CN104360371A - 一种高灵敏度放射性气溶胶连续监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境辐射监测设备的设计与改进技术领域，特别是涉及一种高灵敏度放射性气溶胶连续监测仪，所述整个连续监测仪系统分为采样模块和测量模块两部分，其中采样和测量模块的上半部分安装在上部支撑模块内，采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元可以上下往复运动，安装在下部支撑模块内；U-019-300-100粒子注入型硅探测器和真空转接头安装在上部支撑模块的右侧真空室内；采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元的上方安装环形硅胶密封垫片用于保持密封；采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元的外侧均套有弹簧。本发明主要用于环境监测领域。

Description

一种高灵敏度放射性气溶胶连续监测仪

技术领域

本发明属于环境辐射监测设备的设计与改进技术领域，特别是涉及一种高灵敏度放射性气溶胶连续监测仪。

背景技术

钚铀等长寿命人工α放射性气溶胶主要通过吸入的途径对人体产生内照射损伤，一种常用的监测手段是使用放射性气溶胶连续监测仪（简称连续监测仪）在现场进行连续监测。其基本原理是：采集气溶胶样品后不经处理，直接进行测量。测量完成后根据人工放射性气溶胶产生的净计数率、采集的空气体积、探测效率计算其浓度。整个过程全部自动完成，并传输监测结果。与采样实验室分析相比，该技术的优点是监测周期短，可以及时提供现场人工放射性气溶胶浓度数据，以便于在发生泄漏事故的情况下迅速采取应急措施。缺点是测量过程中的氡子体干扰严重，导致对人工放射性气溶胶的监测灵敏度差，即监测判断限（简称判断限）较高。

连续监测仪和实验室α谱仪的测量原理相同，均使用硅半导体探测器测量α粒子，并进行能谱分析，但是测量条件截然不同。实验室α谱仪在高真空环境中对专门制作的电镀面源进行测量，出射的α粒子不受衰减，测量能谱的能量分辨率高，不产生能谱拖尾。而连续监测仪采用全自动采样测量的运行模式，测量条件较为恶劣。出射的α粒子在到达探测器的过程中，受到采样滤纸、空气层、探测器保护层等介质的衰减而损失能量。测量能谱的能量分辨率差，拖尾严重。普通商用连续监测仪在没有钚铀等人工放射性气溶胶污染的环境中所测量的本底能谱见图1。如图1所示，氡子体²¹⁸Po和²¹⁴Po发射的α粒子能量较高，除了在其峰计数能区产生峰计数外，还在能量较低的人工核素能区产生大量的拖尾计数。如果钚铀等人工放射性核素产生的计数较少，就会淹没在氡子体拖尾计数中而无法分辨。

降低连续监测仪判断限的基本方法是减少氡子体产生的拖尾计数。根据国内外公开发表的相关文献和产品说明书，到目前为止，已经广泛采用的技术包括以下几个方面：（1）使用微孔滤膜滤纸

常用的气溶胶采样滤纸分为三类：纤维型、多孔型和微孔滤膜型滤纸。前两种类型的滤纸对气溶胶的吸附机制是相同的：当气溶胶粒子随气流运动穿过滤纸时，气溶胶粒子与滤纸的纤维发生碰撞并被吸附在纤维上。气溶胶粒子出射的α粒子在到达探测器的过程中，会与滤纸的纤维发生碰撞损失能量，从而产生严重的能谱拖尾。微孔滤膜滤纸的结构特点和吸附机制与上述两种滤纸完全不同，其结构与筛子类似，滤纸表面分布大量直径相同的圆柱状空隙，当气溶胶粒子随气流运动穿过滤纸时，粒径比滤纸空隙直径大的气溶胶粒子被截留在滤纸表面，而不是沉积在内部。因此微孔滤膜滤纸不会阻挡出射的α粒子，不会造成能量损失。

CANBERRA公司的连续监测仪均使用氟材质的微孔滤膜滤纸，除了因为其不会对出射的α粒子造成能量损失外，还因为该类型滤纸具有较好的化学稳定性、疏水性、抗拉强度。在该公司的产品说明书中，对滤纸性能进行了较为详细的说明。目前市面上的连续监测仪一般均使用微孔滤膜滤纸。

