控制區(qū)空氣HTO取樣方法研究

羅雯丹

(中國原子能科學(xué)研究院,浙江 嘉興 314300)

氚設(shè)施控制區(qū)空氣中的氚,氚化水含量占一定比重,氚化水對人體可能造成的危害較T2、HT等含氚氣體對人體造成的危害大10 000倍[1]。因此,在工作場所環(huán)境監(jiān)測中,空氣中氚化水濃度是必測項目之一。

測氚電離室結(jié)構(gòu)簡單、線性寬,可連續(xù)直接測量。但電離室測量靈敏度低,探測下限為40 kBq/m3。由于探測限不能完全滿足工作場所環(huán)境空氣中氚濃度的監(jiān)測要求,只作為放射性變化趨勢的參考。間接法只采集空氣中的氚化水,部分采樣裝置上配套小型催化氧化裝置,將T2、HT等形態(tài)的氚轉(zhuǎn)化為氚化水蒸氣,然后取樣[2]。常用空氣中氚化水的取樣方法有鼓泡法、冷凝法、干燥劑吸附法和冷凍法等,方法比較如表1所示。

表1 空氣中HTO收集方法比較[3]

試驗前提是針對控制區(qū)環(huán)境短時間取樣后得出當(dāng)前空氣中HTO活度濃度。適用于控制區(qū)取樣要求:操作簡單、方便,測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,取樣設(shè)備是否交叉污染對樣品測量結(jié)果產(chǎn)生影響,在取樣過程中是否會產(chǎn)生放射性廢物,設(shè)備是否產(chǎn)生靜電或電火花的風(fēng)險。綜合比較后確定3種適合的取樣方式——鼓泡法、冷凝法及冷凍法。通過具體試驗進(jìn)一步比較3種取樣方法在實(shí)際工作場所的實(shí)用性,驗證其優(yōu)缺點(diǎn),選擇適合的控制區(qū)空氣取樣方法,使測得的監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確,操作方便。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 儀器設(shè)備

液體閃爍計數(shù)儀(Packard Tri-Carb 5100TR,計數(shù)效率49%);室內(nèi)除濕機(jī)(除濕量50～100 L/d,5～32 ℃,RH:30%～90%;水箱容量≥1 L)。

1.2 主要材料

針筒注射器(50 mL);液氮儲存瓶、液氮承裝杯(搪瓷杯容量1 000 mL,帶蓋)、不銹鋼金屬托盤、防凍傷手套;電子溫濕度計;液閃瓶(規(guī)格20.0 mL PE瓶);移液槍(規(guī)格1.0 mL);取樣瓶(規(guī)格30 mL,PE瓶)。

1.3 主要試劑

閃爍液:UltimaGoldTM(PE公司生產(chǎn));液氮。

1.4 名詞解釋

CPM:Count per minute 每分鐘計數(shù);tSIE:外標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換譜指數(shù);BG:Background 本底。

2 試驗內(nèi)容

2.1 針管、除濕機(jī)、液氮冷凍取樣方法比較

2.1.1 針管空氣取樣操作流程

選取一支干凈的針筒,使用超純水清洗內(nèi)外表面,針筒內(nèi)吸取10 mL超純水。取樣時,將針筒頭部略向下傾斜,緩慢、勻速向上拉動針筒活塞,確保針筒內(nèi)超純水中有氣泡出現(xiàn),針筒活塞拉至刻度30 mL,停止繼續(xù)拉動,針筒頭部朝上,緩緩將空氣推出針筒,注意不要將水推出針筒,重復(fù)拉推步驟10次。將針管內(nèi)10 mL的超純水裝入取樣瓶中,取閃爍液10 mL,樣品2 mL分別注入液閃瓶,搖勻后放入液閃譜儀進(jìn)行測量30 min。

2.1.2 除濕機(jī)取樣操作流程

將除濕機(jī)內(nèi)水箱用清水沖洗后擦干后開啟除濕機(jī),并記錄該房間溫濕度,待液氮完全揮發(fā)后關(guān)閉除濕機(jī),將水箱內(nèi)收集到的水倒入取樣瓶潤洗一遍后開始取樣,倒?jié)M取樣瓶即可(約30 mL)并在蓋上注明取樣時間、地點(diǎn)及方法。將閃爍液10 mL、移液槍移取水樣2 mL,分別注入液閃瓶內(nèi);搖勻后放入液閃譜儀內(nèi)進(jìn)行測量,測量時間30 min。

