核電廠高純鍺氣體譜儀現場應用方案設計

趙衛軍，章愛平，孫元君

（中國核電工程有限公司，北京　100840）

核電廠高純鍺氣體譜儀現場應用方案設計

趙衛軍，章愛平，孫元君

（中國核電工程有限公司，北京100840）

目前，國內多數核電廠高純鍺譜儀主要都用于實驗室測量，作為譜儀的主要組成部分，以往由于受各種技術因素的限制，少數核電廠將高純鍺探測器用于現場，以監測現場工藝介質的核素組成。文章結合國內核電廠高純鍺氣體譜儀在現場應用時存在的問題，分析了問題存在的原因，給出了新的現場氣體譜儀總體結構圖，并對總體結構圖中的主要設備選型及軟件進行了分析。

現場應用；高純鍺探測器；氣體譜儀

高純鍺（HPGe）探測器由于自身的多種優點，正逐步用于核領域的放射性監測。以往HPGe譜儀主要設置在實驗室，作為人工取樣測量儀表使用。隨著科技的進步，HPGe譜儀可設置在核電廠現場完成部分監測任務（如田灣核電站、秦山三期、中國實驗快堆），但由于當時技術的限制，現場譜儀在運行時出現較多的故障，為了使在線氣體譜儀在核電廠更為廣泛的應用，需對現行的現場氣體譜儀的應用方案進行改進。

1　HPGe譜儀探測器原理與特點［1］

HPGe譜儀探測器屬于半導體探測器，其原理是在高純度鍺晶體兩端注入金屬接觸極，在金屬接觸極兩端加高壓，使高純鍺形成一個電場，γ光子進入高純鍺內產生光電效應，由此產生的次級電子再引起物質的電離和激發，形成電脈沖流，電脈沖的幅度正比于γ光子的能量，通過收集這些脈沖電流來記錄γ光子的相關信息。高純鍺在低溫時（如77 K），平均電離能約為2.96 eV，而氣體探測器的平均電離能約為30 eV，即同樣能量的γ光子，在高純鍺中產生的電子空穴對數，要比氣體探測器產生的多一個量級，產生統計漲落形成的誤差，高純鍺遠好于氣體探測器。另外，高純鍺在低溫狀態下平均電離能幾乎穩定不變，保證了高純鍺通過測量脈沖的幅度來確定γ光子的能量。

為了使HPGe探測器能夠穩定的收集電流脈沖保持工作狀態穩定，必須使HPGe探測器在要求的低溫狀態下工作。

2　國內電廠在線氣體監測問題

M310堆型核電廠中沒有設置現場氣體譜儀，雖有氣體監測通道，但這些監測通道只監測氣體的總活度濃度或劑量率；為了獲取被測工藝氣體的核素組成，采用定期實驗室取樣分析的方法，此方法只能獲取間斷性的非實時數據，同時現場取樣增加了運行人員的工作量和個人劑量。

田灣核電站和秦山三期設置了現場氣體譜儀，可快速獲取被監測氣體的核素組成，減少工作人員現場取樣的頻率，但是，根據這些現場氣體譜儀的運行情況，主要還存在以下問題：

1）現場氣體譜儀安裝區域環境溫度過高，環境放射性本底起伏較大，或者取樣點的樣品溫度有很大差別，有些測量點的樣品溫度過高，影響設備正常運行。2）HPGe探測器內部容易真空失效，探測器的選擇不合適。3）單純的液氮制冷，需要頻繁更換液氮，增加運行成本和工作人員的工作量；單純的電制冷機，使壓縮機一直處于運行狀態，縮短壓縮機的使用壽命；同時一旦出現故障，維護維修周期長，降低HPGe探測器的實際使用率。4）電子學譜儀落后，需要更新換代，采用更先進的電子學譜儀。5）測量方式不合理。6）譜儀取樣系統、測量設備、譜分析器等都設置了控制監測程序，程序的步序較多，相互之間的兼容性和容錯性較差，測量容易中斷。

