李語奇,徐鵬程,占 勤,楊麗玲,楊洪廣

(中國原子能科學(xué)研究院,北京 102413)

電離室能直接對氚的放射性活度濃度進(jìn)行測量,是快速確定含氚氣體活度濃度的分析方法。隨著聚變堆與其他涉氚系統(tǒng)的發(fā)展,在線氚活度濃度測量提出了更精準(zhǔn)的要求。理想情況下,進(jìn)入電離室靈敏體積內(nèi)所有氚氣的β射線能量均作用于電離工作氣體,且產(chǎn)生的所有電離離子都被收集[1]。實(shí)際上,在離子往兩極運(yùn)動(dòng)過程中,部分正負(fù)離子將以復(fù)合的方式損失,導(dǎo)致輸出電流減弱[2]。在氚活度濃度高于1×104MBq/L的氚測量時(shí),電離室氚活度濃度測量值要低于實(shí)際值,因?yàn)殡婋x室內(nèi)的正負(fù)離子濃度增加,離子復(fù)合發(fā)生概率增大,影響電離室的收集效率[3]。根據(jù)Jesse等[4]在1952年α粒子的電離實(shí)驗(yàn),在氦氣(He)環(huán)境中加入少量的其他氣體,會(huì)影響各種輻射電離產(chǎn)生的離子數(shù)量,這部分離子也會(huì)對電離室最終的輸出信號產(chǎn)生影響。

在聚變堆氚增殖劑產(chǎn)氚或載帶提取的載帶氣體He中,不同形態(tài)的氫同位素氣體[5]會(huì)對氚測量結(jié)果產(chǎn)生影響。因此本研究建立一套循環(huán)氚測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)能準(zhǔn)確模擬聚變堆包層氚提取循環(huán)狀態(tài),可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求配制氣體。本文主要工作是利用電離室氚測量時(shí)的復(fù)合效應(yīng)理論與He+H2體系理論[6],結(jié)合電離室、色譜、露點(diǎn)儀等測量手段,在循環(huán)氚測量實(shí)驗(yàn)裝置上分析He中含有H2O、HTO、H2等不同氫同位素氣體形態(tài)對氚測量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)原理

電離室的工作原理是通過電離工作氣體使其產(chǎn)生正負(fù)離子對[7],并收集離子產(chǎn)生電流。在電離室內(nèi)被電離的正負(fù)離子濃度(n±(r))可分別用下式表示[8]:

(1)

(2)

式中:a、b為電離室的幾何結(jié)構(gòu);n0為氚濃度;u+、u-為載氣成分的正負(fù)離子漂移速度;V為電離室上所加高壓。

1.1 電離室內(nèi)的離子復(fù)合損失

電離室內(nèi)正負(fù)離子濃度分布取決于電離室的幾何結(jié)構(gòu)、氚濃度、離子漂移速度和電離室工作高壓。當(dāng)含氚氣體中含有大量水汽,會(huì)使電離室壁污染,影響電離室的探測效率[9],如圖1所示。

圖1 電離室HTO去除與本底結(jié)果[10]Fig.1 Ionization chamber HTO decontamination and background result[10]

實(shí)際上,導(dǎo)致電離室內(nèi)收集效率下降的主要原因是H2O與HTO等負(fù)電性氣體的存在,使得離子發(fā)生復(fù)合的概率增大。根據(jù)測量電流計(jì)算公式[11],電離室內(nèi)離子收集效率下降將導(dǎo)致測量電流下降,電離室測量的氚活度濃度與電流呈正比,所以測量值低于實(shí)際值,如下式所示:

(3)

式中:Ig為β射線在靈敏體積內(nèi)電離產(chǎn)生的電離電流,A;Cg為電離室待測氣體中的氚活度濃度,Bq/L;Ve為電離室靈敏體積,L;φ為電離室收集效率,%;E為衰變產(chǎn)生的沉積能量;e為電子電荷,1.6×10-19C;ζ為被氣體吸收的β射線發(fā)射能量的百分比;W為電離能,eV。

