核电站事故后监测电离室设计方法

孙光智，王益元，李亚坚，代传波，梁 云，左亮周

(1.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064;2.中广核工程有限公司，广东 深圳 518045;3.北京赛思科系统工程有限责任公司，北京 100079)

0 引言

随着人们核安全意识的增强，对核电站等核设施可能的事故状态下周边辐射剂量率的监测越来越重视。从世界上几次大的核电站事故来看，在核反应堆发生堆芯熔化等严重的事故后，反应堆周围的剂量率远远高于正常水平，同时整个安全壳内处于高温、高湿、高压环境，常规监测通道均已失去监测作用。而通过监测安全壳内空气中的γ辐射剂量率，从而判定事故的大小和发展趋势，并作为有关部门处理事故、控制安全壳内辐射水平和防止放射性物质大量向环境释放的依据是必要的。因此要求有一种在高温、高湿、高放射性环境中能正常、长期工作的监测通道［1］。

电离室探测器是核辐射现场剂量监测中应用相当广泛、可靠性非常高的一种探测装置。在核电站的辐射监测中使用的电离室通常采用不锈钢等耐腐蚀、强度高的金属材料作保护外壳，做成密封的球体或圆柱体形状，充入一定压力的气体作为工作介质，通过测量射线在气体中电离产生的电流大小来监测探头周围空间剂量率的大小。由于其结构简单、机械性能好、使用寿命长、测量上限高、耐辐照、能量响应范围广等特点［2］，是目前核电站事故后监测通道的最佳选择。

1 事故后电离室结构

由于事故后电离室主要用于测量反应堆发生事故时安全壳内强辐射场的测量，因此电离室不需要太大的灵敏体积和高的工作气压。但为了使其能长时间在强辐射场下稳定工作，与其匹配的前置放大电路不能置于安全壳内，只能安装在安全壳外辐射剂量较低的区域，电离室输出的原始信号需要经过较长路径传输后才能被放大测量。为了避免探头输出的信号在传输过程中受外界干扰，探头输出的信号强度不能太小。因此，本工作设定电离室的灵敏体积为0.1 L，采用圆柱形结构，电离室外壳及耐压体(高压极)均采用不锈钢材料，收集电极则采用质量较轻的纯铝，这几种材料的热中子截面均较小，并且暴露在外面的外壳在高温高湿环境下化学性质和抗冲击性能优良。

当γ辐射场很强时，γ射线与电离室内壁及内部灵敏气体相互作用，产生次级电子，这些电子在工作介质(气体)中引起进一步电离，产生大量电子和离子，带电粒子在电极间运动时，在外部回路中形成流信号［3］。由于次级电子的区域是随机的，因此电离产生的电荷在灵敏区内的分布也是随机的，它们在向两极运动过程中有可能和异种电荷发生碰撞而复合形成中性原子，从而使探头产生的电流减小，这种几率随着灵敏区内电荷密度的增加而增大，而工作气压越大、辐射剂量率越高，则电离电荷的密度也越大。同时，随着电极间距离的增大，带电粒子在两极间运动路径增大，相互间碰撞几率增大，电荷复合的几率也将明显增大。另外，负电性的气体(如氧原子)容易吸附电子，也会使电荷复合几率增大。综合考虑上述因素，以及事故后电离室的量程范围，本工作设定2个电极间距离为3 mm，工作气体选择高纯度氮气或氩气，工作气压控制在几个大气压。

2 电离室灵敏度模拟计算方法

在核辐射监测中，一般都将测量结果换算为等效空气吸收剂量率。因此，分析电离室的灵敏度必须将电离室的输出信号与等效空气吸收剂量率联系起来。由吸收剂量率的定义可知，如果在空气中某区域仅存在一束能量为E的单能平行γ射线时，该区域任意一点的等效空气吸收剂量率D'与γ射线注量率Φ'的关系为:

