雙通道人工放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾國(guó)強(qiáng) 賴(lài)茂林 顧民 卿松 楊坤 谷懿 夏源 葛良全 肖明

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雙通道人工放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾國(guó)強(qiáng)1賴(lài)茂林1顧民1卿松1楊坤2谷懿1夏源1葛良全1肖明2

1（成都理工大學(xué)四川省地學(xué)核技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都610059） 2（中廣核久源（成都）科技有限公司 成都610200）

人工放射性氣溶膠的監(jiān)測(cè)環(huán)境較為復(fù)雜，有時(shí)甚至要在地下洞庫(kù)、坑道或地下核設(shè)施測(cè)量，其環(huán)境中氡及其子體產(chǎn)物的濃度高達(dá)103?104Bq?m?3。在高氡釷環(huán)境下，氡釷能峰拖尾導(dǎo)致其放射性計(jì)數(shù)影響了人工氣溶膠道址計(jì)數(shù)，進(jìn)而影響人工放射性氣溶膠的探測(cè)下限。本文研制了一種適合在高氡環(huán)境下工作的常壓、真空雙通道人工氣溶膠監(jiān)測(cè)儀。雖然常壓測(cè)量通道測(cè)量準(zhǔn)確度較差，但響應(yīng)速度快，可以彌補(bǔ)真空測(cè)量通道測(cè)量準(zhǔn)確但響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)。本儀器對(duì)大氣環(huán)境中钚、鈾氣溶膠檢測(cè)的響應(yīng)時(shí)間快，在有人工核素泄露的情況下最快30 min內(nèi)可以得到測(cè)量結(jié)果，理論探測(cè)下限可達(dá)到10?4?10?3Bq?m?3，可驗(yàn)證探測(cè)下限為鈾0.1 Bq?m?3、钚0.02 Bq?m?3，適用于各類(lèi)需要對(duì)人工核素進(jìn)行無(wú)人監(jiān)測(cè)的高氡環(huán)境場(chǎng)所。

高氡釷背景，人工放射性氣溶膠，探測(cè)下限，真空測(cè)量

在各種核設(shè)施的建造、運(yùn)營(yíng)、退役以及放射性物質(zhì)的儲(chǔ)存過(guò)程中可能使Pu、U等長(zhǎng)壽命核素彌散于空氣中形成人工放射性氣溶膠。在地下洞庫(kù)、坑道或地下核設(shè)施，尤其是處在花崗巖地帶的地下核設(shè)施，其環(huán)境中天然氡及其子體產(chǎn)物的濃度高達(dá)103?104Bq?m?3 [1]，因此在該環(huán)境下進(jìn)行239Pu、235U、238U、241Am等人工放射性核素形成的氣溶膠濃度的準(zhǔn)確測(cè)量，必須考慮扣除氡釷放射性子體計(jì)數(shù)在人工放射性氣溶膠道址上的影響。常規(guī)的人工放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)儀工作在大氣壓環(huán)境下，所測(cè)量氡釷a能譜曲線(xiàn)的左側(cè)拖尾嚴(yán)重[2]，劣化了人工放射性氣溶膠濃度探測(cè)下限指標(biāo)，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際使用要求。為了減小空氣吸收帶來(lái)的拖尾，則應(yīng)采用抽真空測(cè)量方式，但真空測(cè)量情況下難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)抽氣采樣與能譜測(cè)量，當(dāng)發(fā)生人工放射性氣溶膠泄漏時(shí)，無(wú)法及時(shí)預(yù)警。為此，設(shè)計(jì)了具有常壓、真空雙通道并行測(cè)量的人工放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)儀。

1 探測(cè)器與濾紙選型設(shè)計(jì)

