高氡环境下放射性气溶胶在线监测仪的研制

孟 丹，杨 柳，马英豪，畅 翔，马 弢，张富国，杨 屹，商 洁

(中国辐射防护研究院，太原 030006)

在核设施中，进入空气中的放射性物质弥散会形成放射性气溶胶，为避免长寿命核素对职业人员造成内照射危害和潜在安全风险，需要对这些放射性气溶胶进行实时的在线式监测[1-2]。但是，由于某些场所通风不畅等原因，造成氡及其子体气溶胶的活度浓度将很高，可达103～104Bq/m3，这些氡及其子体气溶胶将对非天然放射性核素(U、Pu等)气溶胶的监测造成严重干扰，使监测仪的灵敏度下降，甚至失效。如何解决高氡环境下放射性气溶胶的测量是多年来相关核设施放射性气溶胶监测亟需解决的难题。研制出一种适用于高氡环境中，对低活度浓度的U、Pu等放射性气溶胶灵敏度高、响应快速的监测设备，可为从业人员的辐射安全提供重要保障。

1 整体设计方案

采用总活度浓度采样、能量甄别法、α/β比值法、测量模式和α、β气溶胶同时监测技术的联合应用。

1.1 提高氡子体甄别能力设计

在放射性气溶胶监测中，氡子体气溶胶的干扰是提高监测仪的监测灵敏度的最大障碍，为了有效降低氡子体气溶胶对人工α放射性气溶胶监测的干扰，并提高氡条件下放射性气溶胶的监测灵敏度，主要采用以下技术措施：

① 粒度分离技术

由于氡子体气溶胶和人工气溶胶的空气动力学特性差异，利用粒度分离技术，将绝大部分氡子体气溶胶分离掉，降低干扰。设计切割直径为1 μm的向心式粒度分离装置，如图1所示，实现氡子体和人工α放射性气溶胶的分离采样，将粒径相对较小的大部分氡子体气溶胶分离出去，而将粒径较大的人工α放射性气溶胶加以收集，从而实现氡子体气溶胶和人工α放射性气溶胶的物理分离。

② 真空测量模式

在探测器和气溶胶滤膜样品中间的空气层，将削弱样品所发生的α粒子能量，从而使得整体的能量分辨率变差。因此，合理设置采样、等待、测量时间，在采样完成后将测量室抽成真空状态，进行短时间的高能量分辨率测量，使得氡子体气溶胶的α能谱拖入人工α放射性气溶胶的能谱区大幅减少，进而计算出人工α、β气溶胶的浓度(见图2)。

图2 真空测量室结构示意图Fig.2 Vacuum measurement chamber

1.2 整机设计

对关键技术部件进行加工、组装、结构耦合形成仪器整机，通过软件和电气自动化完成环境中α放射性气溶胶的在线监测和自动化运行。粒度分离装置及真空测量室的整体结构分别如图3和图4所示。

图3 粒度分离装置外观Fig.3 Structure of particle size separation device

图4 真空测量室外观Fig.4 Structure of the vacuum measuring chamber

在设计单次和累积测量运行模式基础上，实现各部件的自动化控制和探测，监测仪自动运行并监测空气中α、β放射性气溶胶的浓度，仪器整机外观如图5所示。

图5 仪器整体外观Fig.5 Overall appearance of the CAM instrument

2 性能测试

2.1 真空气密性

将真空测量室抽成真空，记录其与外界常压的负压值，1小时后再次记录其负压值，连续测量5次；观察到测量值基本无变化后，将真空测量室置于水中，观察有无气泡冒出。

测试结果，真空测量室的负压值基本保持不变(约为-60.5 kPa)，放入水中后，无气泡冒出，真空测量室气密性良好。

2.2 切割特性

根据ISO 7708—1995标准要求，对于空气动力学直径为1 μm的粒子，其收集效率为50%。通过使用标准粒子产生器产生标准粒径的气溶胶粒子，用以检测切割器切割特性。其中，气溶胶粒径由光学显微镜测量，气溶胶收集份额通过使用分光光度计测量滤纸浸泡溶液的吸光度来确定。切割特性曲线如图6所示。由图6可见，对于空气动力学直径为1 μm的粒子，其收集效率为50%。

图6 切割特性曲线Fig.6 Cutting characteristic curve

2.3 探测效率

本监测仪设计采用灵敏直径φ35 mm，有效面积962 mm2的PIPS探测器，将239Pu标准源(有效直径φ25 mm，表面粒子发射率11 280粒子/(2π·min)和90Sr-90Y标准源(有效直径φ25 mm，表面粒子发射率20 792 粒子/(2π·min)，分别置于探测器下方测量其α和β计数率，每次均测量1 min，连续测量10次，求其平均值，由此分别计算出α和β探测效率。

