離線產(chǎn)氚實驗中氚在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制

孟 丹，陳志林，常瑞敏，穆 龍，王和義，賀月虹，吳冠銀

（中國工程物理研究院 核物理與化學研究所，四川 綿陽 621900）

鋰陶瓷氚增殖劑作為聚變堆實驗包層模塊中的主要候選產(chǎn)氚材料，在中子輻照環(huán)境下的各種性能和行為是氚增殖包層設計的重要內(nèi)容。作為產(chǎn)氚材料，Li2TiO3中富集的6Li同位素在中子輻照下能產(chǎn)生氚［1-3］。而氚釋放行為的研究對提高增殖劑的產(chǎn)氚特性具有重要的意義。

在離線產(chǎn)氚實驗中，氚釋放行為的研究涉及到如何實時準確測量增殖劑所釋放氚的量和氚的存在形態(tài)。實驗中，鋰陶瓷增殖劑經(jīng)過加熱放出含氚化水蒸氣的氚氣（全氚），然后采用1＃HTO 收集器收集HTO，經(jīng)過催化氧化器氧化回路中的氚氣為氚化水，采用2＃HTO 收集器進行氚化水收集，經(jīng)過2次收集后回路中基本無氚氣，然后進行外排。

根據(jù)實驗條件和實驗要求，離線產(chǎn)氚實驗對氚監(jiān)測系統(tǒng)提出如下要求：氣體流量，50～100mL／min；探測器探測下限，＜3.7×107Bq／m3；回路中氣體成分，Ar+HT+HTO；監(jiān)測系統(tǒng)需能夠?qū)崟r獲取氚濃度數(shù)據(jù)［4-5］。

本文針對離線產(chǎn)氚實驗對氚監(jiān)測的要求，擬研制一套氚監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)可同時測量實驗中的全氚濃度和氚氣濃度，并可采用數(shù)據(jù)處理軟件實時顯示回路中的氚濃度，以期為增殖劑氚釋放行為的研究提供技術基礎。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的設計原則

離線產(chǎn)氚實驗的具體流程如圖1所示，在產(chǎn)氚實驗中需采用1＃和2＃電離室探測器對兩處氚濃度進行實時監(jiān)測，因此，監(jiān)測系統(tǒng)的建立需滿足3方面的要求：1）實時測量，在監(jiān)測過程中，可立即獲得各時刻實驗中的氚濃度，以供工作人員進行增殖劑的氚釋放性能研究；2）監(jiān)測系統(tǒng)的小體積設計，回路中載氣流量小，氣體量較少，需采用小體積監(jiān)測系統(tǒng)進行氚濃度監(jiān)測；3）較小的記憶效應，離線產(chǎn)氚實驗中氚以氚氣和氚化水兩種形態(tài)存在，在測量較高濃度的氚氣時，氚會污染電離室產(chǎn)生記憶效應，因此需解決電離室的記憶效應問題。

圖1 離線產(chǎn)氚實驗流程Fig.1 Flowchart of out-of-pile tritium release experiment

工作人員要研究鋰陶瓷增殖劑的產(chǎn)氚性能，需對不同時刻實驗中的氚濃度進行實時測量，如果采用傳統(tǒng)的記錄儀與氚監(jiān)測儀相連接進行信號采集和處理，需將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在信號轉(zhuǎn)換過程中會引進誤差，一方面測得數(shù)據(jù)不準確，另一方面無法實現(xiàn)氚濃度的實時測量，故需開發(fā)數(shù)字化氚在線監(jiān)測軟件，使其能夠直接獲取測量儀表的數(shù)字信號，并進行處理、顯示及存儲。

對于監(jiān)測系統(tǒng)的準確測量，離線產(chǎn)氚實驗中載氣流量較小，回路中氣體量較少，氚以氚氣和氚化水兩種形態(tài)存在，要在較短的時間內(nèi)獲得探測信號，必須使用小體積的測量系統(tǒng)，因此需研制小體積且記憶效應小的探測器來實現(xiàn)信號探測。為了確保探測器具有較低的記憶效應，需對探測器進行材料的選擇以及表面的特殊處理。

2 系統(tǒng)的基本構成

為滿足以上3方面要求，該氚在線監(jiān)測系統(tǒng)由3部分組成：1）探測元件，采用自行研制的2個流氣式電離室作為探測元件，通過收集氚的β射線所產(chǎn)生的電離粒子實現(xiàn)氚濃度的測量；2）信號測量單元，采用微電流靜電計作為信號測量單元，與電離室連接，直接測量電離室所收集到的電流信號；3）數(shù)據(jù)處理終端，包括主控計算機和數(shù)據(jù)處理軟件，能將信號測量元件的信號實時顯示，并可通過計算機實現(xiàn)對測量元件的遠程控制。

