高氡背景下人工α放射性气溶胶监测技术研究

摘要

随着科学技术与国民经济的发展，各种研究堆及核电站的应用也越来越广泛，人们对核设施中人工放射性气溶胶的监测需求日益增加。人工放射性气溶胶的实际测量环境中，特别是在地下坑道、地下核设施，往往伴随着较高的氡浓度，它们将严重干扰人工核素（如Pu核素、U核素）的测量结果。因此人工气溶胶监测的难点在于有效的扣除氡及其子体的干扰，准确、快速地给出人工放射性气溶胶的浓度。为此研究高氡背景下人工α放射性气溶胶监测技术也具有较高的研究价值与工程意义。
　　本文针对高氡环境下对人工α放射性气溶胶的监测需求，设计了双通道放射性气溶胶测量系统，并针对核信号获取电路设计、采样滤膜的选取、真空测量技术、双通道测量系统氡扣除算法等展开了研究工作，具体成果为:
　　(1)分析了两种放射性气溶胶测量方法的优缺点，针对高氡背景测量环境和人工放射性气溶胶检测响应时间的需求，设计了常压与真空双通道连续测量系统，实现对人工气溶胶的实时快速监测，可在30分钟内给出空气中钚气溶胶和铀气溶胶含量;
　　(2)基于人工放射性气溶胶监测的特点，选择了ORTEC公司ULTRA-AS型离子注入硅半导体探测器，此探测器对α粒子(241Am，5.549MeV)的分辨率为16keV。并设计了与之匹配的电荷灵敏前置放大器和低噪声高低压电源电路，经测试输出脉冲噪声在15mV左右，信噪比在10左右，满足系统要求;
　　(3)探讨了双通道测量系统的最佳工作时间，推导了采样时间、静置时间和测量时间的选取公式，以此兼顾对人工气放射性溶胶监测的响应时间和α能谱的测量效果。本文选取的采样时间为30分钟，静置时间为0分钟，测量时间为30分钟;
　　(4)研究了空气吸收对α能谱测量的影响。通过研究发现探测器对241Amα源测量的能峰能量分辨率随着气压的降低而减小。气压从110Kpa下降到10Kpa时，能量分辨率减小得较为明显，但气压从10Kpa下降到5Kpa时，α能峰的能量分辨率变化不大，因此测量环境到达一定的真空度时，空气对α粒子的衰减能力不再起决定性的作用，兼顾抽真空的死时间与能谱测量分辨率，最终选定7Kpa为工作气压;
　　(5)研究了滤膜对放射性气溶胶α能谱测量拖尾影响。通过实验分别测量不同孔径的混合纤维滤膜和相同孔径的混合纤维滤膜、聚醚砜滤膜、聚四氟乙烯滤膜对α能谱测量拖尾的影响，实验表明:用小流量(5 L/min)系统采集天然放射性气溶胶时，选用和天然放射性气溶胶最大胶粒径(0.5μm)相当大小孔径的混合纤维滤膜时，α能谱拖尾最小，加大抽气流量(20L/min)，α能谱拖尾最小的混合纤维滤膜孔径减小为0.3μm;相同孔径下(0.45μm)，混合纤维滤膜相比聚四氟乙烯滤膜和聚醚砜滤膜，对α能谱测量拖尾影响最小。为通过滤膜的选取减小天然放射性气溶胶测量时α能谱的拖尾提供了重要依据。
　　(5)研究了常压测量通道和真空测量通道能谱处理方法，如能谱平滑、寻峰、谱修正和氡扣除算法。对于常压测量通道，采用了拟合函数法对氡本底进行扣除，而对于真空测量通道，由于空气吸收小，所测量能谱分辨率高，可采用固定比例扣除法。通过氡室模拟高氡背景可以得到:在500Bq/m3的氡浓度下，真空通道对Pu核素的理论探测下限为3.35×10-4，对U核素的理论探测下限为1.92×10-3;在5000Bq/m3的氡浓度下，真空通道对Pu核素的理论探测下限为4.84×10-4，对U核素的理论探测下限为1.95×10-3。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景与意义

1．1．1 放射性气溶胶分类

1．1．2 放射性气溶胶测量方法

1．2 国内外研究现状

1．3 本课题主要研究内容

第2章 α放射性气溶胶测量技术基本方法

2．1 α粒子简介

2．2 气溶胶基本理论

2．2．1 气溶胶的浓度

2．2．2 气溶胶几何直径

2．2．3 气溶胶动理学直径

2．3 α放射性气溶胶连续测量仪结构及测量原理

2．3．1 核素在滤膜上衰变原理

2．3．2 α放射性气溶胶连续测量装置

第3章 实验设备与实验方案的研究

3．1 探测器的选型

3．1．1 金硅面垒型半导体探测器

3．1．2 离子注入硅型半导体探测器

3．2 核信号获取电路的设计

3．2．1 低噪声电荷灵敏前置放大器的设计

3．2．2 电源电路的设计

3．3 双通道测量系统关键技术研究

3．3．1 最佳工作时间的研究

3．3．2 真空测量技术的研究

3．4 采样滤膜的研究及选型

3．4．1 拖尾指标的确定

3．4．2 同种滤膜不同孔径拖尾对比

3．4．3 不同滤膜同种孔径拖尾对比

第4章 α能谱处理方法研究

4．1 能谱平滑、寻峰和谱漂修正

4．1．1 能谱平滑

4．1．2 寻峰

4．1．3 峰位漂移修正

4．2 常压测量通道氡扣除算法

4．3 真空测量通道氡扣除算法

第5章 实验结果与分析

5．1 效率试验

5．1．1 探测器探测效率

5．1．2 管道损失效率

5．2 稳定性试验

5．2．1 采样流量稳定性

5．2．2 真空通道气压稳定性

5．3 监测浓度和探测下限实验

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果