一種固定式惰性氣體監(jiān)測裝置的研制

胡昌立 蓋文佳 任 才 王巨智 江 灝 萬新峰代傳波 王東芹 孫光智

1（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064）

2（中廣核工程有限公司 深圳 518124）

目前隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及國家對輻射監(jiān)測的不斷重視，國內(nèi)輻射監(jiān)測行業(yè)整體水平有了較大提高，但由于我國輻射監(jiān)測行業(yè)研制起步較晚，相對于國外輻射監(jiān)測行業(yè)來說，仍存在一定差距，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1）產(chǎn)品覆蓋面：國外產(chǎn)品覆蓋面高，從常規(guī)工況到事故工況、從非安全級到安全級，能實(shí)現(xiàn)整個(gè)輻射監(jiān)測與防護(hù)系統(tǒng)的供貨，國內(nèi)產(chǎn)品還有一部分缺項(xiàng)，尤其是技術(shù)難度大的監(jiān)測設(shè)備。

2）技術(shù)指標(biāo)：在一些常規(guī)技術(shù)指標(biāo)上，國內(nèi)產(chǎn)品與國外產(chǎn)品差別不大或略差，但在一些極限指標(biāo)上，差距較大。

3）數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化：國內(nèi)產(chǎn)品在這方面進(jìn)展比較快，已與國際接軌，但是在配套軟件上還存在一些不足。

4）模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化：輻射監(jiān)測系統(tǒng)各個(gè)部件單元的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化是技術(shù)發(fā)展的趨勢，可以降低產(chǎn)品的制造成本，提高產(chǎn)品的性價(jià)比和維護(hù)性，因此，這對供貨商提出了更高的要求，需要不斷努力彌補(bǔ)差距。

我國正建造或在役的核電站中，法國MGP公司的產(chǎn)品占主導(dǎo)地位。它也是最早進(jìn)入中國核電市場的公司之一，我國核電站輻射監(jiān)測與防護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行人員已經(jīng)熟練掌握并習(xí)慣了其操作流程和運(yùn)行管理方式。因此在固定式惰性氣體監(jiān)測裝置國產(chǎn)化過程中，在借鑒他們的經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上結(jié)合國內(nèi)核輻射監(jiān)測設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，研制滿足國內(nèi)核電需求的一種固定式惰性氣體監(jiān)測裝置。

1 工作原理

固定式惰性氣體監(jiān)測裝置能夠連續(xù)測量、顯示流經(jīng)氣體中的放射性惰性氣體體活度濃度，通過差分測量消除環(huán)境γ 輻射的影響，當(dāng)體活度濃度超過報(bào)警閾值時(shí)，提供可視及可聽見的報(bào)警指示［1］。該監(jiān)測儀能夠?qū)崟r(shí)測量、顯示流量，根據(jù)流量的變化控制抽氣泵的啟停。該監(jiān)測儀將體活度濃度和報(bào)警等信息通過RS485 總線形式實(shí)時(shí)傳輸給上游監(jiān)控主機(jī)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

固定式惰性氣體監(jiān)測裝置主要由流氣式差分電離室探測裝置、就地處理顯示單元、電氣控制箱、電氣接線箱等部件，取樣回路及附件中包括管路、壓力計(jì)、流量計(jì)、抽氣泵、截止閥、調(diào)節(jié)閥、過濾器、真空釋放閥等部件，監(jiān)測裝置管路原理圖如圖1所示。

為了方便現(xiàn)場人員對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，設(shè)備研制過程中特意在就地處理顯示單元面板和電氣接線箱面板上分別預(yù)留了RS232 和RS485 接口，如圖2、3所示，供參數(shù)設(shè)置和修改等操作。

2.2 取樣管路設(shè)計(jì)

待測氣體通過監(jiān)測裝置入口進(jìn)入流氣式電離室，經(jīng)由流量計(jì)、真空保護(hù)閥和抽氣泵。取樣管路上安裝了流量計(jì)，測量管路中被測氣體流量，確保取樣流量在最佳狀態(tài)下，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

取樣和排氣管道具有防止靜電效應(yīng)和化學(xué)腐蝕的特性，在滿足有代表性取樣的條件下，取樣管線應(yīng)盡可能短，以減少管壁沉積損失。取樣系統(tǒng)的進(jìn)氣口和出氣口之間應(yīng)保持一定的距離，以防止發(fā)生回流，彎曲半徑大于5倍管直徑，在可能發(fā)生凝聚的地方，應(yīng)控制管道的溫度。使用自鎖快速接頭，提供放射氣體取樣接口。

2.3 探測裝置設(shè)計(jì)