普通常壓工作模式下空氣吸收導(dǎo)致的能譜拖尾展寬遠(yuǎn)大于一般鈍化離子注入硅半導(dǎo)體探測(cè)器(Passivated Implanted Planar Silicon, PIPS)的固有能量分辨率，故對(duì)PIPS探測(cè)器要求不高。但在真空工作模式下為了進(jìn)一步提升探測(cè)下限指標(biāo)，則要求盡可能提高譜線(xiàn)能量分辨率，故選用美國(guó)ORTEC公司ULTRA-AS型鈍化離子注入硅半導(dǎo)體探測(cè)器[3]。此型號(hào)探測(cè)器為a能譜儀專(zhuān)用的低本底版本，入射窗和背接觸極都是離子注入接觸極，具有0.5 nm超薄的入射窗厚度，有效面積為300 mm2，對(duì)a粒子的能量分辨率為14 keV，對(duì)b粒子的能量分辨率為11 keV。探測(cè)器在3?8 MeV的能量范圍內(nèi)每天的本底計(jì)數(shù)小于24個(gè)。放射性氣溶膠取樣濾膜是放射性氣溶膠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，由于濾膜本身的特性造成天然氣溶膠a能譜拖尾會(huì)干擾人工放射性氣溶膠測(cè)量結(jié)果，因此選擇能譜測(cè)量時(shí)拖尾小的濾膜顯得尤為重要[4]。由于人工放射性氣溶膠的粒徑通常大于1mm，天然放射性氣溶膠粒徑一般小于0.5mm[5]，故本文選取的濾膜孔徑為0.45mm，使人工放射性氣溶膠粒子盡可能多地被濾紙截留，又使天然放射性氣溶膠粒子幾乎不沉積在濾紙表面。本文采用的實(shí)驗(yàn)濾膜為北京九鼎高科公司生產(chǎn)的混合纖維濾膜、聚醚砜濾膜(Polyethe-rsulfone, PTFE)、疏水聚四氟乙烯(Polytetrafluor-oethylene, PES)濾膜。根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知：混合纖維濾膜孔徑分布均勻，孔隙率高達(dá)80%，且具有流速快、吸附少等特點(diǎn)；PES濾膜流速快，能提高過(guò)濾速度；PTFE濾膜材料結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱(chēng)[6]，且截留空氣中的水分效果較好。針對(duì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證濾膜測(cè)量a能譜特征峰拖尾程度，以天然放射性氣溶膠a能譜計(jì)數(shù)率最高的214Po (7.68 MeV)特征峰為主要研究對(duì)象。如圖1所示，將214Po特征能量峰分為兩個(gè)能區(qū)，1代表214Po (7.68 MeV)核素a特征射線(xiàn)的特征峰中心道址到右終止道址的計(jì)數(shù)和；2代表譜儀記錄214Po (7.68MeV)核素a特征射線(xiàn)特征峰的總計(jì)數(shù)值；為特征峰中心道址計(jì)數(shù)值；則特征峰計(jì)數(shù)F=21?，拖尾計(jì)數(shù)T=2?F；定義為濾膜本身特性造成的拖尾因子，=T/F。由圖2可知，孔徑對(duì)拖尾的影響呈“V”字型分布?？讖捷^小的濾膜容易截留大氣中如灰塵的其他粒子，在進(jìn)行探測(cè)時(shí)，a粒子在灰塵中散射而能量降低導(dǎo)致拖尾變得更加嚴(yán)重；而用孔徑較大的濾膜采樣時(shí)，人工放射性氣溶膠粒子滲透到濾膜內(nèi)部或者背部占主導(dǎo)地位，造成探測(cè)時(shí)a粒子能量降低而導(dǎo)致拖尾。因此，選擇和天然放射性氣溶膠粒子最大粒徑大致相當(dāng)孔徑的濾膜，可以降低拖尾的影響。如表1可知，相同孔徑(0.45 μm)的不同濾膜中，利用PTFE濾膜對(duì)天然放射性氣溶膠采樣時(shí)，a能譜拖尾程度最小，而PES濾膜a能譜拖尾程度最大，會(huì)嚴(yán)重影響放射性氣溶膠的測(cè)量結(jié)果，故選取0.45 μm孔徑PTFE濾膜作為工作濾膜。

圖1214Po核素全能峰和低能拖尾能區(qū)

圖2 不同孔徑拖尾趨勢(shì)

