核電廠高純鍺氣體譜儀現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

趙衛(wèi)軍，章愛平，孫元君

（中國核電工程有限公司，北京　100840）

核電廠高純鍺氣體譜儀現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

趙衛(wèi)軍，章愛平，孫元君

（中國核電工程有限公司，北京100840）

目前，國內(nèi)多數(shù)核電廠高純鍺譜儀主要都用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，作為譜儀的主要組成部分，以往由于受各種技術(shù)因素的限制，少數(shù)核電廠將高純鍺探測(cè)器用于現(xiàn)場(chǎng)，以監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工藝介質(zhì)的核素組成。文章結(jié)合國內(nèi)核電廠高純鍺氣體譜儀在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)存在的問題，分析了問題存在的原因，給出了新的現(xiàn)場(chǎng)氣體譜儀總體結(jié)構(gòu)圖，并對(duì)總體結(jié)構(gòu)圖中的主要設(shè)備選型及軟件進(jìn)行了分析。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用；高純鍺探測(cè)器；氣體譜儀

高純鍺（HPGe）探測(cè)器由于自身的多種優(yōu)點(diǎn)，正逐步用于核領(lǐng)域的放射性監(jiān)測(cè)。以往HPGe譜儀主要設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室，作為人工取樣測(cè)量儀表使用。隨著科技的進(jìn)步，HPGe譜儀可設(shè)置在核電廠現(xiàn)場(chǎng)完成部分監(jiān)測(cè)任務(wù)（如田灣核電站、秦山三期、中國實(shí)驗(yàn)快堆），但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，現(xiàn)場(chǎng)譜儀在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)較多的故障，為了使在線氣體譜儀在核電廠更為廣泛的應(yīng)用，需對(duì)現(xiàn)行的現(xiàn)場(chǎng)氣體譜儀的應(yīng)用方案進(jìn)行改進(jìn)。

1　HPGe譜儀探測(cè)器原理與特點(diǎn)［1］

HPGe譜儀探測(cè)器屬于半導(dǎo)體探測(cè)器，其原理是在高純度鍺晶體兩端注入金屬接觸極，在金屬接觸極兩端加高壓，使高純鍺形成一個(gè)電場(chǎng)，γ光子進(jìn)入高純鍺內(nèi)產(chǎn)生光電效應(yīng)，由此產(chǎn)生的次級(jí)電子再引起物質(zhì)的電離和激發(fā)，形成電脈沖流，電脈沖的幅度正比于γ光子的能量，通過收集這些脈沖電流來記錄γ光子的相關(guān)信息。高純鍺在低溫時(shí)（如77 K），平均電離能約為2.96 eV，而氣體探測(cè)器的平均電離能約為30 eV，即同樣能量的γ光子，在高純鍺中產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)，要比氣體探測(cè)器產(chǎn)生的多一個(gè)量級(jí)，產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)漲落形成的誤差，高純鍺遠(yuǎn)好于氣體探測(cè)器。另外，高純鍺在低溫狀態(tài)下平均電離能幾乎穩(wěn)定不變，保證了高純鍺通過測(cè)量脈沖的幅度來確定γ光子的能量。

為了使HPGe探測(cè)器能夠穩(wěn)定的收集電流脈沖保持工作狀態(tài)穩(wěn)定，必須使HPGe探測(cè)器在要求的低溫狀態(tài)下工作。

2　國內(nèi)電廠在線氣體監(jiān)測(cè)問題

M310堆型核電廠中沒有設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)氣體譜儀，雖有氣體監(jiān)測(cè)通道，但這些監(jiān)測(cè)通道只監(jiān)測(cè)氣體的總活度濃度或劑量率；為了獲取被測(cè)工藝氣體的核素組成，采用定期實(shí)驗(yàn)室取樣分析的方法，此方法只能獲取間斷性的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)取樣增加了運(yùn)行人員的工作量和個(gè)人劑量。

田灣核電站和秦山三期設(shè)置了現(xiàn)場(chǎng)氣體譜儀，可快速獲取被監(jiān)測(cè)氣體的核素組成，減少工作人員現(xiàn)場(chǎng)取樣的頻率，但是，根據(jù)這些現(xiàn)場(chǎng)氣體譜儀的運(yùn)行情況，主要還存在以下問題：

