陳 華，丁大杰，卓仁鴻，文德智，呂己祿，鄭 慧，成 晶，袁永剛，雷家榮，陳志林,*

1.中國(guó)工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所，四川 綿陽(yáng) 621000;2.中國(guó)工程物理研究院，四川 綿陽(yáng) 621000

基于電離室測(cè)氚原理的便攜式氚測(cè)量?jī)x已廣泛應(yīng)用于核設(shè)施外環(huán)境和工作場(chǎng)所的空氣中氚濃度監(jiān)測(cè)[1-3]，其現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的需求日益突出。中國(guó)原子能科學(xué)研究院的陳細(xì)林等[4]利用氚水蒸氣空氣源作為氚測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)源，建立了一個(gè)較大的封閉空間，可以放置多達(dá)12臺(tái)待校準(zhǔn)儀器在此空間內(nèi)同時(shí)校準(zhǔn)。儀器在校準(zhǔn)過(guò)程中完全沉浸在含氚氣體內(nèi)，可能由于氚的吸附效應(yīng)等導(dǎo)致沾污。中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院的洪永俠[5-6]、吳甜甜[7]等對(duì)鼓泡法產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)氚氣的分餾系數(shù)等進(jìn)行了研究，在校準(zhǔn)便攜式氚測(cè)量?jī)x時(shí)，使用鼓泡法產(chǎn)生參考氚氣并引入一臺(tái)傳遞儀器進(jìn)行量值傳遞。該法需對(duì)傳遞儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，且對(duì)鼓泡過(guò)程的溫度控制要求較高。中國(guó)原子能科學(xué)研究院羅瑞等[8]通過(guò)破碎密封氚氣源并采用稱量稀釋的方式，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)氚氣的制備。該法采用的稀釋系統(tǒng)復(fù)雜，且氚氣源為一次性破碎消耗品，不可重復(fù)使用。由于標(biāo)準(zhǔn)氣態(tài)氚源不易獲取和操作，國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)便攜式氚測(cè)量?jī)x的可靠校準(zhǔn)方式。為了滿足便攜式氚測(cè)量?jī)x的量值溯源需求，本工作擬采用PVT方法產(chǎn)生參考氚氣并對(duì)其量值傳遞過(guò)程進(jìn)行研究。

1 PVT方法原理

理想氣體(PVT系統(tǒng))的狀態(tài)方程如下：

pV=nRT

(1)

式中：p，氣體的壓強(qiáng)，Pa；V，氣體的體積，m3；n，氣體的物質(zhì)的量，mol；R，理想氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T，氣體絕對(duì)溫度，K。

根據(jù)氚的放射性衰變規(guī)律，其活度濃度C(Bq/m3)的計(jì)算如下：

(2)

式中：λ，氚的衰變常數(shù)，1.781×10-9s-1；f，氣體中氚的分壓比例，f=1；NA，阿伏伽德羅常數(shù)，6.022×1023mol-1。

根據(jù)式(2)，同一氚氣在不同的溫度和壓強(qiáng)條件下，其活度濃度、溫度和壓強(qiáng)之間滿足式(3)。

(3)

若已知初始溫度(T1)、壓強(qiáng)(p′)和活度濃度(C1)，則通過(guò)式(3)，可以通過(guò)測(cè)量氣體溫度(T2)和壓強(qiáng)(p2)參數(shù)，計(jì)算得到該氣體的活度濃度(C2)。

為了保障便攜式氚測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝備的使用次數(shù)，在初始灌裝氚氣的時(shí)候需要灌裝較高初始活度濃度的氚氣，然后利用PVT法通過(guò)擴(kuò)大體積的方式進(jìn)行逐級(jí)稀釋從而產(chǎn)生合適濃度的參考氚氣。進(jìn)行第一次稀釋的時(shí)候，裝備氣路為第一級(jí)緩沖容器，其體積為V1，進(jìn)行第二次稀釋的時(shí)候接入第二級(jí)緩沖容器和待校準(zhǔn)的儀器，裝備氣路體積變?yōu)?V1+V2+V儀器)，此時(shí)的參考氚活度濃度(C′)的計(jì)算公式如式(4)。

(4)

式中：V1，第一級(jí)緩沖容器的體積，mL；V2，第二級(jí)緩沖容器的體積，mL；V儀器，待校準(zhǔn)儀器的體積，mL；C0，灌裝氚氣的初始活度濃度，Bq/L；p0，灌裝氚氣的初始?jí)簭?qiáng)，Pa；t0、t1，灌裝氚氣的初始溫度和第一次稀釋時(shí)的氚氣溫度，℃；p1，第一次稀釋之后的壓強(qiáng)，Pa；p，第二次稀釋之后的壓強(qiáng)，Pa。

