高浓度氚测量中的记忆效应恢复技术研究

胡迭雨 张学森

摘 要：固定式氚监测仪在氚测量后具有记忆效应。为了降低记忆效应对后续测量的影响，采用氢气同位素交换法研究对氚电离室记忆效应的恢复效果。研究结果显示：与传统的空气浸泡冲洗方法相比，氢气同位素交换法不仅可以大大缩短处理时间，而且当电离室氚污染程度较高时该方法的处理效果更加显著。

关键词：电离室氚污染；记忆效应；氢气；同位素交换

与其它氚监测技术相比，电离室测氚具有无需制样、测量时间短、测量动态范围大的特点，在氚的在线监测中得到了广泛的应用[1-2]，如秦山核电站[3]，ITER[4]研究等。氚辐射监测中测氚电离室易受氚污染（记忆效应），会导致本底升高，影响后续的测量。由Masabumi Nishikawa等人[5]研究发现，记忆效应是由于气流中氚水到氚的转移过程很快，到达电极表面的氚不完全是干燥气体。氚从气流中转移到电离室壁的表面主要通过同位素交换反应。用Hag表示气体中氢同位素的总原子浓度[6]，Tag为每单位表面积中氚原子个数。研究表明Hag /Tag的比率决定氚原子吸附的数量。电离室中存在水蒸汽时，Hag /Tag的比率越大，快速反应的记忆效应越小。由于记忆效应的存在，电离室被氚污染，检测限会升高。

为了解决电离室高浓度氚测量后的记忆效应，常规方法为空气冲洗法。该方法耗时长，冲洗效果一般，是氚辐射监测中较难解决的问题之一。本文提出采用氢同位素的交换反应方法可快速有效地降低固定式氚监测仪的氚污染。

1 原理

1.1 电离室

固定式氚監测仪主要由动电容静电计和流气差分电离室所组成，能自动补偿环境γ本底，用于监测工作场所空气中所含低能β放射性气体氚的浓度。

电离室是由两个电极构成的一个充气室体，由于辐射对气体的电离作用在气体内产生电子和离子，通过两电极在充气室内施加电场并测量电极所收集的电荷就可实现对β、γ等辐射的探测。其结构如下图所示：

1.2 记忆效应

电离室在通入浓度较高的氚气时，会在内部残留一部分氚。任何进气部分对氚的保留，例如管道、电极、内壁、过滤器或泵，都将延长系统对氚的“记忆”。这部分氚一般是通过两种途径留在电离室内。（1）直接溶解在材料中，因为氢同位素的分子和原子在几乎所有的材料中都有某种程度的溶解度[7]。（2）与水分子的同位素交换并吸附在材料表面。氚与与水分子进行同位素交换变成HTO、 DTO或T2O后较容易吸附到电极和内壁上[8] ，见（1）、（2）和（3）式。

T2 +H2O→HTO+HT（1）

DT +H2O→HTO+HD（2）

HT+H2O→HTO+H2（3）

电离室内气体的电离信号是由气相中的氚和吸附在电离室内表面上的氚综合作用的结果[9]。如果前次测量滞留在电离室内的氚较多，就会造成信号增加，使本次测量的结果偏高。在进行测量前需要将前次测量残留的氚消除到不影响本次测量。

1.3 同位素交换法

同位素交换是个动态平衡的过程。当交换前后的浓度发生变化，其平衡会被打破。如果（3）式中H2的浓度增加，动态平衡就会向相反方向改变。H会将一部分HTO中的T置换出来，置换比例取决于H2的浓度。因此，只要增加H2的浓度，就可以降低HTO的量，从而减少滞留在电离室内的氚。

