新型環(huán)境空氣中放射性惰性氣體濃度測量技術的研究

唐振波，方燦琦，曹明月，李 海，何帥興

（1.常州環(huán)宇信科環(huán)境檢測有限公司，江蘇 常州 213022；2.杭州湘亭科技有限公司，浙江 杭州 311100）

國際上放射性核素監(jiān)測系統(tǒng)主要用于大氣層核試驗的監(jiān)測，其放射性惰性氣體監(jiān)測臺站網(wǎng)在監(jiān)測水下核試驗，規(guī)避性大氣層核試驗（如大雨情況下進行）和泄漏量較大（10%以上）的地下核試驗中發(fā)揮著重要作用，但封閉性較好的地下核試驗不能監(jiān)測。如何開發(fā)適用的監(jiān)測技術是具有很強的實用價值的。放射性惰性氣體氙是核試驗和反應堆核事故泄漏釋放的主要氣態(tài)流出物之一，放射性氙測量技術具有極高的靈敏度，可用于檢測可疑核爆炸事件。通過分析133Xe在大氣中吸附富集后的活度變化可監(jiān)測全球核爆炸事件。由于放射性氙同位素在大氣中含量極低，必須先進行高效富集，然后分離純化，才能得到符合放射性測量要求的氙樣品。本研究擬通過以低輻射計數(shù)法、加速器質譜法和原子阱痕量檢測技術為基礎的檢測技術，開發(fā)長壽命放射性惰性氣體Xe同位素快速、高效檢測的技術[1]。

1 氙取樣測量系統(tǒng)的原理

取樣子系統(tǒng)主要利用吸附富集和脫附純化技術，將大氣中極痕量的放射性氙進行富集純化，然后通過測量放射性氙產(chǎn)生的γ和β射線來給出活度結果，最后結合氣相色譜給出的氙量結果計算最終的活度濃度結果。

2 氙取樣系統(tǒng)的設計

為了同步實現(xiàn)氙取樣和測量功能，為氙取樣系統(tǒng) 設計一套監(jiān)控系統(tǒng)，要求實時采集溫度、壓力、真空度、流量、氣體濃度等過程量，具備實時顯示、存儲、曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，根據(jù)流程工藝需求控制氣動閥、壓縮機、冷水機、干式真空泵等設備的啟停。具備實時檢測設備運行狀態(tài)，出現(xiàn)意外情況進行報警功能。

氙取樣測量系統(tǒng)包括采取組件、空氣預處理組件、膜分離組件、制冷單元、多級吸附濃縮組件、TCD測量、收集再生組件。氙取樣流程見圖1。

圖1 惰性氣體Xe取樣流程圖

采樣組件由空氣壓縮機、壓力測量和緩沖罐組成。空壓機作為系統(tǒng)的動力源，從大氣環(huán)境中取氣，為后端提供原料氣。為穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，經(jīng)壓縮的氣體先經(jīng)過緩沖罐緩沖壓力，隨后進入下一操作階段。

空氣預處理組件作用為去除空氣中的水分、油分、顆粒雜質等，主要包含三級過濾器和冷干機。其中三級過濾器主要用來過濾樣品氣中的油分、顆粒物。冷干機用來對樣品組件進行干燥除水，選用冷干機大氣露點約-25 ℃，無需更換。三級過濾器雜質過濾精度高達99.99%以上，經(jīng)三級超精密過濾器后原料氣中油分含量低至0.005 mg/m3[2]。

膜分離組件主要作用為除去原料氣中的氧氣、二氧化碳、氫氣、微量水，關鍵設備為半透膜。原料氣經(jīng)過半透膜后，利用滲透速率的不同，滲透率大的氣體被排放出去，比如絕大部分的氧氣、二氧化碳、氫氣和水汽，其余氣體如氮、氬、氪、氙、氡，則由尾氣端進入裝填有4A分子篩的干燥柱體，除去殘余的微量水分，然后進入下一濃集階段。

經(jīng)過膜分后的樣品氣在進入多級吸附柱之前需進行降溫，基于活性炭對氙在低溫下的吸附效果更好，則采用低溫冷凍機將樣品氣溫度降低至-80 ℃至-100 ℃，再進入一級吸附柱進行吸附。

多級吸附組件是對樣品氣進行深度濃集和進一步去除氧、氮、氪、氡等雜質氣體。吸附組件的核心為活性炭吸附柱，柱內裝填活性炭吸附材料，對樣品氣進行吸附。主要吸附氣體為氪、氙、氡，其余不被吸附的氣體通過尾氣支路排空。

TCD組件用于對經(jīng)過濃縮提純的樣品氣體進行色譜分析。在正式測量樣品中氙氣濃度之前，需要配置若干已知濃度的Xe標準氣體樣品，以便對色譜工作站進行標樣刻度。Xe標氣由專業(yè)供方進行配氣，一組標準樣品應該包括與樣品氣中Xe組分濃度等量級的標準氣體。標準氣注入標準柱，經(jīng)過色譜檢測后所獲出峰圖譜被色譜工作站記錄，此圖譜作為正式樣品氣體測量時的出峰時序參比。采購成熟的氣相色譜分析儀器，用外部氦氣源載帶樣品氣體進入色譜儀器，通過與標氣標定的出峰結果進行在線監(jiān)測對比，分析出樣品中氙氣的濃度，并對結果進行保存[3]。

