高氡環境下放射性氣溶膠在線監測儀的研制

孟 丹，楊 柳，馬英豪，暢 翔，馬 弢，張富國，楊 屹，商 潔

(中國輻射防護研究院，太原 030006)

在核設施中，進入空氣中的放射性物質彌散會形成放射性氣溶膠，為避免長壽命核素對職業人員造成內照射危害和潛在安全風險，需要對這些放射性氣溶膠進行實時的在線式監測[1-2]。但是，由于某些場所通風不暢等原因，造成氡及其子體氣溶膠的活度濃度將很高，可達103～104Bq/m3，這些氡及其子體氣溶膠將對非天然放射性核素(U、Pu等)氣溶膠的監測造成嚴重干擾，使監測儀的靈敏度下降，甚至失效。如何解決高氡環境下放射性氣溶膠的測量是多年來相關核設施放射性氣溶膠監測亟需解決的難題。研制出一種適用于高氡環境中，對低活度濃度的U、Pu等放射性氣溶膠靈敏度高、響應快速的監測設備，可為從業人員的輻射安全提供重要保障。

1 整體設計方案

采用總活度濃度采樣、能量甄別法、α/β比值法、測量模式和α、β氣溶膠同時監測技術的聯合應用。

1.1 提高氡子體甄別能力設計

在放射性氣溶膠監測中，氡子體氣溶膠的干擾是提高監測儀的監測靈敏度的最大障礙，為了有效降低氡子體氣溶膠對人工α放射性氣溶膠監測的干擾，并提高氡條件下放射性氣溶膠的監測靈敏度，主要采用以下技術措施：

① 粒度分離技術

由于氡子體氣溶膠和人工氣溶膠的空氣動力學特性差異，利用粒度分離技術，將絕大部分氡子體氣溶膠分離掉，降低干擾。設計切割直徑為1 μm的向心式粒度分離裝置，如圖1所示，實現氡子體和人工α放射性氣溶膠的分離采樣，將粒徑相對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，從而實現氡子體氣溶膠和人工α放射性氣溶膠的物理分離。

② 真空測量模式

在探測器和氣溶膠濾膜樣品中間的空氣層，將削弱樣品所發生的α粒子能量，從而使得整體的能量分辨率變差。因此，合理設置采樣、等待、測量時間，在采樣完成后將測量室抽成真空狀態，進行短時間的高能量分辨率測量，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大幅減少，進而計算出人工α、β氣溶膠的濃度(見圖2)。

圖2 真空測量室結構示意圖Fig.2 Vacuum measurement chamber

1.2 整機設計

對關鍵技術部件進行加工、組裝、結構耦合形成儀器整機，通過軟件和電氣自動化完成環境中α放射性氣溶膠的在線監測和自動化運行。粒度分離裝置及真空測量室的整體結構分別如圖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 真空測量室外觀Fig.4 Structure of the vacuum measuring chamber

在設計單次和累積測量運行模式基礎上，實現各部件的自動化控制和探測，監測儀自動運行并監測空氣中α、β放射性氣溶膠的濃度，儀器整機外觀如圖5所示。

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

2 性能測試

2.1 真空氣密性

將真空測量室抽成真空，記錄其與外界常壓的負壓值，1小時后再次記錄其負壓值，連續測量5次；觀察到測量值基本無變化后，將真空測量室置于水中，觀察有無氣泡冒出。

測試結果，真空測量室的負壓值基本保持不變(約為-60.5 kPa)，放入水中后，無氣泡冒出，真空測量室氣密性良好。

2.2 切割特性

根據ISO 7708—1995標準要求，對于空氣動力學直徑為1 μm的粒子，其收集效率為50%。通過使用標準粒子產生器產生標準粒徑的氣溶膠粒子，用以檢測切割器切割特性。其中，氣溶膠粒徑由光學顯微鏡測量，氣溶膠收集份額通過使用分光光度計測量濾紙浸泡溶液的吸光度來確定。切割特性曲線如圖6所示。由圖6可見，對于空氣動力學直徑為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 探測效率

本監測儀設計采用靈敏直徑φ35 mm，有效面積962 mm2的PIPS探測器，將239Pu標準源(有效直徑φ25 mm，表面粒子發射率11 280粒子/(2π·min)和90Sr-90Y標準源(有效直徑φ25 mm，表面粒子發射率20 792 粒子/(2π·min)，分別置于探測器下方測量其α和β計數率，每次均測量1 min，連續測量10次，求其平均值，由此分別計算出α和β探測效率。

測試結果，α探測效率為34.8%，β探測效率為10.1%。

2.4 能量分辨率

將測量室抽成真空狀態，使用標準239Pu放射源，觀察其峰位和能量分辨率，結果示于圖7和圖8。圖7和圖8結果表明，相比于非真空模式，探測裝置在真空模式下的239Pu的峰位左移，能量分辨率由7.48%優化到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

對氡子體氣溶膠的真空和非真空條件下的能譜測試結果，對比如圖9和圖10所示。

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

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

通過測試表明，真空測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內的計數大量減少，具有良好的氡子體甄別能力。

2.5 靜態運行測試

在氡活度濃度為100 Bq/m3的普通環境中，采樣20 min，測量10 min，進行儀器運行測試。測試結果得出，聯合應用粒度分離技術、真空測量模式、能量甄別法、α/β比值法幾項氡扣除技術后，儀器最低可探測下限結果為0.05 Bq/m3。

3 現場運行驗證

為了更直觀的檢驗氡扣除技術對人工放射性氣溶膠監測的影響，分別在實驗室和另三處不同氡活度濃度的核設施中[3]，對于粒度分離裝置采取使用和不使用的對比，對于真空測量裝置采取真空(單次)和非真空(累積)運行模式的對比，驗證儀器在高氡環境下運行的適用性。具體現場試驗環境條件列于表1。

表1 現場試驗環境條件Tab.1 Environmental conditions of field test

圖11和圖12分別給出了在實驗室內真空和非真空模式下，不加分離器與加分離器時氡活度濃度的對比。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氡活度濃度的對比。

圖11 實驗室非真空模式下，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 實驗室真空模式下，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，在非真空和真空運行模式下，均是加分離器的探測限更低，統計漲落更小。同時，相比于非真空模式，真空運行模式的探測限更低。

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

探測限是放射性氣溶膠連續監測儀中一項最為關鍵的性能指標，這項指標的正確確定，不僅關系到監測儀所監測數據的可信度，同時也涉及到超值報警閾的正確設置，以使所設報警閾值不產生漏報和誤報。為了更直觀的看出氡扣除技術對人工放射性氣溶膠監測的影響，圖15和圖16給出了不同氡活度濃度下計算出α、β放射性測量的探測限。

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探測限圖Fig.16 The detection limits of Lα and Lβ in the vacuum mode without separator and with separator

通過比較，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限更低，說明監測儀所監測數據可信度更高。

4 結論

針對高氡環境下放射性氣溶膠的監測問題，通過粒度分離采樣和真空測量模式、能量甄別法、α/β比值法的氡扣除技術的聯合應用，較好地消除了氡子體對人工放射性氣溶膠監測的干擾，形成了適用于不同氡活度濃度環境下(1 ×102～3 × 103Bq/m3),集取樣、測量方法及數據處理方法于一體的監測系統，其對239Pu的探測下限達到0.3 Bq/m3。將研制出的儀器在高氡環境下進行了運行驗證，性能指標優良，運行效果良好。