一種高靈敏度放射性氣溶膠連續監測儀的制作方法
【專利摘要】本發明屬于環境輻射監測設備的設計與改進【技術領域】，特別是涉及一種高靈敏度放射性氣溶膠連續監測儀，所述整個連續監測儀系統分為采樣模塊和測量模塊兩部分，其中采樣和測量模塊的上半部分安裝在上部支撐模塊內，采樣模塊活動單元和抽真空測量模塊活動單元可以上下往復運動，安裝在下部支撐模塊內；U-019-300-100粒子注入型硅探測器和真空轉接頭安裝在上部支撐模塊的右側真空室內；采樣模塊活動單元和抽真空測量模塊活動單元的上方安裝環形硅膠密封墊片用于保持密封；采樣模塊活動單元和抽真空測量模塊活動單元的外側均套有彈簧。本發明主要用于環境監測領域。
【專利說明】一種高靈敏度放射性氣溶膠連續監測儀
【技術領域】
[0001] 本發明屬于環境輻射監測設備的設計與改進【技術領域】，特別是涉及一種高靈敏度 放射性氣溶膠連續監測儀。
【背景技術】
[0002] 钚鈾等長壽命人工a放射性氣溶膠主要通過吸入的途徑對人體產生內照射損 傷，一種常用的監測手段是使用放射性氣溶膠連續監測儀(簡稱連續監測儀）在現場進行連 續監測。其基本原理是：采集氣溶膠樣品后不經處理，直接進行測量。測量完成后根據人 工放射性氣溶膠產生的凈計數率、采集的空氣體積、探測效率計算其濃度。整個過程全部 自動完成，并傳輸監測結果。與采樣實驗室分析相比，該技術的優點是監測周期短，可以及 時提供現場人工放射性氣溶膠濃度數據，以便于在發生泄漏事故的情況下迅速采取應急措 施。缺點是測量過程中的氡子體干擾嚴重，導致對人工放射性氣溶膠的監測靈敏度差，即監 測判斷限(簡稱判斷限）較高。
[0003] 連續監測儀和實驗室a譜儀的測量原理相同，均使用硅半導體探測器測量a粒 子，并進行能譜分析，但是測量條件截然不同。實驗室a譜儀在高真空環境中對專門制作 的電鍍面源進行測量，出射的a粒子不受衰減，測量能譜的能量分辨率高，不產生能譜拖 尾。而連續監測儀采用全自動采樣測量的運行模式，測量條件較為惡劣。出射的a粒子在 到達探測器的過程中，受到采樣濾紙、空氣層、探測器保護層等介質的衰減而損失能量。測 量能譜的能量分辨率差，拖尾嚴重。普通商用連續監測儀在沒有钚鈾等人工放射性氣溶膠 污染的環境中所測量的本底能譜見圖1。如圖1所示，氡子體218Po和214Po發射的a粒子 能量較高，除了在其峰計數能區產生峰計數外，還在能量較低的人工核素能區產生大量的 拖尾計數。如果钚鈾等人工放射性核素產生的計數較少，就會淹沒在氡子體拖尾計數中而 無法分辨。
[0004] 降低連續監測儀判斷限的基本方法是減少氡子體產生的拖尾計數。根據國內外 公開發表的相關文獻和產品說明書，到目前為止，已經廣泛采用的技術包括以下幾個方面： (1)使用微孔濾膜濾紙 常用的氣溶膠采樣濾紙分為三類：纖維型、多孔型和微孔濾膜型濾紙。前兩種類型的濾 紙對氣溶膠的吸附機制是相同的：當氣溶膠粒子隨氣流運動穿過濾紙時，氣溶膠粒子與濾 紙的纖維發生碰撞并被吸附在纖維上。氣溶膠粒子出射的a粒子在到達探測器的過程中， 會與濾紙的纖維發生碰撞損失能量，從而產生嚴重的能譜拖尾。微孔濾膜濾紙的結構特點 和吸附機制與上述兩種濾紙完全不同，其結構與篩子類似，濾紙表面分布大量直徑相同的 圓柱狀空隙，當氣溶膠粒子隨氣流運動穿過濾紙時，粒徑比濾紙空隙直徑大的氣溶膠粒子 被截留在濾紙表面，而不是沉積在內部。因此微孔濾膜濾紙不會阻擋出射的a粒子，不會 造成能量損失。
