CN109085633A - 一种高浓度氚探测器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高浓度氚探测器及测量方法，属于辐射探测领域，适用于高浓度氚操作中气态氚的动态测量。上述的探测器为一种流气式氚探测器，探测器中的测量室外壁连接有进气管道和出气管道，收集极置于测量室外壁的空腔内，构成测量室，电缆头嵌入测量室内与收集极连接。本发明的探测器通过直接收集氚衰变产生的β射线在测量室内产生的电流信号，结合修正因子，实现氚浓度的定量测量。本发明的探测器无需加高压即可实现氚的测量；探测器采用全焊接连接，泄漏率低；探测器的有效体积小，对气体中氚响应时间快；探测器的测量室外壁的内表面及收集极均做镀金处理，有效减少了氚的吸附产生的记忆效应。

Description

一种高浓度氚探测器及测量方法

技术领域

本发明属于辐射探测技术领域，具体涉及一种高浓度氚探测器及测量方法。主要针对氚工艺系统中高浓度（氚原子百分比为：100ppm~100%）氚的测量，适用于高浓度氚操作中氚的动态测量。

背景技术

目前，地球上最可能实现聚变的反应为DT聚变，使用D和T作为燃料，且DT比例为1:1。此外，聚变堆中单次进入真空室内的氚量将高达百克以上。因此，聚变堆中所涉及的大规模纯氚级氚的操作前所未有，且氚在氚工厂各个处理系统之间动态流动。这就要求该状况下的氚探测器能有高密封性（要求使用漏率<1.0×10^-7 Pa.L/s的探测设备）、纯氚级氚测量能力、快速响应能力，以满足高浓度氚动态测量需求。气体中氚的测量主要采用流气式电离室，即使用工作在饱和电离区的电离室通过收集氚衰变放出的β射线在电离室灵敏体积内产生的初始电离离子而实现气体中氚浓度的测量。然而，流气式电离室在测量纯氚级氚浓度时存在记忆效应、气氛依赖性、响应时间长等问题。名称为“卡尔斯鲁厄氚实验室对国际热核实验堆和示范堆氚增殖包层中氚的管理和分析相关问题的研发现状综述”的文献（D.Demange et al., Fusion Engineering and Design, 2012）报道了所使用的探测器的响应时间长达15秒。聚变堆DT燃料循环系统中高浓度氚的动态测量问题也被列为聚变堆涉氚问题中的待解决的问题之一。

发明内容

针对聚变堆DT燃料循环系统中高浓度氚的测量问题，本发明提供一种高浓度氚探测器及测量方法。本发明的探测器无需加高压，能够通过直接收集氚的β射线来实现探测器内氚含量的测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种高浓度氚探测器及测量方法，其特点是，所述的高浓度氚探测器的测量方法，是通过直接收集氚的β射线在探测器中产生的电流信号实现测量，测量过程中探测器无需加高压。所述的探测器包括进气管道、测量室、收集极、出气管道、绝缘环、电缆头、测量室外壁。所述探测器的连接关系为，测量室外壁构成一个下端开口的空心腔体，柱状的收集极置于测量室外壁的空心腔内，收集极与测量室外壁之间的空间构成测量室。进气管道固定连接在测量室外壁的上端，并与测量室相通。出气管道固定连接在测量室外壁的侧端，并与测量室相通。在测量室外壁的下端设置有电缆头，电缆头的一端嵌入测量室外壁内与收集极固定连接，电缆头的另一端外接一台弱电流测量仪。在电缆头与测量室外壁的连接面上设置有绝缘环，用于密封隔离。

所述的进气管道和出气管道均通过焊接与测量室外壁固定连接。电缆头与测量室外壁的内表面通过焊接密封连接。

所述的测量室外壁的内表面及收集极的外表面均为镀金处理，镀金厚度为3μm。

所述的进气管道、测量室外壁、收集极、出气管道的材料采用316L不锈钢。绝缘环的材料采用聚四氟乙烯。电缆头为标准BNC电缆头。

高浓度氚探测器的测量方法，依次包括如下步骤：

a). 测量时，待测含氚气体进入探测器后，通过收集极收集氚的β射线在探测器中产生的电流，通过电缆头外接的弱电流测量仪测量探测器收集到的电流信号。

b). 氚在探测器中所引起的电流I ₀的理论计算

记探测器中氚浓度为C（Bq/m³），得到电流的计算公式如下：

(1)

式中：

e－为电子电荷，单位1.6×10^-19C；

V－为探测器灵敏体积，单位m³；

η－为修正因子，由探测器结构、探测器材料等因素共同决定。

c). 探测器的测量室中氚浓度C的计算

在测得探测器收集到的电流后，探测器中氚浓度用公式（2）计算：

(2)。

本发明的有益效果是，本发明的探测器为一种流气式氚探测器，通过直接收集氚衰变产生的β射线在测量室内产生的电流信号实现氚的测量，无需加高压；探测器采用全焊接结构，能够实现低泄漏率；探测器有效体积小，响应时间快；探测器测量室外壁内表面及收集极外表面均做镀金处理，能够有效减少材料对氚的吸附产生的记忆效应。

