船用移動(dòng)式放射性碘-131監(jiān)測(cè)儀的研制

閆學(xué)昆，張 燕，谷鐵男，李 洋，劉明健

(中國(guó)人民解放軍92609部隊(duì)，北京 100077)

0 引 言

放射性核素131I是裂變產(chǎn)物，具有產(chǎn)額高、易揮發(fā)、半衰期較長(zhǎng)（8.02 d）等特點(diǎn)，另外131I還屬于中毒性組核素[1]，易被人體吸入或食入，積聚在甲狀腺中對(duì)人體造成嚴(yán)重傷害。131I是核事故早期重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和關(guān)注的典型核素之一。1979年美國(guó)三哩島核事故[2]、1986年蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故[3]和2011年日本福島核事故[4]的早期應(yīng)急監(jiān)測(cè)階段，都把典型核素131I的識(shí)別與活度濃度測(cè)量作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象。核事故發(fā)生之后對(duì)131I進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以判定是否有放射性污染（煙羽或煙云）到達(dá)，為人員和裝備及時(shí)采取防護(hù)措施、預(yù)判事故發(fā)展態(tài)勢(shì)、反推事故源項(xiàng)（131I釋放當(dāng)量）、判定核事故等級(jí)[5,6]，同時(shí)為艦船集防系統(tǒng)濾除、凈化放射性碘等提供科學(xué)依據(jù)[7]。

為便于攜帶和展開(kāi)救援，有必要為水面艦船和核應(yīng)急監(jiān)測(cè)分隊(duì)配置專(zhuān)用的移動(dòng)式131I監(jiān)測(cè)儀，對(duì)艦船集防區(qū)內(nèi)及核事故周?chē)h(huán)境中131I核素的活度濃度進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，滿(mǎn)足海上、陸上使用的需求。本文在前期研究工作基礎(chǔ)上[5]，介紹新型船用移動(dòng)式131I監(jiān)測(cè)儀的研制工作。

1 儀器主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

1）測(cè)量對(duì)象：131I（有機(jī)碘、元素碘），γ能量364 keV；

2）測(cè)量范圍：3.7～3.7×105Bq/m3；

3）基本誤差：≤±20%；

4）外型尺寸：≤420 mm（長(zhǎng)）×420 mm（寬）×950 mm（高）；

5）重量：≤40 kg。

2 設(shè)備組成與工作流程

2.1 設(shè)備組成框圖

移動(dòng)式131I監(jiān)測(cè)儀的設(shè)備組成如圖1所示。由取樣探測(cè)部分（活性炭濾盒、NaI探測(cè)器）、測(cè)量部分（放大器、AD變換單元、濾波成形電路、數(shù)字多道、FPGA數(shù)據(jù)采集處理及穩(wěn)譜單元）、外圍器件（觸摸屏顯示器、真空泵、流量計(jì)、聲光報(bào)警燈）、電源模塊及機(jī)械部件等組成。

圖1 移動(dòng)式131I監(jiān)測(cè)儀的組成框圖Fig. 1 Block diagram of the portable Iodine-131 monitor

2.2 設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)式131I監(jiān)測(cè)儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 移動(dòng)式131I監(jiān)測(cè)儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig. 2 Mechanical structure of the portable Iodine-131 monitor

結(jié)構(gòu)布局如下：

1）機(jī)架底部固定有2個(gè)地腳和2個(gè)腳輪，便于支撐和移動(dòng)式攜行；

2）機(jī)架上部有固定板，通過(guò)橡膠減震器安裝1臺(tái)Becker VT4.8型真空泵（流量約133 L/min）；

3）真空泵進(jìn)氣口與取樣探測(cè)裝置的出氣口用導(dǎo)電硅膠管連接，用于抽氣；

4）真空泵上部為取樣探測(cè)部分，用于氣載放射性131I核素的采樣和監(jiān)測(cè)；

5）取樣探測(cè)部分右側(cè)頂部安裝有聲光報(bào)警燈，超閾值時(shí)可發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；

6）上部拖拉手把上固定有觸摸液晶屏顯示器，用于顯示測(cè)量能譜、活度濃度等信息，并完成設(shè)備工作狀態(tài)的操控。

2.2.2 取樣探測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

取樣探測(cè)裝置為設(shè)備核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 取樣探測(cè)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成Fig. 3 Composition structure scheme of the sampling and detecting part