根據(jù)以上系統(tǒng)組成，設計研制了一套兩路氚在線監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)分別由2個靈敏體積為50mL 的流氣式電離室和微電流靜電計組成。在電離室研制方面，選用對氚吸附性能小的316L 不銹鋼作為電離室的主體材料，并對電離室的室壁進行鏡面拋光處理、對內(nèi)壁進行大于2μm 的鍍金處理。在實時測量方面，對控制軟件進行開發(fā)，使得系統(tǒng)中微電流靜電計的電流信號通過數(shù)據(jù)傳輸線傳至計算機控制終端，控制軟件具有4大功能：1）可實現(xiàn)以Bq／m3為單位的氚濃度的實時顯示；2）可以曲線或數(shù)據(jù)的形式顯示實時值和歷史數(shù)據(jù)；3）可控制最小顯示值；4）可實現(xiàn)對弱電流測量儀加電壓、換量程等的簡單控制。

氚監(jiān)測系統(tǒng)的結構示意圖如圖2所示。所選用儀器的性能指標應滿足設計原則中的3個要求。表1列出了使用的主要儀器及其相應的性能指標。

圖2 氚測量系統(tǒng)總體結構流程Fig.2 Flowchart of tritium monitoring system

表1 主要設備儀器Table 1 Main instruments used in system

3 系統(tǒng)性能及其應用

在系統(tǒng)研制完成后，首先對該系統(tǒng)中的儀器設備進行刻度，以確定儀器設備的測量范圍及其在各量程的刻度系數(shù)。另外，對儀器設備的測量靈敏度、使用性能等進行測量，測量結果顯示其性能均滿足表1中的指標要求。儀器刻度由具有國防二級計量站資質(zhì)的中國工程物理研究院計量測試中心電離輻射計量室完成。

3.1 電離室性能測試

對電離室的性能進行了測試，電離室的飽和電流響應測試結果如圖3所示。由圖3可看出，所研制的50 mL 電離室的飽和電壓約為35V，該電離室的飽和電壓區(qū)間在35～600V之間。利用不同強度的γ源照射后電離室的線性響應能力測試結果如圖4所示。由圖4可看出，該電離室具有很好的線性響應能力。

圖3 電離室飽和電流響應測試Fig.3 Saturation current test of ionization chamber

圖4 電離室線性響應能力測試Fig.4 Linear response capacity test of ionization chamber

在進行記憶效應測試時，首先測量電離室的本底電流，測量值為0.01pA，然后對其通入1010Bq／m3氚氣，保持5h以上，再測試其本底電流，其值為0.01pA。對比前后測量本底結果可看出，電離室的本底變化非常小。因此，經(jīng)室壁鏡面處理、內(nèi)壁鍍金處理等手段很好地降低了電離室的記憶效應。

3.2 數(shù)字化測量軟件性能測試

對數(shù)字化測量軟件的性能進行了測試，結果（圖5）表明，所開發(fā)的數(shù)字化測量軟件具有參數(shù)設定、測量趨勢在線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)導出等功能，可根據(jù)需要進行不同參數(shù)的更改設定，可查看和記錄不同時間氚濃度測量的趨勢，可進行任意時刻歷史數(shù)據(jù)的記錄與查詢，并可將所得結果導出到工作計算機中。

圖5 測量信號的數(shù)字化處理界面Fig.5 Digitizing processing interface of measuring signal

3.3 系統(tǒng)性能測試及應用

系統(tǒng)單個儀器設備檢驗合格后，進行系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，連接配套的抽氣泵和計算機，檢驗整個系統(tǒng)的實時準確性及自動化功能，保證各儀器、儀表能正常運行。系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試時，在電壓150V、氣體流量100mL／min以及時間4h的條件下，分別測量了系統(tǒng)在空氣氣氛和氬氣氣氛下的穩(wěn)定性及探測下限。結果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定性很好，探測下限可達3.7×107Bq／m3。

系統(tǒng)研制和檢驗完成后，以其在離線產(chǎn)氚實驗中的氚監(jiān)測數(shù)據(jù)來說明系統(tǒng)的應用情況。該離線產(chǎn)氚過程中的監(jiān)測結果如圖6所示，其中升溫速率為5 ℃／min。可看出，釋氚時間范圍為75～225 min，在477 ℃和654 ℃附近氚氣濃度最高，而在整個實驗過程中氚化水的濃度遠小于氚氣的濃度，氚化水在100 min左右出現(xiàn)了最高值，完全反映出了離線產(chǎn)氚實驗中的氚濃度變化情況。由此監(jiān)測結果可看出，研制的氚在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足離線產(chǎn)氚回路氚監(jiān)測的要求。

圖6 氚監(jiān)測結果Fig.6 Result of tritium measurement

4 結論

離線產(chǎn)氚實驗中氚在線監(jiān)測系統(tǒng)由探測元件、信號測量單元及數(shù)據(jù)處理終端組成，能夠?qū)﹄x線產(chǎn)氚實驗中的氚濃度進行實時測量，系統(tǒng)探測下限可達3.7×107Bq／m3，監(jiān)測內(nèi)容涵蓋回路中的氚氣和氚化水。該套監(jiān)測系統(tǒng)響應實時，為鋰陶瓷氚增殖劑在中子輻照環(huán)境下各種性能和行為的研究提供了可靠的保障。

系統(tǒng)研制過程中得到了中國工程物理研究院核物理與化學研究所的陳曉軍研究員、肖成建副研究員、康春梅研究員以及高曉玲副研究員的幫助與支持，在此一并表示感謝。

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