一种测氚装置及测氚方法

摘要

本发明公开了一种测氚装置及测氚方法。本发明的测氚装置含有电流收集极、变径保护环和敞口的不锈钢桶体，不锈钢桶体上开有数孔。被测气体可以自由扩散至不锈钢桶体内，能在负压和常压下进行氚浓度的测量。本发明的氚浓度的测量方法速度快，同时还能减少在测氚浓度的监测过程中产生的放射性废物。本发明的测氚装置结构简单，氚浓度的测量方法可靠性高、易于实施。

说明书

技术领域

本发明属于用电离室装置测量空气中放射性物质氚的比活度技术领域，具体涉及一种测氚装置及测氚方法。

背景技术

氢的同位素中，仅有氚是不稳定的，氚的最大能量为18keV，其平均能量为5.65keV，它以12.33年为半衰期进行β衰变。氚能直接或通过同位素交换间接同一些包容材料发生化学反应，这些反应比氢引起的要强些，是因为氚的β辐射能破坏这些材料的化学键，引起辐射分解催化作用。有可能对包容材料产生腐蚀，或造成材料性能的退化(脆裂、老化)。而且，氚还能够经过吸入、食入和经完好皮肤渗入进入人体，被人体组织吸收并使之受到内照射危害，由于其放射性危害和它在环境中的特性，在辐射防护监测中，氚的监测日益受到重视。

氚的低能β粒子的穿透能力非常弱，在水中最大射程为6μm，在空气中最大射程仅为5mm，难以用普通的β探测器进行测量，所以要测量氚必须使用无窗流气式探头或将氚引入探测器的电离室灵敏体积内。

已有技术中，采用普通电离室在常温常压下测量空气中氚是一种比较普遍的方法(《放射物理和辐射计量学导论》，阿蒂克斯著，1986.08)。普通电离室对氚进行测量是通过取样泵、取样管道将测量的含氚气体引入电离室的灵敏体积内，外加饱和工作电压，通过电流收集极收集由氚发射的β粒子在空气中引起的电流，用低电流静电计测出收集的电流，从而得出空气中的氚浓度。

在某些特定场所，由于密封容器内的压力为负压状态，在负压的状况下，普通电离室会因体积内的负压导致电离室室壁变形，致使普通的电离室无法进行氚测量。一种被动式氚取样器可以通过一个扩散装置以及吸附材料收集空气中的氚水，再通过液闪的方法测出空气中的氚水量。但是，这种方法只能测氚水量，而且其测量周期长，无法快速、及时提供空气中氚的含量。

发明内容

本发明的技术方案是提供一种在负压和常压状况下都能进行氚测量的测氚装置及测氚方法。本发明的测氚装置，无需设置取样系统，气体可以自由扩散至不锈钢桶体内，在测氚装置上加以饱和电压，通过收集电流即可测氚。

本发明的测氚装置，包括电流收集极、敞口的不锈钢桶体、变径保护环、高压电极和绝缘子，所述的敞口的不锈钢桶体的底面开有一用于安置电流收集极、绝缘子、变径保护环的孔，电流收集极置于不锈钢桶体底面的孔的中心位置，电流收集极上设置有用于外接弱电流静电计的接口；电流收集极外围设置有环状绝缘子；在绝缘子外围设置有环状的变径保护环，变径保护环外围设置有绝缘子，绝缘子与不锈钢桶体相接；高压电极连接在不锈钢桶体底面上，高压电极上设有用于外接高压电源的高压电极插头；绝缘子和绝缘子与变径保护环均为过盈配合；圆柱形的不锈钢桶体上设有数个通孔；

所述的电流收集极的接口通过电流信号线与外接弱电流静电计连接；高压电源插头通过高压电缆与外接高压电源相连接。

所述的不锈钢桶体和绝缘子以及变径保护环均为同心圆。

本发明的工作原理是这样的，待测气体通过本发明的测氚装置的有孔的不锈钢桶体扩散到不锈钢桶体内，在不锈钢桶体内的氚衰变发出的β粒子引起空气的电离，在不锈钢桶体上施加200V～450V饱和的工作电压，不锈钢桶体和电流收集极之间产生均匀电场，通过电流收集极收集空气中电离电荷，通过外接静电计测出收集到的电流，将测量氚量的方式转换成测量饱和电流的方法，由测量得到的电流数据计算出空气中的氚量，再根据测氚装置的不锈钢桶体的体积大小可以算出空气中的氚的浓度。

本发明的空气中氚浓度测量方法包括以下步骤：

①.氚在空气中所引起的饱和相对参考电流I₀的理论计算

取测氚装置的不锈钢桶体内放射性气体活度为A₀，得到饱和相对参考电流I₀的计算公式如下：

$I_0=\frac{E\·A_0\·e}{W}---\left(1\right)$

式中：

E-为在所充气体中每次衰变沉积的平均能量，单位eV，对氚的β粒子衰变为5.65keV；

e-为电子电荷，单位1.6×10^-19C；

W-为平均电离功，即在所充气体中每产生一对离子所需要的平均能量，单位eV，对应于空气该值为33.7eV/每个离子对；

②.采用测氚装置测量待测密封容器中由放射性气体氚所引起的电流I

将测氚装置放入待测密封容器中，在测氚装置上施加饱和工作电压，通过测氚装置外接的弱电流静电计测出饱和电流I；

③.密封容器中氚浓度D的计算

密封容器中氚浓度计算公式：

$D=\frac{I}{I_0\×V}\×A_0---\left(2\right)$

式中：V为测氚装置的不锈钢桶体容积

将①中的电流值I₀及②中的电流值I带入公式(2)得

$D=\frac{I\×W}{V\×E\×e}---\left(3\right)$

本发明的测氚装置中，气体可以自由扩散至不锈钢桶体内，可在负压和常压下进行测量，增加了整个监测系统的可靠性，具有在密封容器内出现事故性释放时快速响应的特点，同时，还能够减少在监测过程中产生的放射性废物。本发明的测氚装置测密封容器中氚浓度的方法速度快，无需动力取样系统，可在负压和常压条件下进行测量，避免普通电离室由于负压而引起的电离室变形。