3　改進思路［2，4］

如果能解決目前國內電廠譜儀運行中存在的問題，儀表的運行將會持續穩定。相比常規實驗室HPGe譜儀，儀表將充分體現出在線實時測量的優勢。

針對目前譜儀存在的主要問題，嘗試從以下幾個方面加以解決：

1）針對環境溫度過高，放射性本底起伏較大及工藝流體介質溫度不均的問題，安裝時采用在線取樣測量方式，設備布置在環境條件較溫和的場所，并選擇合理的鉛屏蔽及本底較低的安裝區；視各回路被測介質溫度情況適當增加部分冷卻回路。2）選擇真空效果較好的探測器，進行探測器的選擇優化。3）為了避免單獨采用液氮制冷或者單獨采用電制冷的問題，將設計采用最新改進型的電制冷裝置加液氮制冷的混合型方法。4）更新采用最新高通過率的電子學譜儀。5）優化電氣控制單元與測量模式。6）根據軟件功能要求及分類，優化選擇合理的控制軟件。

4　總體結構

高純鍺現場在線氣體譜儀系統包括過濾器、控制閥及冷卻回路的前端預取樣部件，不同量程的雙探測器，液氮與電組合制冷器，流量計，調節閥，取樣泵，多道電子譜儀，電氣控制箱及計算機系統等設備，如圖1所示。

5　硬件配置方案

5.1取樣回路設計及布置

由于現場各種復雜的工藝介質條件，工藝流體介質溫度可能不均，也可能含各種雜質，為此視各回路被測介質溫度情況，適當增加部分支路的冷卻回路，并增加支路過濾器。

針對目前國內電廠譜儀運行環境溫度過高的問題，安裝時擬采用在線取樣測量方式，測量設備布置在環境條件較溫和的場所。

選擇合理的鉛屏蔽及本底較低的安裝區，以防止放射性本底起伏較大而影響測量結果。

圖1　現場氣體譜儀總體結構圖Fig.1　The architecture for on-site gas spectrometer system

5.2探測器的選擇［3］

HPGe探測器的選擇應該結合實際情況，綜合考慮實際應用中的因素而進行選擇。這些因素包括：樣品的形狀與可獲取量、感興趣核素的能量范圍、核素及能量峰的復雜程度、樣品的實際活度水平、希望達到的最低探測限以及是否在強中子場下測量等。

探測器能量響應范圍的下限不僅取決于探測器類型，還與探測器所采用的端窗材料有關。GMX探測器的能量響應下限為3 keV，是指采用5 mm的Be窗；如果采用碳纖維窗，其能量下限約為6 keV；而采用鋁窗的能量下限則為20 keV左右。

從實際探測效率的角度，不同類型的探測器對不同形狀的樣品有著不同的適應性；對于現場氣體譜儀探測效率要求在低能端效率適中即可，相對效率可選20%～30%。

低效率的探測器盡管有著更好的分辨率，但其峰康比也較低，影響中高能段與高能峰鄰近峰的測量，所以不宜選擇太低的分辨率。

對于不同的實際應用，分辨率的重要程度或者說其應該達到的要求是有區別的。核電廠在線氣體譜儀測量的核素種類相對較多或譜線相對復雜，應該首先考慮分辨率，經分析選擇2～3 keV合適。根據目前市場上已有探測器，選擇P型同軸高純鍺探測器合適。

文章采用雙探測器測量，根據活度范圍自動選擇采集的數據，低活度的采用測量室1的數據，高活度的采用測量室2的數據，由計算機系統進行控制。根據目前存在的問題應注意選擇真空效果較好的探測器。

5.3制冷方式的選擇

制冷設備的選擇，根據核電廠具體情況，可以采用液氮制冷、電制冷，或者采用液氮與電組合制冷方式，以達到相互補充的作用。

為了解決單個制冷存在的問題，文章采用液氮與電組合制冷方式。它利用常規的液氮和電氣制冷。利用內置低溫制冷器冷凝LN2存儲的蒸發氣體。這一功能克服了單獨電制冷最普遍的缺點，即在電力故障期間失去制冷能力。利用單獨的電制冷器，即使很短的電源故障也會造成24～48 h的停機時間去做必要的回溫/變冷的循環。甚至還存在探測器在溫度循環后沒有完全恢復的風險。

在發生電源故障后，低溫恒溫器LN2供應仍然能夠不斷冷卻探測器，最長可達一星期，不會造成制冷能力的中斷，不會由于部分回溫而造成停機，也不會因為溫度循環而造成探測器故障。