表1 不同濾膜同種孔徑拖尾測(cè)量

2 常壓/真空雙通道測(cè)量機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

放射性氣溶膠在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要由氣體切割器、直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、真空室、校準(zhǔn)放射源控制機(jī)構(gòu)、濾紙導(dǎo)向輪、濾紙計(jì)數(shù)輪、主動(dòng)輪部件、從動(dòng)輪部件、質(zhì)量流量計(jì)、真空壓力傳感器、采樣泵、真空泵等部件組成。其中常壓通道與真空通道中的PIPS探測(cè)器都包裹鉛層，用以降低宇宙射線(xiàn)帶來(lái)的本底a計(jì)數(shù)，出于降低成本考慮，未采用雙PIPS探測(cè)器反符合方法扣除宇宙射線(xiàn)。主動(dòng)輪和從動(dòng)輪可以實(shí)現(xiàn)儀器周期自動(dòng)更換濾膜的功能，將常壓通道內(nèi)的濾膜移動(dòng)到真空通道中；直線(xiàn)電機(jī)可以控制常壓/真空通道的上下移動(dòng)；在測(cè)量時(shí)將濾膜壓緊，使通道內(nèi)的探測(cè)器緊貼濾膜，更換濾膜時(shí)可以讓濾膜跟隨主動(dòng)輪平移而更換位置；真空通道和常壓通道中均有探測(cè)面積為300 mm2的PIPS探測(cè)器和電荷靈敏前置放大器，電荷靈敏前置放大器輸出的脈沖信號(hào)通過(guò)航空插連接到數(shù)字多道脈沖幅度分析器中實(shí)現(xiàn)譜線(xiàn)采集與獲取。儀器開(kāi)始運(yùn)行時(shí)常壓通道利用采樣泵將空氣中的氣溶膠收集在濾膜上并在15 min后第一次讀取譜線(xiàn)，通過(guò)天然氡釷扣除算法計(jì)算出人工道內(nèi)對(duì)應(yīng)钚和鈾的計(jì)數(shù)。如果钚/鈾氣溶膠濃度高于常壓通道閾值，立即將濾膜移動(dòng)到真空通道中進(jìn)行測(cè)量，由于真空通道中空氣對(duì)a粒子的影響較小，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)到的譜線(xiàn)拖尾現(xiàn)象不嚴(yán)重，因此在真空采樣通道內(nèi)可以精確地檢測(cè)到钚/鈾氣溶膠濃度，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種結(jié)果：一種是常壓通道誤報(bào)，儀器將進(jìn)入下一個(gè)周期；另一種是在真空通道中的人工計(jì)數(shù)高于設(shè)定的真空通道閾值，儀器立即發(fā)出聲光報(bào)警計(jì)算得出15 min內(nèi)钚/鈾氣溶膠濃度；如果周期開(kāi)始后15 min第一次讀取譜線(xiàn)，常壓通道未發(fā)現(xiàn)異常，常壓通道將繼續(xù)采樣并5 min獲取一次譜線(xiàn)，直至周期結(jié)束進(jìn)行下一周期。

圖3 雙通道測(cè)量機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 高濃度下天然氡釷放射性氣溶膠扣除

圖4為人工放射性氣溶膠的計(jì)算方法流程圖。

圖4 人工放射性氣溶膠計(jì)算方法流程圖

3.1 譜線(xiàn)光滑與尋峰

采用薩維茨基濾波器實(shí)現(xiàn)譜線(xiàn)光滑[7]，二次或三次多項(xiàng)式擬合光滑公式的系數(shù)計(jì)算如下：

取=5，則可知每道光滑后計(jì)數(shù)為：

(2)

采用二階導(dǎo)數(shù)法尋峰，分別尋找出氡子體214Po (7.68 MeV)和218Po (6.0 MeV)兩個(gè)峰，并采用這兩個(gè)峰作為軟件穩(wěn)譜與能量刻度的標(biāo)準(zhǔn)，文中7.68 MeV對(duì)應(yīng)譜線(xiàn)的768道，6 MeV對(duì)應(yīng)譜線(xiàn)的600道，依此類(lèi)推，從而降低譜線(xiàn)解析的難度。

