基于PIPS半導體探測器的核電站放射性氣溶膠測量系統(tǒng)設(shè)計

王益元，魏永康，陳祥磊，藺常勇，柳 彬，左亮周

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064;2.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518045;3.北京賽思科系統(tǒng)工程有限責任公司，北京 100079)

0 引言

核電站以反應堆核能為動力來源，在事故情況下出現(xiàn)一回路承壓邊界完整性被破壞出現(xiàn)泄漏時，人工放射性氣溶膠將迅速釋放到環(huán)境大氣中造成氣載放射性污染。監(jiān)測核電站內(nèi)部大氣環(huán)境中的放射性氣溶膠濃度，可以及時發(fā)現(xiàn)核電站反應堆運行事故，對于保證核電站工作人員安全，保障核電站正常運行具有重要意義。

由于天然放射性氣溶膠的存在，因此放射性氣溶膠測量中天然放射性氣溶膠氡釷及其衰變子體［1］的準確測量和剔除技術(shù)是非常關(guān)鍵的，也是技術(shù)難點。另外，天然本底中的γ射線及放射性氣溶膠發(fā)射的γ射線在一定程度上也影響了放射性氣溶膠測量的準確度，也需要測量和剔除。國際上很多放射性氣溶膠探測器由于其設(shè)計原理或者算法的缺陷導致對天然放射性氣溶膠氡釷及其衰變子體和γ射線不能準確測量和剔除，在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)測量結(jié)果不準確或者天然放射性干擾造成的誤報警事件，嚴重影響設(shè)備的正常使用，大大削弱了其準確測量能力。

新型PIPS探測器(離子注入型鈍化硅半導體探測器)是離子攙雜形成的PN結(jié)型半導體探測器［2－3］，其靈敏區(qū)很薄，對 γ 射線不靈敏，輸出脈沖信號快，能量分辨率高，非常適合于測量α和β放射性的場合。基于新型PIPS半導體探測器具有高效的能譜測量能力，能實時測量放射性氣溶膠樣品的能譜，利用專門的剝譜算法對能譜進行處理，實時剝離出天然放射性氡、釷及其子體本底的成分，去除天然放射性干擾。從而得到準確度高的人工放射性氣溶膠濃度。因此，新型PIPS半導體探測器從其性能特點出發(fā)非常適合于放射性氣溶膠的測量，下面將進一步深入探討新型PIPS探測器在放射性氣溶膠測量上的使用方式及設(shè)計要點。

1 系統(tǒng)原理及組成

基于PIPS半導體探測器的放射性氣溶膠測量系統(tǒng)由取樣單元、過濾裝置(含自動走紙裝置)、測量單元、前端電子學系統(tǒng)和后端電子學系統(tǒng)組成。其中后端電子學系統(tǒng)包括就地處理顯示單元、電氣單元和接線盒等部分。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 放射性氣溶膠監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)原理框圖Fig.1 The principle plan of radioactive aerosol monitoring system

從入口進入取樣系統(tǒng)的被測氣體，由氣溶膠探測裝置實現(xiàn)氣溶膠測量后從出口排出，在取樣管路上安裝有壓差計，實時測量進氣口和出氣口的壓力差，當壓力差異常時給出報警信號。另外，在取樣管路上安裝有流量計，在取樣測量過程中實時測量取樣氣體流量，當取樣流量超出正常允許范圍時給出報警信號，操作人員通過手動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)取樣氣體流量至正常范圍。抽氣泵安裝在整個取樣系統(tǒng)的下游，在抽氣泵入口處設(shè)置和抽氣泵壓力指標相匹配的就地壓力表，并設(shè)置泄壓保護裝置，當取樣系統(tǒng)上游濾紙阻塞或者閥門異常關(guān)閉等導致抽氣泵入口壓力異常時，泄壓保護裝置自動打開，避免抽氣泵損壞。放射性氣溶膠測量系統(tǒng)運行邏輯圖如圖2所示。

圖2 放射性氣溶膠測量系統(tǒng)運行邏輯圖Fig.2 The logical plan of radioactive aerosol monitoring system

2 探測裝置結(jié)構(gòu)

放射性氣溶膠探測裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 氣溶膠探測裝置組成示意圖Fig.3 The structure of radioactive aerosol monitoring equipment

探測裝置外殼將過濾裝置、探測器和前置放大器封閉在和取樣管路連通的內(nèi)部空間中，取樣氣體進入探測裝置后繞過正對氣溶膠過濾裝置的探測器，然后通過過濾裝置，待測空氣中的放射性氣溶膠沉積在過濾裝置上(正常流速下0.1 μm以上的氣溶膠粒子在濾紙上存留90%以上)，探測器測量沉積的放射性氣溶膠發(fā)射的α，β射線，產(chǎn)生的脈沖信號由緊挨探測器的前置放大器放大后輸出到后端電子學系統(tǒng)進行處理。

