放射性氙高靈敏度現場快速自動化監測系統研制

龍 斌,周國慶,田言杰,雷衛國,陳 偉,蘇川英,王雪梅,馮淑娟

(西北核技術研究所,陜西 西安 710024)

核科學的發展和核能的利用在工農業生產、能源開發、科學研究等方面發揮著重要的作用,但也帶來很多環境和安全問題。為確保核技術的和平、安全、可靠利用,核設施氣態流出物監測能夠為核設施安全評估、輻射事故預警等提供數據,另外放射性氣體核素監測作為禁核試核查現場視察和國際監測系統的重要手段為甄別可疑的違約活動提供依據。

放射性氙同位素(131m,133,133m,135Xe)擁有較高的裂變產額、易泄漏擴散、適宜的半衰期和較低的環境本底,使其成為禁核試核查現場視察和核設施安全監測的重要特征核素[1-2]。現有放射性惰性氣體檢測系統分為3類。第1類是快速測量系統,主要用于核電站等設施環境監測,儀器的探測限大于104Bq/m3,這類儀器采用直接采樣/測量的方式,除部分儀器對氣體加壓外,基本不采用其他富集手段,且大多采用塑料閃爍體進行總β測量,不能進行核素分辨。典型的儀器包括Canberra 公司的CAM100G、CAM200PIGFF、CAM200PGFF,MGP儀器公司的NGM203L、NGM204L(分析周期為15 s～2 h),中國輻射防護研究院的PING50[3]等。然而,在低泄漏率的情況下,空氣會稀釋和擴散放射性核素,因此這類儀器不適用于氣體泄漏的早期預警或低漏率情形的泄漏檢測。第2類儀器是超高靈敏度放射性氣體測量系統,采用復雜的多級吸附-純化-實驗室測量的工藝流程,系統的檢測靈敏度非常高,對133Xe的最小可探測活度濃度(MDC)約為1 mBq/m3,但采集/分析周期均大于20 h。典型系統主要為禁核試核查的臺站系統和現場視察設備,包括美國的ARSA[4-5],法國的 SPALAX[6],瑞典的SAUNA[7]、SAUNA field[8]、SAUNA Ⅲ[9],俄羅斯的ARIX[10-11]和ARIX-3F[12],以及中國的XESPM-Ⅱ/Ⅲ[13-15]等,這類系統的分析周期通常大于20 h,且其吸附柱結構使得這類系統不能用于現場直接測量。第3類系統的探測靈敏度介于前二者之間,監測周期小于1 h,對前兩類系統形成有益補充。文獻[16]基于77 K超低溫吸附原理研制了放射性氙高靈敏度快速檢測原型系統,30 min的測量周期內對133Xe的MDC約為4.3 Bq/m3,該系統需要液氮保障,且需要人工更換樣品盒,自動化水平有待提高。

本文綜合運用-110 ℃超低溫動態吸附、中空纖維膜除雜和現場低本底測量等技術,研制一套放射性氙高靈敏度現場快速自動化監測系統,為核設施安全監測、核應急氣體監測提供新的解決方案。

1 儀器與方法

1.1 系統設計

綜合考慮探測靈敏度、樣品處理速度、系統重量、易用性等因素,系統設計的原則是:1) 采用模塊化設計;2) 具有穩壓功能;3) 能有效去除氣體中的顆粒物、氡子體、H2O、CO2;4) 設計高測量效率樣品盒;5) 具有流量、壓力、溫度的即時測量/顯示功能;6) 可維護性強,能夠實現組件的快速更換。

系統工藝流程圖如圖1所示。氣體通過氡子體過濾器(采用玻璃纖維濾紙對氡子體過濾,過濾效率大于99%[17])高效去除灰塵和氡子體后,采用空壓機對氣體進行壓縮采樣;氣體進入熱交換器除去液態水并平穩壓力;氣源處理器進一步除去液態水;通過調壓閥調節空壓機的采樣流量,用壓縮空氣流量計進行流量測量;然后,氣體通過優化組合的中空纖維膜組件,大量去除H2O和CO2等雜質組分,實現氣體的預濃縮。膜后氣體進入除雜柱進行深度除雜,使H2O和CO2等組分保持在極低水平,確保雜質組分不會堵塞吸附柱且不影響氙的吸附。氣體進入-110 ℃吸附柱被充分吸附,氣路尾氣通過專用管路回氣。吸附完成后,吸附柱自然回溫,排出自然回溫氣體,對管路抽真空后,加熱吸附柱至260 ℃,30 min后通入高純氮氣進行解吸,解吸氣體收集入樣品盒內并采用HPGe探測器進行測量。同時,持續通入氮氣再生吸附柱和除雜柱。測量完成后,對樣品盒抽真空并反復用氮氣沖洗保證殘留足夠小。內置的超低溫致冷機將無水乙醇冷卻至-110 ℃。止回閥用于防止吸附尾氣和中空纖維膜滲透氣回流。采用-110 ℃吸附溫度的原因是,該溫度接近氙的沸點,使吸附劑對氙的吸附能力足夠強,也不會因為溫度太低導致氙液化而堵塞吸附柱,同時使吸附柱足夠小,從而提高氙的吸附和解吸效率。

