消费级电子氡监测仪（ERM）时间性能与行为特征研究进展

《Radiation Protection Dosimetry》：Advancing understanding of temporal performance and behaviour in consumer-grade electronic radon monitors

　　

摘要 消费级电子氡监测仪（consumer-grade electronic radon monitors, ERMs）正日益普及，然而其性能证据大多仍基于有限数量设备的短期测试。本研究在氡室中对九种型号的消费级ERMs进行了为期3个月的暴露测试，以评估其准确性、精密度、稳定性、漂移及时间行为特征。绝对平均偏差（absolute mean difference, AMD）随时间推移而改善，所有设备在1个月后均达到AMD < 25%。探测器技术是时间性能的主要决定因素：基于电离室（ionization chamber）的设备在24小时内达到稳定，但表现出轻微的阳性偏倚；而基于光电二极管（photodiode）的设备则需要数周才能稳定，但能提供更准确的长期平均值。时间序列分析表明，基于光电二极管的设备表现出内部数据处理特征，该处理抑制了短期变异性。总体而言，所评估的ERMs在与长期测试指南一致的测试周期内提供了可靠的积分测量结果。这些发现支持性能标准、认证计划和公众指导的制定。

消费级电子氡监测仪时间性能与行为特征研究解读

一、研究背景与问题

氡（radon）是一种无色、无臭、无味的放射性惰性气体，由铀和钍衰变产生，广泛存在于岩石和土壤中。尽管在室外空气中迅速稀释，但在学校、住宅和工作场所等密闭室内空间中，氡可积聚至危险水平。氡-222（²²²Rn）及其短寿命衰变产物被国际癌症研究机构列为第一类致癌物，是继吸烟之后肺癌的第二大诱因。据估计，2021年全球约有82,000例肺癌死亡可归因于住宅氡暴露。

室内氡活度浓度受建筑结构、居住习惯、通风特征、环境和地质条件以及季节或气候因素影响，变化范围较大。评估个体氡暴露或缓解干预效果的最有效方法是进行室内氡活度浓度测量。历史上，住宅和公共建筑中的长期氡测试主要依赖被动测量技术，如α径迹探测器或驻极体离子探测器（E-PERMs）。近年来，消费级电子氡监测仪（ERMs）的出现改变了测量格局，它们通过显示屏或智能手机应用程序提供连续、时间分辨的数据，而非被动探测技术产生的单一积分值。

然而，由于这些设备的新颖性，其性能评估数据主要来自学术研究，而非现有的国家能力验证和比对项目，因为这些项目主要关注被动探测器和专业级ERMs，并未常规评估或认证消费级ERMs。现有ERM研究提供了准确度、精密度、线性度、对湿度/温度的响应以及校准偏移等性能指标的知识基础，但性能测试主要是在相对较短的时期内进行的，未考虑长时间部署期间性能的时间变异性，隐含假设设备性能是时间不变的。国际测量标准建议最短测试持续时间至少为2个月，以确保室内氡结果的代表性。目前，超过2个月的ERM性能长期评估仍然有限，且各研究评估的ERMs差异很大，仅覆盖市场上可用设备的一小部分，且往往不能反映区域可用性。

二、研究内容与意义

本研究选取了反映加拿大市场可用性的消费级ERMs，在3个月测量周期内分析其性能和行为。其新颖性在于：以往大多数研究未采用反映区域市场可用性的探测器组合，也未在符合推荐长期氡测量的部署周期内，在受控实验室条件下同时考虑常规性能指标与稳定化、漂移和设备特定信号行为的时间分析。使用受控氡室环境是为了通过最小化真实世界部署条件相关的混杂影响来隔离设备固有行为。研究结果旨在为国家和国际性能标准的制定和完善提供信息，加强消费级ERMs性能评估的证据基础，支持基于证据的监管决策，并为最终用户提供实用指导。

三、关键技术方法

研究人员在0.5 m3的Labconco Protector受控气氛手套箱中开展实验，使用Pylon Model 2000A被动Ra-226源建立200 Bq/m3的目标氡活度浓度。参考监测仪为AlphaGuard PQ2000 Pro（Bertin GmbH）和Radon Scout eXpert（SARAD GmbH），均以1小时扩散模式运行。每种型号购买三台设备，共评估九种消费级ERMs。性能指标包括绝对平均偏差（AMD）、设备间和设备内变异系数（CV）以及相对偏倚。设备行为分析采用非线性指数函数建模、Theil–Sen斜率趋势分析、Hamed-Rao修正Mann-Kendall检验、Durbin–Watson检验、Ljung–Box检验、自相关/偏自相关函数（ACF/PACF）分析以及Wald–Wolfowitz游程检验。

