放射性氙高灵敏度现场快速自动化监测系统研制

龙 斌,周国庆,田言杰,雷卫国,陈 伟,苏川英,王雪梅,冯淑娟

(西北核技术研究所,陕西 西安 710024)

核科学的发展和核能的利用在工农业生产、能源开发、科学研究等方面发挥着重要的作用,但也带来很多环境和安全问题。为确保核技术的和平、安全、可靠利用,核设施气态流出物监测能够为核设施安全评估、辐射事故预警等提供数据,另外放射性气体核素监测作为禁核试核查现场视察和国际监测系统的重要手段为甄别可疑的违约活动提供依据。

放射性氙同位素(131m,133,133m,135Xe)拥有较高的裂变产额、易泄漏扩散、适宜的半衰期和较低的环境本底,使其成为禁核试核查现场视察和核设施安全监测的重要特征核素[1-2]。现有放射性惰性气体检测系统分为3类。第1类是快速测量系统,主要用于核电站等设施环境监测,仪器的探测限大于104Bq/m3,这类仪器采用直接采样/测量的方式,除部分仪器对气体加压外,基本不采用其他富集手段,且大多采用塑料闪烁体进行总β测量,不能进行核素分辨。典型的仪器包括Canberra 公司的CAM100G、CAM200PIGFF、CAM200PGFF,MGP仪器公司的NGM203L、NGM204L(分析周期为15 s～2 h),中国辐射防护研究院的PING50[3]等。然而,在低泄漏率的情况下,空气会稀释和扩散放射性核素,因此这类仪器不适用于气体泄漏的早期预警或低漏率情形的泄漏检测。第2类仪器是超高灵敏度放射性气体测量系统,采用复杂的多级吸附-纯化-实验室测量的工艺流程,系统的检测灵敏度非常高,对133Xe的最小可探测活度浓度(MDC)约为1 mBq/m3,但采集/分析周期均大于20 h。典型系统主要为禁核试核查的台站系统和现场视察设备,包括美国的ARSA[4-5],法国的 SPALAX[6],瑞典的SAUNA[7]、SAUNA field[8]、SAUNA Ⅲ[9],俄罗斯的ARIX[10-11]和ARIX-3F[12],以及中国的XESPM-Ⅱ/Ⅲ[13-15]等,这类系统的分析周期通常大于20 h,且其吸附柱结构使得这类系统不能用于现场直接测量。第3类系统的探测灵敏度介于前二者之间,监测周期小于1 h,对前两类系统形成有益补充。文献[16]基于77 K超低温吸附原理研制了放射性氙高灵敏度快速检测原型系统,30 min的测量周期内对133Xe的MDC约为4.3 Bq/m3,该系统需要液氮保障,且需要人工更换样品盒,自动化水平有待提高。

本文综合运用-110 ℃超低温动态吸附、中空纤维膜除杂和现场低本底测量等技术,研制一套放射性氙高灵敏度现场快速自动化监测系统,为核设施安全监测、核应急气体监测提供新的解决方案。

1 仪器与方法

1.1 系统设计

综合考虑探测灵敏度、样品处理速度、系统重量、易用性等因素,系统设计的原则是:1) 采用模块化设计;2) 具有稳压功能;3) 能有效去除气体中的颗粒物、氡子体、H2O、CO2;4) 设计高测量效率样品盒;5) 具有流量、压力、温度的即时测量/显示功能;6) 可维护性强,能够实现组件的快速更换。

系统工艺流程图如图1所示。气体通过氡子体过滤器(采用玻璃纤维滤纸对氡子体过滤,过滤效率大于99%[17])高效去除灰尘和氡子体后,采用空压机对气体进行压缩采样;气体进入热交换器除去液态水并平稳压力;气源处理器进一步除去液态水;通过调压阀调节空压机的采样流量,用压缩空气流量计进行流量测量;然后,气体通过优化组合的中空纤维膜组件,大量去除H2O和CO2等杂质组分,实现气体的预浓缩。膜后气体进入除杂柱进行深度除杂,使H2O和CO2等组分保持在极低水平,确保杂质组分不会堵塞吸附柱且不影响氙的吸附。气体进入-110 ℃吸附柱被充分吸附,气路尾气通过专用管路回气。吸附完成后,吸附柱自然回温,排出自然回温气体,对管路抽真空后,加热吸附柱至260 ℃,30 min后通入高纯氮气进行解吸,解吸气体收集入样品盒内并采用HPGe探测器进行测量。同时,持续通入氮气再生吸附柱和除杂柱。测量完成后,对样品盒抽真空并反复用氮气冲洗保证残留足够小。内置的超低温致冷机将无水乙醇冷却至-110 ℃。止回阀用于防止吸附尾气和中空纤维膜渗透气回流。采用-110 ℃吸附温度的原因是,该温度接近氙的沸点,使吸附剂对氙的吸附能力足够强,也不会因为温度太低导致氙液化而堵塞吸附柱,同时使吸附柱足够小,从而提高氙的吸附和解吸效率。

