一种固定式惰性气体监测装置的研制

2020-10-16胡昌立盖文佳王巨智万新峰代传波王东芹孙光智

核技术 2020年10期

关键词：腔室惰性气体活度

胡昌立盖文佳任才王巨智江灏万新峰代传波王东芹孙光智

1（武汉第二船舶设计研究所武汉 430064）

2（中广核工程有限公司深圳 518124）

目前随着科学技术的不断发展，以及国家对辐射监测的不断重视，国内辐射监测行业整体水平有了较大提高，但由于我国辐射监测行业研制起步较晚，相对于国外辐射监测行业来说，仍存在一定差距，主要表现在以下几方面：

1）产品覆盖面：国外产品覆盖面高，从常规工况到事故工况、从非安全级到安全级，能实现整个辐射监测与防护系统的供货，国内产品还有一部分缺项，尤其是技术难度大的监测设备。

2）技术指标：在一些常规技术指标上，国内产品与国外产品差别不大或略差，但在一些极限指标上，差距较大。

3）数字化、网络化：国内产品在这方面进展比较快，已与国际接轨，但是在配套软件上还存在一些不足。

4）模块化、标准化：辐射监测系统各个部件单元的模块化、标准化是技术发展的趋势，可以降低产品的制造成本，提高产品的性价比和维护性，因此，这对供货商提出了更高的要求，需要不断努力弥补差距。

我国正建造或在役的核电站中，法国MGP公司的产品占主导地位。它也是最早进入中国核电市场的公司之一，我国核电站辐射监测与防护系统运行人员已经熟练掌握并习惯了其操作流程和运行管理方式。因此在固定式惰性气体监测装置国产化过程中，在借鉴他们的经验和优点的基础上结合国内核辐射监测设备的实际运行情况，研制满足国内核电需求的一种固定式惰性气体监测装置。

1 工作原理

固定式惰性气体监测装置能够连续测量、显示流经气体中的放射性惰性气体体活度浓度，通过差分测量消除环境γ 辐射的影响，当体活度浓度超过报警阈值时，提供可视及可听见的报警指示［1］。该监测仪能够实时测量、显示流量，根据流量的变化控制抽气泵的启停。该监测仪将体活度浓度和报警等信息通过RS485 总线形式实时传输给上游监控主机。

2 系统设计

2.1 总体设计

固定式惰性气体监测装置主要由流气式差分电离室探测装置、就地处理显示单元、电气控制箱、电气接线箱等部件，取样回路及附件中包括管路、压力计、流量计、抽气泵、截止阀、调节阀、过滤器、真空释放阀等部件，监测装置管路原理图如图1所示。

为了方便现场人员对设备进行维护，设备研制过程中特意在就地处理显示单元面板和电气接线箱面板上分别预留了RS232 和RS485 接口，如图2、3所示，供参数设置和修改等操作。

2.2 取样管路设计

待测气体通过监测装置入口进入流气式电离室，经由流量计、真空保护阀和抽气泵。取样管路上安装了流量计，测量管路中被测气体流量，确保取样流量在最佳状态下，保证监测数据的准确性。

取样和排气管道具有防止静电效应和化学腐蚀的特性，在满足有代表性取样的条件下，取样管线应尽可能短，以减少管壁沉积损失。取样系统的进气口和出气口之间应保持一定的距离，以防止发生回流，弯曲半径大于5倍管直径，在可能发生凝聚的地方，应控制管道的温度。使用自锁快速接头，提供放射气体取样接口。

2.3 探测装置设计

监测装置探测部分采用的是流气式差分电离室，其结构是由两个完全一样的约10 L的电离室腔室组成。待测气体仅流经第一个工作电压为+600 V的电离室测量腔室，第二个电离室补偿腔室装填有在大气压力下的空气且它的工作电压是+600 V［2］。测量腔室中放射性惰性气体产生的α、β、γ 射线（包括取样空气中的γ射线与周围环境中的γ射线）电离气体产生电子电荷，中心阳极通过收集由气体电离产生的电子电荷形成电流［3］。测量腔室还对外部γ背景场产生响应，补偿腔室不针对待测气体，主要是对外部γ背景辐射作出响应。探测器内壁抛光面要求先进行机械抛光后再进行电化学抛光，保证其表面粗糙度为0.8 μm，探测器内壁的洁净度变差会产生漏电流和增加本底，前放盒和测量腔室的密封性变差会影响测量准确性。补偿腔室测量周围环境中的γ 射线，以补偿周围γ 辐射场对测量腔室的影响。两个腔室产生电流均由前置放大板处理，经I-V-F转换，产生两路cps，由就地处理显示单元软件差分测量，实现了γ 本底的动态补偿。核电站对探测器测量范围要求非常高，需要对探测器前放电路上采取换挡方式才能保证测量数据的可靠和准确。

