新型環境空氣中放射性惰性氣體濃度測量技術的研究

唐振波，方燦琦，曹明月，李 海，何帥興

（1.常州環宇信科環境檢測有限公司，江蘇 常州 213022；2.杭州湘亭科技有限公司，浙江 杭州 311100）

國際上放射性核素監測系統主要用于大氣層核試驗的監測，其放射性惰性氣體監測臺站網在監測水下核試驗，規避性大氣層核試驗（如大雨情況下進行）和泄漏量較大（10%以上）的地下核試驗中發揮著重要作用，但封閉性較好的地下核試驗不能監測。如何開發適用的監測技術是具有很強的實用價值的。放射性惰性氣體氙是核試驗和反應堆核事故泄漏釋放的主要氣態流出物之一，放射性氙測量技術具有極高的靈敏度，可用于檢測可疑核爆炸事件。通過分析133Xe在大氣中吸附富集后的活度變化可監測全球核爆炸事件。由于放射性氙同位素在大氣中含量極低，必須先進行高效富集，然后分離純化，才能得到符合放射性測量要求的氙樣品。本研究擬通過以低輻射計數法、加速器質譜法和原子阱痕量檢測技術為基礎的檢測技術，開發長壽命放射性惰性氣體Xe同位素快速、高效檢測的技術[1]。

1 氙取樣測量系統的原理

取樣子系統主要利用吸附富集和脫附純化技術，將大氣中極痕量的放射性氙進行富集純化，然后通過測量放射性氙產生的γ和β射線來給出活度結果，最后結合氣相色譜給出的氙量結果計算最終的活度濃度結果。

2 氙取樣系統的設計

為了同步實現氙取樣和測量功能，為氙取樣系統 設計一套監控系統，要求實時采集溫度、壓力、真空度、流量、氣體濃度等過程量，具備實時顯示、存儲、曲線顯示、歷史數據查詢等功能，根據流程工藝需求控制氣動閥、壓縮機、冷水機、干式真空泵等設備的啟停。具備實時檢測設備運行狀態，出現意外情況進行報警功能。

氙取樣測量系統包括采取組件、空氣預處理組件、膜分離組件、制冷單元、多級吸附濃縮組件、TCD測量、收集再生組件。氙取樣流程見圖1。

圖1 惰性氣體Xe取樣流程圖

采樣組件由空氣壓縮機、壓力測量和緩沖罐組成。空壓機作為系統的動力源，從大氣環境中取氣，為后端提供原料氣。為穩定系統壓力，經壓縮的氣體先經過緩沖罐緩沖壓力，隨后進入下一操作階段。

空氣預處理組件作用為去除空氣中的水分、油分、顆粒雜質等，主要包含三級過濾器和冷干機。其中三級過濾器主要用來過濾樣品氣中的油分、顆粒物。冷干機用來對樣品組件進行干燥除水，選用冷干機大氣露點約-25 ℃，無需更換。三級過濾器雜質過濾精度高達99.99%以上，經三級超精密過濾器后原料氣中油分含量低至0.005 mg/m3[2]。

膜分離組件主要作用為除去原料氣中的氧氣、二氧化碳、氫氣、微量水，關鍵設備為半透膜。原料氣經過半透膜后，利用滲透速率的不同，滲透率大的氣體被排放出去，比如絕大部分的氧氣、二氧化碳、氫氣和水汽，其余氣體如氮、氬、氪、氙、氡，則由尾氣端進入裝填有4A分子篩的干燥柱體，除去殘余的微量水分，然后進入下一濃集階段。

經過膜分后的樣品氣在進入多級吸附柱之前需進行降溫，基于活性炭對氙在低溫下的吸附效果更好，則采用低溫冷凍機將樣品氣溫度降低至-80 ℃至-100 ℃，再進入一級吸附柱進行吸附。

多級吸附組件是對樣品氣進行深度濃集和進一步去除氧、氮、氪、氡等雜質氣體。吸附組件的核心為活性炭吸附柱，柱內裝填活性炭吸附材料，對樣品氣進行吸附。主要吸附氣體為氪、氙、氡，其余不被吸附的氣體通過尾氣支路排空。

TCD組件用于對經過濃縮提純的樣品氣體進行色譜分析。在正式測量樣品中氙氣濃度之前，需要配置若干已知濃度的Xe標準氣體樣品，以便對色譜工作站進行標樣刻度。Xe標氣由專業供方進行配氣，一組標準樣品應該包括與樣品氣中Xe組分濃度等量級的標準氣體。標準氣注入標準柱，經過色譜檢測后所獲出峰圖譜被色譜工作站記錄，此圖譜作為正式樣品氣體測量時的出峰時序參比。采購成熟的氣相色譜分析儀器，用外部氦氣源載帶樣品氣體進入色譜儀器，通過與標氣標定的出峰結果進行在線監測對比，分析出樣品中氙氣的濃度，并對結果進行保存[3]。