取樣探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

1）活性炭過(guò)濾盒為一個(gè)“井型”空心圓柱體，中心為探測(cè)器，可使探測(cè)與取樣緊密聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)：①濾盒和探測(cè)器位置固定，濾盒便于更換；②可以累積取樣，取樣過(guò)程中不更換濾盒；③保證探測(cè)器對(duì)采集的131I樣品有較高的探測(cè)效率；④取樣和探測(cè)過(guò)程中，幾何因子在逐漸發(fā)生變化，但這種結(jié)構(gòu)對(duì)取樣幾何因子發(fā)生變化不敏感，對(duì)測(cè)量的影響較?。ń?jīng)計(jì)算分析，影響≯5%）。

2）采用成熟的活性炭吸附，浸漬10%三乙撐二胺（TEDA）的活性炭對(duì)有機(jī)碘的吸附效率可達(dá)98.4%。

3）為了防止活性炭吸附放射性氣溶膠而引起附加的放射性，減少131I測(cè)量的干擾，在進(jìn)氣頭組件內(nèi)設(shè)有濾紙及緊固組件。可過(guò)濾各種氣溶膠狀態(tài)的放射性物質(zhì)，減少對(duì)131I測(cè)量的影響，同時(shí)減少氣溶膠對(duì)活性炭的污染，延長(zhǎng)使用壽命。任務(wù)結(jié)束后，可用實(shí)驗(yàn)室分析設(shè)備對(duì)濾紙進(jìn)行測(cè)量分析，測(cè)量結(jié)果用于131I活度濃度的修正。

4）采用A3碳鋼外殼固定、支撐，可降低環(huán)境輻射場(chǎng)對(duì)測(cè)量的影響，還起電磁屏蔽作用。

2.3 設(shè)備工作流程

移動(dòng)式131I監(jiān)測(cè)儀的工作流程如圖4所示。

1）開(kāi)機(jī)后，真空泵啟動(dòng)，將周?chē)諝猓赡芎蟹派湫?31I核素）吸入取樣裝置（進(jìn)氣口帶有濾紙，可濾除放射性氣溶膠）內(nèi)，流經(jīng)活性炭取樣濾盒時(shí)131I被富集在活性炭上；

2）活性炭中富集的131I核素發(fā)射出364 keV能量的γ射線打入探測(cè)器中的NaI晶體內(nèi)，將γ光子轉(zhuǎn)變?yōu)闊晒饷}沖信號(hào)，再由光電倍增管轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)；

圖4 移動(dòng)式131I監(jiān)測(cè)儀的工作流程Fig. 4 Working process of the portable Iodine-131 monitor

3）脈沖信號(hào)經(jīng)放大、濾波成形、A/D變換后送入數(shù)字多道分析系統(tǒng)，完成能譜數(shù)據(jù)的采集；同時(shí)自動(dòng)完成131I核素364 keV能量特征峰的識(shí)別、凈面積計(jì)算，并結(jié)合采樣流量信息完成活度濃度的計(jì)算；

4）獲取的能譜數(shù)據(jù)、活度濃度信息實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏顯示器上；

5）如果未監(jiān)測(cè)到131I核素，則持續(xù)進(jìn)行測(cè)量，顯示環(huán)境本底能譜信息；如果監(jiān)測(cè)到131I核素，設(shè)備將給出其活度濃度值，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

6）NaI探測(cè)器內(nèi)嵌有241Am源，等效特征峰在2.8 MeV附近，用于實(shí)時(shí)穩(wěn)譜，防止131I核素的364 keV特征峰隨溫度漂移。

2.4 軟件控制流程與顯控界面

整個(gè)設(shè)備的軟件控制流程如圖5所示。

圖5 移動(dòng)式131I監(jiān)測(cè)儀的軟件控制流程Fig. 5 Software control flow of the portable Iodine-131 monitor

顯控界面如圖6所示。圖6中，液晶顯示器包括能譜顯示區(qū)域、131I核素活度濃度、測(cè)量時(shí)間、工作狀態(tài)顯示、低能端閾值設(shè)置、操控按鍵等，便于操作使用。

圖6 移動(dòng)式碘-131監(jiān)測(cè)儀的顯控界面Fig. 6 Display and control interface of the portable Iodine-131 monitor

3 結(jié) 語(yǔ)

新研制了適合水面艦船和核應(yīng)急監(jiān)測(cè)分隊(duì)使用的移動(dòng)式131I監(jiān)測(cè)儀，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿(mǎn)足預(yù)期指標(biāo)要求。具有以下特點(diǎn)：

1）設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)不低于國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品外；

2）設(shè)備體積小、重量輕，便于單人移動(dòng)攜行和操作使用；

3）活性炭濾盒便于更換；

4）滿(mǎn)足高溫（+50 ℃）、低溫（-20 ℃）、恒定濕熱（30 ℃、RH 93±3%）、外殼防水（IP44）、振動(dòng)、電磁兼容等船用環(huán)境的要求；

5）備品備件、耗材及維護(hù)保養(yǎng)等有保障。