图1 监测装置管路原理图Fig.1 Flow-process diagram of monitoring device

图2 就地处理显示单元面板示意图Fig.2 Schematic of local processing and display unit panel

图3 电气接线箱面板板示意图Fig.3 Schematic of electrical junction box panel

3 关键技术及解决途径

3.1 探测模拟计算

在加工产品之前，可以使用模拟计算软件对探测器的灵敏度进行预测，以确保设计产品满足要求。MCNP 模拟计算模型截图如图4 所示。图4 中的圆点表示粒子碰撞点，展示模拟模型中的粒子运输情况。由图4，粒子碰撞数量由大到小的顺序为：85Kr、133Xe、3H，由此可以初步判断出这几种惰性气体发出β射线粒子在探测器中的能量沉积情况。

图4 发射1 000个β射线粒子的碰撞能量沉积示意图 (a) 133Xe，(b) 3H，(c) 85KrFig.4 Diagram of collision energy deposition of 1 000 β ray particles (a) 133Xe,(b) 3H,(c) 85Kr

灵敏度的一种定义方式为：I/Av，其中Av表示探测器的体活度浓度，I表示电流。

式中：A表示放射源的活度值；Eav表示每个γ射线在两个灵敏区间沉积的平均能量差值的绝对值；e表示元电荷；ω表示电离室工作气体中产生一对离子需要的电离能［4］。

式中：V表示探测器体积。

因此，

将e=1.602×10−19C、ω=30 eV、V=11.58 L，模拟算得的Eav代入式（3）得到探测器的灵敏度，计算结果见表1。

3.2 前置放大电路的设计

流气式差分电离室探测装置输出电流信号范围大，从很低的量级到很高的量级，因此对前置放大器要求高，放大倍数大，噪声低［5］，信号变换周期小，截止频率高。设计的前置放大器分为两级：前一级为电流-电压放大电路，采用低偏置电流的仪表放大器作为主放大器，通过电流在放大器输入-输出端反馈电阻上建立的电压差，将探测器输出的电流信号转换成电压信号［6］；后一级为电压-频率放大电路，转换为频率与电压成比例的方波信号输出。

3.3 探测器输出电流值

根据设计要求，探测器的能量测量范围为：50 keV～3 MeV。当待测气体活度浓度为3.7×103Bq·m−3时，探测器输出的电流最小值为7.56×10−15A；当待测气体活度浓度为3.7×109Bq·m−3时，在考察数据点中，探测器输出的电流最大值为1.52×10−8A；即探测器输出的电流范围为：7.56×10−15～1.52×10−8A，考虑设计裕量，将范围扩大10%，即探测器的电流输出范围为6.8×10−15～1.68×10−8A。

3.4 电路的参数设置

I-V-F电路的灵敏度为：

其中电路常数：

式（4）、（5）中Fout表示当前信号电流对应的频率，Rs=12.1 kΩ，Rt=5 kΩ，Rin=100 kΩ，Ct=1 000 pF，Rf=5×1011Ω，εr=20%，tD=15 s，Nb表示本底总计数。

若要求测量结果的相对误差不超过预定值εr=20%；测量响应时间tD=15 s，若不考虑探测器自身的漏电流，即因放射源产生的本底电流：I=Ib=2×10−14A，则探测器能测得的最小信号电流：

由式（6）得：

为了满足测量需要，电路的参数设置应满足式（7）要求。

3.5 前放电路的匹配性

当前电路的参数设置为：Rs=12.1 kΩ，Rt=5 kΩ，Rin=100 kΩ，Ct=1 000 pF，Rf=5×1011Ω，

即满足式（7）的要求，因此当前电路参数设置满足测量需求。

表1 灵敏度计算Table 1 Sensitivity calibration

4 主要性能测试

4.1 校准测试

为了达到校准的目的，在探头初次检定校准完毕后，即在该现场校准源下测量一参考值，以后在同样的几何条件下再次测量探头的读数，对比前后测量结果之间的差别［7］。如A为校准源衰变后活度，A0为校准源初始活度，T为探测装置校准检验日期，T0为校准源出厂日期。

加源测量平均值Ct，剂量率活度比ε按式（10）进行计算：

式中：Cd为效率偏差；ε为剂量率活度比；ε0为标准剂量活度比1.19×10−1（Bq/m3）·Bq−1，测试数据如表2所示，满足偏差小于±20%要求。现场预防性维修时仅使用一种核素（85Kr）即可对探测器装置进行β 探测效率的刻度[8]。现场校准的不确定度比标准场下的不确定度大，测试时要仔细放置放射源，长时间测量后取平均值，以得到较准确的测量结果［9］。