CN101046514A - 管道内表面放射性污染测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道内表面放射性污染测量装置及测量方法，本发明的放射性污染测量装置包括电流收集极、高压电极、变径保护环、绝缘子和不锈钢外壳。不锈钢外壳与绝缘子固定连接，电流收集极设置于绝缘子的中心轴线上，变径保护环与绝缘子过盈配合。本发明的测量方法是，将被测管道的管壁作为电离室的室壁，对其施加饱和的工作电压，通过本发明的管道内表面放射性污染测量装置中的电流收集极收集放射性核素在管道内产生的电离电荷，将放射性活度的测量转换成管道饱和电流的测量，由测量得到的电流数据计算出管道内表面平均的污染水平。本发明具有测量速度快，准确度高的特点。可方便快速地测量出被污染管道内表面的平均污染水平。

Description

管道内表面放射性污染测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于处理放射性污染材料及其去污装置领域，具体涉及一种金属管道内表面放射性污染测量装置及测量方法，尤其适用于经过去污后管道内表面放射性污染测量，可为管道内表面污染水平是否达到清洁解控要求提供判别依据。

背景技术

在核设施退役过程中，针对直径较小的(＜150mm)放射性污染管道去污后内表面污染水平的测量方法主要有两种：直接测量法和间接测量法。

直接测量法即使用普通的表面污染测量仪对其内表面的放射性进行直接测量。直接测量存在如下的问题：一是表面污染测量仪的探头只能置于开口处而不能伸入内部，二是管道内弧型结构和平面探头测量窗不能吻合，其修正过程也十分复杂。三是判断一根管道内表面整体污染水平，必须将管道剖开后进行多点测量。这些原因导致了测量结果不能真实地反映放射性污染管道内表面的活度和表面污染水平。

间接测量即化学擦拭取样分析法。擦拭法是对管道内表面进行局部擦拭取样、通过化学处理和放化分析对管道内的残留量进行估算。间接测量方法目前在国内核设施退役源项调查过程管道内的放射性物质分布是不均匀的。另外擦拭效率依赖于被擦拭表面粗糙程度、污染物化学结合程度和擦拭人员进行擦拭动作的个人差异。因此取样代表性不足和擦拭效率的失实性给分析结果带来了很大的误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种管道内表面放射性污染测量装置及测量方法，对管道内表面的放射性物质发射的带电粒子在空气中形成的电离电流进行测量，从而达到测量管道内放射性污染水平的目的。

本发明的管道内表面放射性污染测量装置，包括电流收集极、高压电极、变径保护环、绝缘子和不锈钢外壳；其连接关系是，所述的不锈钢外壳为一端开口的圆柱壳体，不锈钢外壳的顶部设置有电流收集极插座和高压电源插头，不锈钢外壳的开口端通过螺钉与圆柱形绝缘子固定连接；绝缘子内端与不锈钢外壳之间有一空间，绝缘子外端径向固定设置有环形高压电极；电流收集极设置于绝缘子的中心轴线上，电流收集极的一端通过螺帽与绝缘子固定连接，另一端露于绝缘子之外；电流收集极与不锈钢外壳顶部中心点设置的电流收集极插头通过电流信号线连接；变径保护环设置在不锈钢外壳与电流收集极之间，变径保护环伸出绝缘子通过地线和不锈钢外壳接地，绝缘子与变径保护环为过盈配合。高压电极通过电流信号线与高压插头连接。

本发明所述测量装置的不锈钢不锈钢外壳、绝缘子与变径保护环均为同心圆。

管道内表面放射性污染测量装置中的电流收集极插头还设置有用于外接弱电流静电计的电流信号线；高压电源插头引出有高压电缆，用于外接高压电源。测量时，将被测管道安装在绝缘支架上。

本发明的测量装置根据被测管道的直径大小和管道长度来设置电流收集极的直径和长度。

本发明的工作原理是利用电离室工作原理的方法测量放射性污染管道内的放射性物质的活度，即将管道作为电离室的室壁，对其施加饱和的工作电压，通过本发明的测量装置的电流收集极收集放射性核素在管道内产生的电离电荷，将测量放射性活度的方式转换成测量管道饱和电流的方法，由测量得到的电流数据计算出管道内的放射性活度，再根据放射性活度和管道的有效面积计算管道内表面平均的污染水平。

本发明的管道内表面放射性污染测量方法包括以下步骤：

1.探测因子η的测量

首先将与被测的污染管道材质尺寸相同的、无污染的管道放在绝缘支架上，用绝缘材料将管道的一端封闭，接着把一标准源放入无污染的管道内，再将表面放射性污染测量装置中的电流收集极放入管道内，然后将所述测量装置中的高压电缆和电流信号线分别与高压电源和弱电流测量静电计连接，打开高压电源，通过弱电流静电计读出测量电流值I₁，由公式 $I=\frac{E\·e\·A}{E_0\·2}$ 计算出理论电流值I₂，探测效率 ${\mathrm{\η}}_1=\frac{I_1}{I_2},$ 然后再根据公式 $\mathrm{\η}=\frac{E\·e}{E_0\·2{\·\mathrm{\η}}_1}$ 计算出探测因子η的数值；