3.2 能量刻度與峰位漂移修正

在儀器長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，環(huán)境溫度的變化會(huì)導(dǎo)致電子學(xué)電路、PIPS探測(cè)器等性能參數(shù)的變化，從而導(dǎo)致譜線(xiàn)漂移，為了降低解譜難度，需進(jìn)行譜漂修正[8]。由于單次測(cè)量中溫度等環(huán)境因素變化相對(duì)一致不會(huì)反復(fù)劇烈波動(dòng)，因此可近似認(rèn)為單次測(cè)量中峰位只有左漂或右漂。選用214Po (7.68MeV)和218Po (6.0 MeV)雙峰進(jìn)行校正，方法如下：采用雙峰（218Po 和214Po）進(jìn)行校正，則進(jìn)行如下計(jì)算：首先按照峰能量和測(cè)得的道數(shù)根據(jù)式(3)和(4)計(jì)算'和'，則校正后的道址為H='+'。

(4)

然后使用式(5)把該能譜每道的計(jì)數(shù)校正到默認(rèn)能量刻度結(jié)果所對(duì)應(yīng)的道址：

如果7.68 MeV對(duì)應(yīng)768道，則設(shè)置=100、=0，大部分情況下，H值不是整數(shù)，因此采用下述式(6)把計(jì)數(shù)調(diào)整到整數(shù)道：

式中：H,i和H,i?1分別表示第道和?1道；(H,i)和(H,i?1)分別表示這兩道的計(jì)數(shù)；表示對(duì)第道取整；()表示取整后第道的計(jì)數(shù)。

3.3 真空測(cè)量通道氡釷扣除算法設(shè)計(jì)

常見(jiàn)人工放射性核素發(fā)射的a粒子能量范圍為4.1?5.5 MeV，而氡釷子體發(fā)射的a粒子能量范圍為6?8 MeV。如果氡釷子體a能譜拖尾嚴(yán)重，將在人工核素能區(qū)產(chǎn)生大量干擾計(jì)數(shù)，影響人工放射性核素濃度計(jì)算。故需要在人工核素能區(qū)計(jì)數(shù)中扣除氡釷子體氣溶膠產(chǎn)生的干擾計(jì)數(shù)。如圖5所示，我們將測(cè)得的能譜2.50?5.58 MeV（250?558道）設(shè)為N1區(qū)即為人工區(qū)；5.59?6.14 MeV（559?614道）為N2區(qū)；6.15?7.83 MeV（615?783道）為N3區(qū)[9]。

圖5 N1、N2、N3能區(qū)劃分示意圖

0是真空通道人工a核素產(chǎn)生的凈計(jì)數(shù)，即人工核素能區(qū)的總計(jì)數(shù)扣除氡子體干擾計(jì)數(shù)后的剩余值，可以表示為0=1?1,33?1,22，其中：1、2、3分別為其對(duì)應(yīng)能區(qū)的總計(jì)數(shù)；1,2為218Po在N1能區(qū)產(chǎn)生的拖尾計(jì)數(shù)與其在N2能區(qū)峰計(jì)數(shù)比值；1,3為214Po在N1和N2能區(qū)產(chǎn)生的拖尾計(jì)數(shù)與其在N3能區(qū)峰計(jì)數(shù)比值。1,2和1,3通過(guò)以下算法得到：

(8)

式(7)、(8)引用自文獻(xiàn)[8]，為通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中得出的氡子體拖尾計(jì)數(shù)與對(duì)應(yīng)峰計(jì)數(shù)間的函數(shù)擬合關(guān)系式。式中：2、2、2、2、3、3、3、3為氡子體拖尾計(jì)數(shù)與峰計(jì)數(shù)間函數(shù)關(guān)系式的系數(shù)，該參數(shù)需要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與遺傳算法計(jì)算得到，并且數(shù)據(jù)越多，得出的結(jié)果越精確。

3.4 常壓測(cè)量通道氡釷扣除算法設(shè)計(jì)

