孟 丹，楊 柳，馬英豪，暢 翔，馬 弢，張富國(guó)，楊 屹，商 潔

(中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原 030006)

在核設(shè)施中，進(jìn)入空氣中的放射性物質(zhì)彌散會(huì)形成放射性氣溶膠，為避免長(zhǎng)壽命核素對(duì)職業(yè)人員造成內(nèi)照射危害和潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)這些放射性氣溶膠進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線式監(jiān)測(cè)[1-2]。但是，由于某些場(chǎng)所通風(fēng)不暢等原因，造成氡及其子體氣溶膠的活度濃度將很高，可達(dá)103～104Bq/m3，這些氡及其子體氣溶膠將對(duì)非天然放射性核素(U、Pu等)氣溶膠的監(jiān)測(cè)造成嚴(yán)重干擾，使監(jiān)測(cè)儀的靈敏度下降，甚至失效。如何解決高氡環(huán)境下放射性氣溶膠的測(cè)量是多年來(lái)相關(guān)核設(shè)施放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)亟需解決的難題。研制出一種適用于高氡環(huán)境中，對(duì)低活度濃度的U、Pu等放射性氣溶膠靈敏度高、響應(yīng)快速的監(jiān)測(cè)設(shè)備，可為從業(yè)人員的輻射安全提供重要保障。

1 整體設(shè)計(jì)方案

采用總活度濃度采樣、能量甄別法、α/β比值法、測(cè)量模式和α、β氣溶膠同時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用。

1.1 提高氡子體甄別能力設(shè)計(jì)

在放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)中，氡子體氣溶膠的干擾是提高監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)靈敏度的最大障礙，為了有效降低氡子體氣溶膠對(duì)人工α放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)的干擾，并提高氡條件下放射性氣溶膠的監(jiān)測(cè)靈敏度，主要采用以下技術(shù)措施：

① 粒度分離技術(shù)

由于氡子體氣溶膠和人工氣溶膠的空氣動(dòng)力學(xué)特性差異，利用粒度分離技術(shù)，將絕大部分氡子體氣溶膠分離掉，降低干擾。設(shè)計(jì)切割直徑為1 μm的向心式粒度分離裝置，如圖1所示，實(shí)現(xiàn)氡子體和人工α放射性氣溶膠的分離采樣，將粒徑相對(duì)較小的大部分氡子體氣溶膠分離出去，而將粒徑較大的人工α放射性氣溶膠加以收集，從而實(shí)現(xiàn)氡子體氣溶膠和人工α放射性氣溶膠的物理分離。

② 真空測(cè)量模式

在探測(cè)器和氣溶膠濾膜樣品中間的空氣層，將削弱樣品所發(fā)生的α粒子能量，從而使得整體的能量分辨率變差。因此，合理設(shè)置采樣、等待、測(cè)量時(shí)間，在采樣完成后將測(cè)量室抽成真空狀態(tài)，進(jìn)行短時(shí)間的高能量分辨率測(cè)量，使得氡子體氣溶膠的α能譜拖入人工α放射性氣溶膠的能譜區(qū)大幅減少，進(jìn)而計(jì)算出人工α、β氣溶膠的濃度(見(jiàn)圖2)。

圖2 真空測(cè)量室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Vacuum measurement chamber

1.2 整機(jī)設(shè)計(jì)

對(duì)關(guān)鍵技術(shù)部件進(jìn)行加工、組裝、結(jié)構(gòu)耦合形成儀器整機(jī)，通過(guò)軟件和電氣自動(dòng)化完成環(huán)境中α放射性氣溶膠的在線監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化運(yùn)行。粒度分離裝置及真空測(cè)量室的整體結(jié)構(gòu)分別如圖3和圖4所示。

圖3 粒度分離裝置外觀Fig.3 Structure of particle size separation device

圖4 真空測(cè)量室外觀Fig.4 Structure of the vacuum measuring chamber

在設(shè)計(jì)單次和累積測(cè)量運(yùn)行模式基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)各部件的自動(dòng)化控制和探測(cè)，監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)運(yùn)行并監(jiān)測(cè)空氣中α、β放射性氣溶膠的濃度，儀器整機(jī)外觀如圖5所示。