式中：E为标准源核素每次衰变带电粒子的能量，e为电子电量，A为标准源的活度，E₀为平均电离能；

2.无污染管道的测量

将与被测的污染管道材质尺寸相同的、无污染的管道放在绝缘支架上，用绝缘材料将管道的一端封闭，将测量装置中的高压电缆和电流信号线分别与高压电源和弱电流测量静电计连接，打开高压电源，通过弱电流静电计测得本底电流值I_b的值，重复测量数次后取平均值；

3.污染管道测量

用污染管道替换无污染管道，按上述步骤②进行测量，通过弱电流静电计测出污染管道的电流值I_a；重复测量数次取平均值。

4.污染管道内表面平均污染值W的计算

根据公式 $A=\frac{I_a-I_b}{\mathrm{\η}}$ 和 $W=\frac{A}{\mathrm{\Φ}\×\mathrm{\π}\×L}$ 计算出放射性污染管道内表面总活度A及平均污染值W；

式中：A-污染管道内表面的总活度，Bq；I_a-污染管道的测量电流(近似正比于带电粒子数)，A；I_b-为测量装置的本底电流，A；η-探测因子，A/Bq；W-为污染管道内表面平均污染值，Bq.cm^-2；Φ-为污染管道直径，cm；L-为污染管道的长度，cm。

采用本发明的管道内表面放射性污染测量装置及其测量方法，一次测量即可直接给出管道内表面总活度以及平均污染水平。测量装置的准确度高，与直接测量和化学擦拭取样分析相比，可以避免由于探头与被测位置不能吻合或取样代表性不足带来的系统误差。当金属表面放射性污染为清洁解控水平时，其放射性粒子衰变产生的电流比本底电流高一个量级以上。

采用本发明可准确地判断去污后管道内表面是否达到清洁解控水平。

附图说明

图1为本发明的管道内表面放射性污染测量装置剖面示意图

图2为本发明的管道内表面放射性污染测量装置的工作状态示意图

图中：1.高压电极    2.变径保护环    3.电流收集极    4、绝缘子    5.螺帽7.高压电源插头    8.电流收集极插头    电流信号线(9、18、6)    10.地线    11.不锈钢外壳    固定螺钉(12、14)    15.污染管道    16、绝缘材料    17.绝缘支架19.高压电缆    20.高压电源    21.弱电流静电计

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～图2中，本发明的管道内表面放射性污染测量装置，包括电流收集极3、高压电极1、变径保护环2、绝缘子4和不锈钢外壳11；其连接关系是，所述的不锈钢外壳11为一端开口的圆柱壳体，不锈钢外壳11的顶部设置有电流收集极插座8和高压电源插头7，不锈钢外壳11通过固定螺钉12与圆柱形绝缘子4固定连接；绝缘子4内端与不锈钢外壳11之间有一空间，绝缘子4外端径向固定设置有环形高压电极1，高压电极1通过固定螺钉14与绝缘子4连接；电流收集极3设置于不锈钢外壳11和绝缘子4的中心轴线上，电流收集极3的一端穿过绝缘子4的中心孔通过螺帽5与绝缘子4固定连接，另一端露于绝缘子4之外；电流收集极3与不锈钢外壳11顶部中心点设置的电流收集极插头8通过电信号9连接；变径保护环2设置在不锈钢外壳11与电流收集极3之间，变径保护环2伸出绝缘子4通过地线10和不锈钢外壳11接地，绝缘子4与变径保护环2为过盈配合。高压电极1与绝缘子4用固定螺钉14固定，并用一个长的螺丝钉穿过绝缘子4通过电流信号线6与高压电源插头7连接。

所述的不锈钢外壳11与变径保护环2为同轴心圆。本实施例中的绝缘子4采用聚四氟乙烯材料。

本发明的管道内表面放射性污染测量装置中的电流收集极插头8还连接有用于外接弱电流静电计21的电流信号线18，高压电源插头7引出有高压电缆19，用于外接高压电源20。

