王益元，魏永康，陳祥磊，藺常勇，柳 彬，左亮周

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064;2.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518045;3.北京賽思科系統(tǒng)工程有限責(zé)任公司，北京 100079)

0 引言

核電站以反應(yīng)堆核能為動(dòng)力來源，在事故情況下出現(xiàn)一回路承壓邊界完整性被破壞出現(xiàn)泄漏時(shí)，人工放射性氣溶膠將迅速釋放到環(huán)境大氣中造成氣載放射性污染。監(jiān)測核電站內(nèi)部大氣環(huán)境中的放射性氣溶膠濃度，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)核電站反應(yīng)堆運(yùn)行事故，對于保證核電站工作人員安全，保障核電站正常運(yùn)行具有重要意義。

由于天然放射性氣溶膠的存在，因此放射性氣溶膠測量中天然放射性氣溶膠氡釷及其衰變子體［1］的準(zhǔn)確測量和剔除技術(shù)是非常關(guān)鍵的，也是技術(shù)難點(diǎn)。另外，天然本底中的γ射線及放射性氣溶膠發(fā)射的γ射線在一定程度上也影響了放射性氣溶膠測量的準(zhǔn)確度，也需要測量和剔除。國際上很多放射性氣溶膠探測器由于其設(shè)計(jì)原理或者算法的缺陷導(dǎo)致對天然放射性氣溶膠氡釷及其衰變子體和γ射線不能準(zhǔn)確測量和剔除，在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)測量結(jié)果不準(zhǔn)確或者天然放射性干擾造成的誤報(bào)警事件，嚴(yán)重影響設(shè)備的正常使用，大大削弱了其準(zhǔn)確測量能力。

新型PIPS探測器(離子注入型鈍化硅半導(dǎo)體探測器)是離子攙雜形成的PN結(jié)型半導(dǎo)體探測器［2－3］，其靈敏區(qū)很薄，對 γ 射線不靈敏，輸出脈沖信號快，能量分辨率高，非常適合于測量α和β放射性的場合?；谛滦蚉IPS半導(dǎo)體探測器具有高效的能譜測量能力，能實(shí)時(shí)測量放射性氣溶膠樣品的能譜，利用專門的剝譜算法對能譜進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)剝離出天然放射性氡、釷及其子體本底的成分，去除天然放射性干擾。從而得到準(zhǔn)確度高的人工放射性氣溶膠濃度。因此，新型PIPS半導(dǎo)體探測器從其性能特點(diǎn)出發(fā)非常適合于放射性氣溶膠的測量，下面將進(jìn)一步深入探討新型PIPS探測器在放射性氣溶膠測量上的使用方式及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 系統(tǒng)原理及組成

基于PIPS半導(dǎo)體探測器的放射性氣溶膠測量系統(tǒng)由取樣單元、過濾裝置(含自動(dòng)走紙裝置)、測量單元、前端電子學(xué)系統(tǒng)和后端電子學(xué)系統(tǒng)組成。其中后端電子學(xué)系統(tǒng)包括就地處理顯示單元、電氣單元和接線盒等部分。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 放射性氣溶膠監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)原理框圖Fig.1 The principle plan of radioactive aerosol monitoring system

從入口進(jìn)入取樣系統(tǒng)的被測氣體，由氣溶膠探測裝置實(shí)現(xiàn)氣溶膠測量后從出口排出，在取樣管路上安裝有壓差計(jì)，實(shí)時(shí)測量進(jìn)氣口和出氣口的壓力差，當(dāng)壓力差異常時(shí)給出報(bào)警信號。另外，在取樣管路上安裝有流量計(jì)，在取樣測量過程中實(shí)時(shí)測量取樣氣體流量，當(dāng)取樣流量超出正常允許范圍時(shí)給出報(bào)警信號，操作人員通過手動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)取樣氣體流量至正常范圍。抽氣泵安裝在整個(gè)取樣系統(tǒng)的下游，在抽氣泵入口處設(shè)置和抽氣泵壓力指標(biāo)相匹配的就地壓力表，并設(shè)置泄壓保護(hù)裝置，當(dāng)取樣系統(tǒng)上游濾紙阻塞或者閥門異常關(guān)閉等導(dǎo)致抽氣泵入口壓力異常時(shí)，泄壓保護(hù)裝置自動(dòng)打開，避免抽氣泵損壞。放射性氣溶膠測量系統(tǒng)運(yùn)行邏輯圖如圖2所示。

圖2 放射性氣溶膠測量系統(tǒng)運(yùn)行邏輯圖Fig.2 The logical plan of radioactive aerosol monitoring system

2 探測裝置結(jié)構(gòu)

放射性氣溶膠探測裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 氣溶膠探測裝置組成示意圖Fig.3 The structure of radioactive aerosol monitoring equipment

探測裝置外殼將過濾裝置、探測器和前置放大器封閉在和取樣管路連通的內(nèi)部空間中，取樣氣體進(jìn)入探測裝置后繞過正對氣溶膠過濾裝置的探測器，然后通過過濾裝置，待測空氣中的放射性氣溶膠沉積在過濾裝置上(正常流速下0.1 μm以上的氣溶膠粒子在濾紙上存留90%以上)，探測器測量沉積的放射性氣溶膠發(fā)射的α，β射線，產(chǎn)生的脈沖信號由緊挨探測器的前置放大器放大后輸出到后端電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行處理。