（2）氡子体分离采样技术

氡子体分离采样技术即是在采样过程中分离掉大部分的氡子体，主要采集关注的钚铀等人工放射性气溶胶。目前可采用的技术有两种：氡子体粒度分离采样和氡屏。

氡子体粒度分离采样的原理是：各种环境下氡子体的活度中位空气动力学直径(AMAD)均没有超过1μm；另一方面，大多数情况下人工α放射性气溶胶是大粒径的，AMAD小于1μm的较为少见。根据氡子体和钚铀等人工α放射性气溶胶粒径的差异，采用惯性分离的方式分离掉大部分的氡子体，仅采集钚铀等气溶胶进行测量。中国辐射防护研究院的CAM-I和CAM-II型连续监测仪就采用了该技术。

氡屏技术是CANBERRA公司发明的，并申报了专利。基本原理是采用加了电压的栅网吸附氡子体。据相关文献报道，这两种技术对氡子体的分离效率都可以达到90%左右；但是由此带来的负面效果是：有可能漏采钚铀等人工放射性气溶胶。

（3）自动更换滤纸

大部分商用连续监测仪为简化设计和节约成本，采用无法自动更换的固定滤纸。这种仪器在监测过程中，必须使用同一片滤纸进行多次采样和测量。单片滤纸的使用时间长达数小时，甚至数十小时。在这个过程中，滤纸上累积的氡子体越来越多，对测量的干扰也越来越严重。CANBERRA公司、Thermos公司的产品大多采用这种设计。

部分连续监测仪则安装了可自动更换的滤纸卷。运行过程中首先在滤纸卷的一片区域进行采样和测量，然后转动滤纸卷，在新的区域进行下一次采样和测量。这种运行模式可以避免氡子体的累积效应，显著降低判断限。但是设计较为复杂，特别是气路密封性难以保证，仪器价格和重量也显著增加。Thermos公司的FHT59Si、Berthold公司的BAI9128、国内中国辐射防护研究院的CAM-I和CAM-II均安装了可自动更换的滤纸卷。部分连续监测仪虽然安装了可自动更换滤纸卷，但是采样过程中无法做到气路密封，大部分气溶胶粒子无法收集到滤纸上，这类仪器不能称为合格的产品。如CANBERRA公司使用滤纸卷采样头的iCAM，中国辐射防护研究院的CAM-4。

目前世界上有多款商用化连续监测仪可供选用，这些仪器或多或少地应用了上述降低氡子体干扰的技术。在全球多个连续监测仪生产商中，技术最为成熟，产品使用最广的三家公司是美国CANBERRA公司、美国Thermos公司和德国Berthold公司。国内，中国辐射防护研究院、防化研究院、北京核仪器厂等单位做过放射性气溶胶连续监测方面的一些研究，并研制了几款仪器。这些仪器在判断限技术指标上不比国外产品逊色，主要差距是产品可靠性差、集成度低。

不同类型连续监测仪的测量能谱差别很大，其中较好的测量能谱与图1类似，仍存在较严重的氡子体能谱拖尾。因为这些仪器虽然避免了滤纸对出射α粒子的衰减，但是探测器与滤纸之间的空气层、探测器表面的保护层对α粒子仍存在严重衰减。

与铀相比，钚的危害大得多，摄入量限值也少得多，是重点关注核素。根据我国目前采用的国家标准《电离辐射防护与辐射源安全基本安全标准》GB18871-2002，环境中²³⁹Pu的活度浓度限值为0.2Bq/m³。各种商用连续监测仪仅适用于天然氡浓度环境(氡浓度小于100Bq/m³），在这种环境中，在一小时的监测周期情况下，这些仪器对²³⁹Pu的监测判断限一般低于或接近国标限值。但是在氡浓度很高的环境中(氡浓度在数百Bq/m³以上），如山体坑道、地下仓库等场所，氡子体对测量的干扰很严重，这些商品化仪器对²³⁹Pu的监测判断限很高，远超过其浓度限值。根据我国国标，拟研制的高灵敏度连续监测仪的判断限设计技术指标为：在氡浓度为10000Bq/m³，监测周期为一小时的情况下，对钚气溶胶的监测判断限不高于0.1Bq/m³；氡浓度为100Bq/m³，相同的监测周期情况下，对钚气溶胶的监测判断限不高于0.01Bq/m³。