1.2 電離室的電離增強(qiáng)效應(yīng)

電離室內(nèi)的工作氣體He在吸收β射線能量后,除去電離反應(yīng)外,一部分原子將處于激發(fā)態(tài),導(dǎo)致其他氣體(H2)被電離,從而產(chǎn)生電離離子對[12]。而He被β射線電離的同時(shí)也將生成帶有一定能量的自由電子,也可能導(dǎo)致發(fā)生其他電離過程。β射線在He-H2體系中的能量傳遞過程如圖2所示[12]。

圖2 β射線在He-H2體系中的能量傳遞過程Fig.2 Energy transfer of β-ray in He-H2 system

在聚變堆包層或者其他氚提取系統(tǒng)中,H2濃度高于2 000 ppm時(shí),根據(jù)電離增強(qiáng)理論[13],電離增強(qiáng)系數(shù)K逐漸趨于飽和,所以可使用K對在線測量的氚活度濃度進(jìn)行修正。已有的氫濃度與電離增強(qiáng)系數(shù)的關(guān)系如表1所列。

表1 氫濃度與電離增強(qiáng)系數(shù)的關(guān)系[13]Table 1 Relationship between hydrogen concentration and ionization enhancement coefficient[13]

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本研究搭建了一套氚測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),主要包括氫氚混合氣配置單元、氣路循環(huán)單元、電離室與露點(diǎn)儀測試單元(IC-1前端與IC-2后端)、色譜分析單元、水汽干燥單元等?？梢詫?shí)現(xiàn)氣體配制、氣體濃度的測量和循環(huán)氚活度的測試等功能。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 循環(huán)氚測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Experimental system for tritium measurement

其中色譜分析單元針對氫同位素氣體的檢測分析,搭載了雙檢測器(DID &TCD),其載氣、放電氣和參比氣均選用He[14]。對于He中含有微量H2的高精度氣相色譜分析研究,最低檢測限小于10 ppb,且各濃度下響應(yīng)值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于1%,響應(yīng)值與濃度的相關(guān)系數(shù)R>0.99[15]。H2含量與色譜峰面積的關(guān)系如圖4所示。

圖4 氫含量與色譜峰面積的關(guān)系Fig.4 Relationship between hydrogen content and chromatographic peak area

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

1) 本底測試

系統(tǒng)內(nèi)載氣為高純He時(shí),記錄電離室氚活度濃度與色譜的分析本底結(jié)果。待全部實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,測量高純He載氣條件下的電離室本底。比較實(shí)驗(yàn)前后電離室的氚活度濃度。

2) 水汽影響實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)載氣為He中含有微量H2(He+H2)時(shí),利用氣體配制單元配制實(shí)驗(yàn)所需氣體,持續(xù)充入循環(huán)系統(tǒng)中(速率為10 mL/min),記錄電離室(IC-1與IC-2)與色譜數(shù)據(jù),評價(jià)H2O與HTO對電離室與色譜的影響。

3) 復(fù)合效應(yīng)與電離增強(qiáng)特性影響實(shí)驗(yàn)

將干燥的HT氣體持續(xù)充入循環(huán)系統(tǒng)(速率為10 mL/min),記錄電離室與色譜測量情況并計(jì)算氚活度濃度。載氣條件為純He時(shí),分析高濃度氚條件下復(fù)合效應(yīng)對電離室測量影響情況;載氣條件為He與H2的混合載氣時(shí),分析電離增強(qiáng)效應(yīng)對電離室測量結(jié)果的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 水汽對電離室與色譜測量的影響

