氫同位素形態對電離室氚測量的影響

李語奇,徐鵬程,占 勤,楊麗玲,楊洪廣

(中國原子能科學研究院,北京 102413)

電離室能直接對氚的放射性活度濃度進行測量,是快速確定含氚氣體活度濃度的分析方法。隨著聚變堆與其他涉氚系統的發展,在線氚活度濃度測量提出了更精準的要求。理想情況下,進入電離室靈敏體積內所有氚氣的β射線能量均作用于電離工作氣體,且產生的所有電離離子都被收集[1]。實際上,在離子往兩極運動過程中,部分正負離子將以復合的方式損失,導致輸出電流減弱[2]。在氚活度濃度高于1×104MBq/L的氚測量時,電離室氚活度濃度測量值要低于實際值,因為電離室內的正負離子濃度增加,離子復合發生概率增大,影響電離室的收集效率[3]。根據Jesse等[4]在1952年α粒子的電離實驗,在氦氣(He)環境中加入少量的其他氣體,會影響各種輻射電離產生的離子數量,這部分離子也會對電離室最終的輸出信號產生影響。

在聚變堆氚增殖劑產氚或載帶提取的載帶氣體He中,不同形態的氫同位素氣體[5]會對氚測量結果產生影響。因此本研究建立一套循環氚測量實驗系統,該系統能準確模擬聚變堆包層氚提取循環狀態,可根據實驗需求配制氣體。本文主要工作是利用電離室氚測量時的復合效應理論與He+H2體系理論[6],結合電離室、色譜、露點儀等測量手段,在循環氚測量實驗裝置上分析He中含有H2O、HTO、H2等不同氫同位素氣體形態對氚測量的影響。

1 實驗原理

電離室的工作原理是通過電離工作氣體使其產生正負離子對[7],并收集離子產生電流。在電離室內被電離的正負離子濃度(n±(r))可分別用下式表示[8]:

(1)

(2)

式中:a、b為電離室的幾何結構;n0為氚濃度;u+、u-為載氣成分的正負離子漂移速度;V為電離室上所加高壓。

1.1 電離室內的離子復合損失

電離室內正負離子濃度分布取決于電離室的幾何結構、氚濃度、離子漂移速度和電離室工作高壓。當含氚氣體中含有大量水汽,會使電離室壁污染,影響電離室的探測效率[9],如圖1所示。

圖1 電離室HTO去除與本底結果[10]Fig.1 Ionization chamber HTO decontamination and background result[10]

實際上,導致電離室內收集效率下降的主要原因是H2O與HTO等負電性氣體的存在,使得離子發生復合的概率增大。根據測量電流計算公式[11],電離室內離子收集效率下降將導致測量電流下降,電離室測量的氚活度濃度與電流呈正比,所以測量值低于實際值,如下式所示:

(3)

式中:Ig為β射線在靈敏體積內電離產生的電離電流,A;Cg為電離室待測氣體中的氚活度濃度,Bq/L;Ve為電離室靈敏體積,L;φ為電離室收集效率,%;E為衰變產生的沉積能量;e為電子電荷,1.6×10-19C;ζ為被氣體吸收的β射線發射能量的百分比;W為電離能,eV。

1.2 電離室的電離增強效應

電離室內的工作氣體He在吸收β射線能量后,除去電離反應外,一部分原子將處于激發態,導致其他氣體(H2)被電離,從而產生電離離子對[12]。而He被β射線電離的同時也將生成帶有一定能量的自由電子,也可能導致發生其他電離過程。β射線在He-H2體系中的能量傳遞過程如圖2所示[12]。

圖2 β射線在He-H2體系中的能量傳遞過程Fig.2 Energy transfer of β-ray in He-H2 system

在聚變堆包層或者其他氚提取系統中,H2濃度高于2 000 ppm時,根據電離增強理論[13],電離增強系數K逐漸趨于飽和,所以可使用K對在線測量的氚活度濃度進行修正。已有的氫濃度與電離增強系數的關系如表1所列。

表1 氫濃度與電離增強系數的關系[13]Table 1 Relationship between hydrogen concentration and ionization enhancement coefficient[13]