低溫恒溫器利用一個冷指制冷器與一個LN2杜瓦裝置集成，整個配置本質上與標準的杜瓦完全相同。這意味著低溫恒溫器可以直接代替目前使用的最普通LN2低溫恒溫器。冷指制冷器的電源和電源控制器合成到低溫恒溫器裝置的內部，插入電源即可運行。

5.4數字化多道的選擇

為了更好地測量與處理數據，采用快速通過率的數字化譜儀，主要技術性能如下：

1）最高數據通過率大于133 kcps。2）內置高壓模塊，正負極性由用戶選擇。3）自動最優化、自動極零、虛擬示波器和數字化門控基線恢復等多項技術。4）零死時間校正（ZDT）功能下同時給出不確定度報告。5）用戶可預置多個核素的MDA，在所有MDA滿足時自動終止計數。

5.5電氣控制單元的選擇

主要完成對取樣泵的控制以及顯示故障信息。采用集中測量，發現問題時逐個通道掃描測量的運行方式。掃描時的控制模式分為兩種模式（自動和手動），這兩種工作模式進程如下：

1）自動掃描時間可設置，也可以選擇任意幾個連續通道循環掃描。2）手動掃描可選擇任意通道連續循環掃描。

6　軟件配置方案

6.1軟件需要完成的基本功能

根據測量要求，軟件需要完成的基本功能如下：

1）接收來自探測器的γ能譜，確定放射性核素的成分和在樣品中的放射性核素的體積活度。2）保存處理后的γ能譜。3）定義核素庫。4）能量與效率刻度功能。5）探測器與樣品的配置。6）樣品的分類管理。7）QA質保分析。8）二次開發功能。

6.2軟件模塊類型

根據軟件完成的基本功能，需要設置的軟件模塊如下：

1）Windows 7操作系統，并配備TCP/IP協議。2）32位數據庫引擎。3）庫文件。4）活度及其平均值計算。5）對取樣管線閥門進行控制的IO模塊。6）自動批處理γ能譜的模塊。7）在線查看譜處理結果的程序模塊。8）將數據輸出到能用于二次開發的格式文件。9）本底與靈敏度設置模塊。10）最低探測下限計算模塊（MDA）。11）組態軟件的應用。

整個應用系統從結構、硬件與軟件的配置進行了分析優化設計，為核電廠現場譜儀系統的研究開發與設計提供參考。

7　結束語

現場氣體譜儀的實際應用將大大減輕工作人員的工作強度，提高工作效率；測量結果將更加精確，便于工作人員及時了解核電廠或核設施的運行狀態，提高核電運行的安全性，在核電廠將產生明顯的經濟效益。該譜儀的研制成功，在國內外必將具有廣闊的應用市場。

［1］ 凌球，郭蘭英. 核輻射監測［M］. 北京：原子能出版社，1992.（LING Qiu，GUO Lan-ying. Nuclear Radiation Monitoring［M］. Beijing：Atomic Energy Press，1992.）

［2］ 張志龍，等. PING-50型放射性氣溶膠、碘和惰性氣體監測系統的研制［J］. 核電子學與核探測技術，2006， 26（4）：390-396.（ZHANG Zhi-long，et al. Development of PING-50 continuous radioactive aerosols，gaseous iodine and noble gases monitor［J］. Nuclear Electronics & Detection Technology，2006， 26（4）：390-396.）

［3］ ORTEC. The Best Choice of High Purity Germanium（HPGe） Detector［G］. U.S.A，2009.

［4］ ORTEC. Recent Development of HPGe Detectors and γ-ray Spectrometers［G］. U.S.A，2009.

Solution Design for High-Purity Germanium Gas Spectrometer On-site

ZHAO Wei-jun，ZHANG Ai-ping，SUN Yuan-jun
（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing100840，China）

As a main component of the spectrometer， the high-purity germanium spectrometer at civil nuclear power plant is mainly used in laboratory at present. For various technical limits， the HPGe on-line spectrometer is only used in few power plants， to monitor the composition of nuclide for field process medium. Combined with the problem of the field HPGe gas spectrometer in civil power plant， the causes of the problem are analysed. The overall architecture for new field gas spectrometer have been given， the choice for main equipment and software have been analysed for the overall architecture.

field application；high-purity germanium detector；gas-spectrometer

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）02-0101-04

TM623

A

1674-1617（2015）02-0101-04

2015-02-05

趙衛軍（1973—），男，湖南邵東人，高級工程師，學士，從事輻射監測設計工作。