由式(2)可知，只要知道空气吸收剂量率的大小和γ射线的能量，即可算出γ射线的注量率。

式中:w为灵敏气体的电离能;e为电子电量。如果这部分电荷全部被电极收集，则电离室输出的电流为:I=，综合式(2)和式(3)，有:

因此，模拟计算时，设定γ射线源为发射面与电离室射线接收面一致、能量单一的平行束，记录γ光子在探测器灵敏区的平均沉积能量，即可计算出电离室在该辐射场下产生的电流，通过改变γ射线的能量，可得到电离室对不同能量的γ辐射场的响应值。图1给出了模拟计算采用的模型结构示意图。

图1 事故后电离室模拟建模示意图Fig.1 Illustration of accident condition ionization chamber simulated model

3 事故后电离室模拟计算

为了知道事故后电离室各种可能的结构在不同能量的γ辐射场下的灵敏度，我们采用了蒙特卡罗模拟软件MCNP程序模拟了改变电离室结构、灵敏气体时灵敏度能量响应曲线。MCNP程序是美国Los Alamos实验室研制的一个大型多功能蒙特卡罗程序包，可用于计算中子、中子光子、光子电子及其组合的输运问题，以及临界(包括次临界和超临界)系统的本征值计算问题。通过改变各个输入卡的参数来实现对物理模型和输出结果的控制，是目前国内外普遍使用的程序包［5］。

在γ辐射监测电离室设计时，除了要知道电离室在设定剂量率的辐射场中输出电流的大小外，还需要特别关注电离室在相同剂量率、不同能量的γ辐射场下灵敏度的线性偏差［5］。图2和图3分别给出了灵敏区外径约40 mm、灵敏体积约0.1 L、工作介质分别为1 atm的氮气和氩气的不锈钢电离室对各种能量的γ辐射场的响应曲线。

图2 外径40 mm、灵敏体积0.1 L、内充1个标准大气压的氩气、高压极、外壳分别为1 mm和1.5 mm厚不锈钢的电离室灵敏度随射线能量变化曲线Fig.2 Curves of sensitivity via gamma ray energy for chambers with 40 mm outside diameter，0.1 L sensitive volume，1 atm pressure argon，1 mm and 1.5 mm thick for high voltage electrode and shell respectively

由图2和图3可以看出，该结构的电离室无论是采用与空气平均原子量接近的氮气还是采用原子序数较高的氩气做工作介质，灵敏度能量线性均很差，尤其在200 keV左右与常用的标准源137Cs 662 keVγ射线的灵敏度偏差较大(约为+200%)。如果单纯采用这种结构的电离室监测辐射剂量，当辐射场中200 keV附近的射线份额很大时，势必带来数倍的偏差。为了使电离室对各个能量的γ射线响应一致性较好，常用的做法有采用低Z原子序数的材料做外壳、贴锡补偿等办法［6］。考虑到有机材料的耐辐照及高温性能差、铝在高温下容易与水反应生成氢气、贴锡补偿需要增加电离室的体积，因此碳质材料或铝质材料做电离室外壳均不可取。本文尝试了采用在耐压体内壁添加原子序数较低的壁材料的做法，尽量减小耐压体内壁与γ射线相互作用时释放到灵敏气体的自由电子对电离室输出电流的影响。图4为在电离室耐压体(高压极)内壁衬1 mm厚的铝层，工作气体分别为1 atm的氩气和氮气时，电离室的相对灵敏度能量响应曲线。

图3 外径40 mm、灵敏体积0.1 L、内充1个标准大气压的氮气、高压极、外壳分别为1 mm、1.5 mm厚的不锈钢电离室灵敏度随射线能量变化曲线Fig.3 Curves of sensitivity via gamma ray energy for chambers with 4 mm outside diameter，0.1 L sensitive volume，1 atm press azote，1 mm and 1.5 mm thick for high voltage electrode and shell respectively