探測器的測量原理如圖4所示。

圖4 PIPS氣溶膠探測器測量原理圖Fig.4 The measuring principle of PIPS radioactive aerosol monitor

探測器由2個(gè)平行放置的PIPS探測器組成，前端PIPS探測器測量氣溶膠粒子發(fā)射的α，β射線及環(huán)境與氣溶膠粒子的γ射線，探測器和過濾裝置間使用特殊設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)對射線進(jìn)行準(zhǔn)直，后端PIPS探測器測量環(huán)境與氣溶膠粒子的γ射線。2個(gè)探測器的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過專門的算法處理后就可得到放射性氣溶膠的比活度。

3 測量能譜分析

基于PIPS探測器的氣溶膠測量系統(tǒng)測量到的典型能譜示意圖如圖5所示。

圖5 放射性氣溶膠典型能譜Fig.5 The typical energy spectrum of radiactive aerosol

該能譜是α，β，γ的混合能譜，氣溶膠放射性比活度計(jì)算有效區(qū)間如圖中所示，共有A～E五個(gè)有效區(qū)間。其中區(qū)間A是低能區(qū)的β，γ區(qū)間，該區(qū)間測量到的計(jì)數(shù)中包含人工β放射性氣溶膠的β射線計(jì)數(shù)、環(huán)境γ本底計(jì)數(shù)、天然放射性氣溶膠β，γ計(jì)數(shù);區(qū)間B是中能區(qū)的α放射性粒子能量區(qū)間，該區(qū)間測量到的計(jì)數(shù)為多種人工α放射性氣溶膠產(chǎn)生的α射線總計(jì)數(shù);區(qū)間C是鈾系天然放射性氣溶膠218Po發(fā)射的α射線總計(jì)數(shù);區(qū)間D是鈾系天然放射性氣溶膠214Po發(fā)射的α射線總計(jì)數(shù);區(qū)間E是釷系天然放射性氣溶膠212Po發(fā)射的α射線總計(jì)數(shù)。

PIPS探測器的測量能譜分辨率高，特別是在高能端(＞5 MeV)可精確區(qū)分218Po，214Po和212Po的α射線能峰，由于沒有其他高能粒子干擾，很容易計(jì)算出每個(gè)有效能峰的計(jì)數(shù)率。因此，通過對各能量區(qū)間α射線的測量，利用一定的運(yùn)算法則可計(jì)算出各種氡釷及其衰變子體對測量能譜的影響，從而扣除天然放射性氣溶膠，同時(shí)利用后端PIPS探測器測量的γ射線，從而扣除γ射線的影響，最終得到大氣環(huán)境中精確的人工α放射性氣溶膠和人工β放射性氣溶膠比活度。

4 結(jié)語

本文采用新型PIPS半導(dǎo)體探測器設(shè)計(jì)了一種核電站放射性氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)，并對系統(tǒng)組成、探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、測量原理和數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行了介紹?；赑IPS探測器的放射性氣溶膠測量技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)測量實(shí)時(shí)性強(qiáng)。能譜測量技術(shù)在有效的運(yùn)算法則配合下可以實(shí)時(shí)的測量計(jì)算出人工放射性氣溶膠和天然放射性氣溶膠比活度，響應(yīng)速度快。

2)靈敏度高、測量范圍寬。PIPS探測器有效靈敏層厚度很薄，對γ射線探測效率低，儀器環(huán)境本底計(jì)數(shù)率更低，對放射性氣溶膠更靈敏，對α射線探測效率高(100%)，可高效、準(zhǔn)確地測量人工放射性氣溶膠。

3)測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。對天然放射性氣溶膠和環(huán)境本底的準(zhǔn)確測量和剔除，使得人工放射性氣溶膠比活度的測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

4)測量目的多樣化?？赏瑫r(shí)測量人工α放射性氣溶膠比活度、人工β放射性氣溶膠比活度量、多種天然放射性氣溶膠比活度及γ輻射本底。

5)探測器體積小、重量輕。PIPS半導(dǎo)體探測器面積小、厚度薄，對環(huán)境γ本底不靈敏，不需要太多的鉛屏蔽來屏蔽環(huán)境本底的影響，基于這種探測器設(shè)計(jì)的放射性氣溶膠測量設(shè)備體積小、重量輕，安裝、調(diào)試和維護(hù)保養(yǎng)方便。

因此，基于新型PIPS半導(dǎo)體探測器設(shè)計(jì)的核電站放射性氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)具有多方面優(yōu)點(diǎn)，可在一定γ本底干擾下很好的進(jìn)行放射性氣溶膠α，β能譜測量，可準(zhǔn)確區(qū)分天然和人工放射性氣溶膠，非常適合于核電站放射性氣溶膠測量。

［1］程業(yè)勛，王南萍，侯勝利.核輻射場與放射性勘查［M］.北京:地質(zhì)出版社，2008.

［2］劉忠立.半導(dǎo)體輻射探測器［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.285 －286.

［3］汪曉蓮，李澄，邵明，陳宏芳.粒子探測技術(shù)［M］.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.197－198.