常壓通道獲取譜漂修正后的譜線(xiàn)后，軟件會(huì)首先對(duì)譜線(xiàn)進(jìn)行平滑處理并將214Po (7.68 MeV)能量峰以距離最高計(jì)數(shù)道址左邊的1.5為邊界分為兩部分，為214Po (7.68 MeV)高斯峰的標(biāo)準(zhǔn)偏差。左邊部分利用擬合的方法采用非線(xiàn)性擬合中的Levenberg-Marquardt算法作擬合處理[10]；右邊部分用高斯函數(shù)作擬合處理。對(duì)于擬合后的譜線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行拖尾拓展，即對(duì)214Po (7.68 MeV)能量峰按修正得到修正譜線(xiàn)數(shù)據(jù)，這里修正因子=1.25。將修正后的214Po (7.68 MeV)能峰平移到600道，即212Bi (6.05 MeV)、218Po (6.0 MeV)所在道址，此能峰稱(chēng)作修正峰，而譜漂修正前譜線(xiàn)在600道的能量峰稱(chēng)作原始峰，計(jì)算以上兩個(gè)能峰在550?614道內(nèi)計(jì)數(shù)和，記為cnt1和cnt2，并做修正如下：count=×(cnt1/cnt2)，即可得到修正擬合峰，式中：為待修正譜線(xiàn)某一道址的計(jì)數(shù)值。最后利用平滑后原始譜線(xiàn)減去count得到修正后的擬合峰，得到扣除后的計(jì)數(shù)值，因此可計(jì)算钚、鈾所在能區(qū)計(jì)數(shù)，得出钚、鈾氣溶膠濃度。

4 濃度計(jì)算與探測(cè)下限確定

根據(jù)人工放射性氣溶膠產(chǎn)生的凈計(jì)數(shù)率、采集的空氣體積、探測(cè)效率計(jì)算其濃度。得到人工a氣溶膠（同樣適用于b粒子）產(chǎn)生的凈計(jì)數(shù)后，根據(jù)式(9)、(10)計(jì)算其濃度：

(9)

其中：式(9)對(duì)應(yīng)真空通道；式(10)對(duì)應(yīng)常壓通道。式中：表示采樣時(shí)段內(nèi)人工a放射性氣溶膠濃度值，Bq?m?3；表示探測(cè)器的探測(cè)效率；表示采樣流量，m3?s?1；1表示采樣時(shí)長(zhǎng)，s；2表示測(cè)量時(shí)長(zhǎng)，s；表示濾紙過(guò)濾效率。由于人工放射性氣溶膠的空氣動(dòng)力學(xué)直徑大于1mm，而本文采用的濾紙孔徑為0.45mm，因而過(guò)濾效率近似于1。式(10)中測(cè)量時(shí)間等于采樣時(shí)間，即1=2=。

表征儀器監(jiān)測(cè)靈敏度的指標(biāo)是對(duì)人工a氣溶膠濃度的監(jiān)測(cè)判斷限（簡(jiǎn)稱(chēng)判斷限），記為c(a)，該值是判斷是否存在人工a氣溶膠的限值，根據(jù)假設(shè)檢驗(yàn)原理，如果監(jiān)測(cè)結(jié)果超過(guò)該值則表示此時(shí)的計(jì)數(shù)遠(yuǎn)離正常統(tǒng)計(jì)誤差，很有可能存在人工核素氣溶膠，否則不存在。計(jì)算結(jié)果的誤差主要來(lái)源于人工a氣溶膠的0，其它參數(shù)引入的誤差與其相比可以忽略。設(shè)0的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0，則濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差c為：

在采樣測(cè)量后我們需要判斷出空氣中究竟是否存在人工放射性氣溶膠，也就是要區(qū)分出計(jì)數(shù)變化究竟是由天然放射性統(tǒng)計(jì)漲落引起的還是人工放射性核素引起的。

對(duì)應(yīng)的判斷限c為：

c=ac(12)

式中：a表示擴(kuò)展系數(shù)。根據(jù)正態(tài)分布規(guī)律，如果a=1.645，在不存在人工放射性氣溶膠的情況下，測(cè)量結(jié)果有5%的幾率超過(guò)判斷限，即誤報(bào)幾率為5%；如果a=3.0，對(duì)應(yīng)的幾率為0.1%。設(shè)置較高的a值可以降低誤報(bào)幾率，但是會(huì)提高判斷限值。通常情況下根據(jù)具體需要設(shè)置a值，計(jì)算測(cè)量的人工道標(biāo)準(zhǔn)偏差為0，如果0＞c則儀器發(fā)出警報(bào)。由式(9)、(11)、(12)可得：

