产氚回路中氚的在线监测研究

官 锐 翁葵平 任兴碧 谢 波 侯建平 刘云怒

(中国工程物理研究院核物理与化学研究所 绵阳 621900)

氚的β射线最大能量为18 keV，平均能量为5.7 keV，其β粒子在空气中的射程仅为5 mm，普通的β探测器难于监测[1]。目前测量氚主要采用电离室、正比计数管、质谱仪、液闪等方法，其中用长度补偿法的内充气式正比计数管，是国际公认准确度最高的气体放射性活度绝对测量装置[2,3]。

正比计数管体积小，探测效率高，对某些形式的氚如 HT可有较高的灵敏度[4]，本实验室在内充气正比计数管原理基础上，设计建立一套流气式正比计数系统，进行产氚回路中氚的在线监测研究。

1 实验装置

流气式正比计数系统主要由流气式正比计数管、计数电路、真空配气系统及温度、压力、流量测量设备组成。整套系统的结构示意图如图1。

图1 流气式正比计数系统结构示意图P-1, CH4；P-2, 流气式正比计数管；P-3, 尾气；T-1, CH4流量计；T-2, 样品流量计；T-3, 热偶真空计；T-4, 压力传感器；T-5, 测温热电偶；V-1, CH4减压器；V-2, 样品减压器；V-3, 放大器；V-4, 单道；V-5, 定标器；E-1, 真空泵Fig.1 Scheme of flow proportional counter system.P-1, CH4; P-2, flow proportional counter; P-3, waste gas; T-1,flow controller for CH4; T-2, flow controller for gas sample;T-3, vacuum appliance; T-4, pressure appliance; T-5,temperature appliance; V-1, compressed gas regulator for CH4;V-2, compressed gas regulator for gas sample; V-3, amplifier;V-4, single-channel analyzer; V-5, counter/timer; E-1, pump

在减压器和流量计的控制下，待测气体和CH4以不同流速按一定比例充分混和，进入正比计数管计数；计数电路由标准NIM插件组成，包括前置放大器、主放大器、甄别器、定标器和高压，作用是对计数管提供高压后，将采集到的数据处理并输出；计数管的尾气收集在尾气罐中。系统预留了离线样品的进样口，用温度、压力和真空度测量设备，方便地对离线样品进行比活度的绝对测量。

在内充气式正比计数管基础上[5]，设计加工流气式正比计数管(图2)。采用电场对称性高的圆柱形结构，计数管的外壳材料、阴极(Φ32 mm×0.75 mm×335 mm)、顶盖和底盖都用不锈钢，有效保证计数管内壁表面的光滑；阳极用Φ0.05 mm的镀金钨丝，确保表面无毛刺；用Al2O3作阴、阳极的绝缘体，经测试，信号极对外壳(阴极)的绝缘电阻大于1×1012Ω；用Φ6.35 mm的不锈钢管作计数管的进气口和尾气出口。整支计数管密封性能良好，经氦质谱检漏，漏率好于 1×10–10Pa·m3·s–1。

图2 流气式正比计数管结构图1 尾气，2 Al2O3，3 底盖，4 阴极(不锈钢)，5 阳极(镀金钨丝)，6 Al2O3，7 顶盖，8 进气Fig.2 Sketch of flow proportional counter.1. Waste gas, 2. Al2O3, 3. Bottom, 4. Negative electrode (SS),5. Positive electrde (tungsten filament), 6. Al2O3, 7. Top,8.Injector

2 实验

2.1 系统性能

用正比计数管进行气体比活度测量时，计数管的工作坪曲线、本底和探测效率是必要的性能参数。根据用外源法测定的计数管坪曲线(图3)，计数管的坪长约400 V(3200–3600 V)，坪斜约0.73%/100 V，工作电压为 3400 V。将不含放射性气体的纯 CH4充入计数管测量，3400 V工作电压下，测得计数管的静态本底 Nb为 7.04，动态本底 Nd为 8.51 Hz。

图3 计数管坪曲线Fig.3 Plateau curve of counter.

流气式正比计数管的探测效率通过过渡实验测定。已知某含氚放射性气体样品比活度A0和某计数管的探测效率Kc，则被测量气体样品比活度浓度的测量值Ac为：

用流气式正比计数管测量同样气体样品时，气体比活度浓度测量值为：

式中，Ks为流气式正比计数管的探测效率；As为气体样品比活度浓度的测量值。由式(1)和式(2)得：

用标准计数管测定同样放射性气体，当取样体积4.910 mL、压力97.2 kPa、温度299 K时，比活度浓度为56.2 Bq/mL；用流气式计数管测定放射性气体，当取样体积4.910 mL、压力97.7 kPa、温度299 K时，比活度浓度为56.6 Bq/mL。

把计数管的探测效率 Kc=86%和测量结果代入式(3)，得到流气式正比计数管在静态时的相对探测效率为 86.6%。用同样方法测量计数管的动态探测效率，得到的结果与静态时相同。由此可知，计数管的探测效率不随测量状态的改变而变化。

2.2 在线监测的测量参数

用流气式正比计数系统在线监测时，样品的比活度浓度a(Bq/mL)由式(4)和式(5)计算得出[6]。

式中，N为氚样品计数值；t为计数时间(s)；V为样品的标准体积(mL)；Nd为计数管动态本底(s–1)；FT为氚样品流速(mL/min)；FCH4为甲烷流速(mL/min)；P1为实验压力(kPa)；V1为计数管灵敏体积(mL)；T1为实验温度(K)；P0为标态压力(kPa)；T0为标态温度(K)。