图1 系统工艺流程图

图2为系统硬件实物图和软件界面。考虑到整个系统的可靠性、模块化、独立化以及操作的便利性,将其划分为取样、预处理、致冷和测量共4个单元。取样单元包括空压机与过滤器;预处理单元包括除杂柱、气源处理器、流量计、阀门管路等;致冷单元包括制冷系统、真空泵、注射器,冷却槽和加热室及控制组件;测量单元包括样品盒、铅屏蔽室、HPGe探测器。图2b上图为上位机控制软件,通过网络连接硬件系统,可实现流程编辑、系统状态监测、能谱显示等功能,其中流程编辑具有动作插入、删除、修改功能,流程编辑完成后,可实现一键化操作,全流程可自动循环。图2b下图为系统离线控制软件,位于预处理单元,可实现对除杂柱、吸附柱、注射器、流量和真空泵的单独控制。

图2 系统实物图(a)及软件界面(b)

除杂柱采用304不锈钢材质氩弧焊接,并打磨光滑;内部U型结构如图3所示,尺寸为φ40 mm×300 mm,上端法兰及手柄部分隔热处理,防止烫伤。除杂柱加热室采用陶瓷式加热圈,最高加热温度为400 ℃,采用丝杠移动平台控制除杂柱上下移动。

图3 除杂柱结构示意图

吸附柱(图4)采用铜管加工,尺寸为φ12 mm×200 mm,内径为10 mm;上部为空心法兰结构,内部填充保温材料;法兰与主体之间安装有隔热垫片,满足低温和高温使用,最大限度减少热量损失;接触面安装有O型圈,与接触面软连接与密封。在U型柱中间,安装温度传感器实时监测吸附柱温度,传感器为T型热电偶。吸附柱移动采用电机和丝杠组合的方式,控制上升、下降和平移。吸附柱填充碳分子筛吸附剂(TJ-CMS),文献[1]测试了其孔结构及吸附特性。

图4 吸附柱结构示意图

铅屏蔽室内部空间尺寸为φ150 mm×400 mm。铅厚度为100 mm,内衬为铜、镉板,外层用2 mm钢防护。铅室本底全谱计数率小于2 s-1。样品盒采用铝材质加工,内部尺寸为φ80 mm×23 mm,壁厚为2 mm,样品盒内部为倒圆角,进、出气管采用1/8英寸(in)管道以减少管路死体积,采用碳纤维窗结构减小对射线的吸收。

1.2 效率刻度

探测器采用ORTEC公司的GEM-C80-LB-C-S HPGe探测器,能量分辨率为0.825 keV@122 keV(57Co)、1.9 keV@1 332 keV(60Co),探测器相对效率为83%@1 332 keV(60Co)。本文研制了母体核素为226Ra的模拟气体基质放射源,源尺寸与系统样品盒一致,源基质选择聚苯乙烯颗粒模拟空气;该源由中国计量科学研究院加工并校准(证书编号:DLhd2021-14830)。实验刻度时,探测器端面与源盒之间距离为5 mm。采用MCNP软件计算相同测量条件下空气中226Ra及其子体的探测效率,同时采用模拟气体基质放射源在相同条件下的实验值对计算结果进行验证。在此基础上,模拟计算放射性氙同位素的探测效率。

1.3 回收率测量方法

氙的回收率(η)计算公式如式(1)所示。

(1)