當氙經(jīng)過色譜工作站檢測后，預先判定好在氙出峰的時間段內，用外部氦氣源把解析后的氙直接推送入取樣瓶中，從而完成氙的收集。其余不需要的氣體經(jīng)由排空閥門排出。各吸附柱在使用前要進行完全再生活化處理，用以排除柱腔內殘余雜質氣體，此步驟需要配套相應的真空再生組件。真空再生組件由干泵以及相應的再生閥門組成。考慮到吸附柱活化及再生所需，需配置一臺真空泵以滿足吸附柱活化再生的需求。當系統(tǒng)中的吸附柱需要徹底再生時，要對吸附柱進行加熱處理，加熱溫度為350 ℃，同時打開相應的再生閥門V24、V11、V27，對各吸附柱進行抽空處理，使整個吸附柱實現(xiàn)徹底解析再生。以上步驟完成后，準備進行下個樣品的操作。

采用系統(tǒng)工藝包含三部分：待機狀態(tài)、預處理狀態(tài)和吸附狀態(tài)。其中待機狀態(tài)默認所有設備帶電閉合；預處理狀態(tài)為設備活化再生，準備吸附工作的預先處理，若 是長期閑置也需要進行預處理，若連續(xù)運行僅在開機時進行一次預處理即可，也可定期預處理；吸附狀態(tài)下，系統(tǒng)所有設備均保持運行，并通過控制系統(tǒng)對設備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控[4]。（1）待機狀態(tài)：所有設備及閥門均為閉合狀態(tài)，默認設備帶電。（2）預處理狀態(tài):所有吸附柱在使用前均需進行再活化處理。具體為將吸附柱加熱到350 ℃，開啟抽空泵，再打開抽空閥V24、V11、V27，對吸附柱C1、C2、C3進行活化再生。活化再生處理時長為30 min。30 min后，先關閉抽空閥V24、V11、V27，再關閉抽空泵[5]。活化再生處理完成后，需使用高純氮氣對吸附柱吹掃并填充，可使吸附柱降溫恢復至待吸附工作狀態(tài)。高純氮氣吹掃時長約為30 min，以C1-1的溫度恢復至常溫為吹掃結束的信號。（3）吸附狀態(tài):氣體進入C1-1進行吸附，吸附時長共為3 h。將V6打開，氣體流經(jīng)C1-1 Kr、Xe等氣體被吸附，其他雜質氣體（主要N2、O2）則通過V6排出。C1-2進行吸附，C1-1解析，C1-2從3 h 0min～6 h吸附時長共為3 h。C1-1加熱200 ℃，F(xiàn)1設為200 mL/min。氣體經(jīng)QV1——C1-2——QV2——F3——C1-1，未被C1-2吸附的大量氣體經(jīng)V7排除，少量尾氣200 mL/min用于C1-1解析。

3 氙測量系統(tǒng)

測量主要利用色譜法對樣品中氙總量進行測量和利用β——γ譜儀對樣品中放射性氙進行測量，從而實現(xiàn)大氣中放射性氙的定量監(jiān)測[6]。

氙測量系統(tǒng)的框架結構主要分為3個單元模塊：①放射性氙測量儀器；②總氙量測量儀器；③測量工作站。

①放射性氙測量儀器由塑料閃爍體探測器、γ譜儀、鉛屏蔽室和電子學系統(tǒng)組成。通過β-γ符合測量，獲得氙樣中131mXe、133Xe、133mXe和135Xe四種同位素的活度和活度的最低探測限（MDA）的結果（單位Bq）。

②總氙量測量儀器由配置有固態(tài)熱導檢測器（SSD）的微型氣相色譜儀來實現(xiàn)。采用定體積閥進氣體樣品，用微型填充色譜柱將Xe與其他氣體分離，固態(tài)熱導檢測器檢測Xe含量，然后經(jīng)過信號放大電路、數(shù)據(jù)采集和模－數(shù)轉換，最后通過RS232上傳給數(shù)據(jù)處理工作站。計算機對采集的數(shù)據(jù)進行處理，定量分析組分的含量，從而得到Xe含量及其取樣效率的結果[7]。

③測量工作站主要包括氙測量子系統(tǒng)的控制軟件、放射性氙測量儀器的雙參數(shù)測量軟件和氙含量分析儀的測量軟件等，控制氙樣品在放射性氙測量和穩(wěn)定氙測量儀器間的自動傳輸、清洗以及樣品歸檔，采集、存儲并處理兩種測量儀器的譜圖數(shù)據(jù)，最終得到放射性氙同位素活度濃度和活度濃度的最低探測限（MDC）的結果（單位Bq/m3）。

4 氙取樣測量系統(tǒng)測試

本實驗通過空氣壓縮機對空氣進行加壓，通過干燥器除去水分，再經(jīng)過冷卻器降溫后進入一級吸附柱，設定空氣流量為100 L/min，空氣中的Xe吸附在柱內活性炭上，加熱使Xe脫附并逐級轉移到后一級吸附柱上吸附，從而達到濃縮純化Xe的目的。各級吸附柱均使用氣相色譜儀或者微型色譜儀測定吸附柱內Xe、CO2、Rn的流出濃度隨時間的變化曲線，即測氡儀測定吸附柱內的Xe、CO2和Rn隨溫度的變化曲線[8]。實驗監(jiān)測結果見表1。

表1 實驗結果

試驗結果表明，研發(fā)的氙取樣測量系統(tǒng)基本具備了Xe的取樣和測量一體化功能，且具備基礎的操作控制功能。