发明内容

本发明的目的在于：在目前连续监测仪已有技术的基础上，进一步研制灵敏度更高的连续监测仪，这种新仪器采用新技术进一步减少测量能谱的氡子体拖尾，提高监测灵敏度，使其能够在高氡环境下监测微量钚铀气溶胶。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：一种高灵敏度放射性气溶胶连续监测仪（HS-CAM），所述整个连续监测仪系统分为采样模块和测量模块两部分，其中采样和测量模块的上半部分安装在上部支撑模块内，采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元可以上下往复运动，安装在下部支撑模块内；被动走纸轮和主动走纸轮分别位于上部和下部支撑模块的左右两侧；上述四部分均使用长螺钉固定在衬底板上；滤纸卷缠绕在被动走纸轮和主动走纸轮上，穿过上部支撑模块和下部支撑模块之间的空隙；气溶胶粒子通过气流入口进入仪器，光电开关中间安装带缺口的圆片，采集到气溶胶的滤纸从采样模块移动到测量模块的过程中，带缺口的圆片旋转一周，光电开关再次给出信号；钚标准源托盘用于刻度α谱仪，从下部支撑模块中间的缺口插入U-019-300-100粒子注入型硅探测器的下部；支撑板连接采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元的下部，偏心轮位于支撑板的上方，连接抬压纸驱动电机抬纸到位行程开关位于偏心轮的左侧，压纸到位行程开关位于偏心轮的右侧；抬压纸驱动电机运转时，带动偏心轮一同转动，紧贴偏心轮的支撑板连同与其连接的采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元随之上下往复运动，支撑板运动到最低点时，抬纸到位行程开关给出信号；支撑板运动到最高点时，压纸到位行程开关给出信号，走纸驱动电机连接主动走纸轮，带动滤纸带转动；粒度分离采样器安装在上部支撑模块的左侧； U-019-300-100粒子注入型硅探测器和真空转接头安装在上部支撑模块的右侧真空室内；采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元的上方安装环形硅胶密封垫片用于保持密封；采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元的外侧均套有弹簧。

通过抬压纸运动同时形成密封的采样模块和真空测量模块，可以在基本不增加机械模块整体重量的前提下实现抽真空测量。在连续监测仪中使用α谱仪专用的Ultra系列探测器。其能量分辨率和氡子体能谱拖尾显著优于标准的用于连续监测仪的CAM系列探测器，为了使探测器避光和不受水蒸气和灰尘的污染，采用采样和测量模块分离的设计。

本发明的有益效果： 高灵敏度放射性气溶胶连续监测仪（HS-CAM）测量的氡子体本底能谱如图3所示，从图中可以看出，该能谱基本没有拖尾，与图1普通连续监测仪拖尾严重的能谱截然不同，十分接近实验室α谱仪的测量能谱。相当于使用氡子体粒度分离采样器采集气溶胶，然后在实验室α谱仪真空室中进行测量所达到的效果。与普通商用连续监测仪相比，判断限指标提高了约两个数量级。二者之间的判断限指标对比如表1所示。

表1  HS-CAM与普通商用连续监测仪的判断限指标对比，单位：Bq/m³

氡浓度	HS-CAM	普通商用仪器
			<100	0.003	0.1-0.5
200-300	0.005	-
			2000-3000	0.013	-
10000-20000	0.03	-

注：监测周期均为一小时。

从表1中可以看出，HS-CAM在天然氡浓度条件下的判断限指标相当于普通商用仪器的1/30~1/150；即使在氡浓度达到10000~20000Bq/m³的环境中，其在一小时监测周期内达到的判断限指标仍远低于我国国标0.2Bq/m³。可以完全满足高氡环境下钚铀气溶胶连续监测的要求。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为普通连续监测仪测量的氡子体本底能谱；说明：图1中，1、钚铀等人工核素峰计数的能区范围；2、氡子体Po-218峰计数的能区范围；3、氡子体Po-214峰计数的能区范围；

图2为本发明（HS-CAM）的主视结构示意图，其中，1、氡子体粒度分离采样器；2、滤纸带；3、被动走纸轮；4、偏心轮；5、质量流量计；6、采样泵；7、真空转接头，接前放和多道；8、真空室；9、U-019-300-100粒子注入型硅探测器；10、主动走纸轮；11、压力传感器；12、真空泵；

图3为用本发明（HS-CAM）测量的氡子体本底能谱；说明：图3中，1、钚铀等人工核素峰计数的能区范围；2、氡子体Po-218峰计数的能区范围；3、氡子体Po-214峰计数的能区范围；

图4为本发明（HS-CAM）的电路测控系统结构示意图；

图5为本发明机械元件的组装效果图侧视图，其中，2、滤纸带；3、被动走纸轮；10、主动走纸轮；13、气流入口；14、光电开关；15、钚标准源托盘；16、衬底板；17、带缺口圆片；26、上部支撑模块；27、下部支撑模块。

图6为本发明机械元件的组装效果图下侧视图，其中，4、偏心轮；18、支撑板；19、抬纸到位行程开关；20、压纸到位行程开关；21、抬压纸驱动电机；22、走纸驱动电机。