探測器的測量原理如圖4所示。

圖4 PIPS氣溶膠探測器測量原理圖Fig.4 The measuring principle of PIPS radioactive aerosol monitor

探測器由2個平行放置的PIPS探測器組成，前端PIPS探測器測量氣溶膠粒子發(fā)射的α，β射線及環(huán)境與氣溶膠粒子的γ射線，探測器和過濾裝置間使用特殊設(shè)計的準直結(jié)構(gòu)對射線進行準直，后端PIPS探測器測量環(huán)境與氣溶膠粒子的γ射線。2個探測器的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過專門的算法處理后就可得到放射性氣溶膠的比活度。

3 測量能譜分析

基于PIPS探測器的氣溶膠測量系統(tǒng)測量到的典型能譜示意圖如圖5所示。

圖5 放射性氣溶膠典型能譜Fig.5 The typical energy spectrum of radiactive aerosol

該能譜是α，β，γ的混合能譜，氣溶膠放射性比活度計算有效區(qū)間如圖中所示，共有A～E五個有效區(qū)間。其中區(qū)間A是低能區(qū)的β，γ區(qū)間，該區(qū)間測量到的計數(shù)中包含人工β放射性氣溶膠的β射線計數(shù)、環(huán)境γ本底計數(shù)、天然放射性氣溶膠β，γ計數(shù);區(qū)間B是中能區(qū)的α放射性粒子能量區(qū)間，該區(qū)間測量到的計數(shù)為多種人工α放射性氣溶膠產(chǎn)生的α射線總計數(shù);區(qū)間C是鈾系天然放射性氣溶膠218Po發(fā)射的α射線總計數(shù);區(qū)間D是鈾系天然放射性氣溶膠214Po發(fā)射的α射線總計數(shù);區(qū)間E是釷系天然放射性氣溶膠212Po發(fā)射的α射線總計數(shù)。

PIPS探測器的測量能譜分辨率高，特別是在高能端(＞5 MeV)可精確區(qū)分218Po，214Po和212Po的α射線能峰，由于沒有其他高能粒子干擾，很容易計算出每個有效能峰的計數(shù)率。因此，通過對各能量區(qū)間α射線的測量，利用一定的運算法則可計算出各種氡釷及其衰變子體對測量能譜的影響，從而扣除天然放射性氣溶膠，同時利用后端PIPS探測器測量的γ射線，從而扣除γ射線的影響，最終得到大氣環(huán)境中精確的人工α放射性氣溶膠和人工β放射性氣溶膠比活度。

4 結(jié)語

本文采用新型PIPS半導體探測器設(shè)計了一種核電站放射性氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)，并對系統(tǒng)組成、探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、測量原理和數(shù)據(jù)分析方法進行了介紹。基于PIPS探測器的放射性氣溶膠測量技術(shù)具有以下優(yōu)點:

1)測量實時性強。能譜測量技術(shù)在有效的運算法則配合下可以實時的測量計算出人工放射性氣溶膠和天然放射性氣溶膠比活度，響應速度快。

2)靈敏度高、測量范圍寬。PIPS探測器有效靈敏層厚度很薄，對γ射線探測效率低，儀器環(huán)境本底計數(shù)率更低，對放射性氣溶膠更靈敏，對α射線探測效率高(100%)，可高效、準確地測量人工放射性氣溶膠。

3)測量結(jié)果準確可靠。對天然放射性氣溶膠和環(huán)境本底的準確測量和剔除，使得人工放射性氣溶膠比活度的測量結(jié)果準確可靠。

4)測量目的多樣化。可同時測量人工α放射性氣溶膠比活度、人工β放射性氣溶膠比活度量、多種天然放射性氣溶膠比活度及γ輻射本底。

5)探測器體積小、重量輕。PIPS半導體探測器面積小、厚度薄，對環(huán)境γ本底不靈敏，不需要太多的鉛屏蔽來屏蔽環(huán)境本底的影響，基于這種探測器設(shè)計的放射性氣溶膠測量設(shè)備體積小、重量輕，安裝、調(diào)試和維護保養(yǎng)方便。

因此，基于新型PIPS半導體探測器設(shè)計的核電站放射性氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)具有多方面優(yōu)點，可在一定γ本底干擾下很好的進行放射性氣溶膠α，β能譜測量，可準確區(qū)分天然和人工放射性氣溶膠，非常適合于核電站放射性氣溶膠測量。

［1］程業(yè)勛，王南萍，侯勝利.核輻射場與放射性勘查［M］.北京:地質(zhì)出版社，2008.

［2］劉忠立.半導體輻射探測器［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.285 －286.

［3］汪曉蓮，李澄，邵明，陳宏芳.粒子探測技術(shù)［M］.合肥:中國科學技術(shù)大學出版社，2009.197－198.