1）現(xiàn)場(chǎng)氣體譜儀安裝區(qū)域環(huán)境溫度過高，環(huán)境放射性本底起伏較大，或者取樣點(diǎn)的樣品溫度有很大差別，有些測(cè)量點(diǎn)的樣品溫度過高，影響設(shè)備正常運(yùn)行。2）HPGe探測(cè)器內(nèi)部容易真空失效，探測(cè)器的選擇不合適。3）單純的液氮制冷，需要頻繁更換液氮，增加運(yùn)行成本和工作人員的工作量；單純的電制冷機(jī)，使壓縮機(jī)一直處于運(yùn)行狀態(tài)，縮短壓縮機(jī)的使用壽命；同時(shí)一旦出現(xiàn)故障，維護(hù)維修周期長，降低HPGe探測(cè)器的實(shí)際使用率。4）電子學(xué)譜儀落后，需要更新?lián)Q代，采用更先進(jìn)的電子學(xué)譜儀。5）測(cè)量方式不合理。6）譜儀取樣系統(tǒng)、測(cè)量設(shè)備、譜分析器等都設(shè)置了控制監(jiān)測(cè)程序，程序的步序較多，相互之間的兼容性和容錯(cuò)性較差，測(cè)量容易中斷。

3　改進(jìn)思路［2，4］

如果能解決目前國內(nèi)電廠譜儀運(yùn)行中存在的問題，儀表的運(yùn)行將會(huì)持續(xù)穩(wěn)定。相比常規(guī)實(shí)驗(yàn)室HPGe譜儀，儀表將充分體現(xiàn)出在線實(shí)時(shí)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)目前譜儀存在的主要問題，嘗試從以下幾個(gè)方面加以解決：

1）針對(duì)環(huán)境溫度過高，放射性本底起伏較大及工藝流體介質(zhì)溫度不均的問題，安裝時(shí)采用在線取樣測(cè)量方式，設(shè)備布置在環(huán)境條件較溫和的場(chǎng)所，并選擇合理的鉛屏蔽及本底較低的安裝區(qū)；視各回路被測(cè)介質(zhì)溫度情況適當(dāng)增加部分冷卻回路。2）選擇真空效果較好的探測(cè)器，進(jìn)行探測(cè)器的選擇優(yōu)化。3）為了避免單獨(dú)采用液氮制冷或者單獨(dú)采用電制冷的問題，將設(shè)計(jì)采用最新改進(jìn)型的電制冷裝置加液氮制冷的混合型方法。4）更新采用最新高通過率的電子學(xué)譜儀。5）優(yōu)化電氣控制單元與測(cè)量模式。6）根據(jù)軟件功能要求及分類，優(yōu)化選擇合理的控制軟件。

4　總體結(jié)構(gòu)

高純鍺現(xiàn)場(chǎng)在線氣體譜儀系統(tǒng)包括過濾器、控制閥及冷卻回路的前端預(yù)取樣部件，不同量程的雙探測(cè)器，液氮與電組合制冷器，流量計(jì)，調(diào)節(jié)閥，取樣泵，多道電子譜儀，電氣控制箱及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等設(shè)備，如圖1所示。

5　硬件配置方案

5.1取樣回路設(shè)計(jì)及布置

由于現(xiàn)場(chǎng)各種復(fù)雜的工藝介質(zhì)條件，工藝流體介質(zhì)溫度可能不均，也可能含各種雜質(zhì)，為此視各回路被測(cè)介質(zhì)溫度情況，適當(dāng)增加部分支路的冷卻回路，并增加支路過濾器。

針對(duì)目前國內(nèi)電廠譜儀運(yùn)行環(huán)境溫度過高的問題，安裝時(shí)擬采用在線取樣測(cè)量方式，測(cè)量設(shè)備布置在環(huán)境條件較溫和的場(chǎng)所。

選擇合理的鉛屏蔽及本底較低的安裝區(qū)，以防止放射性本底起伏較大而影響測(cè)量結(jié)果。

圖1　現(xiàn)場(chǎng)氣體譜儀總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The architecture for on-site gas spectrometer system

5.2探測(cè)器的選擇［3］

HPGe探測(cè)器的選擇應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況，綜合考慮實(shí)際應(yīng)用中的因素而進(jìn)行選擇。這些因素包括：樣品的形狀與可獲取量、感興趣核素的能量范圍、核素及能量峰的復(fù)雜程度、樣品的實(shí)際活度水平、希望達(dá)到的最低探測(cè)限以及是否在強(qiáng)中子場(chǎng)下測(cè)量等。