[0005] CANBERRA公司的連續監測儀均使用氟材質的微孔濾膜濾紙，除了因為其不會對出 射的a粒子造成能量損失外，還因為該類型濾紙具有較好的化學穩定性、疏水性、抗拉強 度。在該公司的產品說明書中，對濾紙性能進行了較為詳細的說明。目前市面上的連續監 測儀一般均使用微孔濾膜濾紙。
[0006] (2)氡子體分離采樣技術 氡子體分離采樣技術即是在采樣過程中分離掉大部分的氡子體，主要采集關注的钚鈾 等人工放射性氣溶膠。目前可采用的技術有兩種：氡子體粒度分離采樣和氡屏。
[0007] 氡子體粒度分離采樣的原理是：各種環境下氡子體的活度中位空氣動力學直徑 (AMD)均沒有超過Iiim;另一方面，大多數情況下人工a放射性氣溶膠是大粒徑的，AMD 小于Ium的較為少見。根據氡子體和钚鈾等人工a放射性氣溶膠粒徑的差異，采用慣性 分離的方式分離掉大部分的氡子體，僅采集钚鈾等氣溶膠進行測量。中國輻射防護研究院 的CAM-I和CAM-II型連續監測儀就采用了該技術。
[0008] 氡屏技術是CANBERRA公司發明的，并申報了專利。基本原理是采用加了電壓的柵 網吸附氡子體。據相關文獻報道，這兩種技術對氡子體的分離效率都可以達到90%左右；但 是由此帶來的負面效果是：有可能漏采钚鈾等人工放射性氣溶膠。
[0009] (3)自動更換濾紙 大部分商用連續監測儀為簡化設計和節約成本，采用無法自動更換的固定濾紙。這種 儀器在監測過程中，必須使用同一片濾紙進行多次采樣和測量。單片濾紙的使用時間長達 數小時，甚至數十小時。在這個過程中，濾紙上累積的氡子體越來越多，對測量的干擾也越 來越嚴重。CANBERRA公司、Thermos公司的產品大多采用這種設計。
[0010] 部分連續監測儀則安裝了可自動更換的濾紙卷。運行過程中首先在濾紙卷的一片 區域進行采樣和測量，然后轉動濾紙卷，在新的區域進行下一次采樣和測量。這種運行模式 可以避免氡子體的累積效應，顯著降低判斷限。但是設計較為復雜，特別是氣路密封性難以 保證，儀器價格和重量也顯著增加。Thermos公司的FHT59Si、Berthold公司的BAI9128、國 內中國輻射防護研究院的CAM-I和CAM-II均安裝了可自動更換的濾紙卷。部分連續監測 儀雖然安裝了可自動更換濾紙卷，但是采樣過程中無法做到氣路密封，大部分氣溶膠粒子 無法收集到濾紙上，這類儀器不能稱為合格的產品。如CANBERRA公司使用濾紙卷采樣頭的 iCAM，中國輻射防護研究院的CAM-4。
[0011]目前世界上有多款商用化連續監測儀可供選用，這些儀器或多或少地應用了上述 降低氡子體干擾的技術。在全球多個連續監測儀生產商中，技術最為成熟，產品使用最廣的 三家公司是美國CANBERRA公司、美國Thermos公司和德國Berthold公司。國內，中國福射 防護研究院、防化研究院、北京核儀器廠等單位做過放射性氣溶膠連續監測方面的一些研 究，并研制了幾款儀器。這些儀器在判斷限技術指標上不比國外產品遜色，主要差距是產品 可靠性差、集成度低。
