新型环境空气中放射性惰性气体浓度测量技术的研究

唐振波，方灿琦，曹明月，李 海，何帅兴

（1.常州环宇信科环境检测有限公司，江苏 常州 213022；2.杭州湘亭科技有限公司，浙江 杭州 311100）

国际上放射性核素监测系统主要用于大气层核试验的监测，其放射性惰性气体监测台站网在监测水下核试验，规避性大气层核试验（如大雨情况下进行）和泄漏量较大（10%以上）的地下核试验中发挥着重要作用，但封闭性较好的地下核试验不能监测。如何开发适用的监测技术是具有很强的实用价值的。放射性惰性气体氙是核试验和反应堆核事故泄漏释放的主要气态流出物之一，放射性氙测量技术具有极高的灵敏度，可用于检测可疑核爆炸事件。通过分析133Xe在大气中吸附富集后的活度变化可监测全球核爆炸事件。由于放射性氙同位素在大气中含量极低，必须先进行高效富集，然后分离纯化，才能得到符合放射性测量要求的氙样品。本研究拟通过以低辐射计数法、加速器质谱法和原子阱痕量检测技术为基础的检测技术，开发长寿命放射性惰性气体Xe同位素快速、高效检测的技术[1]。

1 氙取样测量系统的原理

取样子系统主要利用吸附富集和脱附纯化技术，将大气中极痕量的放射性氙进行富集纯化，然后通过测量放射性氙产生的γ和β射线来给出活度结果，最后结合气相色谱给出的氙量结果计算最终的活度浓度结果。

2 氙取样系统的设计

为了同步实现氙取样和测量功能，为氙取样系统 设计一套监控系统，要求实时采集温度、压力、真空度、流量、气体浓度等过程量，具备实时显示、存储、曲线显示、历史数据查询等功能，根据流程工艺需求控制气动阀、压缩机、冷水机、干式真空泵等设备的启停。具备实时检测设备运行状态，出现意外情况进行报警功能。

氙取样测量系统包括采取组件、空气预处理组件、膜分离组件、制冷单元、多级吸附浓缩组件、TCD测量、收集再生组件。氙取样流程见图1。

图1 惰性气体Xe取样流程图

采样组件由空气压缩机、压力测量和缓冲罐组成。空压机作为系统的动力源，从大气环境中取气，为后端提供原料气。为稳定系统压力，经压缩的气体先经过缓冲罐缓冲压力，随后进入下一操作阶段。

空气预处理组件作用为去除空气中的水分、油分、颗粒杂质等，主要包含三级过滤器和冷干机。其中三级过滤器主要用来过滤样品气中的油分、颗粒物。冷干机用来对样品组件进行干燥除水，选用冷干机大气露点约-25 ℃，无需更换。三级过滤器杂质过滤精度高达99.99%以上，经三级超精密过滤器后原料气中油分含量低至0.005 mg/m3[2]。

膜分离组件主要作用为除去原料气中的氧气、二氧化碳、氢气、微量水，关键设备为半透膜。原料气经过半透膜后，利用渗透速率的不同，渗透率大的气体被排放出去，比如绝大部分的氧气、二氧化碳、氢气和水汽，其余气体如氮、氩、氪、氙、氡，则由尾气端进入装填有4A分子筛的干燥柱体，除去残余的微量水分，然后进入下一浓集阶段。

经过膜分后的样品气在进入多级吸附柱之前需进行降温，基于活性炭对氙在低温下的吸附效果更好，则采用低温冷冻机将样品气温度降低至-80 ℃至-100 ℃，再进入一级吸附柱进行吸附。

多级吸附组件是对样品气进行深度浓集和进一步去除氧、氮、氪、氡等杂质气体。吸附组件的核心为活性炭吸附柱，柱内装填活性炭吸附材料，对样品气进行吸附。主要吸附气体为氪、氙、氡，其余不被吸附的气体通过尾气支路排空。

TCD组件用于对经过浓缩提纯的样品气体进行色谱分析。在正式测量样品中氙气浓度之前，需要配置若干已知浓度的Xe标准气体样品，以便对色谱工作站进行标样刻度。Xe标气由专业供方进行配气，一组标准样品应该包括与样品气中Xe组分浓度等量级的标准气体。标准气注入标准柱，经过色谱检测后所获出峰图谱被色谱工作站记录，此图谱作为正式样品气体测量时的出峰时序参比。采购成熟的气相色谱分析仪器，用外部氦气源载带样品气体进入色谱仪器，通过与标气标定的出峰结果进行在线监测对比，分析出样品中氙气的浓度，并对结果进行保存[3]。