2.1.3 液氮冷凍法取樣流程

在待取樣房間內(nèi)放置液氮承裝杯(搪瓷水杯),水杯下墊有不銹鋼金屬托盤,將液氮緩緩倒入搪瓷杯內(nèi),注意液體飛濺防止凍傷,待液氮注入1 000 mL時停止,蓋上杯蓋,記錄該房間溫濕度,搪瓷杯外壁及不銹鋼托盤上逐漸凝結(jié)大片冰霜。由于液氮易揮發(fā)、揮發(fā)速度快,為保證能收集到足夠測量用的水樣,30 min后再次加入1 000 mL的液氮。待液氮完全揮發(fā)且凝結(jié)在搪瓷杯外壁的冰霜融化成水后,將融化在杯內(nèi)及托盤上的水樣用注射器抽取入取樣瓶內(nèi),收集到的水樣約10～15 mL,在取樣瓶蓋上記錄取樣時間、地點(diǎn)及方法。取閃爍液10 mL、水樣2 mL,分別注入液閃瓶內(nèi);搖勻后放入5110液閃譜儀內(nèi)進(jìn)行測量,測量時間30 min。

2.1.4 試驗方案

試驗?zāi)康?分析測量結(jié)果,比較三種方法是否適合控制區(qū)空氣取樣。

試驗地點(diǎn):B房間。

試驗內(nèi)容:同時開始使用針管空氣取樣,開啟除濕機(jī),傾倒液氮。待杯內(nèi)液氮完全揮發(fā)后,關(guān)閉除濕機(jī),保證取樣時間相同。針管空氣取樣在開始、第二次傾倒液氮、液氮即將完全揮發(fā)時各取樣一次,每次使用3支針管同時進(jìn)行取樣。測量樣品前,取3個超純水樣品的測量結(jié)果作為測量所用儀器的本底水平。

記錄房間溫濕度、記錄樣品測量結(jié)果:CPM、tSIE。

2.1.5 數(shù)據(jù)處理

HTO活度濃度的計算公式:

式中:Eff——儀器效率,Eff=0.053 28+6.977 2×10-4×tSIE。

定義除濕機(jī)樣品與液氮樣品活度濃度相對偏差:

鼓泡法計算公式:

2.1.6 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

結(jié)合表2和圖1可知注射器取樣法數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較低,且該方法的取樣效率需通過進(jìn)一步嚴(yán)密的實(shí)驗獲得,該取樣方法有待進(jìn)一步研究,故在控制區(qū)內(nèi)環(huán)境取樣,就目前現(xiàn)有條件,注射器取樣法不適用。另外兩種取樣方法——除濕機(jī)與液氮采樣所得到的樣品放射性活度濃度差異很小,相對偏差均小于20%,兩組數(shù)據(jù)重復(fù)性和穩(wěn)定性好,可以認(rèn)為兩組數(shù)據(jù)來自同一總體,差異無統(tǒng)計學(xué)意義,兩種方法可互相替代。但試驗地點(diǎn)較單一,不能說明所用取樣方法在控制區(qū)其他房間同樣適用,且取樣設(shè)備在不同活度濃度房間重復(fù)使用是否存在交叉污染風(fēng)險,都有待進(jìn)一步試驗驗證。

圖1 B房間除濕機(jī)與液氮采集樣品活度比較圖

表2 針管、除濕機(jī)、液氮方法取樣后的樣品活度比較

2.2 液氮取樣裝置交叉污染驗證試驗

2.2.1 試驗方案

試驗?zāi)康?驗證同套液氮取樣裝置在不同活度濃度的房間進(jìn)行取樣,對樣品測量結(jié)果的影響。

試驗地點(diǎn):房間E、B、D、C,選擇以上控制區(qū)房間進(jìn)行取樣的原因是:控制區(qū)所有房間的空氣中HTO活度偏高,經(jīng)前期調(diào)查,E、D、B房間空氣中HTO活度較高,且與C房間相差較大,若存在交叉污染,對樣品的測量結(jié)果影響明顯。

試驗內(nèi)容:在E、B、D房間同時進(jìn)行液氮冷凍法取樣(取樣裝置全新),取樣完成后沖洗取樣裝置并擦干。再將E、B、D房間的液氮取樣裝置放置于C房間內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行取樣,并另外準(zhǔn)備一套全新的液氮取樣裝置于C房間同時開始取樣。將E、B、D取樣裝置放到C房間后收集到的空氣樣品與全新液氮取樣裝置收集到C房間的空氣樣品的活度濃度進(jìn)行比較。

試驗記錄:各房間溫濕度,各房間樣品測量結(jié)果CPM、tSIE。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.3 數(shù)據(jù)分析

液氮取樣裝置交叉污染試驗樣品活度對比見表3。

表3 液氮取樣裝置交叉污染試驗樣品活度對比

由表3可知,在活度濃度較高房間取過樣的液氮取樣裝置在活度濃度較低的房間進(jìn)行取樣時,樣品活度與C房間標(biāo)準(zhǔn)樣品活度的相對偏差小于±5%,樣品放射性活度濃度相差很小,未對該房間樣品測量結(jié)果造成影響,說明取樣裝置未被放射性污染,可以在不同房間交叉使用。