式(4)、(5)中计数时间、甲烷和氚的流速是可控测量参数，需要在测量前确定。计数时间越短，在线监测的时间间隔越小，测量点越多，就越清楚的反映产氚回路中氚浓度的变化，因此结合计数管自身的测量特点，把计数时间定为60 s。甲烷和氚的流速通过实验确定，选择配制的氚样品作条件实验的测量对象，表1是在不同氚样品流速和甲烷流速下，计数管测到的比活度浓度。

表1 氚样品在不同流量条件下的比活度浓度Table 1 Activity concentraion of tritium gas sample

表1结果表明，甲烷流速为氚流速的20倍以上，测量结果不受影响；在线监测时取样量应尽可能小，减小样品损失和因取样给色谱分离流程带来的波动；为保证计数管保持满意的坪特性，氢与甲烷在计数管中的体积比值要低于 2%。综合后，选定在线监测实验中氚样品和甲烷的流速分别为5和1000 mL/min。

2.3 在线监测实验

用预先配制的含有不同氚比活度浓度的样品代替产氚回路中的气体，用计数管进行连续的流气式测量，模拟真实的在线监测过程。

2.3.1 样品配制和标定

将氢、氚气体按不同比例混和配成1#–5#模拟样品，用内充气式正比计数管分别标定。1#–5#样品的比活度浓度标定分别为30.2、56.2、108.8、83.4和17.3 Bq/mL。

2.3.2 实验方法

(1) 将配制的 5个氚样品气体及甲烷气体接入正比计数系统，每个氚样品都可由截止阀控制开、闭，如图4；(2) 打开1#样品的截止阀，关闭其他样品截止阀，用流量计控制样品和甲烷的流速分别为5和1000 mL/min；(3) 待流速稳定后，计数系统开始测量；(4) 待自动定标器的计数值稳定后，关闭1#样品的截止阀，打开2#样品的截止阀，重复(2)、(3)步实验。依此类推，测量全部样品。

图4 在线监测实验装置示意图Fig.4 Online experiment apparatus schematic diagram.

图5 在线监测实验数据曲线Fig.5 Data curve of online experiment.

2.3.3 实验结果

图5是连续测量的样品比活度浓度随时间的变化曲线。其中的两条曲线分别代表在线监测时的测量值和估计值，测量值经2 min左右才与估计值一致，这是因为每次改变氚样品时，计数管中气体不可能瞬间被置换，要经过一定时间流洗，样品才能达到平衡，测到的计数值才能稳定。两条曲线虽然存在差异，但总体变化趋势一致，测量值曲线能准确反映出估计值的变化点。

由于产氚回路中氚浓度的变化相对缓慢，变化时间大于测量系统的响应时间，因此可忽略系统响应时间对监测的影响。在线模拟实验证明研制的正比计数系统完全满足实验需要，可用作产氚回路的在线监测设备。

2.4 记忆效应

氚对计数管的内壁有吸附效应[7,8]，特别在连续的流气式测量时，由于不能对计数管进行抽空、流洗等操作，氚的吸附量可能会随时间累计而增大，影响计数管的本底，导致测量结果不准确。为此，进行以下实验来检验：

(1) 对计数管进行多次流洗、抽空后，在甲烷1000 mL/min流速下，测量计数管的本底，结果为8.3 Hz。

(2) 选择比活度浓度108.8 Bq的3#氚样品，设置流速为5 mL/min，与甲烷一起流过计数管，持续5 h。

(3) 关闭氚样品流量计，开始测量，经过3 min左右时间，计数管的计数恢复到本底水平。

由此看出，虽然氚有吸附效应，但在流气测量状态下，作为计数气体的甲烷起到流洗气的作用，使氚的吸附行为大大减小，能在接受的时间范围内恢复到正常本底。在线监测过程中氚的吸附效应可忽略。

3 结论

成功设计建立一套流气式正比计数系统。流气式正比计数管满足放射性测量的各实验条件，计数电路稳定、可靠。系统设计兼顾离线测量和在线监测两种方式，简单操作就能快速地在不同测量方式间转换。通过在线监测模拟实验，确定了在线监测过程中氚和甲烷的流量等关键测量参数，研究了实验数据的处理方法，建立了用流气式正比计数管对产氚回路中的氚进行在线分析方法。

1 杨怀远. 氚的安全与防护. 原子能出版社, 1996.136–173 YANG Huaiyuan. Safeness and protection of tritium.Atomic Energy Press, 1996. 136–173

2 潘雨霖, 邓汉儒, 译. 氚的安全操作—数据与经验综述.原子能出版社, 1996. 30–40 PAN Yulin, DENG Hanru. Safe handing of tritium: review of data and experience. Atomic Energy Press, 1996.30–40

3 刘 凌, 胡守印. 核科学与工程, 2008, 28(3): 244–248 LIU Ling, HU Shouyin. Chin J Nucl Sci Eng, 2008, 28(3):244–248

4 李 奇. 原子能科学技术, 2006, 40(4): 443–446 LI Qi. At Energy Sci Technol, 2006, 40(4): 443–446

5 翁守清. 核电子学与探测技术, 1998, 18(1): 33–36 WENG Shouqing. Nucl Electron Detect Technol, 1998,18(1): 33–36

6 Wood M J, Mcelroy R G C, Surettle R A, et al. Health Phys, 1993, 6: 610–627

7 周友朴, 王 斌. 原子能科学技术, 1994, 28(3): 194–198 ZHOU Youpu, WANG Bin. At Energy Sci Technol, 1994,28(3): 194–198

8 古当长. 放射性核素活度测量的方法和技术. 科学出版社, 1994. 324–332 GU Dangchang. Method and technology of radioactivity measurement. Science Press, 1994. 324–332