EAST托卡马克装置的核辐射监测系统

李 凯 钟国强 胡立群 刘光柱 周瑞杰 普 能

（中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031）

EAST托卡马克装置的核辐射监测系统

李 凯 钟国强 胡立群 刘光柱 周瑞杰 普 能

（中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031）

EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak)现阶段D-D运行产生2.45 MeV聚变中子及次级核反应γ射线，为了解EAST运行期间辐射场的分布及强度，确保运行期间人员及环境的核辐射安全。针对EAST运行期间装置大厅内部存在较强的中子、伽马瞬变辐射场的特征，结合环境低本底辐射监测的需要，采用宽动态范围、快时间响应的场所辐射监测探测器，与高灵敏度、稳定性好的环境辐射监测探测器相结合的方式，围绕EAST装置布置13个辐射监测点，每点分别安装一台中子、伽马监测器。采用自行编写的LabVIEW辐射监测软件进行数据采集，组建了一套EAST托卡马克装置的中子、伽马辐射剂量监测系统。该系统在2015年春季EAST实验中连续稳定运行了三个月，可靠性较高，获取了大量实验数据。监测系统满足EAST核辐射监测的要求，同时为后续开展聚变堆辐射安全与防护研究提供实验平台。

EAST，托卡马克，辐射监测，中子，γ射线

EAST是我国首个自主设计和建造的全超导托卡马克装置[1]，为我国在探索实现聚变能源的物理、工程问题提供良好的平台。聚变反应使轻核在一定条件下作用生成新的更重的原子核，过程中释放大量能量，聚变是解决未来能源问题的有效途径。

核聚变过程产生大量的聚变中子，国内外在聚变辐射安全与防护上已经开展了大量工作[2−4]。国内使用MCNP开展了HT-7U的活化研究，并设计了一套中子、γ监测系统。国外开展了KSTAR装置材料的中子活化研究。围绕JT-60托卡马克装置的主要辐射来源进行了分析，对装置运行期间及运行结束后的γ剂量当量率进行了长达6年的监测。

EAST托卡马克装置在实验放电期间会产生大量的中子及中子诱导产生的γ射线，尽管EAST屏蔽大厅(33 m×28 m×23.1 m)四周屏蔽墙体厚度1.5m，顶部屏蔽墙厚1 m，屏蔽墙体为钢筋混凝土结构，但部分中子及γ射线仍可能进入环境中，对周围环境及工作人员造成危害。

EAST装置于2013年开始升级改造，EAST原有核辐射探测器存在老旧严重、部分探测器饱和等问题。本文基于EAST目前的运行工况，同时考虑未来可能达到的运行参数，为保障工作人员及周围环境的辐射剂量安全，设计了一套EAST核辐射监测系统。监测系统围绕EAST周边布置了13个监测点，系统分为大厅内场所监测及大厅外环境监测两部分，大厅内采用宽动态范围探测器，解决探测器饱和的情况，大厅外采用高灵敏度、稳定性好的探测器，能够很好的响应低水平的剂量率波动。同时，使用LabVIEW编写了EAST核辐射监测系统的采集软件。EAST核辐射系统对实验运行期间、放电间隙期、实验结束后EAST周围的中子、γ辐射水平进行长时间的监测。

1 辐射监测系统

目前EAST聚变装置主要进行D-D等离子体实验，主要核反应过程如下：

从式(1)、(2)可以看出，聚变中子的来源为D-D等离子体反应产生的能量2.45 MeV的中子。EAST辐射场[5]与加速器类似，EAST放电为脉冲式，持续时间一般在十几秒，设计最大脉冲为1 000 s，仅在等离子体放电期间产生中子以及γ射线，EAST放电结束后中子消失，只有活化产生的γ射线。

1.1 监测器

EAST核辐射监测系统包括大厅内的场所辐射监测及大厅外的环境辐射监测[6]，大厅内等离子体运行期间剂量当量率较高，且放电持续时间较短，放电结束后剂量率很快衰减到较低水平，因此对于大厅内的辐射剂量监测，要求监测器具有动态范围宽、响应较快、能够在受到高剂量率照射下很快恢复等特点，满足短时间内高剂量率监测的要求。大厅外由于屏蔽大厅的良好屏蔽效果，EAST放电并不会对环境造成很大影响，大厅外剂量率稳定在较低水平，因此要求大厅外的监测器具有灵敏度高、长期稳定性较好等特点。

1.1.1 γ监测器

首先，大厅内γ监测器采用动态范围宽、响应快的场所辐射监测器。探头部分采用圆柱形电离室，内充2 MPa的氩气。同时，针对脉冲辐射场的特点，减少电离室在瞬时高剂量率下的正负离子复合效应，在电离室的设计中采取缩短两收集电极板间距和提高工作电压的方式。电离室输出的电流信号，采用I-F电流频率变换的方法，将微弱的电流信号转换为脉冲信号，I-F电路中采用电荷泵电路代替开关电路，提高电路的灵敏度及抗干扰能力，并能在一定程度上克服零点漂移的问题，I-F变换原理图如图1。

图1 I-F变换电路示意图Fig.1 Schematic diagram of I-F transform circuit.

