智能核仪器课程报告

成都理工大学智能核仪器课程报告姓名：马桥学号：2015050240专业：核能与核技术工程学院：核技术与自动化工程学院授课老师：丁卫撑老师时间：2016年02月20日气态氚测量仪器现状分析调研报告摘要：氚是一种β射线发射体，最大衰变能量为18.6keV，平均能量为5．7keV，半衰期为12.43年，其射程仅为6μm，在空气中也只有5mm，难以用普通的β探测器进行监测。气态氚容易通过吸入、皮肤渗入、食入的方式进入人体，使人体受到内照射。同时氚也会滞留在材料中，如等离子体第一壁材料中，造成安全隐患，因此气态氚的监测十分重要。由于氚的化学特性与氢相当接近，且无色无味，非常容易被人体吸收，从而对人体的健康造成伤害。因此，与氚的长期接触会造成人员的大量吸入，危害身体健康，所以对生产、操作、存储氚或氚化合物和使用氚靶的工厂以及实验场所的设备、地板、墙壁和操作工人衣服等表面特别需要专门仪器对氚污染进行监测。本文主要调研气态氚的物理性质，分析气态氚的特征，统计气态氚的检测方法与仪器，对气态氚的放射性危害进行评价。关键词：气态氚；核仪器；探测器；测量1.研究背景从20世纪40年代开始，人们对于氚元素的认识自第一颗氢弹爆炸成功之后有了深刻的变化。随着核工业的发展，人类开始进行氚的大规模生产，相关氚的工程技术开始兴起。但氚是一种迁移性很强的放射性核素，虽然目前已成为核工业发展中一种重要的战略物资，在氚造福于人类社会发展的同时，各种以气体、液体或固体形式排放到地表或大气中的氚构成环境氚源的重要组成部分。为了确保涉氚环境中工作人员及核设施附近居民的安全性，有必要对核设施、核电站等周围环境大气中的氚进行取样监测。能对人体造成外照射和严重的内照射，并对环境影响也很大，所以针对氚的辐射防护技术也在不断发展和完善之中。中华人民共和国国家标准《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》GB18871-2002[1]将氚列为低放射性核素，但这不意味着氚的辐射防护工作会变得容易，由于氚在各种介质中的扩散性，使得有关氚的辐射防护工作更具有挑战性。2.氚的辐射物理性质氚，亦称超重氢，是氢的同位素之一，元素符号为T或3H。它的原子核由一个质子和两个中子所组成，并带有放射性，会发生β衰变，其半衰期12.43年，原子量3.016u，是氢的一种放射性同位素，在天然氢中，氚的含量为10-15％。1934年，英国E.卢瑟福等人在加速器上用加速的氘核轰击氘靶，通过核反应发现氚，美国W.W.洛齐尔等证实重水中存在氚，1939年美国L.W.阿耳瓦雷等证明氚有放射性。但是由于氚的β衰变只会放出高速移动的电子，不会穿透人体，因此只有大量吸入氚才会对人体有害。氚会发射β射线而衰变成氦3，半衰期为12.5年，衰变方程式为3H→3He+e。自然界的氚是宇宙射线与上层大气间作用，通过核反应生成的。氚的性质与氢很相似，利用反应堆的中子，采用氟化锂、碳酸锂或锂镁合金做靶材，能大量生产氚，反应方程式为：Li＋n→4He＋3H，然后利用热扩散法，使氚富集至99％以上。氚主要用于热核武器、科学研究中的标记化合物，制作发光氚管，还可能成为热核聚变反应的原料。在地球的自然界中，相比一般的氢气，氚的含量极少。氚的产生是当宇宙射线所带的高能量中子撞击氘核，其氘核与中子结合为氚核。氚与氘一样，都是制造氢弹的原料。由于氚不仅具有适宜的核物理性质，并具有价廉、毒性较低、比活度较高和放射自显影良好等优点，所以氚及其标记化合物在军事、工业、水文、地质，以及各个科学研究领域里均起着重要的作用；在生命科学的许多研究工作中，氚标记化合物则是必不可少的研究工具。例如，酶的作用机理和分析、细胞学、分子生物学、受体结合研究、放射免疫分析、药物代谢动力学，以及癌症的诊断和治疗等，都离不开氚标记化合物。在使用氚标记化合物进行示踪实验时，必须注意氢的同位素效应和在实验条件下氚标记化合物的稳定性问题，以求获得正确的实验结果。3.