往循環(huán)系統(tǒng)中持續(xù)充入等量濕潤的He后,電離室測量電流從3.6×10-8A降低至1.5×10-8A,有明顯的下降趨勢。因?yàn)檠踉拥蓉?fù)電性的存在導(dǎo)致俘獲電子發(fā)生復(fù)合的概率增大,腔室內(nèi)的離子數(shù)量減少,離子收集效率下降,所以電離室測量得到的電流降低,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 水汽含量與電流測量結(jié)果隨時(shí)間的變化Fig.5 Change of water vapor content in system and measurement result of current with time

往循環(huán)系統(tǒng)中持續(xù)充入等量濕潤的含氚He,當(dāng)水汽含量超過200 ppm后,加快充入氣體速率(由10 mL/min加快至50 mL/min),水汽與氚在未被去除的情況下,水汽含量上升速度明顯加快,電離室氚活度濃度測量值增加趨勢率由7.2×103(MBq/L)/min明顯減緩至3.0×103(MBq/L)/min。主要原因是氧原子增加后其負(fù)電性導(dǎo)致的復(fù)合效應(yīng),也說明水汽對電離室的能量沉積具有負(fù)面影響。電離室、色譜與露點(diǎn)儀測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 測量結(jié)果隨時(shí)間的變化Fig.6 Relationship between measurement result and time

經(jīng)上述水汽對電離室測量的影響實(shí)驗(yàn)后,系統(tǒng)保持循環(huán)狀態(tài)并開啟水汽干燥單元,繼續(xù)往循環(huán)氣路持續(xù)充入等量濕潤的含氚He,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。水汽干燥床前端的水汽含量趨于平緩,即露點(diǎn)儀測量得到的水汽含量與充入氣體中的水汽含量一致。電離室IC-2(干燥床出口處)氚活度濃度從7.5×105MBq/L降低至1.4×105MBq/L,電離室測量得到的氚活度濃度低于充入系統(tǒng)含氚He中的氚活度濃度(實(shí)際值),主要原因是在濕潤的含氚He充入系統(tǒng)的過程中,氚與水汽發(fā)生了同位素交換,經(jīng)過干燥床后,系統(tǒng)中的水汽(H2O與HTO)全部被吸附,導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的含氚量低于充入的含氚量。

圖7 水汽干燥單元開啟時(shí)測量結(jié)果隨時(shí)間的變化Fig.7 Relationship between measurement result and time in opened water vapor drying unit

在圖7中,干燥床出口(去除水汽后)色譜氫含量測量(圖3色譜取樣口1)結(jié)果恢復(fù)穩(wěn)定,說明水汽影響了氣相色譜的性能,從而影響了對氣體成分的分析。

3.2 復(fù)合效應(yīng)的影響

電離室內(nèi)的復(fù)合效應(yīng)取決于多個(gè)因素,當(dāng)電離室的工作電壓保持不變時(shí),電離室內(nèi)的HT濃度達(dá)到16 000 ppm時(shí),復(fù)合效應(yīng)明顯,氚活度濃度測量值低于8.1×105MBq/L,電離室測量結(jié)果如圖8所示。

圖8 電離室測量結(jié)果隨時(shí)間的變化Fig.8 Relationship between ionization chamber measurement result and time

為了研究高濃度氚電離室測量中的復(fù)合效應(yīng),對色譜氫含量測量值進(jìn)行計(jì)算得到對應(yīng)的氚活度濃度,并對電離室測量值進(jìn)行修正,結(jié)果如圖9所示。當(dāng)系統(tǒng)中的HT含量在5 000 ppm以下時(shí),電離室修正后的氚活度濃度與色譜計(jì)算的基本一致,且與充入HT的標(biāo)準(zhǔn)活度濃度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過3%。而當(dāng)系統(tǒng)中的HT含量超過10 000 ppm后,電離室中的復(fù)合效應(yīng)明顯,電離室的氚活度濃度低于實(shí)際值。

圖9 色譜計(jì)算氚活度濃度與電離室測量值修正結(jié)果對比Fig.9 Comparison of chromatographic content calculation for tritium activity concentration and ionization chamber correction