在进行测量时，将被测管道安装在绝缘支架上17，封闭管道的绝缘材料16为聚四氟乙烯材料。

本发明的管道内表面放射性污染测量方法包括以下步骤：

1.探测因子η的测量

首先将与被测的污染管道材质尺寸相同的、无污染的管道放在绝缘支架17上，用绝缘材料16将管道的一端封闭，接着把一标准源放入无污染的管道内，再将表面放射性污染测量装置中的电流收集极3放入管道内，然后将所述测量装置中的高压电缆19和电流信号线18分别与高压电源20和弱电流测量静电计21连接，打开高压电源20，通过弱电流静电计21读出测量电流值I₁，由公式 $I=\frac{E\·e\·A}{E_0\·2}$ 计算出理论电流值I₂，探测效率 ${\mathrm{\η}}_1=\frac{I_1}{I_2},$ 然后再根据公式 $\mathrm{\η}=\frac{E\·e}{E_0\·2{\·\mathrm{\η}}_1}$ 计算出探测因子η的数值；

式中：E为标准源核素每次衰变带电粒子的能量，e为电子电量，A为标准源的活度，E₀为平均电离能；

2.无污染管道的测量

将与被测的污染管道材质尺寸相同的、无污染的管道放在绝缘支架17上，用绝缘材料16将管道的一端封闭，将测量装置中的高压电缆19和电流信号线18分别与高压电源20和弱电流测量静电计21连接，打开高压电源20，通过弱电流静电计21测得本底电流值I_b的值，重复测量数次后取平均值；

3.污染管道测量

用污染管道15替换无污染管道，按上述步骤②进行测量，通过弱电流静电计21测出污染管道15的电流值I_a；重复测量数次取平均值；

4.污染管道内表面平均污染值W的计算

根据公式 $A=\frac{I_a-I_b}{\mathrm{\η}}$ 和 $W=\frac{A}{\mathrm{\Φ}\×\mathrm{\π}\×L}$ 计算出放射性污染管道内表面总活度A及平均污染值W；

式中：A为污染管道内表面的总活度；I_a为污染管道的测量电流；I_b为测量装置的本底电流；η为探测因子；W为污染管道内表面平均污染值；Φ为污染管道直径；L为污染管道的长度。

本发明的装置适用于多种放射性核素(如P_u239、A_m241、U235、U238等)的放射性污染水平测量，下面以P_u239和A_m241污染为例进行放射性污染水平测量。

实施例1    P_u239污染管道放射性污染水平测量

1.探测因子η的测量

使用标准P_u源，其活度A_s为1.33×10⁵/2π·min，管道内径为146mm，长度为1m的无污染不锈钢管道，按照上述的管道内表面放射性污染测量方法中的步骤1的方式测出I₁为4.655×10^-11A，由公式 $I=\frac{E\·e\·A}{E_0\·2}$ 算出I₂为5.222×10^-11A，带入探测效率公式 ${\mathrm{\η}}_1=\frac{I_1}{I_2},$ 得出η₁＝89.1％，由此得出探测因子η＝1.32×10^-14A/Bq。

2.无污染管道的测量

按照上述的管道内表面放射性污染测量方法中的步骤2的方式，采用内径为146mm，长度为1m的无污染不锈钢管道，测出本底电流I_b为1.10×10^-13A。

3.污染管道测量

按照上述的管道内表面放射性污染测量方法中的步骤3的方式，采用内径为146mm，长度为1m的污染不锈钢管道，重复测量18次，测得的电流I_a的数据如表1所示。

                                     表1(单位：pA)

1.867	1.872	1.989	1.976	1.898	1.885	2.039	2.207	2.064
									1.870	2.007	2.005	1.994	1.989	2.043	2.097	2.009	2.090

把上表数据求平均得：I_a＝1.994×10^-12A

4.污染管道内表面平均污染值W的计算：

按照上述的管道内表面放射性污染测量方法中的步骤4的方式，可以算出污染管道平均污染值为：W＝0.03Bq·cm^-2

根据GB17567-1998《核设施的钢铁和铝再循环再利用的清洁解控水平》中的钢铁解控水平为0.08Bq·cm^-2，该污染管道平均污染值W＝0.03Bq·cm^-2，低于国家标准，能够再利用。

实施例2    A_m241污染管道放射性污染水平测量

1.探测因子η的测量

使用标准A_m源，其活度A_s为5.38×10³/2π·min，内径为146mm，长度为1m的无污染不锈钢管道，按照上述的管道内表面放射性污染测量方法中的步骤1的方式测出I₁为1.931×10^-12A，由公式 $I=\frac{E\·e\·A}{E_0\·2}$ 算出I₂为2.247×10^-12A，带入探测效率公式 ${\mathrm{\η}}_1=\frac{I_1}{I_2},$ 得出η₁＝85.9％，由此得出探测因子η＝1.42×10^-14A/Bq。

2.无污染管道的测量

按照上述的管道内表面放射性污染测量方法中的步骤2的方式，使用内径为146mm，长度为1m的无污染不锈钢管道，测出本底电流I_b为1.10×10^-13A。

3.污染管道测量

按照上述的管道内表面放射性污染测量方法中的步骤3的方式，使用内径为146mm，长度为1m的污染不锈钢管道，重复测量18次，测得的电流I_a的数据如表2所示。

                                   表2(单位：pA)