大厅外采用球形高压氩气电离室，内充2.5MPa的氩气，收集电极为ø50 mm的小球，电离室输出信号经I-F变换后供采集系统使用。此球形电离室具有灵敏度高、能量响应好、稳定性好等特点，测量范围0.01−6000 μGy·h−1，能量响应范围0.050−10MeV。

1.1.2 中子监测器

EAST装置D-D等离子体运行产生大量的聚变中子，中子剂量占大厅内总剂量的份额较大，且高参数等离子体放电的瞬时中子通量较高，在这种持续时间短、剂量率高的场所，普通中子监测器存在漏计数严重、响应不及时的情况，无法正确给出大厅内的中子剂量水平。

为适应EAST大厅内中子场特点，本文大厅内使用的中子监测器采用ø25 mm×135 mm的小型BF3正比计数管，通过降低BF3涂层厚度、降低管内充气气压、调整镉片开孔面积的方式，降低监测器灵敏度，提高探测上限。计数管外包1 mm厚的开孔隔片用于改善计数管的能量响应，最外层为厚度6.5 cm的圆柱状高压聚乙烯慢化体。经标定探测器灵敏度约为93.05 nSv·Plus−1，能量响应范围为2.53×10−2−1.6×107eV。监测器示意图如图2所示。

图2 中子监测器外观及结构Fig.2 Appearance and structure of neutron monitor.

中子计数管的工作电压为1 800 V，中子管输出的脉冲幅度为十几毫伏。电路结构如图3所示，后续经过前放、主放、甄别、脉冲成形，最后经输出电路输出+12 V、10 μs的脉冲，进入单片机采集。

图3 中子监测器电路Fig.3 Schematic diagram of neutron detector circuit.

慢化型中子探测器在脉冲辐射场中具有展宽窄中子脉冲的作用，1 μs的窄脉冲可被展宽到300μs[7]。EAST大厅内实测数据表明，持续时间为5 s的等离子体放电，实测采集到的中子持续时间可达9 s，大大降低瞬时剂量率，对于提高计数管内离子的收集效率、减少漏计数有很大作用。

环境中子剂量率约为nGy·h−1级别，为准确测量如此低水平中子本底，要求环境中子监测器具有很高的灵敏度，目前市场上剂量当量率仪灵敏度普遍偏低[8]，可靠测量下限为0.1 μGy·h−1。因此，在探测器的设计上为提高灵敏度满足EAST大厅外环境中子监测的需要，使用大型中子计数管(ø50mm× 350 mm)，探测器结构采用非雷姆结构，慢化体为圆柱状，提高了灵敏度，能够测定本底水平。注量率灵敏度为12 Plus·µSv−1·h。

1.2 监测布点

EAST辐射监测系统[9]由13个独立监测点、1台辐射采集PC组成，每个监测点分别布置一台中子、γ监测器，监测点分布如图4所示，监测器N代表中子监测器，G代表γ监测器，数字为监测点编号。

其中，大厅内布置3个点（1、2、3号监测点），分别位于EAST大厅内三面屏蔽墙上，用于监测运行期间大厅内的剂量率变化情况，了解不同运行参数、模式的剂量率变化情况，方便开展EAST运行相关核辐射剂量研究，同时对EAST运行间隙期及运行后的大厅内剂量率情况进行长时间的监测，确保工作人员在大厅内的辐射安全。另外10个监测点位于EAST实验大厅外，4、9、10号点分别放置于实验大楼入口处、大厅东入口、大厅西屏蔽门，均为人员进出密集处，且屏蔽门与墙体之间的缝隙易导致大厅内辐射进入环境中，因此在上述三处分别设置监测点。11及12号点分别为实验控制大厅、所办公大楼，人员长期停留，需要在这两点分别设置监测点确保人员的安全。13号点靠近大厅负二层北侧，由于布置管道及线路的需要，该点部分墙体采用沙袋填充，EAST运行期间大厅内中子、γ射线可能从此处进入地沟，因此有必要在该点布置监测探测器。其余5、6、7、8分别布置在大厅外墙上，实时监测周边环境的辐射变化情况。

图4 EAST实验大厅示意图及监测器布点分布Fig.4 Layout of EAST experimental hall and the distribution of monitors.