式中:V(Xe)为富集后样品气中的纯Xe体积;R(Xe)为空气中Xe的浓度(0.087 cm3/m3);Va为采样体积。

稳定氙浓度测量采用Agilent 7890气相色谱仪(TCD检测器,炉温为90 ℃,检测器温度为205 ℃)和PORAPAK Q色谱柱(60～80目、长2 m、外径1/8 in,柱流量为10 mL/min,参比流量为26 mL/min)。

1.4 活度浓度和MDC计算

假设取样过程中放射性氙同位素不断被收集在吸附柱内,同时也在不停地发生放射性衰变,即富集和衰变同时发生,则氙同位素活度浓度C1(Bq/m3)计算公式如式(2)所示。

(2)

式中:ε为探测器对源盒内133Xe、135Xe的探测效率,s-1/Bq;pγ为特征γ射线的发射概率;Nγ为感兴趣特征峰的计数;ts为测量时长,s;λ1为核素的衰变常量,s-1;F为取样速率,m3/s;t2为样品处理时长(包括自然回温、解吸、样品收集等过程),s;t1为采样时长,s。

MDC计算公式如下:

(3)

其中,Nb为全能峰本底计数。

1.5 不确定度评定

测量结果的不确定度来源包括全能峰净计数率不确定度、探测效率的不确定度、流量率不确定度以及回收率测量的不确定度,其中回收率测量的不确定度包括采样体积、混合气体收集体积以及稳定氙测量结果的不确定度,探测效率测量的不确定度包括蒙特卡罗计算误差和计算模型尺寸的不确定度。不确定度评定公式如式(4)～(6)所示。

(4)

(5)

(6)

式中:uη为回收率测量结果的相对不确定度;u采样体积为采样体积的相对不确定度;u混合气体收集体积为混合气体收集体积的相对不确定度;uXe为稳定氙测量结果的相对不确定度;uε为探测效率的相对不确定度;umod为蒙特卡罗计算模型尺寸的相对不确定度;ucal为蒙特卡罗计算误差;uC为氙活度浓度测量结果的相对不确定度;uNγ为全能峰计数的统计涨落;uF为流量率测量的相对不确定度。

2 结果与讨论

2.1 探测效率校准

HPGe探测器对模拟气体基质放射源的探测效率与蒙特卡罗模拟计算结果的比较列于表1。由表1可知,探测效率的蒙特卡罗计算值与实验值的相对偏差在±9%以内,表明本文所采用蒙特卡罗计算模型是有效的。

表1 模拟计算及实验验证结果的比较

采用蒙特卡罗模拟计算得到的放射性氙同位素探测效率列于表2。

表2 探测效率计算结果

2.2 回收率测量

采样(吸附)-解吸-测量流程完成后,使用气相色谱仪分析样品盒内的纯氙浓度,结合样品盒内部空间体积和气体压力计算样品盒内纯氙体积,根据式(1)计算系统的回收率,结果列于表3,回收率平均值为79.9%,两次实验结果较为一致。

表3 回收率实验结果

2.3 MDC测量

在222Rn活度浓度为20 Bq/m3的条件下,根据式(3)分析系统的MDC,结果列于表4,不同类型放射性测量系统MDC的比较列于表5。

表4 MDC实验结果

表5 放射性氙相关监测系统MDC比较

由表4、5可知,本文所研制系统对133Xe和135Xe的MDC分别为0.26 Bq/m3和0.17 Bq/m3,优于其他快速测量系统(如KRT、BAI9850-19和NGM204L等),分析周期优于基于吸附原理的同类型系统。

2.4 不确定度评定

根据式(4)、(5)评定本系统监测放射性氙测量结果的不确定度,结果列于表6。由表6可得,测量结果的扩展相对不确定度小于±11.4%(k=2)。

表6 不确定度评定结果

3 结论

放射性氙取样、测量技术研究和设备研制对于禁核试核查现场视察、核安全监测和核应急监测均具有重要意义。本文运用-110 ℃超低温动态吸附技术,并结合中空纤维膜除杂、低本底γ能谱测量等技术,研制了一套放射性氙高灵敏度现场快速自动化监测系统,对133Xe和135Xe的MDC分别为0.26 Bq/m3和0.17 Bq/m3,分析周期优于变温浓缩测量系统,测量结果的合成扩展不确定度小于±11.4%(k=2)。该系统实现了对放射性氙高灵敏度、快速测量的目标,可应用于核安全监测领域。