2 實驗部分

2.1 實驗系統

本研究搭建了一套氚測量實驗系統,主要包括氫氚混合氣配置單元、氣路循環單元、電離室與露點儀測試單元(IC-1前端與IC-2后端)、色譜分析單元、水汽干燥單元等。可以實現氣體配制、氣體濃度的測量和循環氚活度的測試等功能。實驗系統裝置結構如圖3所示。

圖3 循環氚測量實驗系統Fig.3 Experimental system for tritium measurement

其中色譜分析單元針對氫同位素氣體的檢測分析,搭載了雙檢測器(DID &TCD),其載氣、放電氣和參比氣均選用He[14]。對于He中含有微量H2的高精度氣相色譜分析研究,最低檢測限小于10 ppb,且各濃度下響應值的相對標準偏差均小于1%,響應值與濃度的相關系數R>0.99[15]。H2含量與色譜峰面積的關系如圖4所示。

圖4 氫含量與色譜峰面積的關系Fig.4 Relationship between hydrogen content and chromatographic peak area

2.2 實驗方法

1) 本底測試

系統內載氣為高純He時,記錄電離室氚活度濃度與色譜的分析本底結果。待全部實驗結束后,測量高純He載氣條件下的電離室本底。比較實驗前后電離室的氚活度濃度。

2) 水汽影響實驗

實驗載氣為He中含有微量H2(He+H2)時,利用氣體配制單元配制實驗所需氣體,持續充入循環系統中(速率為10 mL/min),記錄電離室(IC-1與IC-2)與色譜數據,評價H2O與HTO對電離室與色譜的影響。

3) 復合效應與電離增強特性影響實驗

將干燥的HT氣體持續充入循環系統(速率為10 mL/min),記錄電離室與色譜測量情況并計算氚活度濃度。載氣條件為純He時,分析高濃度氚條件下復合效應對電離室測量影響情況;載氣條件為He與H2的混合載氣時,分析電離增強效應對電離室測量結果的影響。

3 結果與討論

3.1 水汽對電離室與色譜測量的影響

往循環系統中持續充入等量濕潤的He后,電離室測量電流從3.6×10-8A降低至1.5×10-8A,有明顯的下降趨勢。因為氧原子等負電性的存在導致俘獲電子發生復合的概率增大,腔室內的離子數量減少,離子收集效率下降,所以電離室測量得到的電流降低,實驗結果如圖5所示。

圖5 水汽含量與電流測量結果隨時間的變化Fig.5 Change of water vapor content in system and measurement result of current with time

往循環系統中持續充入等量濕潤的含氚He,當水汽含量超過200 ppm后,加快充入氣體速率(由10 mL/min加快至50 mL/min),水汽與氚在未被去除的情況下,水汽含量上升速度明顯加快,電離室氚活度濃度測量值增加趨勢率由7.2×103(MBq/L)/min明顯減緩至3.0×103(MBq/L)/min。主要原因是氧原子增加后其負電性導致的復合效應,也說明水汽對電離室的能量沉積具有負面影響。電離室、色譜與露點儀測量結果如圖6所示。

圖6 測量結果隨時間的變化Fig.6 Relationship between measurement result and time

經上述水汽對電離室測量的影響實驗后,系統保持循環狀態并開啟水汽干燥單元,繼續往循環氣路持續充入等量濕潤的含氚He,實驗結果如圖7所示。水汽干燥床前端的水汽含量趨于平緩,即露點儀測量得到的水汽含量與充入氣體中的水汽含量一致。電離室IC-2(干燥床出口處)氚活度濃度從7.5×105MBq/L降低至1.4×105MBq/L,電離室測量得到的氚活度濃度低于充入系統含氚He中的氚活度濃度(實際值),主要原因是在濕潤的含氚He充入系統的過程中,氚與水汽發生了同位素交換,經過干燥床后,系統中的水汽(H2O與HTO)全部被吸附,導致系統內的含氚量低于充入的含氚量。

圖7 水汽干燥單元開啟時測量結果隨時間的變化Fig.7 Relationship between measurement result and time in opened water vapor drying unit