当氙经过色谱工作站检测后，预先判定好在氙出峰的时间段内，用外部氦气源把解析后的氙直接推送入取样瓶中，从而完成氙的收集。其余不需要的气体经由排空阀门排出。各吸附柱在使用前要进行完全再生活化处理，用以排除柱腔内残余杂质气体，此步骤需要配套相应的真空再生组件。真空再生组件由干泵以及相应的再生阀门组成。考虑到吸附柱活化及再生所需，需配置一台真空泵以满足吸附柱活化再生的需求。当系统中的吸附柱需要彻底再生时，要对吸附柱进行加热处理，加热温度为350 ℃，同时打开相应的再生阀门V24、V11、V27，对各吸附柱进行抽空处理，使整个吸附柱实现彻底解析再生。以上步骤完成后，准备进行下个样品的操作。

采用系统工艺包含三部分：待机状态、预处理状态和吸附状态。其中待机状态默认所有设备带电闭合；预处理状态为设备活化再生，准备吸附工作的预先处理，若 是长期闲置也需要进行预处理，若连续运行仅在开机时进行一次预处理即可，也可定期预处理；吸附状态下，系统所有设备均保持运行，并通过控制系统对设备运行状态进行实时监控[4]。（1）待机状态：所有设备及阀门均为闭合状态，默认设备带电。（2）预处理状态:所有吸附柱在使用前均需进行再活化处理。具体为将吸附柱加热到350 ℃，开启抽空泵，再打开抽空阀V24、V11、V27，对吸附柱C1、C2、C3进行活化再生。活化再生处理时长为30 min。30 min后，先关闭抽空阀V24、V11、V27，再关闭抽空泵[5]。活化再生处理完成后，需使用高纯氮气对吸附柱吹扫并填充，可使吸附柱降温恢复至待吸附工作状态。高纯氮气吹扫时长约为30 min，以C1-1的温度恢复至常温为吹扫结束的信号。（3）吸附状态:气体进入C1-1进行吸附，吸附时长共为3 h。将V6打开，气体流经C1-1 Kr、Xe等气体被吸附，其他杂质气体（主要N2、O2）则通过V6排出。C1-2进行吸附，C1-1解析，C1-2从3 h 0min～6 h吸附时长共为3 h。C1-1加热200 ℃，F1设为200 mL/min。气体经QV1——C1-2——QV2——F3——C1-1，未被C1-2吸附的大量气体经V7排除，少量尾气200 mL/min用于C1-1解析。

3 氙测量系统

测量主要利用色谱法对样品中氙总量进行测量和利用β——γ谱仪对样品中放射性氙进行测量，从而实现大气中放射性氙的定量监测[6]。

氙测量系统的框架结构主要分为3个单元模块：①放射性氙测量仪器；②总氙量测量仪器；③测量工作站。

①放射性氙测量仪器由塑料闪烁体探测器、γ谱仪、铅屏蔽室和电子学系统组成。通过β-γ符合测量，获得氙样中131mXe、133Xe、133mXe和135Xe四种同位素的活度和活度的最低探测限（MDA）的结果（单位Bq）。

②总氙量测量仪器由配置有固态热导检测器（SSD）的微型气相色谱仪来实现。采用定体积阀进气体样品，用微型填充色谱柱将Xe与其他气体分离，固态热导检测器检测Xe含量，然后经过信号放大电路、数据采集和模－数转换，最后通过RS232上传给数据处理工作站。计算机对采集的数据进行处理，定量分析组分的含量，从而得到Xe含量及其取样效率的结果[7]。

③测量工作站主要包括氙测量子系统的控制软件、放射性氙测量仪器的双参数测量软件和氙含量分析仪的测量软件等，控制氙样品在放射性氙测量和稳定氙测量仪器间的自动传输、清洗以及样品归档，采集、存储并处理两种测量仪器的谱图数据，最终得到放射性氙同位素活度浓度和活度浓度的最低探测限（MDC）的结果（单位Bq/m3）。

4 氙取样测量系统测试

本实验通过空气压缩机对空气进行加压，通过干燥器除去水分，再经过冷却器降温后进入一级吸附柱，设定空气流量为100 L/min，空气中的Xe吸附在柱内活性炭上，加热使Xe脱附并逐级转移到后一级吸附柱上吸附，从而达到浓缩纯化Xe的目的。各级吸附柱均使用气相色谱仪或者微型色谱仪测定吸附柱内Xe、CO2、Rn的流出浓度随时间的变化曲线，即测氡仪测定吸附柱内的Xe、CO2和Rn随温度的变化曲线[8]。实验监测结果见表1。

表1 实验结果

试验结果表明，研发的氙取样测量系统基本具备了Xe的取样和测量一体化功能，且具备基础的操作控制功能。