當氙經過色譜工作站檢測后，預先判定好在氙出峰的時間段內，用外部氦氣源把解析后的氙直接推送入取樣瓶中，從而完成氙的收集。其余不需要的氣體經由排空閥門排出。各吸附柱在使用前要進行完全再生活化處理，用以排除柱腔內殘余雜質氣體，此步驟需要配套相應的真空再生組件。真空再生組件由干泵以及相應的再生閥門組成。考慮到吸附柱活化及再生所需，需配置一臺真空泵以滿足吸附柱活化再生的需求。當系統中的吸附柱需要徹底再生時，要對吸附柱進行加熱處理，加熱溫度為350 ℃，同時打開相應的再生閥門V24、V11、V27，對各吸附柱進行抽空處理，使整個吸附柱實現徹底解析再生。以上步驟完成后，準備進行下個樣品的操作。

采用系統工藝包含三部分：待機狀態、預處理狀態和吸附狀態。其中待機狀態默認所有設備帶電閉合；預處理狀態為設備活化再生，準備吸附工作的預先處理，若 是長期閑置也需要進行預處理，若連續運行僅在開機時進行一次預處理即可，也可定期預處理；吸附狀態下，系統所有設備均保持運行，并通過控制系統對設備運行狀態進行實時監控[4]。（1）待機狀態：所有設備及閥門均為閉合狀態，默認設備帶電。（2）預處理狀態:所有吸附柱在使用前均需進行再活化處理。具體為將吸附柱加熱到350 ℃，開啟抽空泵，再打開抽空閥V24、V11、V27，對吸附柱C1、C2、C3進行活化再生。活化再生處理時長為30 min。30 min后，先關閉抽空閥V24、V11、V27，再關閉抽空泵[5]。活化再生處理完成后，需使用高純氮氣對吸附柱吹掃并填充，可使吸附柱降溫恢復至待吸附工作狀態。高純氮氣吹掃時長約為30 min，以C1-1的溫度恢復至常溫為吹掃結束的信號。（3）吸附狀態:氣體進入C1-1進行吸附，吸附時長共為3 h。將V6打開，氣體流經C1-1 Kr、Xe等氣體被吸附，其他雜質氣體（主要N2、O2）則通過V6排出。C1-2進行吸附，C1-1解析，C1-2從3 h 0min～6 h吸附時長共為3 h。C1-1加熱200 ℃，F1設為200 mL/min。氣體經QV1——C1-2——QV2——F3——C1-1，未被C1-2吸附的大量氣體經V7排除，少量尾氣200 mL/min用于C1-1解析。

3 氙測量系統

測量主要利用色譜法對樣品中氙總量進行測量和利用β——γ譜儀對樣品中放射性氙進行測量，從而實現大氣中放射性氙的定量監測[6]。

氙測量系統的框架結構主要分為3個單元模塊：①放射性氙測量儀器；②總氙量測量儀器；③測量工作站。

①放射性氙測量儀器由塑料閃爍體探測器、γ譜儀、鉛屏蔽室和電子學系統組成。通過β-γ符合測量，獲得氙樣中131mXe、133Xe、133mXe和135Xe四種同位素的活度和活度的最低探測限（MDA）的結果（單位Bq）。

②總氙量測量儀器由配置有固態熱導檢測器（SSD）的微型氣相色譜儀來實現。采用定體積閥進氣體樣品，用微型填充色譜柱將Xe與其他氣體分離，固態熱導檢測器檢測Xe含量，然后經過信號放大電路、數據采集和模－數轉換，最后通過RS232上傳給數據處理工作站。計算機對采集的數據進行處理，定量分析組分的含量，從而得到Xe含量及其取樣效率的結果[7]。

③測量工作站主要包括氙測量子系統的控制軟件、放射性氙測量儀器的雙參數測量軟件和氙含量分析儀的測量軟件等，控制氙樣品在放射性氙測量和穩定氙測量儀器間的自動傳輸、清洗以及樣品歸檔，采集、存儲并處理兩種測量儀器的譜圖數據，最終得到放射性氙同位素活度濃度和活度濃度的最低探測限（MDC）的結果（單位Bq/m3）。

4 氙取樣測量系統測試

本實驗通過空氣壓縮機對空氣進行加壓，通過干燥器除去水分，再經過冷卻器降溫后進入一級吸附柱，設定空氣流量為100 L/min，空氣中的Xe吸附在柱內活性炭上，加熱使Xe脫附并逐級轉移到后一級吸附柱上吸附，從而達到濃縮純化Xe的目的。各級吸附柱均使用氣相色譜儀或者微型色譜儀測定吸附柱內Xe、CO2、Rn的流出濃度隨時間的變化曲線，即測氡儀測定吸附柱內的Xe、CO2和Rn隨溫度的變化曲線[8]。實驗監測結果見表1。

表1 實驗結果

試驗結果表明，研發的氙取樣測量系統基本具備了Xe的取樣和測量一體化功能，且具備基礎的操作控制功能。