图4 在高压极内衬1 mm厚纯铝的电离室，灵敏气体分别为1 atm的氮气和氩气时相对灵敏度响应曲线。其中，137Cs 662keVγ射线的灵敏度认为是1Fig.4 Curves of sensitivity via gamma ray energy for chambers with 1 atm azote and argon respectively.A 1 mm thick aluminum underlay in high voltage electrode.In the figure，sensitive of the chamber for 137Cs 662keVγ ray was considered as 1

从图4可以看出，在电离室高压极内壁添加铝衬底以后，能量线性均得到了明显的改善。分析为射线在与不锈钢壁作用后产生的次级电子受到铝衬底的阻挡，对电离室电离电流无额外贡献。而铝原子序数较低，与γ射线相互作用产生的次级电子接近等效空气产生的次级电子，因此对电离室的能量线性破坏较小。

为了进一步研究该电离室的能量线性和气体种类、压强(密度)的关系，我们模拟了在氮气中加入一定份额的氩气后，不同压强下电离室的能量响应性能。图5给出了灵敏气体为氮气、氩气原子数比为9:1的混合气体，压强分别为0.5 atm，1 atm，2 atm和10 atm时电离室的相对灵敏度能量响应曲线。由该图可以看出，采用氮气和氩气的混合气体作为工作介质并没有改变该电离室的能量响应特性。同时，改变气体的压强，电离室的能量线性无明显变化。表1为各种压强下该电离室对137Cs 662 keVγ射线的灵敏度。由表中计算数据可知，电离室的灵敏度与气体压强几乎成正比关系，即当气体压强增大1倍时，电离室灵敏度也增大1倍。

图5 高压极内衬1 mm厚纯铝的电离室，分别充0.5 atm，1 atm，2 atm和10 atm氮、氩原子数为9:1的混合气后相对灵敏度能量响应曲线。其中，探测器对137Cs 662 keVγ射线的灵敏度认为是1Fig.5 Curves of sensitivity via gamma ray energy for chambers with 0.5 atm，1atm，2 atm and 10 atm 9:1 azote-argon mixture gas respectively.A 1 mm thick aluminum underlay in high voltage electrode.In this figure，sensitive of the chamber for137Cs 662 keVγ ray was considered as 1

表1 几种压强的电离室对137Cs 662 keVγ射线的灵敏度Tab.1 Sensitivity of chamber for137Cs 662 keVγ ray with gas of various pressure

由上述模拟计算可以看出，在电离室高压极内侧添加铝衬底后，电离室的能量线性得到了明显的改善，同时受气体种类、压强变化影响不大。而事故后电离室高压极可通过焊接的办法密封成一个整体，铝衬底被密封在高压极内，不会暴露在大气环境中，因此不会因为反应堆周围存在高温、高湿蒸汽后与水反应生成氢气，所以该方法在事故后电离室的设计中是可行的。而考虑到电离室输出信号测量的稳定性，以及高剂量率时电荷复合的影响，工作气压选择在1～2个大气压，1 mGy/h的辐射场下输出电流在皮安量级比较合适。

4 结语

通过对事故后电离室几种可能的结构模拟，得到了能量线性较好的电离室结构，并得到了探测器灵敏度的理论计算值，为事故后电离室的具体设计提供了理论依据。

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［5］孙吉兵，张玉敏.蒙特卡罗模拟计算电离室的能量响应特性［J］.舰船防化，2008，(1):28 －32.SUN Ji-bing， ZHANG Yu-min. Energy response of ionization chamber calculated by monte carlo method［J］.Chemical Defence on Ships，2008，(1):28 －32.

［6］王红艳.核设施环境辐射连续监测的高气压电离室研制中若干问题的研究［D］.北京:中国原子能科学研究院，2005.WANG Hong-yan.Studies of several problems in pressurized ionization developmentfornuclearfacility continuous monitoring system of environment［D］.Institute of Atomic Energy Science and Technology，2005.