圖5 儀器整體外觀Fig.5 Overall appearance of the CAM instrument

2 性能測(cè)試

2.1 真空氣密性

將真空測(cè)量室抽成真空，記錄其與外界常壓的負(fù)壓值，1小時(shí)后再次記錄其負(fù)壓值，連續(xù)測(cè)量5次；觀察到測(cè)量值基本無(wú)變化后，將真空測(cè)量室置于水中，觀察有無(wú)氣泡冒出。

測(cè)試結(jié)果，真空測(cè)量室的負(fù)壓值基本保持不變(約為-60.5 kPa)，放入水中后，無(wú)氣泡冒出，真空測(cè)量室氣密性良好。

2.2 切割特性

根據(jù)ISO 7708—1995標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于空氣動(dòng)力學(xué)直徑為1 μm的粒子，其收集效率為50%。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)粒子產(chǎn)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)粒徑的氣溶膠粒子，用以檢測(cè)切割器切割特性。其中，氣溶膠粒徑由光學(xué)顯微鏡測(cè)量，氣溶膠收集份額通過(guò)使用分光光度計(jì)測(cè)量濾紙浸泡溶液的吸光度來(lái)確定。切割特性曲線如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，對(duì)于空氣動(dòng)力學(xué)直徑為1 μm的粒子，其收集效率為50%。

圖6 切割特性曲線Fig.6 Cutting characteristic curve

2.3 探測(cè)效率

本監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)采用靈敏直徑φ35 mm，有效面積962 mm2的PIPS探測(cè)器，將239Pu標(biāo)準(zhǔn)源(有效直徑φ25 mm，表面粒子發(fā)射率11 280粒子/(2π·min)和90Sr-90Y標(biāo)準(zhǔn)源(有效直徑φ25 mm，表面粒子發(fā)射率20 792 粒子/(2π·min)，分別置于探測(cè)器下方測(cè)量其α和β計(jì)數(shù)率，每次均測(cè)量1 min，連續(xù)測(cè)量10次，求其平均值，由此分別計(jì)算出α和β探測(cè)效率。

測(cè)試結(jié)果，α探測(cè)效率為34.8%，β探測(cè)效率為10.1%。

2.4 能量分辨率

將測(cè)量室抽成真空狀態(tài)，使用標(biāo)準(zhǔn)239Pu放射源，觀察其峰位和能量分辨率，結(jié)果示于圖7和圖8。圖7和圖8結(jié)果表明，相比于非真空模式，探測(cè)裝置在真空模式下的239Pu的峰位左移，能量分辨率由7.48%優(yōu)化到3.65%。

圖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

圖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

對(duì)氡子體氣溶膠的真空和非真空條件下的能譜測(cè)試結(jié)果，對(duì)比如圖9和圖10所示。

圖9 非真空測(cè)量氡子體能譜測(cè)試圖Fig.9 Radon daughter energy spectrum test chart in non-vacuum mode

圖10 真空測(cè)量氡子體能譜測(cè)試圖Fig.10 Radon daughter energy spectrum test chart in non-vacuum mode

通過(guò)測(cè)試表明，真空測(cè)量模式下能譜的能量分辨率得到了提高，氡子體拖入到人工核素能譜區(qū)內(nèi)的計(jì)數(shù)大量減少，具有良好的氡子體甄別能力。

2.5 靜態(tài)運(yùn)行測(cè)試

在氡活度濃度為100 Bq/m3的普通環(huán)境中，采樣20 min，測(cè)量10 min，進(jìn)行儀器運(yùn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果得出，聯(lián)合應(yīng)用粒度分離技術(shù)、真空測(cè)量模式、能量甄別法、α/β比值法幾項(xiàng)氡扣除技術(shù)后，儀器最低可探測(cè)下限結(jié)果為0.05 Bq/m3。