探測(cè)器能量響應(yīng)范圍的下限不僅取決于探測(cè)器類型，還與探測(cè)器所采用的端窗材料有關(guān)。GMX探測(cè)器的能量響應(yīng)下限為3 keV，是指采用5 mm的Be窗；如果采用碳纖維窗，其能量下限約為6 keV；而采用鋁窗的能量下限則為20 keV左右。

從實(shí)際探測(cè)效率的角度，不同類型的探測(cè)器對(duì)不同形狀的樣品有著不同的適應(yīng)性；對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)氣體譜儀探測(cè)效率要求在低能端效率適中即可，相對(duì)效率可選20%～30%。

低效率的探測(cè)器盡管有著更好的分辨率，但其峰康比也較低，影響中高能段與高能峰鄰近峰的測(cè)量，所以不宜選擇太低的分辨率。

對(duì)于不同的實(shí)際應(yīng)用，分辨率的重要程度或者說其應(yīng)該達(dá)到的要求是有區(qū)別的。核電廠在線氣體譜儀測(cè)量的核素種類相對(duì)較多或譜線相對(duì)復(fù)雜，應(yīng)該首先考慮分辨率，經(jīng)分析選擇2～3 keV合適。根據(jù)目前市場(chǎng)上已有探測(cè)器，選擇P型同軸高純鍺探測(cè)器合適。

文章采用雙探測(cè)器測(cè)量，根據(jù)活度范圍自動(dòng)選擇采集的數(shù)據(jù)，低活度的采用測(cè)量室1的數(shù)據(jù)，高活度的采用測(cè)量室2的數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制。根據(jù)目前存在的問題應(yīng)注意選擇真空效果較好的探測(cè)器。

5.3制冷方式的選擇

制冷設(shè)備的選擇，根據(jù)核電廠具體情況，可以采用液氮制冷、電制冷，或者采用液氮與電組合制冷方式，以達(dá)到相互補(bǔ)充的作用。

為了解決單個(gè)制冷存在的問題，文章采用液氮與電組合制冷方式。它利用常規(guī)的液氮和電氣制冷。利用內(nèi)置低溫制冷器冷凝LN2存儲(chǔ)的蒸發(fā)氣體。這一功能克服了單獨(dú)電制冷最普遍的缺點(diǎn)，即在電力故障期間失去制冷能力。利用單獨(dú)的電制冷器，即使很短的電源故障也會(huì)造成24～48 h的停機(jī)時(shí)間去做必要的回溫/變冷的循環(huán)。甚至還存在探測(cè)器在溫度循環(huán)后沒有完全恢復(fù)的風(fēng)險(xiǎn)。

在發(fā)生電源故障后，低溫恒溫器LN2供應(yīng)仍然能夠不斷冷卻探測(cè)器，最長可達(dá)一星期，不會(huì)造成制冷能力的中斷，不會(huì)由于部分回溫而造成停機(jī)，也不會(huì)因?yàn)闇囟妊h(huán)而造成探測(cè)器故障。

低溫恒溫器利用一個(gè)冷指制冷器與一個(gè)LN2杜瓦裝置集成，整個(gè)配置本質(zhì)上與標(biāo)準(zhǔn)的杜瓦完全相同。這意味著低溫恒溫器可以直接代替目前使用的最普通LN2低溫恒溫器。冷指制冷器的電源和電源控制器合成到低溫恒溫器裝置的內(nèi)部，插入電源即可運(yùn)行。

5.4數(shù)字化多道的選擇

為了更好地測(cè)量與處理數(shù)據(jù)，采用快速通過率的數(shù)字化譜儀，主要技術(shù)性能如下：

1）最高數(shù)據(jù)通過率大于133 kcps。2）內(nèi)置高壓模塊，正負(fù)極性由用戶選擇。3）自動(dòng)最優(yōu)化、自動(dòng)極零、虛擬示波器和數(shù)字化門控基線恢復(fù)等多項(xiàng)技術(shù)。4）零死時(shí)間校正（ZDT）功能下同時(shí)給出不確定度報(bào)告。5）用戶可預(yù)置多個(gè)核素的MDA，在所有MDA滿足時(shí)自動(dòng)終止計(jì)數(shù)。