气态氚的主要测量技术伴随着核工业的快速发展，裂变反应堆、热核材料氚生产和回收设施，以及核燃料后处理厂是现役核设施生成和释放氚的主要方式[2]，如何有效监测环境中的气态氚浓度，成为氚福射防护的热点问题。环境中气态氚放射出的粒子能量相对较低，容易受到天然射线的干扰，有必要在测量过程中有效题别其它形式的福射或其它放射性核素，设计一种能够提高低能探测效率的气态氚浓度测量系统。相比国外先进的探测仪器和方法，国内在气态氚监测领域的研究十分匮乏，缺少权威的基础理论研究和技术支持，需要一种能够有效测量环境中氚含量的仪器或方法。3.1正比计数器测量气态氚[3]3.1.1测量原理正比计数器和电离室都可以对放射性气体进行测量。正比计数器工作电压位于正比区，输出信号与原始电离成正比，输出幅度比电离室大得多。正比计数器测氚原理为:将气态氚和工作气体例如P10(90%Ar+10%CH4)共同充入正比计数器，氚衰变的β粒子在正比计数器内与工作气体发生电离作用，产生自由电子和正离子。在外加电压的作用下，分别向阳极和阴极漂移。由于电子的平均自由程比离子大数倍，而质量又比离子小约103倍，因此电子的漂移速度一般比离子大约103倍。被加速的原电离电子在电离碰撞中逐次倍增而形成电子的雪崩，在收集电极上产生的脉冲幅度将是原电离感生的脉冲幅度的M倍，即:CNMV0e-式中:常数M为气体放大倍数，N为原电离离子对数，C0为两电极间电容，e为单位电荷。通过气体放大产生的电荷脉冲幅度足以被探测到，可见正比计数器很适合探测低能粒子。3.1.2实验内容采用美国LND公司生产的200ml正比计数器和自主加工研制的200ml正比计数器共同测量气态氚样的浓度。实验过程中使用的气态氚浓度测量仪包括真空系统、内充气正比计数器、数据采集和数据分析3部分，具体的测氚装置见图1。图1正比计数器测氚装置示意图正比计数器的工作气体为P10气体，即成分为氩甲烷(90%Ar+10%CH4)的电离气体。本文从本底、高压坪曲线、不同浓度氚信号获取、对氚的吸附性4方面对两种规格的正比计数器进行对比研究。由于没有标准气态氚源，实验用氚浓由西安核仪器厂生产的XH3125电离室(外接美国吉时利公司生产的6517B静电计)测量得到，氚活度浓度为8.2×104Bq/ml作为参考标准。3.1.3正比计数器测量优缺点正比计数器是低能放射性测量中比较有效的一种探测技术。本文采用自主研制的正比计数器实现了对气态氚的有效测量。通过与LND200ml正比计数器的对比，总结出自主研制的正比计数器P10本底比LND的略高，两者合适的工作电压均为1900V。对不同浓度的氚样测量，通过校正曲线可以将实验测量值转化为理论活度值。由于LND正比计数器价格比较昂贵，选用自主研制的正比计数器可以替代LND正比计数器，实现对低浓度氚样的有效测量。由于氚的β谱主要集中在低能区，随着电压的升高，更多低能部分β粒子的加入使大量气体电［4-5］，电压升高将急剧增大气体电离的量。因此采用气态氚样品进行正比计数器的坪曲线测试比较困难。3.2电离室测量气态氚[6]在氚的监测场所，如核电站周围和其它实验操作场所，都有来自天然本底、原子核衰变、中子辐照伴随产生的γ射线、中子活化产生的γ射线，而这些γ射线都会影响氚的测量。相对于液闪测氚、鼓泡器测氚以及平板成像技术测氚［7-8］，电离室测氚因其不需要制样、测量时间短、测量范围大、成本低的特点而广泛用于氚的在线监测中。如国内的秦山核电站［9］，国外的ITER［10］研究等。然而电离室测氚自身也存在一些缺陷：电离室对氚敏感的同时也对γ射线灵敏，电离室对γ射线的补偿随角度、距离、位置的变化有很大的差异；记忆效应和壁效应对电离电流也存在影响。为了解决这些问题，国内外众多研究人员分析了电离室测氚的影响因素，提出了提高电离室的γ补偿能力的方法。本文从影响因素和改进途径2个方面介绍了这方面的进展，试图为该领域的研究提供借鉴。3.2.1基本原理电离室的主体部分由2个处于不同电位的电极构成。电极之间用绝缘体隔开，并密封于充一定气体的容器内，如图2所示。