本发明的高浓度氚测量方法，通过直接收集氚的β射线在探测器中产生的电流信号来测量待测气体中氚的浓度。本发明适用于聚变堆DT燃料循环系统高浓度氚的动态测量。

附图说明

图1为本发明的高浓度氚探测器的结构示意图;

图中：1.进气管道 2.测量室 3.收集极 4.出气管道 5.绝缘环 6.电缆头 7.测量室外壁。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

图1为本发明的高浓度氚探测器的结构示意图。所述的探测器包括进气管道1、测量室2、收集极3、出气管道4、绝缘环5、电缆头6、测量室外壁。探测器的连接关系为：测量室外壁7构成一个下端开口的空心腔体，柱状的收集极3置于测量室外壁7的空心腔内，收集极3与测量室外壁7之间的空间构成测量室2；进气管道1固定连接在测量室外壁7的上端，并与测量室2相通；出气管道4固定连接在测量室外壁7的侧端，并与测量室2相通；在测量室外壁7的下端设置有电缆头6，电缆头6的一端嵌入测量室外壁7内与收集极3固定连接，电缆头6的另一端外接一台弱电流测量仪；在电缆头6与测量室外壁7的连接面上设置有绝缘环5，用于密封隔离。

探测器的进气管道1和出气管道4均通过焊接与测量室外壁7固定连接；电缆头6与测量室外壁7的内表面通过焊接密封连接。

探测器的测量室外壁7内表面及收集极3的外表面均为镀金处理，镀金厚度为3μm。

探测器的进气管道1、测量室外壁7、收集极3、出气管道4的材料采用316L不锈钢；绝缘环5的材料采用聚四氟乙烯；电缆头6为标准BNC电缆头。

本发明的高浓度氚探测器的测量方法，包括以下步骤：

a).测量时，待测含氚气体进入探测器后，通过收集极收集氚的β射线在探测器中产生的电流，通过电缆头外接的弱电流测量仪测量探测器收集到的电流信号。

b).氚在探测器中所引起的电流的理论计算

记探测器中氚浓度为C（Bq/m³），得到电流I ₀的计算公式如下：

(1)

式中：

e－为电子电荷，单位1.6×10^-19C；

V－为探测器灵敏体积，单位m³；

η－为修正因子，由探测器结构、探测器材料等因素共同决定。

c).探测器的测量室中氚浓度C的计算

在测得探测器收集到的电流后，探测器中氚浓度可用公式（2）计算：

(2)。

在本实例中，探测器灵敏体积为0.7mL，修正因子（η）由质谱测量结果标定。则探测器内氚浓度为：

(3)。

本发明不限于该实施例，本发明内容所述均可实施并具有所述良好效果。

Claims (5)

1.一种高浓度氚探测器，其特征在于：所述的探测器包括进气管道（1）、测量室（2）、收集极（3）、出气管道（4）、绝缘环（5）、电缆头（6）、测量室外壁（7）；所述探测器的连接关系为，测量室外壁（7）构成一个下端开口的空心腔体，柱状的收集极（3）置于测量室外壁（7）的空心腔内，收集极（3）与测量室外壁（7）之间的空间构成测量室（2）；进气管道（1）固定连接在测量室外壁（7）的上端，并与测量室（2）相通；出气管道（4）固定连接在测量室外壁（7）的侧端，并与测量室（2）相通；在测量室外壁（7）的下端设置有电缆头（6），电缆头（6）的一端嵌入测量室外壁（7）内与收集极（3）固定连接，电缆头（6）的另一端外接一台弱电流测量仪；在电缆头（6）与测量室外壁（7）的连接面上设置有绝缘环（5），用于密封隔离。

2.根据权利要求1所述的一种高浓度氚探测器，其特征在于：所述的进气管道（1）和出气管道（4）均通过焊接与测量室外壁（7）固定连接；电缆头（6）与测量室外壁（7）的内表面通过焊接密封连接。

3.根据权利要求1所述的一种高浓度氚探测器，其特征在于：所述的测量室外壁（7）的内表面及收集极（3）的外表面均为镀金处理，镀金厚度为3μm。

4.根据权利要求1所述的一种高浓度氚探测器，其特征在于：所述的进气管道（1）、测量室外壁（7）、收集极（3）、出气管道（4）的材料均采用316L不锈钢；绝缘环（5）的材料采用聚四氟乙烯；电缆头（6）为标准BNC电缆头。

5.采用权利要求1所述的高浓度氚探测器的测量方法，依次包括如下步骤：

a).测量时，待测含氚气体进入探测器后，通过收集极收集氚的β射线在探测器中产生的电流，通过电缆头外接的弱电流测量仪测量探测器收集到的电流信号；

b).氚在探测器中所引起的电流I ₀的理论计算

记探测器中氚浓度为C（Bq/m³），得到电流的计算公式如下：

(1)

式中：

e－为电子电荷，单位1.6×10^-19C；

V－为探测器灵敏体积，单位m³；

η－为修正因子；

c).探测器的测量室中氚浓度C的计算

在测得探测器收集到的电流后，探测器中氚浓度用公式（2）计算：

(2)。