氚氣標準源的研制

羅瑞，徐利軍，林敏，毛娜請，陳克勝，夏文

（中國原子能科學研究院計量與校準技術重點實驗室，北京 102413）

0 引言

隨著國際熱核實驗堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）項目以及國內東方超 環EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）項目的推進，使得以氘氚作為燃料的第一代聚變堆商用供電在未來成為可能。一座1000 MW的磁約束聚變堆每年用氚量達數百千克，由此帶來氚材料的大規模生產需求。此外，核動力反應堆在運行過程中，核燃料元件裂變核的三裂變和裂變中子在控制棒、冷卻劑和相關結構材料中的活化反應都會產生一定數量的、并不希望要的氚。氚在各種材料中具有較高的擴散性，在氚處理或處置等涉氚場所中，有潛在的氚污染及擴散輻射危害［2］。根據相關輻射防護要求［10］：一切伴有輻射的實踐或設施，都應根據具體情況，按輻射防護最優化原則制定出相應的輻射監測計劃，開展輻射監測工作。因此，涉氚場所中在線監測各裝置操作過程中的氚濃度以及場所的氚濃度，對實驗人員、工作環境以及公眾的輻射安全具有重要的意義［8-9］。

氚是氫的放射性同位素，純β放射體，半衰期為12.35 a［1］。氚輻射β粒子的平均能量只有5.67 keV，質量厚度為7×10-3kg/m2的物質可完全吸收，即使在空氣中的最大射程只有5 mm。因此，氚在探測器中的自吸收會嚴重影響監測的準確性。此外，環境γ射線的影響、氚對電離室表面吸附造成的記憶效應、氣體的成分和壓強、電離室壁引起離子數丟失的壁效應、不同壁材料的能量沉積，都將影響電離室測氚的靈敏度、準確度、應用范圍等，也給氚監測儀活度量值的準確校準帶來困難。

綜上所述，解決氚活度校準難題的途徑是建立氚監測儀活度量值溯源體系，形成氣態氚活度量值傳遞能力，而建立溯源體系的基礎是研究建立標準氚氣的制備裝置和活度絕對測量裝置［5-6］。

選擇易實現活度準確定值的氚氣作為標準源的主要原因是：第一，氚化水蒸氣的相態變化接近常溫常壓［3］，所形成的飽和氣態受外界（工作環境）溫度壓力的影響較大，一方面易形成冷凝態而產生滯留效應，另一方面飽和氣態不易控制，導致比活度值難以準確測量；第二，涉氚場所主要為氚（氣）材料生產場所，其監測對象以氚氣（HT）為 主［4］，且 一 般 涉 氚 場 所中 對 氚 化 水（HTO）的監測采用收集后用液閃測量的方法。因此，為確保校準源與擬測對象盡量一致，作為氚監測校準的主要參考是標準氚氣［7］。

1 實驗裝置

1.1 氚氣標準源制備裝置

由于氚氣的吸附性較強，且為放射性物質，因此其制備方法較一般的標準氣體的制備方法更加復雜，與一般的混合氣不同的是還需添加同位素氣體—氫氣作為載體。由于原始的氚氣源活度較高，達到GBq量級，擬建的制備裝置如圖1所示。圖中的虛線部分放置原始氚氣源，該氚氣源一般密封在一個小型容器中。當配氣裝置經過清洗并達到氣態平衡時，通過外力將該容器粉碎，使高比活度的氚氣可被稀釋氣混合，最后壓縮到標準氣體鋼瓶中。實際應用的標準氚氣源比活度較小，因此需將高濃度的氚氣源進一步稀釋制備。第二步采用的制備裝置建立在圖1所示裝置的基礎上，將圖中的虛線部分換成上一次制備的高濃度氚氣即可。考慮到量傳的終端用戶使用的便攜性，還需進行第三步制備，將氚氣的比活度降低至103～106Bq/L（標況下），體積控制在1 L以內。為減少放射性氣體的接口操作，將上述三個步驟集成在一套管路系統中如圖2所示。整個系統密封在手套箱中，可尾氣接入到專門設計的處理裝置中，從而保證系統的穩定和操作人員的安全。

圖1 標準氚氣的制備原理Fig.1 Principle of standard tritium gas preparation

圖2 標準氚氣制備裝置設計圖Fig.2 Design diagram of preparation device of standard tritium gas

標準氣體的稀釋多采用氮氣等物化性質較為穩定的氣體介質，為了減少后續測量的不確定度，將測量工作氣體P10（90%Ar，10%CH4）作為介質氣體。通常選為正比計數器工作氣體的氬-甲烷、甲烷鋼瓶充氣壓力為2 MPa，為考察制備裝置的密閉性能，選該壓力進行測試，結果如表1所示。將氣壓統一修正至0℃時的壓力值，計算實驗過程中的氣體泄露率，結果為25.7 Pa/h。而氚氣標準源的制備通常耗時10 min，因此制備過程中氚氣的泄露忽略不計。

表1 氚氣標準源制備裝置氣密性數據Tab.1 Air tightness data of preparation device of tritium gas standard source

1.2 氚氣活度絕對測量裝置

氚為純β核素且β能量極低，因此氚氣活度測量的最佳方法是內充氣正比計數法。一般正比計數管的中心區域，沿陽極絲的電場分布比較均勻，而且具有較高的探測效率；在兩端區域電場發生畸變，場強較弱，探測效率較低，稱之為端效應，可采用長度補償法消除端效應的影響。此外還需考慮工作氣與待測氣的混合以及氚氣的滯留效應等影響測量的因素，建立的氚氣活度絕對測量裝置如圖3所示。