1.036	1.027	0.975	1.030	0.930	1.147	1.156	1.000	1.031
									0.996	1.033	1.051	0.932	0.998	0.936	0.938	1.029	1.010

把上表数据求平均得：I_a＝1.014×10^-12A

4.污染管道内表面平均污染值W的计算：

按照上述的管道内表面放射性污染测量方法中的步骤4的方式，可以算出污染管道平均污染值为：W＝0.02Bq·cm^-2

根据GB17567-1998《核设施的钢铁和铝再循环再利用的清洁解控水平》中的钢铁解控水平为0.08Bq·cm^-2，该污染管道平均污染值W＝0.02Bq·cm^-2，低于国家标准，能够再利用。

在上述实施例中，高压电源的电压为400V。

Claims (5)

1.一种管道内表面放射性污染测量装置，其特征在于：所述的测量装置包括电流收集极(3)、高压电极(1)、变径保护环(2)、绝缘子(4)和不锈钢外壳(11)；其连接关系是，所述的不锈钢外壳(11)为一端开口的圆柱壳体，不锈钢外壳(11)的顶部设置有电流收集极插座(8)和高压电源插头(7)，不锈钢外壳(11)通过固定螺钉与圆柱形绝缘子(4)固定连接；绝缘子(4)内端与不锈钢外壳(11)之间有一空间，绝缘子(4)外端径向固定设置有环形高压电极(1)；电流收集极(3)设置于绝缘子(4)的中心轴线上，电流收集极(3)的一端通过螺帽(5)与绝缘子(4)固定连接，另一端露于绝缘子(4)之外；电流收集极(3)与不锈钢外壳(11)顶部中心点设置的电流收集极插头(8)通过电流信号线(9)连接；变径保护环(2)设置在不锈钢外壳(11)与电流收集极(3)之间，变径保护环(2)伸出绝缘子(4)通过地线(10)和不锈钢外壳(11)接地；高压电极(1)通过电流信号线(6)与高压插头(7)连接；在电流收集极插头(8)上还设有用于外接弱电流静电计(21)的电流信号线(18)，在高压电源插头(7)上还设有用于外接高压电源(20)的高压电缆(19)。

2.根据权利要求1所述的管道内表面放射性污染测量装置，其特征在于：所述绝缘子(4)与变径保护环(2)为过盈配合。

3.根据权利要求1所述的管道内表面放射性污染测量装置，其特征在于：所述不锈钢外壳(11)与变径保护环(2)为同心圆。

4、一种管道内表面放射性污染测量方法，包括以下步骤：

①.探测因子η的测量

首先将与被测的污染管道材质尺寸相同的、无污染的管道放在绝缘支架上，用绝缘材料将管道的一端封闭，接着把一标准源放入无污染的管道内，再将表面放射性污染测量装置中的电流收集极放入管道内，然后将所述测量装置中的高压电缆和电流信号线分别与高压电源和弱电流测量静电计连接，打开高压电源，通过弱电流静电计读出测量电流值I₁，由公式 $I=\frac{E\·e\·A}{E_0\·2}$ 计算出理论电流值I₂，探测效率 ${\mathrm{\η}}_1=\frac{I_1}{I_2},$ 然后再根据公式 $\mathrm{\η}=\frac{E\·e}{E_0\·2{\·\mathrm{\η}}_1}$ 计算出探测因子η的数值；

式中：E为标准源核素每次衰变带电粒子的能量，e为电子电量，A为标准源的活度，E₀为平均电离能；

②.无污染管道的测量

将与被测的污染管道材质尺寸相同的、无污染的管道放在绝缘支架上，用绝缘材料将管道的一端封闭，将测量装置中的高压电缆和电流信号线分别与高压电源和弱电流测量静电计连接，打开高压电源，通过弱电流静电计测得本底电流值I_b的值，重复测量数次后取平均值；

③.污染管道测量

用污染管道替换无污染管道，按上述步骤②进行测量，通过弱电流静电计测出污染管道的电流值I_a；重复测量数次取平均值；

④.污染管道内表面平均污染值W的计算

根据公式 $A=\frac{I_a-I_b}{\mathrm{\η}}$ 和 $W=\frac{A}{\mathrm{\Φ}\×\mathrm{\π}\×L}$ 计算出放射性污染管道内表面总活度A及平均污染值W；

式中：A为污染管道内表面的总活度；I_a为污染管道的测量电流；I_b为测量装置的本底电流；η为探测因子；W为污染管道内表面平均污染值；Φ为污染管道直径；L为污染管道的长度。

5、根据权利要求4所述的管道内表面放射性污染测量方法，其特征在于：所述的绝缘材料采用聚四氟乙烯材料。

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