綜上所述,對于復(fù)合效應(yīng)的影響,可利用色譜氫含量計(jì)算的氚活度濃度數(shù)據(jù)標(biāo)定電離室的復(fù)合系數(shù),實(shí)現(xiàn)未知高濃度氚條件下的測量值修正,也可通過增大電離室工作電壓達(dá)到電離室的飽和電流,解決上述復(fù)合效應(yīng)的影響。

3.3 電離增強(qiáng)效應(yīng)的影響

當(dāng)含氚氣體充入循環(huán)系統(tǒng)后,不同載氣條件下電離室與色譜分析測量的結(jié)果如圖10所示。兩次實(shí)驗(yàn)中色譜分析得到的氫同位素含量接近時(shí),電離室氚活度濃度測量結(jié)果存在明顯差異。結(jié)果表明,純He條件下系統(tǒng)中的氚僅通過電離He產(chǎn)生信號。但在載氣中加入了H2后,隨著H2濃度的增加,電離室的信號增強(qiáng)效應(yīng)明顯,氚活度濃度測量值高于實(shí)際值,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的H2含量超過2 000 ppm,其增強(qiáng)因子也趨向于飽和狀態(tài)。

圖10 不同載氣條件下電離室與色譜分析測量的結(jié)果Fig.10 Ionization chamber and chromatographic measurement result under different gas conditions

對兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的復(fù)合系數(shù)、電離增強(qiáng)系數(shù)、壓力、溫度等參數(shù)進(jìn)行修正,在1 000～3 000 ppm的氚含量范圍內(nèi)計(jì)算得到的活度濃度基本一致,結(jié)果如圖11所示。由此可見,未經(jīng)過修正的測量數(shù)據(jù)與實(shí)際值差距較大。

圖11 氚活度濃度修正值與測量結(jié)果對比Fig.11 Comparison of tritium activity concentration correction and measurement result

為了實(shí)現(xiàn)高效的測量與分析,在高濃度涉氚場所中進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測量時(shí),仍然需要對各類影響電離室的因素開展相關(guān)特性實(shí)驗(yàn),并考慮復(fù)合效應(yīng)以及電離增強(qiáng)效應(yīng)的影響。

3.4 記憶效應(yīng)的影響

本文中使用的鍍金絲壁電離室,靈敏體積為50 mL。測量實(shí)驗(yàn)前后本底測試結(jié)果如表2所列。全部實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,相較于實(shí)驗(yàn)開始時(shí)本底稍有增加,鍍金處理與絲壁結(jié)構(gòu)減少了腔室內(nèi)壁對HTO以及HT的吸附作用。對系統(tǒng)循環(huán)吹掃并回收管路中的HTO與HT,也減少了滯留效應(yīng)導(dǎo)致的記憶效應(yīng),說明在高濃度的環(huán)境中工作后記憶效應(yīng)并不明顯,并不會(huì)影響其他實(shí)驗(yàn)中的測量。

表2 本底測試結(jié)果Table 2 Background test result

4 結(jié)論

1) 電離室與色譜對氫同位素氣體的探測效率,在存在水汽氣體的環(huán)境時(shí)低于干燥的氣體環(huán)境。為了保證測量的準(zhǔn)確性,測量時(shí)應(yīng)分離或去除水汽。

2) 當(dāng)載氣中H2O、HTO、HT的濃度增加,電離室測量時(shí)的復(fù)合效應(yīng)增強(qiáng),導(dǎo)致電離室測量結(jié)果低于實(shí)際值,可考慮增大電離室工作電壓或者對標(biāo)定復(fù)合系數(shù)修正來解決此問題。

3) 當(dāng)氫氣存在于氦載氣的環(huán)境中,由于電離增強(qiáng)效應(yīng)的影響,含氚氣體的氚活度濃度測量結(jié)果將增大,但當(dāng)氫含量超過2 000 ppm后,其電離增強(qiáng)效應(yīng)將趨近于飽和狀態(tài)。