圖3 氚氣活度絕對測量裝置Fig.3 Absolute measurement device of tritium gas activity

2 測量結果

2.1 氚氣標準源的制備

將儲存約50～200 GBq高濃度氚氣的玻璃容器放入制備裝置，接入空的氣瓶，抽真空后將玻璃容器破碎釋放出氚氣，充入一定量的氬甲烷氣體，經過制備裝置的氣體管路到達氣瓶，即可得到一級氚氣。

通過稀釋法可得到其他活度的氚氣，流程為：將較高濃度氚氣瓶和空的氣瓶接入制備裝置，抽真空后，分別稱量兩個氣瓶的質量，記為m1，M1。然后釋放少量氚氣至管路，再充入一定量的氬甲烷氣體經過氣體管路至空的氣瓶中，分別稱量稀釋后的氣瓶質量，記為m2，M2，即可得到稀釋氚氣。

用稱量法計算稀釋過程中的稀釋因子，通過高量程天平給出量值，得到的不確定度較小，是公認的制備基準氣體的主要方法，其原理見式（1）。采用高量程高精度的天平和稱重的方法確定分裝標準氚氣的質量，天平的量程為20 kg，最小分量為1 mg。

式中：A1，A2分別為稀釋前后氚氣源的活度濃度，Bq/L；k為稀釋因子；M1，M2分別為稀釋氚氣源稀釋前后氣瓶質量，g；m1，m2分別為原始氚氣源稀釋前后氣瓶質量，g。

表2為通過稱量法得到的每級稀釋過程的稀釋因子的值，氚氣制備過程中可以調整每級稀釋過程氚氣源和稀釋氣體的質量得到不同量級的稀釋因子，進而得到不同活度濃度范圍的氚氣標準源。

表2 稀釋過程的稀釋因子Tab.2 Dilution factor of dilution process

通過上述方法，使用50～200 GBq的原始氚氣源制備氚氣標準源，可以得到活度濃度為107～109Bq/L的一級氚氣源、活度濃度為104～106Bq/L的二級氚氣源以及活度濃度為102～103Bq/L的三級氚氣源。

2.1.1 測量方法

氚氣的測量采用長度補償內充氣正比計數器法，該方法是氣體活度測量的經典方法，也是一種絕對測量方法。探測器由三根同樣結構僅長度不同的正比計數管組成，氚氣活度濃度經過對死時間、本底、甄別閾、端效應、壁效應等數值進行修正。

單根正比計數管探測器的計數率為

式中：N為探測器修正后計數率，s-1；N'為探測器表觀計數率，s-1；td為裝置死時間，μs；Nb為本底，s-1；μ為壁效應修正因子；η為小能量損失修正系數。

通過三管符合法測量的氚氣比活度為

式中：A'為正比計數管內氚氣比活度，Bq/L；為最長正比計數管修正后計數率，s-1；VL為最長正比計數管體積，L；NM為中等長度正比計數管修正后計數率，s-1；VM為中等長度正比計數管體積，L；NS為最短正比計數管修正后計數率，s-1；VS為最短正比計數管體積，L。

所測量的氚氣標準源的比活度為

式中：V0為測量系統總體積，包括正比計數管、稀釋腔室及連接管路，L；VH為充入測量系統的氚氣體積，由流量計給出，L；P為測量時環境壓力，kPa；T為測量時環境溫度，℃；P0為標況下的壓力，kPa；T0為標況下的溫度，℃。

2.1.2 測量結果

使用活度測量裝置測得的各氚氣活度測量結果見表3。

表3 氚氣標準源活度測量Tab.3 Measurement of tritium standard gas activity

從活度濃度測量結果可知，通過稱量法計算的活度濃度與長度補償法測量出的活度濃度的結果相對偏差小于4%，由此驗證了使用稀釋法制備各活度濃度的氚氣源并通過稀釋因子給出氚氣源活度濃度的方法是可行的。

2.2 測量結果不確定度的分析與評定

對測量結果進行不確定度分析與評定，計數率、本底、死時間的不確定度分量為A類評定，采取相對標準標準偏差進行評定，壁效應修正因子、小能量修正因子采取最小二乘法進行評定，測量系統體積、氚氣體積、實驗溫度、壓力等不確定度分量為B類評定，由檢定/校準證書給出。各分量互相影響很小，可以認為是相互獨立，因此測量結果相對標準不確定度uc為

式中：ui為各影響因素帶來的不確定度分量。

氚氣標準源活度濃度測量結果的不確定度評定如表4所示。

表4 不確定度評定Tab.4 Uncertainty evaluation

3 結論

以氬甲烷氣體為載氣的高壓氚氣標準源的研制，突破了放射性氣體標準物質研制關鍵技術，建立了不同活度的氚氣標準源的自主制備方法，為氚監測儀活度量值的溯源以及現場校準提供技術保障，取得的主要研究成果如下：

1）通過稱量法確定稀釋因子，利用等壓稀釋的方法可制備不同規格（體積、壓力）、活度濃度范圍為102～109Bq/L的氚氣標準源；

2）通過長度補償法對氚氣標準源的活度濃度進行測量，可對活度濃度范圍為103～107Bq/L的氚氣標準源進行定值；

3）對氚氣標準源活度濃度的測量進行了不確定度的分析和評定，其擴展不確定度為3.2%（k=2）。