監(jiān)測裝置探測部分采用的是流氣式差分電離室，其結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)完全一樣的約10 L的電離室腔室組成。待測氣體僅流經(jīng)第一個(gè)工作電壓為+600 V的電離室測量腔室，第二個(gè)電離室補(bǔ)償腔室裝填有在大氣壓力下的空氣且它的工作電壓是+600 V［2］。測量腔室中放射性惰性氣體產(chǎn)生的α、β、γ 射線（包括取樣空氣中的γ射線與周圍環(huán)境中的γ射線）電離氣體產(chǎn)生電子電荷，中心陽極通過收集由氣體電離產(chǎn)生的電子電荷形成電流［3］。測量腔室還對外部γ背景場產(chǎn)生響應(yīng)，補(bǔ)償腔室不針對待測氣體，主要是對外部γ背景輻射作出響應(yīng)。探測器內(nèi)壁拋光面要求先進(jìn)行機(jī)械拋光后再進(jìn)行電化學(xué)拋光，保證其表面粗糙度為0.8 μm，探測器內(nèi)壁的潔凈度變差會(huì)產(chǎn)生漏電流和增加本底，前放盒和測量腔室的密封性變差會(huì)影響測量準(zhǔn)確性。補(bǔ)償腔室測量周圍環(huán)境中的γ 射線，以補(bǔ)償周圍γ 輻射場對測量腔室的影響。兩個(gè)腔室產(chǎn)生電流均由前置放大板處理，經(jīng)I-V-F轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生兩路cps，由就地處理顯示單元軟件差分測量，實(shí)現(xiàn)了γ 本底的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。核電站對探測器測量范圍要求非常高，需要對探測器前放電路上采取換擋方式才能保證測量數(shù)據(jù)的可靠和準(zhǔn)確。

圖1 監(jiān)測裝置管路原理圖Fig.1 Flow-process diagram of monitoring device

圖2 就地處理顯示單元面板示意圖Fig.2 Schematic of local processing and display unit panel

圖3 電氣接線箱面板板示意圖Fig.3 Schematic of electrical junction box panel

3 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

3.1 探測模擬計(jì)算

在加工產(chǎn)品之前，可以使用模擬計(jì)算軟件對探測器的靈敏度進(jìn)行預(yù)測，以確保設(shè)計(jì)產(chǎn)品滿足要求。MCNP 模擬計(jì)算模型截圖如圖4 所示。圖4 中的圓點(diǎn)表示粒子碰撞點(diǎn)，展示模擬模型中的粒子運(yùn)輸情況。由圖4，粒子碰撞數(shù)量由大到小的順序?yàn)椋?5Kr、133Xe、3H，由此可以初步判斷出這幾種惰性氣體發(fā)出β射線粒子在探測器中的能量沉積情況。

圖4 發(fā)射1 000個(gè)β射線粒子的碰撞能量沉積示意圖 (a) 133Xe，(b) 3H，(c) 85KrFig.4 Diagram of collision energy deposition of 1 000 β ray particles (a) 133Xe,(b) 3H,(c) 85Kr

靈敏度的一種定義方式為：I/Av，其中Av表示探測器的體活度濃度，I表示電流。

式中：A表示放射源的活度值；Eav表示每個(gè)γ射線在兩個(gè)靈敏區(qū)間沉積的平均能量差值的絕對值；e表示元電荷；ω表示電離室工作氣體中產(chǎn)生一對離子需要的電離能［4］。

式中：V表示探測器體積。

因此，

將e=1.602×10?19C、ω=30 eV、V=11.58 L，模擬算得的Eav代入式（3）得到探測器的靈敏度，計(jì)算結(jié)果見表1。

3.2 前置放大電路的設(shè)計(jì)

流氣式差分電離室探測裝置輸出電流信號范圍大，從很低的量級到很高的量級，因此對前置放大器要求高，放大倍數(shù)大，噪聲低［5］，信號變換周期小，截止頻率高。設(shè)計(jì)的前置放大器分為兩級：前一級為電流-電壓放大電路，采用低偏置電流的儀表放大器作為主放大器，通過電流在放大器輸入-輸出端反饋電阻上建立的電壓差，將探測器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號［6］；后一級為電壓-頻率放大電路，轉(zhuǎn)換為頻率與電壓成比例的方波信號輸出。

3.3 探測器輸出電流值

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，探測器的能量測量范圍為：50 keV～3 MeV。當(dāng)待測氣體活度濃度為3.7×103Bq·m?3時(shí) ，探測器輸出的電流最小值為7.56×10?15A；當(dāng)待測氣體活度濃度為3.7×109Bq·m?3時(shí)，在考察數(shù)據(jù)點(diǎn)中，探測器輸出的電流最大值為1.52×10?8A；即探測器輸出的電流范圍為：7.56×10?15～1.52×10?8A，考慮設(shè)計(jì)裕量，將范圍擴(kuò)大10%，即探測器的電流輸出范圍為6.8×10?15～1.68×10?8A。