2 參考氚氣的配制和絕對(duì)測(cè)量

2.1 參考氚氣的配制和絕對(duì)測(cè)量流程

參考氚氣的制備、校準(zhǔn)以及便攜式氚測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)流程示于圖1。在配制參考氚氣時(shí)，首先對(duì)整個(gè)氣路抽真空，然后關(guān)閉所有閥門，將校準(zhǔn)氣路分為獨(dú)立封閉的小體積。打開(kāi)氚氣瓶的閥門，將氣瓶?jī)?nèi)的標(biāo)準(zhǔn)氚氣經(jīng)減壓閥釋放到第一級(jí)緩沖容器內(nèi)，關(guān)閉減壓閥并記錄此時(shí)第一級(jí)緩沖容器內(nèi)的氣體壓強(qiáng)和溫度參數(shù)。然后打開(kāi)一、二級(jí)緩沖容器之間的閥門，將氚氣的體積擴(kuò)大，進(jìn)行氚氣濃度的稀釋。將待校準(zhǔn)的儀器進(jìn)出氣口分別接入氣路系統(tǒng)，打開(kāi)閥門給氣路補(bǔ)充空氣，待氣路內(nèi)壓強(qiáng)與大氣平衡后，關(guān)閉該閥門，將待校準(zhǔn)儀器的校準(zhǔn)氣壓條件與工作時(shí)的氣壓調(diào)節(jié)一致。由于配制參考氚氣時(shí)，首先對(duì)氣路抽真空，且標(biāo)準(zhǔn)氚氣的壓強(qiáng)為負(fù)壓，因此包含補(bǔ)空氣過(guò)程在內(nèi)，整個(gè)配氣的氣路壓強(qiáng)均小于大氣壓，可以實(shí)現(xiàn)氚氣在氣路內(nèi)的包容，從而保障了操作人員的輻射安全。

圖1 參考氚氣的配制以及便攜式氚測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)流程

使用碳纖維高壓氣瓶作為氚氣瓶，向其內(nèi)灌裝一定量的氚氣，測(cè)量灌裝后氚氣瓶壓強(qiáng)(p0)和溫度(t0)，并使用經(jīng)檢定的電離室裝置測(cè)量灌裝之后氚氣瓶?jī)?nèi)的氚氣初始活度濃度(C0)，然后將其作為標(biāo)準(zhǔn)氚氣。標(biāo)準(zhǔn)氚氣經(jīng)緩沖容器稀釋之后，使用式(4)可計(jì)算得到稀釋后的氚氣活度濃度的理論值(C′)，對(duì)其取樣并使用國(guó)防科技工業(yè)5116二級(jí)計(jì)量站的放射性氣體活度測(cè)量裝置進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量，可得到稀釋后緩沖容器內(nèi)的氚氣活度濃度測(cè)量值(Cdet)，比較兩者的相對(duì)誤差以驗(yàn)證PVT方法配制的參考氚氣的準(zhǔn)確性和可靠性。將待校準(zhǔn)儀器接入便攜式氚測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝備，使用待檢儀器進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)儀器示值與參考氚濃度值(Cdet)的比較，即可實(shí)現(xiàn)便攜式氚測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)對(duì)氚氣瓶檢漏合格后，使用實(shí)驗(yàn)室氚氣源對(duì)其進(jìn)行灌裝，灌裝過(guò)程中使用壓力計(jì)、溫度計(jì)和電離室對(duì)氚氣瓶?jī)?nèi)的壓強(qiáng)、溫度和氚活度濃度進(jìn)行測(cè)量。灌裝過(guò)程中，首先對(duì)灌裝氣路抽真空至-95.0 kPa，然后使用氣體擴(kuò)散的方式，將實(shí)驗(yàn)室氚氣擴(kuò)散灌裝到氚氣瓶?jī)?nèi)。灌裝完成之后，氚氣瓶?jī)?nèi)的壓強(qiáng)為-10.3 kPa，氚氣溫度為25.1 ℃，使用經(jīng)檢定的電離室裝置測(cè)得灌裝的氚氣初始活度濃度C0=3.05×108Bq/L(Ur=5.00%)。C0的不確定度分量包括：電離室裝置的不確定度(5.00%)和測(cè)量不確定度(0.02%)。

按照?qǐng)D1的流程，研制了如圖2所示的便攜式氚測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝備，其操作界面如圖3所示，該裝備外形尺寸為73 cm×40 cm×25 cm，質(zhì)量為24.88 kg，可滿足便攜式氚測(cè)量?jī)x現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的遂行需求。該裝備將氚氣瓶?jī)?nèi)的初始氚氣經(jīng)過(guò)體積分別為V1=28.0 mL和V2=564.7 mL的兩級(jí)緩沖容器稀釋，制備了參考氚氣，其理論值為C′，使用體積為20.0 mL的取樣容器對(duì)稀釋后的氚氣進(jìn)行取樣，并使用中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所電離輻射計(jì)量站的放射性氣體活度標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量值為Cdet，兩者的差異比較列入表1。