图7为本发明机械元件组装效果图的剖视图；其中，1、粒度分离采样器；7、真空转接头；8、真空室；9、U-019-300-100粒子注入型硅探测器；23、环形硅胶密封垫片；24、采样模块活动单元；25、抽真空测量模块活动单元；26、弹簧。

图8为本发明（HS-CAM）的主要元器件安装图。其中，6、采样泵；12、真空泵；27、前置放大器和多道安装位置；28、机械元件模块安装位置，位于仪器后上部；29、提手；30、散热孔；31、万向轮；32、工控机；33、电源模块；34、控制模块； 35、泵柜。

图9为本发明（HS-CAM）的立体图。

具体实施方式

实施例1、一种高灵敏度放射性气溶胶连续监测仪（HS-CAM），如附图5至附图7所示，所述整个连续监测仪系统分为采样模块和测量模块两部分，其中采样和测量模块的上半部分安装在上部支撑模块26内，采样模块活动单元24和抽真空测量模块活动单元25可以上下往复运动，安装在下部支撑模块27内；被动走纸轮3和主动走纸轮10分别位于上部和下部支撑模块的左右两侧；上述四部分均使用长螺钉固定在衬底板16上；滤纸卷2缠绕在被动走纸轮3和主动走纸轮10上，穿过上部支撑模块26和下部支撑模块27之间的空隙；气溶胶粒子通过气流入口13进入仪器，光电开关14中间安装带缺口的圆片17，采集到气溶胶的滤纸从采样模块移动到测量模块的过程中，带缺口的圆片17旋转一周，光电开关14再次给出信号；钚标准源托盘15用于刻度α谱仪，从下部支撑模块27中间的缺口插入U-019-300-100粒子注入型硅探测器9的下部；支撑板18连接采样模块活动单元24和抽真空测量模块活动单元25的下部，偏心轮4位于支撑板18的上方，连接抬压纸驱动电机21抬纸到位行程开关19位于偏心轮的左侧，压纸到位行程开关位于偏心轮的右侧；抬压纸驱动电机21运转时，带动偏心轮4一同转动，紧贴偏心轮4的支撑板18连同与其连接的采样模块活动单元24和抽真空测量模块活动单元25随之上下往复运动，支撑板18运动到最低点时，抬纸到位行程开关19给出信号；支撑板18运动到最高点时，压纸到位行程开关20给出信号，走纸驱动电机22连接主动走纸轮10，带动滤纸带转动；粒度分离采样器1安装在上部支撑模块26的左侧； U-019-300-100粒子注入型硅探测器9和真空转接头7安装在上部支撑模块26的右侧真空室8内；采样模块活动单元24和抽真空测量模块活动单元25的上方安装环形硅胶密封垫片23用于保持密封；采样模块活动单元24和抽真空测量模块活动单元25的外侧均套有弹簧。

动态模型为：采样开始前，支撑板18位于最高点，采样模块活动单元24与真空测量活动单元25位于上方，压紧滤纸卷2行程密封的采样和真空测量管路。压纸到位行程开关20处于导通状态，抬纸到位行程开关19处于闭合状态，光电开关14处于导通状态。首先进行采样，采样泵6运转，气溶胶粒子通过气流入口13，经过粒度分离采样器1被收集到滤纸卷2上。

采样结束后，抬压纸驱动电机21带动偏心轮4转动，支撑板18以及与其连接的采样模块活动单元24和抽真空测量模块活动单元25同时向下运动；偏心轮4转动半圈后，压纸到位行程开关20处于闭合状态，抬纸到位行程开关19处于导通状态，抬压纸驱动电机21停止运转。采样模块活动单元24与粒度分离采样器1之间，以及抽真空测量模块活动单元25与真空室8之间形成间距4mm的间隙。然后，走纸驱动电机22转动，拉动滤纸卷2前移72mm，从粒度分离采样器1的正下方移动至真空室8的正下方。这个过程中，光电开关14内部带缺口的圆环17转动一周，滤纸卷2移动72mm后，光电开关14重新发出到位信号，走纸驱动电机22停止转动。最后抬压纸驱动电机21带动偏心轮4转动，把支撑板18向上拉，与支撑板18连接的采样模块活动单元24和抽真空测量模块活动单元25同时向上运动；偏心轮4转动半圈后，压纸到位行程开关20处于导通状态，抬纸到位行程开关19处于闭合状态，抬压纸驱动电机21停止运转。

最后，真空泵12运转，把真空室8内的空气抽出，形成压强约为1.0kPa的真空室。然后U-019-300-100粒子注入型硅探测器9开始测量，信号通过真空转接头7引出真空室，进行能谱测量和分析。