3 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行驗(yàn)證

為了更直觀的檢驗(yàn)氡扣除技術(shù)對(duì)人工放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)的影響，分別在實(shí)驗(yàn)室和另三處不同氡活度濃度的核設(shè)施中[3]，對(duì)于粒度分離裝置采取使用和不使用的對(duì)比，對(duì)于真空測(cè)量裝置采取真空(單次)和非真空(累積)運(yùn)行模式的對(duì)比，驗(yàn)證儀器在高氡環(huán)境下運(yùn)行的適用性。具體現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境條件列于表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境條件Tab.1 Environmental conditions of field test

圖11和圖12分別給出了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)真空和非真空模式下，不加分離器與加分離器時(shí)氡活度濃度的對(duì)比。圖13和圖14分別給出了在某礦井下真空和非真空模式下，不加分離器與加分離器時(shí)氡活度濃度的對(duì)比。

圖11 實(shí)驗(yàn)室非真空模式下，不加分離器與加分離器得出的Cα、Cβ的濃度值圖Fig.11 The concentration values of Cα and Cβ obtained by the non-vacuum mode in the laboratorywithout separator and with separator

圖12 實(shí)驗(yàn)室真空模式下，不加分離器與加分離器得出的Cα、Cβ的濃度值圖Fig.12 The concentration values of Cα and Cβ obtained by the vacuum mode in the laboratorywithout separator and with separator

由圖11～14可見(jiàn)，在非真空和真空運(yùn)行模式下，均是加分離器的探測(cè)限更低，統(tǒng)計(jì)漲落更小。同時(shí)，相比于非真空模式，真空運(yùn)行模式的探測(cè)限更低。

圖14 某礦井下真空模式下，不加分離器與加分離器得出的Cα、Cβ的濃度值圖Fig.14 The concentration values of Cα and Cβ obtained by the vacuum mode in a minewithout separator and with separator

探測(cè)限是放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測(cè)儀中一項(xiàng)最為關(guān)鍵的性能指標(biāo)，這項(xiàng)指標(biāo)的正確確定，不僅關(guān)系到監(jiān)測(cè)儀所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可信度，同時(shí)也涉及到超值報(bào)警閾的正確設(shè)置，以使所設(shè)報(bào)警閾值不產(chǎn)生漏報(bào)和誤報(bào)。為了更直觀的看出氡扣除技術(shù)對(duì)人工放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)的影響，圖15和圖16給出了不同氡活度濃度下計(jì)算出α、β放射性測(cè)量的探測(cè)限。

圖15 非真空行模式下，不加分離器與加分離器得出的Lα、Lβ探測(cè)限圖Fig.15 The detection limits of Lα and Lβ in the non-vacuum mode without separator and with separator

圖16 真空模式下，不加分離器與加分離器得出的Lα、Lβ探測(cè)限圖Fig.16 The detection limits of Lα and Lβ in the vacuum mode without separator and with separator

通過(guò)比較，可以很明顯的看到隨著氡活度濃度的不斷增加，加入粒度分離裝置后的探測(cè)限更低，說(shuō)明監(jiān)測(cè)儀所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可信度更高。

4 結(jié)論

針對(duì)高氡環(huán)境下放射性氣溶膠的監(jiān)測(cè)問(wèn)題，通過(guò)粒度分離采樣和真空測(cè)量模式、能量甄別法、α/β比值法的氡扣除技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，較好地消除了氡子體對(duì)人工放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)的干擾，形成了適用于不同氡活度濃度環(huán)境下(1 ×102～3 × 103Bq/m3),集取樣、測(cè)量方法及數(shù)據(jù)處理方法于一體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其對(duì)239Pu的探測(cè)下限達(dá)到0.3 Bq/m3。將研制出的儀器在高氡環(huán)境下進(jìn)行了運(yùn)行驗(yàn)證，性能指標(biāo)優(yōu)良，運(yùn)行效果良好。