核設(shè)施退役氣溶膠采樣系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)?

周茹茹，趙立宏

（南華大學(xué)，湖南 衡陽 421001）

0 引言

核設(shè)施退役是核設(shè)施生命周期的終端，是核設(shè)施全壽期管理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)重要活動(dòng)。核設(shè)施退役的基本要求是放射性物項(xiàng)獲得安全處理與處置，使場(chǎng)址成為綠地?zé)o限制開放或用于其他用途。退役過程中會(huì)包含大量的放射性污染，如氣溶膠、土壤污染等，會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)作業(yè)造成很大的影響，故此需要建立正確的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，及時(shí)作出應(yīng)急措施。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理及其組成

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

監(jiān)測(cè)主要是利用各種監(jiān)測(cè)儀記錄粒子的數(shù)目，測(cè)定放射性活度。在監(jiān)測(cè)過程中，最基本的測(cè)量原理是利用帶電粒子在物質(zhì)中產(chǎn)生的電離和激發(fā)效應(yīng)或快速輕帶電粒子穿過物質(zhì)的電磁輻射效應(yīng)。由于γ射線不能被探測(cè)器直接探測(cè)到，故探測(cè)時(shí)利用它在物質(zhì)中的光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對(duì)效應(yīng)。放射性污染（氣溶膠）目前階段的測(cè)量方法主要有收集和分析、實(shí)時(shí)在線測(cè)量法，如圖1所示。選擇氣溶膠測(cè)量?jī)x器時(shí)，考慮的首要因素之一是氣溶膠的粒度范圍。在粒度圖譜中的微小粒子端，氣溶膠粒子可能在（光）化學(xué)反應(yīng)、凝結(jié)核和凝結(jié)生長(zhǎng)以及凝結(jié)或凝聚中形成。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般由采樣裝置、探測(cè)器、抽氣泵、接口、PC機(jī)等部分構(gòu)成［1］，如圖2所示。當(dāng)進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，氣溶膠采樣的上下兩支吸入管自動(dòng)閉合，將濾紙夾緊，抽氣泵開始抽氣，放射性氣溶膠粒子以一定的流量被吸入裝置中，待一段時(shí)間后，抽氣泵停止工作。濾紙的傳送機(jī)構(gòu)將采集了氣溶膠粒子的濾紙樣品準(zhǔn)確送到探測(cè)部位，通過PC機(jī)即可知道其中所含的放射性物質(zhì)以及其質(zhì)量濃度。

圖1 氣溶膠實(shí)時(shí)在線測(cè)量裝置示意圖

在氣溶膠測(cè)定中，特征放射性測(cè)量具有現(xiàn)實(shí)意義。放射性核的數(shù)目隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律減少，在給定時(shí)間內(nèi)，一定量的放射性核素在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生核衰變數(shù)除以時(shí)間間隔的商稱為放射性活度，用A來表示：

其中：A0為樣品在0時(shí)刻的活性；λ為衰變常數(shù)；N為放射性原子核數(shù)；N0為0時(shí)刻放射性原子核數(shù)；t為測(cè)量時(shí)間。

而氣溶膠的粒子質(zhì)量濃度Cm（g/cm3）取決于放射性物質(zhì)的數(shù)量濃度Ca（Bq/m3），并與物質(zhì)的特征放射性A（Bq/g）有關(guān)，其關(guān)系為：Cm＝Ca/A。

每平方米空氣中放射性粒子的數(shù)量濃度Cn（粒子數(shù)/m3）取決于已知的放射性物質(zhì)的數(shù)量濃度Ca，并與特征放射性A、粒子濃度ρ（g/m3）以及氣溶膠的體積存在關(guān)系。假設(shè)粒子是單分散性的，形狀為球形（體積為πd3p/6，dp為氣溶膠粒子的當(dāng)量直徑），則關(guān)系式為：

1.2 氣溶膠采樣系統(tǒng)的組成

在氣溶膠采樣過程中，首先要考慮采樣器的選擇，目前常用的采樣口有兩種，blunt采樣口和薄壁采樣口。本系統(tǒng)采用薄壁采樣口，這是一種理想采樣口，不會(huì)影響外界氣流，在管口也不會(huì)有粒子反彈。采樣探頭、濾膜托、壓力機(jī)、流量測(cè)量裝置、流量調(diào)整器和抽氣泵是采樣系統(tǒng)必備的部件［2］。在一般情況下，攜帶氣溶膠的氣體通過探測(cè)頭進(jìn)入濾膜托，進(jìn)入控制裝置，采樣時(shí)，采樣探頭的方向應(yīng)與氣流方向相反。采樣過后就是樣品的輸送系統(tǒng)，由管道（鉛管）、彎管和流量壓縮元件組成。輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則是使粒子的損失最小化，故此要縮短傳輸距離和傳輸時(shí)間。在整個(gè)采樣系統(tǒng)中，重要的是切割器的設(shè)計(jì)，考慮到PM10和PM2.5的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)了采樣PM2.5切割器。

圖2 放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

在設(shè)計(jì)切割器時(shí)［3］，要遵循兩個(gè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)方針（這兩個(gè)指導(dǎo)方針涉及到兩個(gè)無量綱參數(shù)）：由噴嘴直徑限定的噴射流S與噴嘴到板的距離W之比（S/W）和雷諾數(shù)（Rej）。根據(jù)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件擬合后繪制出收集效率曲線，發(fā)現(xiàn)S/W和Rej會(huì)影響沖擊式采樣器的采樣效率。