圖1 系統工藝流程圖

圖2為系統硬件實物圖和軟件界面。考慮到整個系統的可靠性、模塊化、獨立化以及操作的便利性,將其劃分為取樣、預處理、致冷和測量共4個單元。取樣單元包括空壓機與過濾器;預處理單元包括除雜柱、氣源處理器、流量計、閥門管路等;致冷單元包括制冷系統、真空泵、注射器,冷卻槽和加熱室及控制組件;測量單元包括樣品盒、鉛屏蔽室、HPGe探測器。圖2b上圖為上位機控制軟件,通過網絡連接硬件系統,可實現流程編輯、系統狀態監測、能譜顯示等功能,其中流程編輯具有動作插入、刪除、修改功能,流程編輯完成后,可實現一鍵化操作,全流程可自動循環。圖2b下圖為系統離線控制軟件,位于預處理單元,可實現對除雜柱、吸附柱、注射器、流量和真空泵的單獨控制。

圖2 系統實物圖(a)及軟件界面(b)

除雜柱采用304不銹鋼材質氬弧焊接,并打磨光滑;內部U型結構如圖3所示,尺寸為φ40 mm×300 mm,上端法蘭及手柄部分隔熱處理,防止燙傷。除雜柱加熱室采用陶瓷式加熱圈,最高加熱溫度為400 ℃,采用絲杠移動平臺控制除雜柱上下移動。

圖3 除雜柱結構示意圖

吸附柱(圖4)采用銅管加工,尺寸為φ12 mm×200 mm,內徑為10 mm;上部為空心法蘭結構,內部填充保溫材料;法蘭與主體之間安裝有隔熱墊片,滿足低溫和高溫使用,最大限度減少熱量損失;接觸面安裝有O型圈,與接觸面軟連接與密封。在U型柱中間,安裝溫度傳感器實時監測吸附柱溫度,傳感器為T型熱電偶。吸附柱移動采用電機和絲杠組合的方式,控制上升、下降和平移。吸附柱填充碳分子篩吸附劑(TJ-CMS),文獻[1]測試了其孔結構及吸附特性。

圖4 吸附柱結構示意圖

鉛屏蔽室內部空間尺寸為φ150 mm×400 mm。鉛厚度為100 mm,內襯為銅、鎘板,外層用2 mm鋼防護。鉛室本底全譜計數率小于2 s-1。樣品盒采用鋁材質加工,內部尺寸為φ80 mm×23 mm,壁厚為2 mm,樣品盒內部為倒圓角,進、出氣管采用1/8英寸(in)管道以減少管路死體積,采用碳纖維窗結構減小對射線的吸收。

1.2 效率刻度

探測器采用ORTEC公司的GEM-C80-LB-C-S HPGe探測器,能量分辨率為0.825 keV@122 keV(57Co)、1.9 keV@1 332 keV(60Co),探測器相對效率為83%@1 332 keV(60Co)。本文研制了母體核素為226Ra的模擬氣體基質放射源,源尺寸與系統樣品盒一致,源基質選擇聚苯乙烯顆粒模擬空氣;該源由中國計量科學研究院加工并校準(證書編號:DLhd2021-14830)。實驗刻度時,探測器端面與源盒之間距離為5 mm。采用MCNP軟件計算相同測量條件下空氣中226Ra及其子體的探測效率,同時采用模擬氣體基質放射源在相同條件下的實驗值對計算結果進行驗證。在此基礎上,模擬計算放射性氙同位素的探測效率。

1.3 回收率測量方法

氙的回收率(η)計算公式如式(1)所示。

(1)