在圖7中,干燥床出口(去除水汽后)色譜氫含量測量(圖3色譜取樣口1)結果恢復穩定,說明水汽影響了氣相色譜的性能,從而影響了對氣體成分的分析。

3.2 復合效應的影響

電離室內的復合效應取決于多個因素,當電離室的工作電壓保持不變時,電離室內的HT濃度達到16 000 ppm時,復合效應明顯,氚活度濃度測量值低于8.1×105MBq/L,電離室測量結果如圖8所示。

圖8 電離室測量結果隨時間的變化Fig.8 Relationship between ionization chamber measurement result and time

為了研究高濃度氚電離室測量中的復合效應,對色譜氫含量測量值進行計算得到對應的氚活度濃度,并對電離室測量值進行修正,結果如圖9所示。當系統中的HT含量在5 000 ppm以下時,電離室修正后的氚活度濃度與色譜計算的基本一致,且與充入HT的標準活度濃度的相對標準偏差不超過3%。而當系統中的HT含量超過10 000 ppm后,電離室中的復合效應明顯,電離室的氚活度濃度低于實際值。

圖9 色譜計算氚活度濃度與電離室測量值修正結果對比Fig.9 Comparison of chromatographic content calculation for tritium activity concentration and ionization chamber correction

綜上所述,對于復合效應的影響,可利用色譜氫含量計算的氚活度濃度數據標定電離室的復合系數,實現未知高濃度氚條件下的測量值修正,也可通過增大電離室工作電壓達到電離室的飽和電流,解決上述復合效應的影響。

3.3 電離增強效應的影響

當含氚氣體充入循環系統后,不同載氣條件下電離室與色譜分析測量的結果如圖10所示。兩次實驗中色譜分析得到的氫同位素含量接近時,電離室氚活度濃度測量結果存在明顯差異。結果表明,純He條件下系統中的氚僅通過電離He產生信號。但在載氣中加入了H2后,隨著H2濃度的增加,電離室的信號增強效應明顯,氚活度濃度測量值高于實際值,當系統內的H2含量超過2 000 ppm,其增強因子也趨向于飽和狀態。

圖10 不同載氣條件下電離室與色譜分析測量的結果Fig.10 Ionization chamber and chromatographic measurement result under different gas conditions

對兩次實驗結果的復合系數、電離增強系數、壓力、溫度等參數進行修正,在1 000～3 000 ppm的氚含量范圍內計算得到的活度濃度基本一致,結果如圖11所示。由此可見,未經過修正的測量數據與實際值差距較大。

圖11 氚活度濃度修正值與測量結果對比Fig.11 Comparison of tritium activity concentration correction and measurement result

為了實現高效的測量與分析,在高濃度涉氚場所中進行實時在線測量時,仍然需要對各類影響電離室的因素開展相關特性實驗,并考慮復合效應以及電離增強效應的影響。

3.4 記憶效應的影響

本文中使用的鍍金絲壁電離室,靈敏體積為50 mL。測量實驗前后本底測試結果如表2所列。全部實驗結束后,相較于實驗開始時本底稍有增加,鍍金處理與絲壁結構減少了腔室內壁對HTO以及HT的吸附作用。對系統循環吹掃并回收管路中的HTO與HT,也減少了滯留效應導致的記憶效應,說明在高濃度的環境中工作后記憶效應并不明顯,并不會影響其他實驗中的測量。

表2 本底測試結果Table 2 Background test result

4 結論

1) 電離室與色譜對氫同位素氣體的探測效率,在存在水汽氣體的環境時低于干燥的氣體環境。為了保證測量的準確性,測量時應分離或去除水汽。

2) 當載氣中H2O、HTO、HT的濃度增加,電離室測量時的復合效應增強,導致電離室測量結果低于實際值,可考慮增大電離室工作電壓或者對標定復合系數修正來解決此問題。

3) 當氫氣存在于氦載氣的環境中,由于電離增強效應的影響,含氚氣體的氚活度濃度測量結果將增大,但當氫含量超過2 000 ppm后,其電離增強效應將趨近于飽和狀態。