子体的沉积行为对于评估公众和职业辐射剂量以及控制钍室中的子体浓度至关重要。为了解决在研究沉积速度变化时维持稳定环境条件的困难，本文提出了一种基于BAS-TR成像板（IP）的快速准确的方法来测量²²⁰Rn子体的沉积速度。这种成像板具有高灵敏度、大检测面积和便携性的优点。通过不确定性分析优化了测量程序，使得单次测量的总时间可以控制在8小时内。开发了一个专门的Python程序用于自动处理IP计数数据，并通过实验确定了IP检测效率、IP扫描仪灵敏度和IP衰减校正等关键参数。通过比较实验发现，这两种方法的结果吻合良好。该方法已初步应用于使用不同尺寸收集板测量²²⁰Rn子体的沉积速度。与传统技术相比，使用所提出的方法可以在8小时内完成多样本、大面积的沉积速度测量，从而为²²⁰Rn子体及其他放射性核素的沉积研究提供了一种新的高效方法。

引言

在欧洲和亚洲进行的室内氡调查显示，在某些环境中，吸入的²²⁰Rn（钍）及其子体对辐射剂量的贡献可能等于甚至超过²²²Rn（Shang等人，2008年）。钍的衰变产物，特别是²¹²Pb（ThB）和²¹²Bi（ThC），是公众所受辐射剂量的主要来源（Paquet等人，2017年）。由于吸入后钍子体在呼吸道内的沉积是主要暴露途径（Cheng，1997年；Espinosa和Tommasino，2015年），因此研究钍子体的沉积速度具有重要的剂量学和实际意义。在计量学中，钍子体在校准室内部表面的沉积（称为“板出效应”（He等人，2017年；Skubacz和Michalik，2022年）是影响测量仪器准确校准的主要不稳定因素。在低本底实验中（Guiseppe等人，2011年），环境中的²²⁰Rn子体在探测器表面沉积可能会干扰真实信号。在文化遗产领域，氡和钍子体在艺术品（如绘画和雕塑）表面的沉积会加速其老化（Blatchley，1987年），这对博物馆保护是一个关键问题。因此，彻底了解²²⁰Rn子体的沉积行为对于科学和实际应用具有重要意义。

²²⁰Rn子体在表面的沉积行为可以通过沉积速度^V来表征，其定义为²²⁰Rn子体原子的通量与其在空气中的浓度之比（Mishra和Mayya，2008年；Mishra等人，2020年）。实际应用中，通常通过将活性通量^J与活性浓度^C的比值来计算沉积速度。目前测量²²⁰Rn子体沉积速度主要有三种方法：固态核径迹探测器（SSNTD）法、阿尔法光谱法和伽马光谱法。大多数研究采用了SSNTD方法（Zhuo和Iida，2000年；Mishra等人，2009年；Rout等人，2014年；Li等人，2012年；Prajith等人，2022年；Scott，1983年）。该技术涉及将钍子体收集在径迹蚀刻探测器上；采样后，通过化学或电化学方法蚀刻探测器内的潜径迹使其可见，然后使用显微镜或类似读数系统确定径迹密度。少数研究人员使用了阿尔法光谱法（Cosma，2001年）和伽马光谱法（Voltaggio等人，2016年；Cheng等人，1995年）。在²²⁰Rn浓度远低于²²⁰Rn校准室的环境中，钍子体的沉积通量非常低，导致沉积板上的活性较低，因此与沉积板测量相关的统计计数误差较大。为了增加收集板的总计数，必须扩大收集面积。然而，对于阿尔法或伽马光谱法，探测器的有效面积受到制造限制，这限制了收集板的尺寸。至于SSNTD，其检测面积也较小（Sorimachi等人，2015年）。此外，径迹探测器需要经过复杂的化学蚀刻处理后才能分析径迹，通常需要将样品浸入强碱性溶液（如6M NaOH）中并在高温（约60°C）下处理较长时间（通常为24小时或更长时间）（Bineng等人，2020年），这导致样品收集和结果之间存在显著延迟，使得SSNTD不适合快速测量。

成像板（IP）是一种基于光刺激发光（PSL）原理工作的被动式二维辐射探测器。由于其出色的对电离辐射的响应能力，它已被广泛应用于放射成像领域（Sonoda等人，1983年）。与SSNTD相比，IP的操作简单直接：暴露后几乎立即将其放入专用扫描仪中进行自动图像读出。IP的一个关键优势是其大的有效检测面积，尺寸可达数十厘米，非常适合测量大面积样品。此外，研究表明IP对阿尔法粒子具有高灵敏度，非常适合测量发射阿尔法射线的放射性核素（Mori等人，1994年；Freeman等人，2011年），如²²²Rn/²²⁰Rn子体。然而，之前没有研究使用IP来测量²²⁰Rn子体的沉积速度。目前，测量阿尔法计数的主要方法有两种：总PSL法（Iimoto等人，2004年）和阿尔法径迹计数法（Chen等人，2011年；Qin等人，2024年）。前者建立了总PSL值与阿尔法衰变之间的经验关系，并校正了来自贝塔和伽马粒子的干扰；后者使用特定算法根据设定的PSL阈值和径迹重叠校正来识别有效的阿尔法粒子径迹。

在研究典型²²⁰Rn室中钍子体沉积速度的变化模式时，需要保持温度、湿度、风速和气溶胶浓度等关键环境条件的相对稳定性。传统的沉积速度测量方法需要几十小时的暴露时间，而在如此长的时间内保持多个环境条件的稳定性特别具有挑战性。为了解决这个问题，本研究提出了一种基于BAS-TR IP的²²⁰Rn子体沉积速度的快速测量方法。选择这种方法是因为IP具有高灵敏度、大检测面积、操作简单便携以及可重复使用等优点，可以通过优化的程序在短时间内快速完成测量。开发了一个定制的Python程序来自动化IP数据处理，并确定了与IP测量相关的关键参数。通过分析测量不确定性优化了采样和测量时间。通过与阿尔法光谱仪的比较实验以及使用不同尺寸收集板的应用，初步验证了该方法的可行性。

采样设备

采样程序包括两部分：钍子体活性浓度和钍子体沉积通量。对于活性浓度采样，使用了孔径为0.8μm的MF-Millipore混合纤维素酯（MCE）过滤膜。实验确定该过滤膜的过滤效率（η）和阿尔法自吸收因子（Kα）分别为0.9900±0.0076和0.9637±0.0110（Feng等人，2025年）。过滤膜被放置在一个定制的采样器中。

实验环境设置

本研究的实验环境基于中南大学的²²⁰Rn室，如图11所示。该设施的核心是一个体积约为1.99×3米的校准室，配备了温度、湿度和风速控制系统。可控范围为：温度20至40°C，湿度40%至90%，风速0至-1 m/s。室体的侧面装有四个采样端口。

结论

本研究开发了一种基于成像板（IP）的²²⁰Rn子体沉积速度的快速测量方法。开发了一个定制的Python程序来自动化IP读出和数据处理，采用阿尔法径迹计数方法，并优化了径迹重叠校正算法的实现。实验确定了关键参数，如PSL衰减模型、IP检测效率和IP扫描仪灵敏度等。

CRediT作者贡献声明

刘宇凡：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据管理。 王凯新：撰写 – 原稿、验证、方法论、调查、数据管理。 徐文杰：调查。 冯家璐：调查。 陶傲：撰写 – 审稿与编辑、调查。 吕丽丹：撰写 – 审稿与编辑、监督。 周青志：监督、资源获取、资金争取。 何正中：撰写 –

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了^{国家自然科学基金}（编号：12175102）的支持。