测试结果，α探测效率为34.8%，β探测效率为10.1%。

2.4 能量分辨率

将测量室抽成真空状态，使用标准239Pu放射源，观察其峰位和能量分辨率，结果示于图7和图8。图7和图8结果表明，相比于非真空模式，探测装置在真空模式下的239Pu的峰位左移，能量分辨率由7.48%优化到3.65%。

图7 非真空模式下239Pu的峰位及能量分辨率Fig.7 Peak position and energy resolution of 239Pu in non-vacuum mode

图8 真空模式下239Pu的峰位及能量分辨率Fig.8 Peak position and energy resolution of 239Pu in vacuum mode

对氡子体气溶胶的真空和非真空条件下的能谱测试结果，对比如图9和图10所示。

图9 非真空测量氡子体能谱测试图Fig.9 Radon daughter energy spectrum test chart in non-vacuum mode

图10 真空测量氡子体能谱测试图Fig.10 Radon daughter energy spectrum test chart in non-vacuum mode

通过测试表明，真空测量模式下能谱的能量分辨率得到了提高，氡子体拖入到人工核素能谱区内的计数大量减少，具有良好的氡子体甄别能力。

2.5 静态运行测试

在氡活度浓度为100 Bq/m3的普通环境中，采样20 min，测量10 min，进行仪器运行测试。测试结果得出，联合应用粒度分离技术、真空测量模式、能量甄别法、α/β比值法几项氡扣除技术后，仪器最低可探测下限结果为0.05 Bq/m3。

3 现场运行验证

为了更直观的检验氡扣除技术对人工放射性气溶胶监测的影响，分别在实验室和另三处不同氡活度浓度的核设施中[3]，对于粒度分离装置采取使用和不使用的对比，对于真空测量装置采取真空(单次)和非真空(累积)运行模式的对比，验证仪器在高氡环境下运行的适用性。具体现场试验环境条件列于表1。

表1 现场试验环境条件Tab.1 Environmental conditions of field test

图11和图12分别给出了在实验室内真空和非真空模式下，不加分离器与加分离器时氡活度浓度的对比。图13和图14分别给出了在某矿井下真空和非真空模式下，不加分离器与加分离器时氡活度浓度的对比。

图11 实验室非真空模式下，不加分离器与加分离器得出的Cα、Cβ的浓度值图Fig.11 The concentration values of Cα and Cβ obtained by the non-vacuum mode in the laboratorywithout separator and with separator

图12 实验室真空模式下，不加分离器与加分离器得出的Cα、Cβ的浓度值图Fig.12 The concentration values of Cα and Cβ obtained by the vacuum mode in the laboratorywithout separator and with separator

由图11～14可见，在非真空和真空运行模式下，均是加分离器的探测限更低，统计涨落更小。同时，相比于非真空模式，真空运行模式的探测限更低。

图14 某矿井下真空模式下，不加分离器与加分离器得出的Cα、Cβ的浓度值图Fig.14 The concentration values of Cα and Cβ obtained by the vacuum mode in a minewithout separator and with separator

探测限是放射性气溶胶连续监测仪中一项最为关键的性能指标，这项指标的正确确定，不仅关系到监测仪所监测数据的可信度，同时也涉及到超值报警阈的正确设置，以使所设报警阈值不产生漏报和误报。为了更直观的看出氡扣除技术对人工放射性气溶胶监测的影响，图15和图16给出了不同氡活度浓度下计算出α、β放射性测量的探测限。

图15 非真空行模式下，不加分离器与加分离器得出的Lα、Lβ探测限图Fig.15 The detection limits of Lα and Lβ in the non-vacuum mode without separator and with separator

图16 真空模式下，不加分离器与加分离器得出的Lα、Lβ探测限图Fig.16 The detection limits of Lα and Lβ in the vacuum mode without separator and with separator

通过比较，可以很明显的看到随着氡活度浓度的不断增加，加入粒度分离装置后的探测限更低，说明监测仪所监测数据可信度更高。

4 结论

针对高氡环境下放射性气溶胶的监测问题，通过粒度分离采样和真空测量模式、能量甄别法、α/β比值法的氡扣除技术的联合应用，较好地消除了氡子体对人工放射性气溶胶监测的干扰，形成了适用于不同氡活度浓度环境下(1 ×102～3 × 103Bq/m3),集取样、测量方法及数据处理方法于一体的监测系统，其对239Pu的探测下限达到0.3 Bq/m3。将研制出的仪器在高氡环境下进行了运行验证，性能指标优良，运行效果良好。