[0012] 不同類型連續監測儀的測量能譜差別很大，其中較好的測量能譜與圖1類似，仍 存在較嚴重的氡子體能譜拖尾。因為這些儀器雖然避免了濾紙對出射a粒子的衰減，但是 探測器與濾紙之間的空氣層、探測器表面的保護層對a粒子仍存在嚴重衰減。
[0013] 與鈾相比，钚的危害大得多，攝入量限值也少得多，是重點關注核素。根據我國目 前采用的國家標準《電離輻射防護與輻射源安全基本安全標準》GB18871-2002,環境中239Pu 的活度濃度限值為〇.2Bq/m3。各種商用連續監測儀僅適用于天然氡濃度環境（氡濃度小于 lOOBq/m3)，在這種環境中，在一小時的監測周期情況下，這些儀器對239Pu的監測判斷限一 般低于或接近國標限值。但是在氡濃度很高的環境中（氡濃度在數百Bq/m3以上)，如山體 坑道、地下倉庫等場所，氡子體對測量的干擾很嚴重，這些商品化儀器對239Pu的監測判斷限 很高，遠超過其濃度限值。根據我國國標，擬研制的高靈敏度連續監測儀的判斷限設計技術 指標為：在氡濃度為lOOOOBq/m3,監測周期為一小時的情況下，對钚氣溶膠的監測判斷限不 高于0. lBq/m3 ;氡濃度為lOOBq/m3,相同的監測周期情況下，對钚氣溶膠的監測判斷限不高 于 0? 01Bq/m3。
【發明內容】
[0014] 本發明的目的在于：在目前連續監測儀已有技術的基礎上，進一步研制靈敏度更 高的連續監測儀，這種新儀器采用新技術進一步減少測量能譜的氡子體拖尾，提高監測靈 敏度，使其能夠在高氡環境下監測微量钚鈾氣溶膠。
[0015] 本發明解決上述技術問題所采用的技術方案如下：一種高靈敏度放射性氣溶膠連 續監測儀（HS-CAM)，所述整個連續監測儀系統分為采樣模塊和測量模塊兩部分，其中采樣 和測量模塊的上半部分安裝在上部支撐模塊內，采樣模塊活動單元和抽真空測量模塊活動 單元可以上下往復運動，安裝在下部支撐模塊內；被動走紙輪和主動走紙輪分別位于上部 和下部支撐模塊的左右兩側；上述四部分均使用長螺釘固定在襯底板上；濾紙卷纏繞在被 動走紙輪和主動走紙輪上，穿過上部支撐模塊和下部支撐模塊之間的空隙；氣溶膠粒子通 過氣流入口進入儀器，光電開關中間安裝帶缺口的圓片，采集到氣溶膠的濾紙從采樣模塊 移動到測量模塊的過程中，帶缺口的圓片旋轉一周，光電開關再次給出信號；钚標準源托盤 用于刻度a譜儀，從下部支撐模塊中間的缺口插入U-019-300-100粒子注入型硅探測器的 下部；支撐板連接采樣模塊活動單元和抽真空測量模塊活動單元的下部，偏心輪位于支撐 板的上方，連接抬壓紙驅動電機抬紙到位行程開關位于偏心輪的左側，壓紙到位行程開關 位于偏心輪的右側；抬壓紙驅動電機運轉時，帶動偏心輪一同轉動，緊貼偏心輪的支撐板連 同與其連接的采樣模塊活動單元和抽真空測量模塊活動單元隨之上下往復運動，支撐板運 動到最低點時，抬紙到位行程開關給出信號；支撐板運動到最高點時，壓紙到位行程開關給 出信號，走紙驅動電機連接主動走紙輪，帶動濾紙帶轉動；粒度分離采樣器安裝在上部支撐 模塊的左側；U-019-300-100粒子注入型硅探測器和真空轉接頭安裝在上部支撐模塊的 右側真空室內；采樣模塊活動單元和抽真空測量模塊活動單元的上方安裝環形硅膠密封墊 片用于保持密封；采樣模塊活動單元和抽真空測量模塊活動單元的外側均套有彈簧。