3.4 電路的參數(shù)設(shè)置

I-V-F電路的靈敏度為：

其中電路常數(shù)：

式（4）、（5）中Fout表示當(dāng)前信號電流對應(yīng)的頻率，Rs=12.1 kΩ，Rt=5 kΩ，Rin=100 kΩ，Ct=1 000 pF，Rf=5×1011Ω，εr=20%，tD=15 s，Nb表示本底總計(jì)數(shù)。

若要求測量結(jié)果的相對誤差不超過預(yù)定值εr=20%；測量響應(yīng)時(shí)間tD=15 s，若不考慮探測器自身的漏電流，即因放射源產(chǎn)生的本底電流：I=Ib=2×10?14A，則探測器能測得的最小信號電流：

由式（6）得：

為了滿足測量需要，電路的參數(shù)設(shè)置應(yīng)滿足式（7）要求。

3.5 前放電路的匹配性

當(dāng)前電路的參數(shù)設(shè)置為：Rs=12.1 kΩ，Rt=5 kΩ，Rin=100 kΩ，Ct=1 000 pF，Rf=5×1011Ω，

即滿足式（7）的要求，因此當(dāng)前電路參數(shù)設(shè)置滿足測量需求。

表1 靈敏度計(jì)算Table 1 Sensitivity calibration

4 主要性能測試

4.1 校準(zhǔn)測試

為了達(dá)到校準(zhǔn)的目的，在探頭初次檢定校準(zhǔn)完畢后，即在該現(xiàn)場校準(zhǔn)源下測量一參考值，以后在同樣的幾何條件下再次測量探頭的讀數(shù)，對比前后測量結(jié)果之間的差別［7］。如A為校準(zhǔn)源衰變后活度，A0為校準(zhǔn)源初始活度，T為探測裝置校準(zhǔn)檢驗(yàn)日期，T0為校準(zhǔn)源出廠日期。

加源測量平均值Ct，劑量率活度比ε按式（10）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Cd為效率偏差；ε為劑量率活度比；ε0為標(biāo)準(zhǔn)劑量活度比1.19×10?1（Bq/m3）·Bq?1，測試數(shù)據(jù)如表2所示，滿足偏差小于±20%要求?，F(xiàn)場預(yù)防性維修時(shí)僅使用一種核素（85Kr）即可對探測器裝置進(jìn)行β 探測效率的刻度[8]。現(xiàn)場校準(zhǔn)的不確定度比標(biāo)準(zhǔn)場下的不確定度大，測試時(shí)要仔細(xì)放置放射源，長時(shí)間測量后取平均值，以得到較準(zhǔn)確的測量結(jié)果［9］。

表2 校準(zhǔn)測試Table 2 Calibration test

4.2 工作穩(wěn)定性測試

為了驗(yàn)證監(jiān)測裝置滿足工作穩(wěn)定性要求，需要將設(shè)備連續(xù)通電運(yùn)行168 h。

式中：D為偏差；Vi為每個(gè)時(shí)間段讀數(shù)；V0為初始值。每個(gè)時(shí)間段測量值和初始值2.37×104Bq·m?3代入式（10）計(jì)算，測試數(shù)據(jù)如表3 所列，滿足偏差小于±15%要求。

表3 工作穩(wěn)定性測試Table 3 Work stability test

5 結(jié)語

固定式惰性氣體監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確的測量廠房內(nèi)惰性氣體放射性水平，其性能穩(wěn)定可靠，界面友好，操作簡單，解決了傳統(tǒng)該類監(jiān)測裝置在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、信號放大技術(shù)和操作復(fù)雜等方面不足。本文設(shè)計(jì)的固定式惰性氣體監(jiān)測裝置研制的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

1）采用獨(dú)特的探測裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保在大腔室體積下的優(yōu)良?xì)饷苄裕约皰伖舛雀?，不積灰塵、顆粒，漏電流小等性能。

2）獨(dú)創(chuàng)性的設(shè)計(jì)了一種探測裝置的極低信號放大技術(shù)，同時(shí)為解決寬量程覆蓋的要求，采用換擋技術(shù)，最大限度地提高了監(jiān)測裝置的測量范圍。

3）提出了一種基于軟件模擬實(shí)現(xiàn)兩個(gè)腔室差分計(jì)算的方法，解決了過去由于硬件差分帶來的補(bǔ)償腔室測量值無法處理和顯示的問題，提高了流氣式差分電離室探測裝置的穩(wěn)定性以及使用壽命。

該裝置歷經(jīng)幾個(gè)月完成初級校準(zhǔn)、次級校準(zhǔn)和電磁兼容等試驗(yàn)，證明了其穩(wěn)定可靠性。同時(shí)，該裝置對我國核電站放射性氣體監(jiān)測技術(shù)進(jìn)步具有重要促進(jìn)作用，該設(shè)備研制成果對其它領(lǐng)域中的放射性氣體監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計(jì)具有借鑒、推廣價(jià)值。