5.5電氣控制單元的選擇

主要完成對(duì)取樣泵的控制以及顯示故障信息。采用集中測(cè)量，發(fā)現(xiàn)問題時(shí)逐個(gè)通道掃描測(cè)量的運(yùn)行方式。掃描時(shí)的控制模式分為兩種模式（自動(dòng)和手動(dòng)），這兩種工作模式進(jìn)程如下：

1）自動(dòng)掃描時(shí)間可設(shè)置，也可以選擇任意幾個(gè)連續(xù)通道循環(huán)掃描。2）手動(dòng)掃描可選擇任意通道連續(xù)循環(huán)掃描。

6　軟件配置方案

6.1軟件需要完成的基本功能

根據(jù)測(cè)量要求，軟件需要完成的基本功能如下：

1）接收來自探測(cè)器的γ能譜，確定放射性核素的成分和在樣品中的放射性核素的體積活度。2）保存處理后的γ能譜。3）定義核素庫。4）能量與效率刻度功能。5）探測(cè)器與樣品的配置。6）樣品的分類管理。7）QA質(zhì)保分析。8）二次開發(fā)功能。

6.2軟件模塊類型

根據(jù)軟件完成的基本功能，需要設(shè)置的軟件模塊如下：

1）Windows 7操作系統(tǒng)，并配備TCP/IP協(xié)議。2）32位數(shù)據(jù)庫引擎。3）庫文件。4）活度及其平均值計(jì)算。5）對(duì)取樣管線閥門進(jìn)行控制的IO模塊。6）自動(dòng)批處理γ能譜的模塊。7）在線查看譜處理結(jié)果的程序模塊。8）將數(shù)據(jù)輸出到能用于二次開發(fā)的格式文件。9）本底與靈敏度設(shè)置模塊。10）最低探測(cè)下限計(jì)算模塊（MDA）。11）組態(tài)軟件的應(yīng)用。

整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)、硬件與軟件的配置進(jìn)行了分析優(yōu)化設(shè)計(jì)，為核電廠現(xiàn)場(chǎng)譜儀系統(tǒng)的研究開發(fā)與設(shè)計(jì)提供參考。

7　結(jié)束語

現(xiàn)場(chǎng)氣體譜儀的實(shí)際應(yīng)用將大大減輕工作人員的工作強(qiáng)度，提高工作效率；測(cè)量結(jié)果將更加精確，便于工作人員及時(shí)了解核電廠或核設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，提高核電運(yùn)行的安全性，在核電廠將產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。該譜儀的研制成功，在國內(nèi)外必將具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。

［1］ 凌球，郭蘭英. 核輻射監(jiān)測(cè)［M］. 北京：原子能出版社，1992.（LING Qiu，GUO Lan-ying. Nuclear Radiation Monitoring［M］. Beijing：Atomic Energy Press，1992.）

［2］ 張志龍，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)與核探測(cè)技術(shù)，2006， 26（4）：390-396.（ZHANG Zhi-long，et al. Development of PING-50 continuous radioactive aerosols，gaseous iodine and noble gases monitor［J］. Nuclear Electronics & Detection Technology，2006， 26（4）：390-396.）

［3］ ORTEC. The Best Choice of High Purity Germanium（HPGe） Detector［G］. U.S.A，2009.

［4］ ORTEC. Recent Development of HPGe Detectors and γ-ray Spectrometers［G］. U.S.A，2009.

Solution Design for High-Purity Germanium Gas Spectrometer On-site

ZHAO Wei-jun，ZHANG Ai-ping，SUN Yuan-jun
（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing100840，China）

As a main component of the spectrometer， the high-purity germanium spectrometer at civil nuclear power plant is mainly used in laboratory at present. For various technical limits， the HPGe on-line spectrometer is only used in few power plants， to monitor the composition of nuclide for field process medium. Combined with the problem of the field HPGe gas spectrometer in civil power plant， the causes of the problem are analysed. The overall architecture for new field gas spectrometer have been given， the choice for main equipment and software have been analysed for the overall architecture.

field application；high-purity germanium detector；gas-spectrometer

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）02-0101-04

TM623

A

1674-1617（2015）02-0101-04

2015-02-05

趙衛(wèi)軍（1973—），男，湖南邵東人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事輻射監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)工作。