附图说明

图1为本发明的测氚装置的剖面示意图

图2为本发明的测氚装置位于不锈钢桶体内测氚的工作状态示意图

图中：1.电流收集极  2.变径保护环  3.高压电极绝缘子(4、5)  6.弱电流静电计插头  7.不锈钢桶体  8.弱电流静电计  9.高压电源  10.密封容器11.出口  12.抽气口  13.进气口

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明

在图1中，本发明的测氚装置，包括电流收集极1、敞口的不锈钢桶体7、变径保护环2、高压电极和绝缘子，所述的敞口的不锈钢桶体7的底面开有一用于安置电流收集极1、绝缘子、变径保护环2的孔，电流收集极1置于不锈钢桶体7底面的孔的中心位置，电流收集极1上设置有用于外接弱电流静电计的接口；电流收集极1外围设置有环状绝缘子5；在绝缘子5外围设置有环状的变径保护环2，变径保护环2外围设置有绝缘子4，绝缘子4与不锈钢桶体7相接；高压电极3连接在不锈钢桶体7底面上，高压电极3上设有用于外接高压电源的高压电极插头；绝缘子4和绝缘子5与变径保护环2均为过盈配合；圆柱形的不锈钢桶体7上设有数个通孔；

所述的电流收集极1的接口通过电流信号线与外接弱电流静电计8连接；高压电源插头通过高压电缆与外接高压电源9相连接。

不锈钢桶体7和绝缘子4、绝缘子5以及变径保护环2均为同心圆。

电流收集极1、变径保护环2中间用绝缘子4和绝缘子5隔开，弱电流静电计插头6直接连接到电流收集极1上，高压电极3连接到不锈钢桶体7上。

本实施方式中的绝缘子4和绝缘子5采用聚四氟乙烯材料。

图2为本发明的测氚装置位于不锈钢桶体内测氚的工作状态示意图，以30L的不锈钢桶作为密封容器10，在其中充氚气。测氚装置中的不锈钢桶体7的规格为Φ140×70mm，不锈钢桶体的容积约为1L，测量30L不锈钢密封容器10的氚浓度。图2中，将本发明的测氚装置放入作实验用的30L不锈钢的密封容器10中，弱电流静电计8连接到弱电流静电计插头6上，本发明的高压电极3通过高压电缆连接到高压电源口上。不锈钢桶的密封容器10上设置有外接气压表的出口11、抽气口12和进气口13。

本发明的容器中氚浓度的测氚方法，包括以下步骤：

①.氚在空气中所引起的饱和相对参考电流I₀的理论计算

取测氚装置的不锈钢桶体内放射性气体活度为A₀，得到饱和相对参考电流I₀的计算公式如下：

$I_0=\frac{E\·A_0\·e}{W}---\left(4\right)$

式中：

E-为在所充气体中每次衰变沉积的平均能量，单位eV，对氚的β粒子衰变为5.65keV；

e-为电子电荷，单位1.6×10^-19C；

W-为平均电离功，即在所充气体中每产生一对离子所需要的平均能量，单位eV，对应于空气该值为33.7eV/每个离子对；

②.采用测氚装置测量待测密封容器中由放射性气体氚所引起的电流I

将测氚装置放入待测的密封容器中，在测氚装置上施加饱和工作电压，通过测氚装置外接的弱电流静电计测出饱和电流I；

③.密封容器中氚浓度D的计算

密封容器中氚浓度计算公式：

$D=\frac{I}{I_0\×V}\×A_0---\left(5\right)$

式中：V为测氚装置的不锈钢桶体容积

将①中的电流值I₀及②中的电流值I带入公式(6)得

$D=\frac{I\×W}{V\×E\×e}---\left(6\right)$

在本实例中，测氚装置的不锈钢桶体容积为1L，得

D＝I×3.7×10¹⁹          (7)

按照以上步骤，在不同压差下进行了测量：

①.氚在空气中所引起的饱和相对参考电流I₀的理论计算

按照本发明的测氚方法中的步骤1，得出氚在空气中所引起的饱和相对参考电流I₀的理论计算公式。

②.采用测氚装置测量待测密封容器中由放射性气体氚所引起的电流I

按照本发明测氚方法中的步骤2，在不同负压下，测得饱和电流I如表1。

表1

  压差  (MPa)  -0.08  -0.07  -0.06  -0.05  -0.04  -0.03  0.02  0.01  0  测量电流  I(pA)  158.09  162.37  163.13  162.94  162.61  161.81  161.21  160.51  159.61

③.容器中氚浓度D的计算

按照本发明的测氚方法中的步骤3，由上表的数据计算得出氚浓度D如表2。

表2

  测量电流  I(pA)  158.09  162.37  163.13  162.94  162.61  161.81  161.21  160.51  159.61  氚浓度  D(MBq/L)  5.85  6.01  6.04  6.03  6.02  5.99  5.96  5.94  5.91

从上表可以看出，在各种负压状况下，本发明的测氚装置都能快速、稳定、准确地测量出氚浓度。