1.3 数据采集

由于13个监测点分布较分散，个别监测点离采集PC较远，给辐射采集组网带来困难，实际组网中采用双绞线+以太网的混合组网模式，对布线困难的11、12、13号监测点采用所内现有的以太网进行数据传输，其余监测点均采用双绞线连接探测器与采集PC。借鉴以往实验数据采集的经验，本次实验数据的采集摒弃原有的晶体管-晶体管逻辑集成电(Transistor-Transistor Logic, TTL)脉冲传输方式，避免TTL转换模块引入的计数率瓶颈，统一采用探测器RS-485串口输出方式。探测器在获取辐射信息后，原始信号经过处理进入单片机，单片机输出RS-485协议数据，经双绞线或以太网传输到远端的计算机采集。因普通PC不具备RS-485串口的通讯协议，采集机插入MOXA型号为CP-118EL的外设组件互连标准(Peripheral Component Interconnect, PCI)多串口卡，通DB9连接头连接，实现PC与探测器的实时通讯，获取探测器的实时测量信息。

为方便13个监测点的数据实时查看及存储，实时了解EAST大厅内及周边环境的辐射情况，使用LabVIEW软件编写了EAST核辐射监测系统的采集软件，软件通过串口主动查询数据的方式，同时采集13个监测点26个探测器的数据，在监测软件界面上实时给出剂量率的数据及变化图形。采集软件在编写时大量使用子VI，将功能相同的模块进行集成，减少内存占用量，提高软件长时间稳定运行的能力。

2 监测数据

2.1 实验前本底辐射监测

EAST核辐射监测系统，于2015年EAST春季实验前一个月，开始长时间的辐射本底监测。监测期间系统未出现故障，无剂量率异常情况。选取其中大厅外7号点及10号点一周的监测数据，如图5(a)、图6(a)所示。在图6(a)中，中子本底剂量率值较稳定，平均值分别为N7：2.305 nGy·h−1、N10：2.218nGy·h−1，所用监测器的灵敏度能够满足低本底环境监测的需要；图5(a)中，γ本底随时间波动较大，且每天的波动趋势随时间的变化基本一致，主要是受太阳辐射粒子的影响，到接近下午14:00左右本底剂量率达到最高水平，随后开始下降，到第二天又开始逐渐上升，每天都重复上述过程。数据表明，环境伽马监测器能够监测到微小的辐射变化，灵敏度较高。

2.2 实验期间辐射监测

为实时了解EAST运行期间及运行结束后大厅内及周边环境的辐射情况，核辐射监测系统24 h不间断运行。截取了7、10号监测点在放电期间一周内的剂量率变化情况，如图5(b)、图6(b)所示。

对比图5(a)、(b)可发现，实验期间γ剂量率随时间的变化规律与实验前类似。同时，实验期间G10剂量率变化曲线能明显看到“尖峰”的存在，这是由于10号监测点靠近屏蔽门，运行期间有伽马射线通过屏蔽门与墙体之间的缝隙进入环境，但总γ剂量率仍较低，并不会对环境造成大的辐射剂量。G7探测器安装于一块完整的屏蔽墙上，屏蔽效果较好，只在极少数高参数实验条件下，G7剂量率稍高于实验前天然本底。

对比图6(a)、(b)，N7中子剂量率与实验前本底水平相近，放电期间无明显的瞬时剂量率升高。由于中子有一定几率从墙体与屏蔽门的缝隙中逃逸出，N10剂量率曲线同样可以观察到“尖峰”的存在，最高瞬时剂量率不超过0.03 μGy·h−1。但由于EAST运行属于“脉冲式”，每炮持续时间较短，放电结束后大厅外中子、γ水平很快回到本底水平。为直观地了解EAST运行对周边环境的影响，表1分别对7、10号监测点在5.29−6.4（实验前）及7.1−7.7（实验期间）的平均剂量率以及此区间内的累积剂量进行统计，从表1中可以看出，γ累积剂量受不同时间段本底剂量率水平差别的影响，实验期间G7、G10累积剂量均稍低于实验前，实验期间中子累积剂量高于实验前期，N7、N10累积剂量偏差分别为0.15%、5.34%，总体来说实验期间剂量率基本处于本底水平，EAST屏蔽大厅对运行期间产生的中子、γ射线屏蔽效果较好。

图5 EAST核辐射监测系统7、10号点实验前(a)以及实验期间(b)的γ剂量率Fig.5 Gamma dose rate curves of points 7 and 10 of EAST radiation monitoring system before (a) and during (b) the experiment.