通过抬压纸运动同时形成密封的采样模块和真空测量模块，可以在基本不增加机械模块整体重量的前提下实现抽真空测量。在连续监测仪中使用α谱仪专用的Ultra系列探测器。其能量分辨率和氡子体能谱拖尾显著优于标准的用于连续监测仪的CAM系列探测器，为了使探测器避光和不受水蒸气和灰尘的污染，采用采样和测量模块分离的设计。

实际操作中， 高灵敏度放射性气溶胶连续监测仪（HS-CAM）的工作原理图如图2所示，整个系统分为采样模块和测量模块两部分，使用两个滤纸卷，分别位于采样和测量模块两侧。系统运行时采样泵首先开始工作，气溶胶粒子通过氡子体粒度分离采样器被收集到滤纸上。采样结束后，抬压纸驱动电机转动，把压紧的滤纸松开。然后走纸驱动电机转动，把采集到气溶胶的滤纸移到探头下方。走纸到位后，抬压纸驱动电机再次启动，压紧滤纸，形成密封的采样回路和测量室。最后真空泵开始运转，对测量室进行抽真空，真空度达到要求后α谱仪开始测量。测量完毕即完成一个周期的运转，然后采样泵重新启动，运行下一个周期。HS-CAM采用了许多新技术以大幅度地提升监测灵敏度，主要适用于在氡浓度很高的山体坑道、地下仓库中监测微量钚铀气溶胶。

本仪器具体操作：（1）选择要进行监测的地点，安放好仪器，连接好气路和电路；（2）设置采样、等待和测量时间。要求等待时间不少于60s，因为在这段时间内要完成抬纸、走纸和压纸三个操作；（3）启动仪器进行采样和测量。本仪器日常维护事项：（1）手动更换滤纸卷；仪器使用可自动更换的滤纸卷进行采样和测量。滤纸卷总长度约为10m，每采样测量一次每次前移72mm，总计可以运行约140次。控制软件可以自动记录运行次数，超过120次后系统会提示手动更换滤纸。如果使用过的滤纸卷沉积的灰尘较少，可以重复使用。（2）定期对仪器进行清洁维护。采样过程中，空气中的气溶胶粒子不仅沉积在滤纸上，还会沉积在采样管路和粒度分离采样器上。如果长时间不清理会沉积很多灰尘，导致采样流量降低，真空度下降。特别是在灰尘较大的环境中，应当经常清洁维护。清洁方法为：拆卸机械元件模块，然后擦拭其内部沉积的灰尘。清洁探测器时应当特别注意，绝对不能使用尖锐物品划伤探测器表面，否则会导致探测器损坏，但是可以使用酒精擦拭。（3）真空泵维护。仪器使用德国BECK公司的U3.6SA小型真空泵，累积运行1000小时候需要更换真空泵油。VTE8采样泵不使用泵油，一般不需要维护。

Claims (1)

1.一种灵敏度放射性气溶胶连续监测仪，所述整个连续监测仪系统分为采样模块和测量模块两部分，其特征在于：其中采样和测量模块的上半部分安装在上部支撑模块内，采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元可以上下往复运动，安装在下部支撑模块内；被动走纸轮和主动走纸轮分别位于上部和下部支撑模块的左右两侧；上述四部分均使用长螺钉固定在衬底板上；滤纸卷缠绕在被动走纸轮和主动走纸轮上，穿过上部支撑模块和下部支撑模块之间的空隙；气溶胶粒子通过气流入口进入仪器，光电开关中间安装带缺口的圆片，采集到气溶胶的滤纸从采样模块移动到测量模块的过程中，带缺口的圆片旋转一周，光电开关再次给出信号；钚标准源托盘用于刻度α谱仪，从下部支撑模块中间的缺口插入U-019-300-100粒子注入型硅探测器的下部；支撑板连接采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元的下部，偏心轮位于支撑板的上方，连接抬压纸驱动电机抬纸到位行程开关位于偏心轮的左侧，压纸到位行程开关位于偏心轮的右侧；抬压纸驱动电机运转时，带动偏心轮一同转动，紧贴偏心轮的支撑板连同与其连接的采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元随之上下往复运动，支撑板运动到最低点时，抬纸到位行程开关给出信号；支撑板运动到最高点时，压纸到位行程开关给出信号，走纸驱动电机连接主动走纸轮，带动滤纸带转动；粒度分离采样器安装在上部支撑模块的左侧； U-019-300-100粒子注入型硅探测器和真空转接头安装在上部支撑模块的右侧真空室内；采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元的上方安装环形硅胶密封垫片用于保持密封；采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元的外侧均套有弹簧。