四、研究结果

性能指标

3个月后ERMs的AMD范围为1.0%–53.9%。采用电离室的设备（AR、EB、EQ、RE）满足北美性能标准中25% AMD的要求，并在24小时内达到其最终3个月累积平均值的5%以内。相比之下，采用硅光电二极管的设备（CH、CH2、LU、VP、WP）需要2至4周才能达到相当的稳定性和性能。尽管光电二极管设备稳定较慢，但它们在3个月研究结束时实现了较低的整体AMD（1.8%–9.6%），优于电离室设备（6.2%–16.7%）。数据显示ERM行为基于探测器类型和制造商出现明显聚类。

相对偏倚模式进一步区分了设备类型和制造商。LU设备持续低估氡活度浓度（偏倚=0.90），而所有电离室设备持续高估氡活度浓度（偏倚=1.11–1.17）。Airthings品牌设备（CH、CH2、WP）除VP外在3个月后偏倚在参考值±0.05以内。精密度指标显示，3个月后所有电离室设备的累积平均值设备内CV < 1%，LU和VP < 5%，CH2和WP < 10%，CH < 15%。最终所有设备的设备间CV在0.31%至6.5%之间，满足IEC和ANSI/AARST标准中15%的阈值。

设备行为

建模结果表明，探测器稳定化可用简单指数方程充分描述。一阶和二阶指数函数足以捕捉所有ERMs累积平均氡趋近平衡的过程。电离室设备（n=12）最佳表征为一阶指数函数，而光电二极管设备（n=15）最佳表征为二阶指数函数，与其较慢的稳定化一致。稳定化时间定义为设备所有后续累积平均测量值均在最终累积平均值±5%以内的小时数。电离室设备稳定非常迅速（AR：2小时；EQ：1–10小时；RE：5–6小时；EB：25小时），而光电二极管设备需要相当长的时间（LU：7–21天；CH2/VP：15–33天；CH：22–58天；WP：17–65天）。

趋势分析显示，参考设备（AG、RSE）和RE设备漂移极小，Theil–Sen斜率值为0，Mann–Kendall检验结果不显著。AR和EQ设备在整个实验期间表现出较小的总漂移，代表最终累积平均氡活度浓度的<3%。光电二极管设备在3个月实验期间的总漂移较高（CH2：<20 Bq/m3；LU：<25 Bq/m3；VP：<40 Bq/m3；WP：<60 Bq/m3），代表最终累积平均氡活度浓度的最高达25%。去除早期稳定期数据可减少LU设备的漂移，但会恶化Airthings品牌设备的漂移。

自相关分析发现，参考和电离室设备无明显的数据结构或周期性行为。Airthings品牌设备在ACF图中显示缓慢衰减，25小时后出现阻尼振荡模式，PACF在滞后1和每24小时出现显著滞后，表明强滞后1自回归模型（AR(1)）具有日周期分量。LU设备在ACF图中表现出阻尼振荡模式，而PACF图显示滞后1后快速衰减，表明强AR(1)模型。游程检验显示，电离室设备的观测/预期游程比接近1（0.88–0.96），表明数据近似随机分布，而Airthings品牌设备（0.11–0.16）和LU设备（0.25–0.30）的比值远低于1，表明相似值聚类明显。Durbin–Watson统计量进一步证实了这一模式：电离室设备接近2（1.64–1.83），表明统计独立性，而Airthings品牌设备（0.02–0.07）和LU设备（0.07–0.18）远低于2，表明强正自相关。

五、讨论与结论

研究结果表明，探测器技术是消费级ERMs时间性能的主要决定因素。电离室设备快速稳定但表现出轻微正偏倚，而光电二极管设备稳定较慢但长期平均值更准确。光电二极管设备表现出内部数据处理特征，抑制了短期变异性。总体而言，所评估的ERMs在与长期测试指南一致的测试周期内提供了可靠的积分测量结果。这些发现支持性能标准、认证计划和公众指导的制定。研究强调需要协调设备比对和性能测试方法，以加强消费级ERMs性能评估的证据基础。