[0016] 通過抬壓紙運動同時形成密封的采樣模塊和真空測量模塊，可以在基本不增加機 械模塊整體重量的前提下實現抽真空測量。在連續監測儀中使用a譜儀專用的Ultra系 列探測器。其能量分辨率和氡子體能譜拖尾顯著優于標準的用于連續監測儀的CAM系列探 測器，為了使探測器避光和不受水蒸氣和灰塵的污染，采用采樣和測量模塊分離的設計。
[0017] 本發明的有益效果：高靈敏度放射性氣溶膠連續監測儀（HS-CAM)測量的氡子體 本底能譜如圖3所示，從圖中可以看出，該能譜基本沒有拖尾，與圖1普通連續監測儀拖尾 嚴重的能譜截然不同，十分接近實驗室a譜儀的測量能譜。相當于使用氡子體粒度分離采 樣器采集氣溶膠，然后在實驗室a譜儀真空室中進行測量所達到的效果。與普通商用連續 監測儀相比，判斷限指標提高了約兩個數量級。二者之間的判斷限指標對比如表1所示。
[0018] 表I HS-CAM與普通商用連續監測儀的判斷限指標對比，單位：Bq/m3
【權利要求】
1. 一種靈敏度放射性氣溶膠連續監測儀，所述整個連續監測儀系統分為采樣模塊和 測量模塊兩部分，其特征在于：其中采樣和測量模塊的上半部分安裝在上部支撐模塊內，采 樣模塊活動單元和抽真空測量模塊活動單元可以上下往復運動，安裝在下部支撐模塊內； 被動走紙輪和主動走紙輪分別位于上部和下部支撐模塊的左右兩側；上述四部分均使用長 螺釘固定在襯底板上；濾紙卷纏繞在被動走紙輪和主動走紙輪上，穿過上部支撐模塊和下 部支撐模塊之間的空隙；氣溶膠粒子通過氣流入口進入儀器，光電開關中間安裝帶缺口的 圓片，采集到氣溶膠的濾紙從采樣模塊移動到測量模塊的過程中，帶缺口的圓片旋轉一周， 光電開關再次給出信號；钚標準源托盤用于刻度a譜儀，從下部支撐模塊中間的缺口插入 U-019-300-100粒子注入型硅探測器的下部；支撐板連接采樣模塊活動單元和抽真空測量 模塊活動單元的下部，偏心輪位于支撐板的上方，連接抬壓紙驅動電機抬紙到位行程開關 位于偏心輪的左側，壓紙到位行程開關位于偏心輪的右側；抬壓紙驅動電機運轉時，帶動偏 心輪一同轉動，緊貼偏心輪的支撐板連同與其連接的采樣模塊活動單元和抽真空測量模塊 活動單元隨之上下往復運動，支撐板運動到最低點時，抬紙到位行程開關給出信號；支撐板 運動到最高點時，壓紙到位行程開關給出信號，走紙驅動電機連接主動走紙輪，帶動濾紙帶 轉動；粒度分離采樣器安裝在上部支撐模塊的左側；U-019-300-100粒子注入型硅探測器 和真空轉接頭安裝在上部支撐模塊的右側真空室內；采樣模塊活動單元和抽真空測量模塊 活動單元的上方安裝環形硅膠密封墊片用于保持密封；采樣模塊活動單元和抽真空測量模 塊活動單元的外側均套有彈簧。
【文檔編號】G01T1/167GK104360371SQ201410636311
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月12日 優先權日:2014年11月12日
【發明者】不公告發明人 申請人:中國人民解放軍63653部隊