船用移動式放射性碘-131監測儀的研制

閆學昆，張 燕，谷鐵男，李 洋，劉明健

(中國人民解放軍92609部隊，北京 100077)

0 引 言

放射性核素131I是裂變產物，具有產額高、易揮發、半衰期較長（8.02 d）等特點，另外131I還屬于中毒性組核素[1]，易被人體吸入或食入，積聚在甲狀腺中對人體造成嚴重傷害。131I是核事故早期重點監測和關注的典型核素之一。1979年美國三哩島核事故[2]、1986年蘇聯切爾諾貝利核事故[3]和2011年日本福島核事故[4]的早期應急監測階段，都把典型核素131I的識別與活度濃度測量作為重點監測對象。核事故發生之后對131I進行監測，可以判定是否有放射性污染（煙羽或煙云）到達，為人員和裝備及時采取防護措施、預判事故發展態勢、反推事故源項（131I釋放當量）、判定核事故等級[5,6]，同時為艦船集防系統濾除、凈化放射性碘等提供科學依據[7]。

為便于攜帶和展開救援，有必要為水面艦船和核應急監測分隊配置專用的移動式131I監測儀，對艦船集防區內及核事故周圍環境中131I核素的活度濃度進行連續在線監測，滿足海上、陸上使用的需求。本文在前期研究工作基礎上[5]，介紹新型船用移動式131I監測儀的研制工作。

1 儀器主要設計指標

1）測量對象：131I（有機碘、元素碘），γ能量364 keV；

2）測量范圍：3.7～3.7×105Bq/m3；

3）基本誤差：≤±20%；

4）外型尺寸：≤420 mm（長）×420 mm（寬）×950 mm（高）；

5）重量：≤40 kg。

2 設備組成與工作流程

2.1 設備組成框圖

移動式131I監測儀的設備組成如圖1所示。由取樣探測部分（活性炭濾盒、NaI探測器）、測量部分（放大器、AD變換單元、濾波成形電路、數字多道、FPGA數據采集處理及穩譜單元）、外圍器件（觸摸屏顯示器、真空泵、流量計、聲光報警燈）、電源模塊及機械部件等組成。

圖1 移動式131I監測儀的組成框圖Fig. 1 Block diagram of the portable Iodine-131 monitor

2.2 設備機械結構設計

2.2.1 整機結構設計

移動式131I監測儀的機械結構如圖2所示。

圖2 移動式131I監測儀的機械結構Fig. 2 Mechanical structure of the portable Iodine-131 monitor

結構布局如下：

1）機架底部固定有2個地腳和2個腳輪，便于支撐和移動式攜行；

2）機架上部有固定板，通過橡膠減震器安裝1臺Becker VT4.8型真空泵（流量約133 L/min）；

3）真空泵進氣口與取樣探測裝置的出氣口用導電硅膠管連接，用于抽氣；

4）真空泵上部為取樣探測部分，用于氣載放射性131I核素的采樣和監測；

5）取樣探測部分右側頂部安裝有聲光報警燈，超閾值時可發出聲光報警信號；

6）上部拖拉手把上固定有觸摸液晶屏顯示器，用于顯示測量能譜、活度濃度等信息，并完成設備工作狀態的操控。

2.2.2 取樣探測裝置的設計

取樣探測裝置為設備核心部件，其結構如圖3所示。

圖3 取樣探測裝置內部結構組成Fig. 3 Composition structure scheme of the sampling and detecting part

取樣探測裝置的結構特點如下：

1）活性炭過濾盒為一個“井型”空心圓柱體，中心為探測器，可使探測與取樣緊密聯系在一起，實現連續監測：①濾盒和探測器位置固定，濾盒便于更換；②可以累積取樣，取樣過程中不更換濾盒；③保證探測器對采集的131I樣品有較高的探測效率；④取樣和探測過程中，幾何因子在逐漸發生變化，但這種結構對取樣幾何因子發生變化不敏感，對測量的影響較小（經計算分析，影響≯5%）。

2）采用成熟的活性炭吸附，浸漬10%三乙撐二胺（TEDA）的活性炭對有機碘的吸附效率可達98.4%。

3）為了防止活性炭吸附放射性氣溶膠而引起附加的放射性，減少131I測量的干擾，在進氣頭組件內設有濾紙及緊固組件。可過濾各種氣溶膠狀態的放射性物質，減少對131I測量的影響，同時減少氣溶膠對活性炭的污染，延長使用壽命。任務結束后，可用實驗室分析設備對濾紙進行測量分析，測量結果用于131I活度濃度的修正。

4）采用A3碳鋼外殼固定、支撐，可降低環境輻射場對測量的影響，還起電磁屏蔽作用。

2.3 設備工作流程

移動式131I監測儀的工作流程如圖4所示。

1）開機后，真空泵啟動，將周圍空氣（可能含有放射性131I核素）吸入取樣裝置（進氣口帶有濾紙，可濾除放射性氣溶膠）內，流經活性炭取樣濾盒時131I被富集在活性炭上；

2）活性炭中富集的131I核素發射出364 keV能量的γ射線打入探測器中的NaI晶體內，將γ光子轉變為熒光脈沖信號，再由光電倍增管轉變為電脈沖信號；

圖4 移動式131I監測儀的工作流程Fig. 4 Working process of the portable Iodine-131 monitor

3）脈沖信號經放大、濾波成形、A/D變換后送入數字多道分析系統，完成能譜數據的采集；同時自動完成131I核素364 keV能量特征峰的識別、凈面積計算，并結合采樣流量信息完成活度濃度的計算；

4）獲取的能譜數據、活度濃度信息實時顯示在觸摸屏顯示器上；

5）如果未監測到131I核素，則持續進行測量，顯示環境本底能譜信息；如果監測到131I核素，設備將給出其活度濃度值，并發出聲光報警信號。

6）NaI探測器內嵌有241Am源，等效特征峰在2.8 MeV附近，用于實時穩譜，防止131I核素的364 keV特征峰隨溫度漂移。

2.4 軟件控制流程與顯控界面

整個設備的軟件控制流程如圖5所示。

圖5 移動式131I監測儀的軟件控制流程Fig. 5 Software control flow of the portable Iodine-131 monitor

顯控界面如圖6所示。圖6中，液晶顯示器包括能譜顯示區域、131I核素活度濃度、測量時間、工作狀態顯示、低能端閾值設置、操控按鍵等，便于操作使用。

圖6 移動式碘-131監測儀的顯控界面Fig. 6 Display and control interface of the portable Iodine-131 monitor

3 結 語

新研制了適合水面艦船和核應急監測分隊使用的移動式131I監測儀，各項性能指標滿足預期指標要求。具有以下特點：

1）設備主要技術指標不低于國內外同類產品外；

2）設備體積小、重量輕，便于單人移動攜行和操作使用；

3）活性炭濾盒便于更換；

4）滿足高溫（+50 ℃）、低溫（-20 ℃）、恒定濕熱（30 ℃、RH 93±3%）、外殼防水（IP44）、振動、電磁兼容等船用環境的要求；

5）備品備件、耗材及維護保養等有保障。