图2电离室基本结构示意图当辐射粒子通过电极之间的气体时，电离产生的电子和正离子便分别顺着和逆着空间电场方向，向相反的方向运动，最后被记录下来。其中，与记录仪器相连的一个电极叫收集电极，它通过负载电阻接地；另一个电极则加上数百至千伏电压，叫高压电极。在收集电极和高压电极之间还有一个保护环。保护环的作用是使从高压电极到地的漏电电流不通过收集电极，并使收集电极边缘的电场不被畸变而保持均匀。这样，可使电离室有明确的灵敏体积。在电离室的灵敏体积内，入射带电离子电离产生的大量电子和正离子，将在电场的作用下以相反的方向朝两个不同的电极漂移，如图3所示。图3电离室测氚原理示意图由于电子和正离子的运动，它在两电极上的感应电荷随之而变。如果没有复合和扩散的损失，在灵敏体积内形成的全部离子对都将被两电极收集。3.2.2电离室测氚优缺点由电离室的原理可知，辐射离子都能使气体产生正离子和电子，当电离室用于氚的测量时存在着很多的影响因素，如γ射线的影响、氚对电离室表面污染造成的记忆效应、气体的种类和压强、电离室壁引起离子数丢失的壁效应、不同壁材料的能量沉积。这些因素都将影响电离室测氚的灵敏度、准确度、应用范围等。3.2.2.1γ场电离室广泛用于氚的实时测量，但是它不仅对氚敏感，同时对射线也很灵敏。800kBq/m3氚所产生的电离电流和2．0μGy/h剂量率的γ射线产生的电离电流大致相同。在大多数情况中，γ场都是存在的。由于单电离室无法区分外γ场和内氚β粒子产生的电流信号，因此用流气式电离室测氚，难点是如何补偿由于γ辐射产生的本底[11]。由于氚的β射线能量非常低，不能穿透通常电离室的壁，所以氚必须直接引入电离室内进行测量。3.2.2.2气体种类和压强在电离室中，离子有扩散和复合活动。由于扩散和复合活动的影响，电离室中的电流会减小，而扩散因素和复合因素与气体成份相关。因此电离室的固定室中气体成份的差异会影响收集电流的大小。平均自由程和电离室中的压强成反比。用实验证明了收集电流由电压和离子对数决定，也在密封容器中研究了电离室的压强特性。实验证明当压强由0．03MPa增加到0．1MPa时，电流增大了10%。电离室中压强增加会导致平均自由程的减小，这将减少粒子的收集，在低压的时候这种现象更严重。3.2.2.3壁效应壁效应是电离室壁引起的电离室中的粒子计数丢失。在测氚电离室中，在电离室壁附近产生的电离离子将和电离室壁发生碰撞，这一过程将引起收集电极计数减少。壁效应近似由电离室的结构（高度和半径）和电离室中的压强这2项决定。对于一个确定的电离室，壁效应主要由电离室中的压强决定。在不同压强下对2个不同体积的电离室的壁效应进行了实验，并和蒙特卡罗模拟的结果以及理论分析的结果进行了比较。对于壁效应的影响，只要压强在一个标准大气压以上就基本可以忽略不计。3.2.2.4记忆效应记忆效应是由于气流中氚水到氚的转移过程很快，电极表面的氚不能到达干燥气体。氚从气流中转移到电离室壁的表面主要通过同位素交换反应。用Hag表示气体中氢同位素的总原子浓度，Tag为每单位表面积中氚原子个数。研究表明Hag/Tag的比率决定氚原子吸附的数量。电离室中存在水蒸汽，Hag/Tag的比率越大，快速反应的记忆效应越小。由于记忆效应的存在，电离室被氚污染，检测限会升高。3.2.2.5能量沉积通过蒙特卡罗模拟方法研究了电子源空腔能量沉积，在空腔气体中沉积的能量分2部分：第一部分是室壁电子能谱所贡献；第二部分是等效电子源的贡献，它依赖于空腔线度。对于电离室，γ射线在边界处和空腔中能量沉积不同。发生在壁中的能量沉积比空腔气体中的强很多。研究了γ辐射在电离室中的能量沉积，发现γ射线在壁及空腔径迹上每点的能量沉积是连续的。介绍了光子电子能量沉积的快速蒙特卡罗模拟方法。当次级电子射程与网格尺度比较接近时，计数卡F8的精度比计数卡F6高，但计算效率比计数卡F6低很多。用蒙特卡罗方法研究了电离室的能量响应特性，即计算了射线从不同方向入射时电离室的能量响应。发现用蒙特