同理，溶解在电离室内壁和电极材料中的T也可以被高浓度的H置换出来。

2 实验

2.1 常规降低氚污染方法

固定式氚监测仪长期工作后，氚会吸附在电离室的电极及器壁上，造成电离室的氚污染，使得测量本底值难以降低，仪器无法正常使用。一般用空气浸泡冲洗电离室来降低氚污染。将空气引入电离室后，由于氚的浓度差异，吸附在电离室电极及器壁上的氚会自然扩散空气中，使得氚污染程度降低，测量的本底值下降。但因为自然扩散速度较慢，因此用该方法来降低本底耗时长，且氚会不断向气相扩散，使得处理效果不佳，氚污染程度仍然处于较高水平。

当固定式氚监测仪本底值达到1.1×1010Bq/m3，使用空气浸泡冲洗电离室，降低测量本底值，5天后，测量值达到7.4×104 Bq/m3，。但当本底值达到1.1×1011Bq/m3后，利用该方法处理，降低氚污染，电离室测量本底值只能达到3.7×105 Bq/m3的水平。

2.2 同位素交换降低氚污染

为了较快速降低电离室的氚污染程度，将高氚浓度测量后的电离室氚污染降低至能够重新监测使用的水平，实验中采用90%以上工业纯氢对电离室进行同位素交换。将一定量的氢气引入电离室后，因为氢同位素间的交换反应，气相中的氢会和吸附在电离室电极及器壁上的氚进行交换，使得电离室氚污染程度降低。与氚自然扩散至空气中相比，氢和氚的交换反应速率很快。因此，使用该方法来降低电离室氚污染程度耗时较短。利用该方法处理后，电离室完全能够达到监测的要求。该方法的流程见图。

3 结果与分析

当固定式氚监测仪本底值达到1.1×1010 Bq/m3，使用氢气浸泡冲洗电离室以降低氚污染。2天后，测量本底值降低至19×105 Bq/m3。处理效果较之利用空气浸泡冲洗有大幅度改善。当本底值达到1.1×1011 Bq/m3时，利用该方法2天后电离室测量本底值也可降低到到3.7×105 Bq/m3的水平。

图3是利用空气浸泡冲洗和氢同位素交换法降低电离室氚污染后，电离室的测量本底值随处理时间的变化趋势图。从图中可以看出：与传统的空气同位素交换法相比，利用氢同位素交换法能快速降低电离室的氚污染，处理时间缩短为原来的1/4。

4 结论

氚电离室在测量高浓度氚时存在的记忆效应一直是氚测量遇到的难点之一。采用纯氢进行同位素交换法替代空气冲洗污染较重的测氚电离室，抹除记忆效应比较显著，且去污时间明显缩短。特别是在氚污染程度较高时，处理效果相比传统方法更好。

参考文献：

[1]T. Tanabe， V. Philipps. Tritium detection in plasma facing component by imaging plate technique[J]. Fusion Engineering and Design， 2001， 54： 147-149.

[2]T. Tanabe， K. Miyasaka， K. Masaki， et al. Imaging plate technique for determination of tritum distribution 1035 on graphite tiles of JT-60U[J]. Journal of Nuclear materials， 2002， 307： 1441-1445.

[3]孙雷， 王孔钊. 重水堆核电站空气中氚的监测与泄漏查找[R].中国核科学技术进展报告， 2009， 1：173-177.

[4]M. J. Loughlin， G. Lawrence. Tritium monitoring in the ITER neutral beam test facility[J]. Fusion Engineering and Design， 2007， 82： 646-651.

[5]M. Nishikawa， T. Takeishi， Y. Matsumoto， et al. Ionization chamber system to eliminate the memory effect of tritium[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A， 1989， 278： 525-531.

[6]C. A. Colmenares. Bakeable ionization chamber for low-level tritium counting[J]. Nuclear Insirumenis And Methods， 1974， 114（2）： 269-275.

[7]胡曉丹，丁戈龙， 刘文彬.氚的测量技术[M].北京：原子能出版社，2010： P44-45.

[8]杨怀元.氚的安全与防护[M].北京：原子能出版社，1997： 32-33.

[9]杨怀元.氚的安全与防护[M].北京：原子能出版社，1997： 56.