图6 EAST核辐射监测系统7、10号点实验前(a)以及实验期间(b)的中子剂量率Fig.6 Neutron dose rate curves of points 7 and 10 of EAST radiation monitoring system before (a) and during (b) the experiment.

表1 实验前与实验期间剂量率、累积剂量对比Table 1 Comparison of dose rate and accumulated dose before and during the experiment.

3 结语

针对EAST运行期间辐射场的特点，在EAST大厅内外布置了13个监测点组成的辐射监测系统。为满足EAST运行期间高参数、持续时间短的“脉冲式”辐射监测，大厅内采用动态范围宽、响应快的场所监测器，实时监测大厅内运行期间剂量率变化以及运行间隙期剂量率的衰减情况。大厅外辐射为本底水平，故采用灵敏度高、长期稳定性较好的环境监测器，确保周边环境及人员的辐射安全。采集组网采用双绞线直连+以太网的组网方式，借助多串口设备卡将探测器数据与PC连接，并自行编写EAST核辐射采集软件，可实时采集、查看、存储各监测器数据。

系统于2015年春季EAST实验前开始运行，并开始长时间本底监测。实验期间运行良好，各监测器以及监测软件未出现故障，2015春季运行累积时长三个月。实验监测数据表明，系统各监测器能满足大厅内外辐射监测的需要，系统运行可靠性高、稳定性好，同时EAST屏蔽大厅对大厅内产生的中子、γ射线具有很好的屏蔽效果。

EAST核辐射监测系统目前只进行了中子、γ射线的监测，后续有待开展放射性气体（氚气）、放射性液体流出物的监测，逐步完善EAST的核辐射监测体系。

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3 Huang Q Y, Chai Z X, Chen Y X, et al. Design and analysis of the radiation shield and safety system for HT-7U tokamak[J]. Fusion Engineering and Design, 2003, 69(1−4): 749−756. DOI: 10.1016/S0920-3796(03) 00134-0

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control system for nuclear fusion device[J]. Nuclear Electronics and Detection Technology, 2005, 25(1): 28−31. DOI: 10.3969/j.issn.0258-0934.2005.01. 007

7 李建平. 粒子加速器辐射探测方法与应用[C]. 北京:原子能出版社, 2007 LI Jianping. Radiation detection method and application

8 李桃生. 中子辐射防护监测仪表的发展现状[J]. 辐射防护通讯, 2003, 23(2): 15−20. DOI: 10.3969/j.issn.1004-6356.2003.02.004

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9 Li J P, Tang Y L, Shao B B, et al. Intelligent environmental neutron and gamma monitoring system[J]. High Energy Physics and Unclear Physics, 1988, 12(1): 12−18 of particle accelerator[C]. Beijing: Atomic Energy Press, 2007

Radiation monitoring system for EAST tokamak

LI Kai ZHONG Guoqiang HU Liqun LIU Guangzhu ZHOU Ruijie PU Neng

(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

Background: During the experiment of Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), reaction of D-D may generate neutrons with energy of 2.45 MeV, and bremsstrahlung gamma rays and neutron activated gamma rays as well. Purpose: The aim is to study the radiation of neutrons and gamma rays in the EAST hall during the running of EAST tokamak and obtain the radiation doses under different modes and parameters by implementing a radiation monitoring system to diagnose some plasma parameters and ensure the radiation safety of the personnel and the environment around EAST. Methods: In consideration of the highly and transient radiation doses of neutrons and gamma rays contrast to the lowly environmental background during the plasma discharge in the EAST hall, the combination of high ranging and fast responding detectors are adopted in the EAST hall whilst high sensitivity and stability detectors are deployed in the environment. Thirteen monitoring points were selected around the EAST, each point contains a neutron detector and a gamma ray detector. Combination of Ethernet and twisted pair are adopted for the data transmission, and the radiation monitoring software based on LabVIEW was developed. Results: A radiation monitoring system of EAST tokamak was successfully built to monitor and save the real-time radiation dose rates of each detector, and to produce an alarm signal when abnormal dose rate happens. The radiation monitoring system had run stably for more than three months during the EAST experiment in the spring of 2015, and obtained many useful experimental data on fusion radiation safety and protection. Conclusion: The radiation monitoring system can well monitor the radiation around the EAST tokamak, and provide a platform for the future study of radiation safety and protection of the fusion reactor.

EAST, Tokamak, Radiation monitoring, Neutron, Gamma ray

TL75+1

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110602

国家自然科学基金(No.11261140328)、国家磁约束聚变科学计划(No.2015GB103000)资助

李凯，男，1990年出生，2014年于东华理工大学获硕士学位

钟国强，E-mail: gqzhong@ipp.ac.cn

2015-09-15，

2015-10-20

CLC TL75+1