再將已知參數(shù)代入式(13)得到儀器對(duì)環(huán)境中鈾/钚氣溶膠濃度的理論探測(cè)下限可達(dá)到10?4? 10?3Bq?m?3數(shù)量級(jí)，由于儀器采樣流量是可調(diào)的，不同的采樣流量對(duì)應(yīng)的探測(cè)下限會(huì)有差異。

5 試驗(yàn)與測(cè)試

5.1 軟件穩(wěn)譜試驗(yàn)

如圖6所示，在未進(jìn)行譜漂矯正時(shí)，儀器長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作帶來(lái)的譜漂最大可達(dá)25道（相對(duì)于768道），采用軟件穩(wěn)譜后譜漂都在±1道（相對(duì)于768道）內(nèi)。

圖6 采用214Po (7.68 MeV)與214Po (6.0 MeV)進(jìn)行軟件穩(wěn)譜效果 (a) 譜漂矯正后，(b) 譜漂矯正前

5.2 探測(cè)效率試驗(yàn)

采用大于探測(cè)器入射窗面積的a面源241Am模擬實(shí)測(cè)條件對(duì)常壓通道與真空通道進(jìn)行探測(cè)裝置效率試驗(yàn)與測(cè)試。但由于電子學(xué)噪聲和探測(cè)器入射窗保護(hù)層會(huì)使一部分低能射線(xiàn)不能被記錄，其次探測(cè)器與放射源間始終存在一定距離（本裝置為4 mm），放射性物質(zhì)發(fā)出的射線(xiàn)由于出射角的關(guān)系會(huì)有一部分無(wú)法進(jìn)入探測(cè)器入射窗，造成探測(cè)效率下降。對(duì)于常規(guī)通道還有空氣的存在，a粒子將穿過(guò)一定長(zhǎng)度的空氣層，會(huì)使探測(cè)效率更低。經(jīng)測(cè)試常壓通道a探測(cè)效率為(35±2.1)%，真空通道a探測(cè)效率為(46±0.2)%。

5.3 探測(cè)下限測(cè)試

為了測(cè)試本系統(tǒng)在高氡背景下對(duì)鈾、钚的最低檢出限，實(shí)驗(yàn)在成都理工大學(xué)的氡室中進(jìn)行。首先做了高氡濃度的試驗(yàn)，將氡氣室濃度調(diào)整到6000Bq?m?3，然后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)氡氣室的濃度，一旦低于2 500 Bq?m?3時(shí)，停止抽氣測(cè)量，等待氡氣室濃度恢復(fù)到5 000 Bq?m?3時(shí)再繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量，做完高氡試驗(yàn)后，進(jìn)行一般氡氣濃度試驗(yàn)，將氡氣室濃度調(diào)整到500 Bq?m?3進(jìn)行試驗(yàn)。為了測(cè)試在氡環(huán)境下的誤報(bào)率，本機(jī)系統(tǒng)在相對(duì)密閉的地下室連續(xù)工作1 000 h未發(fā)生誤報(bào)。

由于人工放射性鈾、钚氣溶膠難以獲得，本文采用鈾、钚液體溶液滴定在濾紙上進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，為此需要先設(shè)定鈾、钚的檢出比活度分別為0.1Bq?m?3與0.02 Bq?m?3，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知滴定在濾紙上的鈾、钚溶液總的a活度應(yīng)為0.0865 Bq與0.0173 Bq，通過(guò)紅外烘干即可得到不含水分的鈾、钚面源。為了模擬真實(shí)的人工放射性氣溶膠的情況，先在高氡背景下連續(xù)工作運(yùn)行15 min，分別得到常壓與真空兩種情況下的空氣氣溶膠的譜線(xiàn)，此時(shí)儀器未報(bào)警；然后暫停測(cè)量過(guò)程，在常壓與真空通道中分別放入事先制作好的鈾、钚面源以替代原先的采樣濾紙，然后再次啟動(dòng)測(cè)量15 min，此時(shí)儀器發(fā)生報(bào)警。由此可知，系統(tǒng)的理論檢出限為如表2所示的數(shù)值，而可驗(yàn)證的檢出限則分別為鈾0.1Bq?m?3、钚0.02 Bq?m?3，最短報(bào)警時(shí)間可達(dá)15min，能夠滿(mǎn)足絕大多數(shù)場(chǎng)合下的人工放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測(cè)要求。