式中:V(Xe)為富集后樣品氣中的純Xe體積;R(Xe)為空氣中Xe的濃度(0.087 cm3/m3);Va為采樣體積。

穩定氙濃度測量采用Agilent 7890氣相色譜儀(TCD檢測器,爐溫為90 ℃,檢測器溫度為205 ℃)和PORAPAK Q色譜柱(60～80目、長2 m、外徑1/8 in,柱流量為10 mL/min,參比流量為26 mL/min)。

1.4 活度濃度和MDC計算

假設取樣過程中放射性氙同位素不斷被收集在吸附柱內,同時也在不停地發生放射性衰變,即富集和衰變同時發生,則氙同位素活度濃度C1(Bq/m3)計算公式如式(2)所示。

(2)

式中:ε為探測器對源盒內133Xe、135Xe的探測效率,s-1/Bq;pγ為特征γ射線的發射概率;Nγ為感興趣特征峰的計數;ts為測量時長,s;λ1為核素的衰變常量,s-1;F為取樣速率,m3/s;t2為樣品處理時長(包括自然回溫、解吸、樣品收集等過程),s;t1為采樣時長,s。

MDC計算公式如下:

(3)

其中,Nb為全能峰本底計數。

1.5 不確定度評定

測量結果的不確定度來源包括全能峰凈計數率不確定度、探測效率的不確定度、流量率不確定度以及回收率測量的不確定度,其中回收率測量的不確定度包括采樣體積、混合氣體收集體積以及穩定氙測量結果的不確定度,探測效率測量的不確定度包括蒙特卡羅計算誤差和計算模型尺寸的不確定度。不確定度評定公式如式(4)～(6)所示。

(4)

(5)

(6)

式中:uη為回收率測量結果的相對不確定度;u采樣體積為采樣體積的相對不確定度;u混合氣體收集體積為混合氣體收集體積的相對不確定度;uXe為穩定氙測量結果的相對不確定度;uε為探測效率的相對不確定度;umod為蒙特卡羅計算模型尺寸的相對不確定度;ucal為蒙特卡羅計算誤差;uC為氙活度濃度測量結果的相對不確定度;uNγ為全能峰計數的統計漲落;uF為流量率測量的相對不確定度。

2 結果與討論

2.1 探測效率校準

HPGe探測器對模擬氣體基質放射源的探測效率與蒙特卡羅模擬計算結果的比較列于表1。由表1可知,探測效率的蒙特卡羅計算值與實驗值的相對偏差在±9%以內,表明本文所采用蒙特卡羅計算模型是有效的。

表1 模擬計算及實驗驗證結果的比較

采用蒙特卡羅模擬計算得到的放射性氙同位素探測效率列于表2。

表2 探測效率計算結果

2.2 回收率測量

采樣(吸附)-解吸-測量流程完成后,使用氣相色譜儀分析樣品盒內的純氙濃度,結合樣品盒內部空間體積和氣體壓力計算樣品盒內純氙體積,根據式(1)計算系統的回收率,結果列于表3,回收率平均值為79.9%,兩次實驗結果較為一致。

表3 回收率實驗結果

2.3 MDC測量

在222Rn活度濃度為20 Bq/m3的條件下,根據式(3)分析系統的MDC,結果列于表4,不同類型放射性測量系統MDC的比較列于表5。

表4 MDC實驗結果

表5 放射性氙相關監測系統MDC比較

由表4、5可知,本文所研制系統對133Xe和135Xe的MDC分別為0.26 Bq/m3和0.17 Bq/m3,優于其他快速測量系統(如KRT、BAI9850-19和NGM204L等),分析周期優于基于吸附原理的同類型系統。

2.4 不確定度評定

根據式(4)、(5)評定本系統監測放射性氙測量結果的不確定度,結果列于表6。由表6可得,測量結果的擴展相對不確定度小于±11.4%(k=2)。

表6 不確定度評定結果

3 結論

放射性氙取樣、測量技術研究和設備研制對于禁核試核查現場視察、核安全監測和核應急監測均具有重要意義。本文運用-110 ℃超低溫動態吸附技術,并結合中空纖維膜除雜、低本底γ能譜測量等技術,研制了一套放射性氙高靈敏度現場快速自動化監測系統,對133Xe和135Xe的MDC分別為0.26 Bq/m3和0.17 Bq/m3,分析周期優于變溫濃縮測量系統,測量結果的合成擴展不確定度小于±11.4%(k=2)。該系統實現了對放射性氙高靈敏度、快速測量的目標,可應用于核安全監測領域。