表1 參考氚氣的理論值及測(cè)量值比較

圖2 便攜式氚測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝備

F1——F9閥門

參考氚氣的配制過(guò)程中，首先關(guān)閉閥門F1、F4—F6和F9，打開(kāi)真空泵將裝備氣路整體抽真空至-94.9 kPa(p)，關(guān)閉閥門F2、F3和F8。然后打開(kāi)氚氣瓶的閥門、減壓閥和閥門F1，向第一級(jí)緩沖容器充入氚氣至壓強(qiáng)為-79.9 kPa(p1)，關(guān)閉減壓閥和氣瓶閥。然后打開(kāi)閥門F2，將氚氣向第二級(jí)緩沖容器稀釋(增大氚氣的體積)至壓強(qiáng)為-79.2 kPa，計(jì)算得到參考氚氣的活度濃度C′=2.50×106Bq/L，其不確定分量包括：初始氚濃度的不確定度(5.00%)、溫度計(jì)引入的不確定度(0.14%)和壓力計(jì)引入的不確定度(0.01%)，其合成不確定度Ur=5.00%。將取樣容器內(nèi)的氣體導(dǎo)入放射性氣體活度標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得的樣品氚活度濃度Cdet=2.48×106Bq/L(Ur=2.50%)，兩者相對(duì)誤差為0.81%。

3 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)功能的初步測(cè)試

將實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的便攜式氚測(cè)量?jī)x(品牌：OVERHOFF，型號(hào)：MODEL 400SBDγC，電離室體積V儀器=440 mL)連接至研制的便攜式氚測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝備進(jìn)行校準(zhǔn)功能測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，首先對(duì)連接的整個(gè)氣路抽真空至-95.0 kPa(p)，然后經(jīng)氣瓶閥、減壓閥和閥門F1向第一級(jí)緩沖容器充入氚氣，充入氚氣之后的壓強(qiáng)為-93.0 kPa(p1)，然后關(guān)閉所有閥門，打開(kāi)閥門F2—F5將第一級(jí)緩沖容器的氚氣擴(kuò)散至整個(gè)校準(zhǔn)氣路，此時(shí)的氣路壓力低于大氣壓，打開(kāi)閥門F6向氣路內(nèi)補(bǔ)充空氣，觀察壓力計(jì)示值，當(dāng)其示值為“0.00”(即氣路內(nèi)壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)平衡時(shí))迅速關(guān)閉閥門F6，避免氚氣泄露。在此過(guò)程中，氣路內(nèi)的壓強(qiáng)一直保持在負(fù)壓，避免了氚氣向氣路外泄漏，實(shí)現(xiàn)了氚氣的包容和人員的防護(hù)。

使用式(4)計(jì)算得到校準(zhǔn)氣路內(nèi)的氚活度濃度C′=1.98×105Bq/L，合成不確定度Ur=5.01%，滿足參考檢驗(yàn)源的活度濃度約定真值的不確定度應(yīng)不超過(guò)±10%的要求[9]。配制不同濃度參考氚氣進(jìn)行測(cè)試，便攜式氚測(cè)量?jī)x的測(cè)定值和校準(zhǔn)結(jié)果列入表2。

表2 便攜式氚測(cè)量?jī)x的氚活度濃度測(cè)量值和校準(zhǔn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)功能測(cè)試，便攜式氚測(cè)量?jī)x的相對(duì)固有誤差小于11%，滿足“相對(duì)固有誤差不超過(guò)±30%”的規(guī)定[9]。便攜式氚測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝備實(shí)現(xiàn)了便攜式氚測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)功能。

4 結(jié) 論

根據(jù)PVT方法研制了便攜式氚測(cè)量?jī)x現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝備，配制了參考氚氣并使用放射性氣體活度標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)其進(jìn)行了校準(zhǔn)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差為0.81%，證明PVT方法制備參考氚氣可行，配制的參考氚氣不確定為5.00%，滿足現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)對(duì)于參考檢驗(yàn)源的要求。

采用研制的便攜式氚測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝備開(kāi)展了便攜式氚測(cè)量?jī)x的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)實(shí)踐，結(jié)果表明該裝備可以滿足便攜式氚測(cè)量?jī)x的遂行校準(zhǔn)需求。

對(duì)于研制的便攜式氚測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝備，其氚氣源的穩(wěn)定性、氣路系統(tǒng)的吸附和記憶效應(yīng)等的改善均是下一步工作需要關(guān)注的重點(diǎn)。