2.3 除濕機(jī)、液氮應(yīng)用于控制區(qū)各房間取樣的穩(wěn)定性試驗

2.3.1 試驗方案

試驗?zāi)康?驗證除濕機(jī)與液氮取樣法在控制區(qū)不同房間進(jìn)行取樣是否可行、穩(wěn)定性良好,同時驗證除濕機(jī)是否存在交叉污染風(fēng)險。

試驗地點(diǎn):選擇的房間均是空氣中HTO濃度較高,且活度濃度在各個量級均有體現(xiàn)。

6月12日取樣順序:A、E、F、A→C、E→D、F→G、C→H,選擇活度濃度相差不大(在同一量級上)的兩個房間共用同一臺除濕機(jī)。

6月18日取樣順序:A、C、D、A→E、C→F、D→H、E→H,D與H房間空氣中HTO活度濃度相差較大。

6月24日取樣順序:C、D、B、B→A、C→F、D→E、F→H,B與A房間空氣中HTO活度濃度相差較大。

6月30日取樣順序:A、F、C、A→B、F→E、C→D、D→H,先同時取3個活度濃度較低的房間,再取3個活度濃度較高的房間。

試驗內(nèi)容:在控制區(qū)選擇的房間內(nèi)分別使用除濕機(jī)及液氮冷凍法同時取樣,由于除濕機(jī)及液氮取樣裝置數(shù)量有限,每次僅能使用3套在3個房間同時進(jìn)行取樣。待液氮完全揮發(fā)后關(guān)閉除濕機(jī),保證取樣時間相同。更換房間取樣時,注意先清洗除濕機(jī)水箱及液氮杯、托盤并擦干。記錄各房間溫濕度,測量結(jié)果CPM、tSIE。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理

ρ飽和=4.85×10[6.9×t/(230+t)]

式中:RH——相對濕度;

VML——測量樣品體積;

ρ飽和——飽和水蒸氣密度。

定義除濕機(jī)樣品與液氮樣品活度濃度相對偏差:

2.3.3 數(shù)據(jù)分析

結(jié)合圖2～5和表4～7可知,除濕機(jī)樣品活度與液氮樣品活度的相對偏差小于20%,進(jìn)一步證明在不同房間使用以上兩種方式取樣所得結(jié)果差別不大,都可用于控制區(qū)環(huán)境取樣。但是個別房間除濕機(jī)采樣結(jié)果遠(yuǎn)高于液氮采樣結(jié)果(相差1個數(shù)量級),相對偏差大于80%,對這種情況進(jìn)行分析:由上一試驗已證明,液氮取樣裝置未被放射性活度濃度高的房間空氣樣品污染,液氮冷凍法取樣的樣品活度濃度值穩(wěn)定,以其作為標(biāo)準(zhǔn),分析除濕機(jī)的取樣結(jié)果,盡管對除濕機(jī)水箱進(jìn)行沖洗擦拭,但內(nèi)部的冷凝部件卻無法清潔,殘留著取前一個房間的樣品,故除濕機(jī)采樣結(jié)果偏高。在活度濃度相差不大(同一數(shù)量級)的兩個房間共用一臺除濕機(jī)進(jìn)行取樣,或同一臺除濕機(jī)先于低濃度房間取樣后于高濃度房間取樣,對取樣結(jié)果無影響。

圖2 2023-06-12除濕機(jī)與液氮采集樣品活度比較圖

圖3 2023-06-18除濕機(jī)與液氮采集樣品活度比較圖

圖4 2023-06-24除濕機(jī)與液氮采集樣品活度比較圖

圖5 2023-06-30除濕機(jī)與液氮采集樣品活度比較圖

表4 2023-06-12除濕機(jī)與液氮取樣后的樣品結(jié)果比較

表5 2023-06-18除濕機(jī)與液氮取樣后的樣品結(jié)果比較

表6 2023-06-24除濕機(jī)與液氮取樣后的樣品結(jié)果比較

表7 2023-06-30除濕機(jī)與液氮取樣后的樣品結(jié)果比較

3 結(jié)論

控制區(qū)空氣HTO取樣方法比較如表8所示。

表8 控制區(qū)空氣HTO取樣方法比較

4 展望

為避免除濕機(jī)冷凝法空氣取樣,除濕機(jī)在不同的房間取樣存在交叉污染情況,可將除濕機(jī)在房間內(nèi)開始取的樣品倒掉,再重新進(jìn)行取樣,這樣可以避免前一個房間水樣的污染,但需要排掉多少的樣品才能保證取樣的有效性,有待進(jìn)一步試驗驗證。