表2 高氡背景下(5000 Bq?m?3)鈾、钚檢出限

6 結(jié)語(yǔ)

為了使高氡背景下人工放射性氣溶膠的測(cè)量既能快速響應(yīng)又能兼顧準(zhǔn)確度，設(shè)計(jì)了一個(gè)常壓、真空雙通道測(cè)量系統(tǒng)。常壓通道采樣與測(cè)量同時(shí)進(jìn)行，等待采樣結(jié)束后再將濾紙移動(dòng)到真空通道進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)量。研究了不同孔徑的PTFE濾膜對(duì)測(cè)量譜線(xiàn)的拖尾影響，在濾膜孔徑為0.45mm時(shí)拖尾影響最小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了儀器的檢出限，其中鈾為0.1Bq?m?3，钚為0.02 Bq?m?3，最短報(bào)警時(shí)間可達(dá)15min。

致謝 感謝中廣核久源（成都）科技有限公司的楊彬華、高衛(wèi)翎、宋云、劉濤等為本文工作提供的測(cè)試開(kāi)發(fā)平臺(tái)與關(guān)鍵技術(shù)幫助。

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Design of dual channel artificial radioactive aerosol monitoring system

ZENG Guoqiang1LAI Maolin1GU Min1QING Song1YANG Kun2GU Yi1XIA Yuan1GE Liangquan1XIAO Ming2

1(Nuclear Technology Key Laboratory of Earth Science, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China) 2(Corporation of Chinese Guangdong Nuclear Industrial Group of JIUYUAN Technology, Chengdu 610200, China)

Background: The environments for monitoring artificial radioactive aerosol are often complex, as sometimes it could even be in underground caverns, tunnels or underground nuclear facilities, of which the concentration of both radon and its radioactive products would be up to 103?104Bq?m?3. However, under high radon condition, the tailing phenomenon of radon and thorium peaks could interfere with radioactive counts and the artificial aerosol counts, thus affecting the detection limit of radioactive aerosol. Purpose: This study aims to design a special normal-pressured artificial aerosol monitoring equipment, which can operate well under the high radon environment. Methods: Dual-channel synchro measurement was employed to combine high accuracy of the vacuum channel and the fast response of the normal pressure channel. Results: Implemented aerosol monitoring system can respond rapidly to plutonium and uranium aerosol in atmospheric environment, and in the case of artificial radionuclide leakage, the fastest measurement results can be obtained in 30 min. In general, the theoretical detection limit can reach 10?4?10?3Bq?m?3, and the verifiable detection limit of uranium and plutonium are 0.1 Bq?m?3and 0.02 Bq?m?3, respectively. Conclusion: This design can be applied to a variety of high radon environments which require unmanned monitoring for artificial nuclear.

High radon environment, Artificial radioactive aerosol, Theoretical detection limit, Vacuum aerosol measurement

TL84

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.050402

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.41474159)、國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(No.2012AA061803)、四川省科技廳青年基金項(xiàng)目(No.2015JQ0035)資助

曾國(guó)強(qiáng)，男，1980年出生，2008年于成都理工大學(xué)獲博士學(xué)位，教授，從事核輻射探測(cè)與核電子學(xué)

賴(lài)茂林，E-mail: fy0lanshen@qq.com

2016-11-22，

2017-03-01

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.41474159), “863” Program (No.2012AA061803), Youth Foundation of ScienceTechnology Department of Sichuan Province (No.2015JQ0035)

ZENG Guoqiang, male, born in1980, graduated from Chengdu University of Technology with a doctoral degree in 2008, professor, focusingon electronic instrument and measurement technology

LAI Maolin, E-mail: fy0lanshen@qq.com

2016-11-22, accepted date: 2017-03-01