理想氣溶膠采樣儀器定義為：能計(jì)數(shù)每一個(gè)粒子并迅速測(cè)量其粒徑、化學(xué)成分及形態(tài)的儀器。在設(shè)計(jì)過程中要考慮流體力學(xué)的因素，效率高的進(jìn)口能最大可能地減少泵損耗而使粒子傳輸速率更快。在傳輸過程中，不可避免地會(huì)有粒子沉積，最終得到的沉積效率為：

其中：M為采樣口管道處的斯托克數(shù)；Di為采樣口管道的內(nèi)徑；Dn為噴嘴直徑。

2 采樣儀器的技術(shù)特性

采樣儀器的技術(shù)特性如下：

流量范圍（m3/min）： 0.8～1.2；

流量示值誤差（%）： ±2.5；

穩(wěn)流響應(yīng)時(shí)間（s）： ＜5；

計(jì)時(shí)精度（%）： ±0.1；

累計(jì)采樣流量誤差（%）： ±5；

溫度測(cè)量范圍（℃）： －30～50；

溫度示值誤差（℃）： ±1。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)效率分析及數(shù)據(jù)處理

氣溶膠在采樣和測(cè)量過程中往往會(huì)出現(xiàn)一些偏差，在光學(xué)粒度分級(jí)儀器中，檢測(cè)的基礎(chǔ)是一個(gè)粒子，但在監(jiān)測(cè)的過程中往往會(huì)存在重合效應(yīng)，在輸送過程中也會(huì)有損失，考慮了重合效應(yīng)后，輸送管路輸送效率為：

通過實(shí)驗(yàn)擬合得出PM2.5切割器的采樣效率η3與氣溶膠粒子的當(dāng)量直徑dp（μm）的關(guān)系，如圖3所示，約為：

圖3 PM2.5切割器采樣效率與當(dāng)量直徑的關(guān)系

在測(cè)量過程中，儀器主要的輸出結(jié)果與活性表面積濃度的空氣動(dòng)力學(xué)粒度分布有關(guān)。濃度的測(cè)量值受儀器精密度、采樣器的收集特征、流量以及電流測(cè)量值的影響，為了計(jì)算采樣器的帶電效率，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同的粒徑分布有如下規(guī)律，其分布函數(shù)為：

采集了的氣溶膠，最終是要測(cè)量其所含放射性物質(zhì)的多少，氣溶膠樣品中的放射性核素的活度須大于儀器的最小探測(cè)活度，方能被識(shí)別出來［4］。我國(guó)采用探測(cè)下線或定量探測(cè)下線，其計(jì)算式為：

其中：AD為氣溶膠樣品中待測(cè)核素的活度；K為α射線和β射線探頭的判斷概率對(duì)應(yīng)值；Nb為本底計(jì)數(shù)；η，εP（Eγ）分別為待測(cè)γ射線的發(fā)射概率和全能峰探測(cè)效率；G為取樣體積。

在放射性物質(zhì)監(jiān)測(cè)中，本設(shè)計(jì)用的是半導(dǎo)體閃爍探測(cè)器探測(cè)γ射線，探測(cè)時(shí)把入射粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾蓴?shù)，形成脈沖電流［5］。閃爍探測(cè)器探測(cè)γ的效率稱為本征效率，表示為：

其中：μ為閃爍體材料對(duì)被測(cè)射線的線性吸收系數(shù)；δ為閃爍體在入射方向上的厚度。

自然界普遍存在一定的輻射，這些輻射來自外界空間的宇宙射線以及本身地理天然放射性核素，會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，我們稱這些干擾核素測(cè)得的值為本底?？紤]本底后，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的活度定量探測(cè)下限為：

其中：ε為特征峰的探測(cè)效率。

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，最終要確定的是放射性氣溶膠的濃度，也就是表面污染，根據(jù)儀器的特點(diǎn)，得出α射線和β射線表面污染值計(jì)算公式為：

4 結(jié)束語

在核設(shè)施退役過程中，放射性氣溶膠會(huì)對(duì)人們的生活和工作產(chǎn)生有害的影響，如何監(jiān)測(cè)和預(yù)警至關(guān)重要。該項(xiàng)研究工作圍繞氣溶膠及土壤采樣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備展開研究，通過對(duì)氣溶膠現(xiàn)有采樣技術(shù)的研究和分析，旨在解決現(xiàn)有條件下的不足之處。隨著電子測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測(cè)技術(shù)取得了很大的進(jìn)步和發(fā)展，有利的保證了研究目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

［1］李建龍，譚玲龍，王彥，等.新型放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測(cè)儀的實(shí)驗(yàn)研究［J］，核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2009（7）：921-924.

［2］李愛武，毛永，傅翠明，等.QLM＿01型放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測(cè)儀的研制［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，1998（5）：216-220.

［3］保羅A巴倫，克勞斯·維勒克.氣溶膠測(cè)量原理、技術(shù)及應(yīng)用［M］.白志鵬，張燦，譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［4］周程.大氣中放射性氣溶膠的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)［J］.核技術(shù)，2011（11）：866-871.

［5］張志龍，傅翠明，李靜，等.PING＿50型放射性氣溶膠＿碘和惰性氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2006（7）：390-396.