CN110927771A - 空气放射性实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种空气放射性实时监测系统，包括抽气系统，加热除湿装置，气体置换式差分环境电离室探测装置，信号处理单元，以及控制单元。其中气体置换式差分环境电离室探测装置包括相互独立的不锈钢圆柱体上部腔室和下部腔室，所述下部腔室顶部设置有电极烘烤装置和本底射线产生装置。本申请通过电极烘烤装置，保证了电离室在长时间使用后仍可保持绝缘度和高的测量准确度。通过布置在电离室探测装置上部腔室和下部腔室之间的本底射线产生装置，并结合齿轮联动结构，实现检验源的有效利用。

Description

空气放射性实时监测系统

技术领域

本申请涉及核辐射探测领域，具体而言，涉及一种空气放射性实时监测系统。

背景技术

核电站与外界环境的主要接口是气态和液态排出流，其中最重要也最容易监测的是放射性气态排出流。核电厂房将工艺、场所中的气体统一汇总后通过烟囱集中向大气环境进行排放。烟囱排放空气气体中的放射性气体来自于核反应堆核燃料组件中的裂变产物(如133Xe、85Kr)，一般情况下燃料组件的破口非常小，但在反应堆运行时，由于不断发生的核反应产生的放射性气体(单原子分子，体积小，气态)导致燃料组件内部的压力不断升高，很容易从燃料组件破损口泄漏到一回路并通过一回路压力边界的破损泄漏到反应堆厂房或二回路中。当发生泄漏时，这些裂变产物就会通过各种途径进入空气而形成放射性气态分布，造成场所环境污染并对工作人员身体健康产生威胁，其中放射性惰性气体和氚可对人体造成浸没照射伤害。

常规的单一核辐射探测装置不具备放射性气体取样及流气式测量的功能，且多为监测γ辐射剂量，而对于核电厂排风管或工作区域中空气放射性气体 (如惰性气体与氚)携带的α、β及γ辐射体活度浓度等难以探测。一般地，通过取样装置摄取一定量空气进入流气式电离室就可进行气体放射性监测。然而，现有典型放射性取样装置是将放射性气体抽取并保存在取样钢瓶中进行监测，其监测周期长，不具备放射性监测时效性。此外，当处于正常环境或发生放射性泄露较小时，反应堆厂房内环境或通风风管内本底γ剂量与待测空气放射性含量相差不多，会对所监测区域内辐射剂量结果产生较大偏差，造成工作人员对环境监测的误判和漏判，甚至危害人员健康。

流气式差分电离室具有测量灵敏度高，测量体积大，探测下限低，测量范围广，能对γ射线本底进行动态补偿等特点。可应用于放射性惰性气体、氚、 14C等β放射性气体体活度浓度测量。目前国内外已有专用于核电站辐射厂房监测用的流气式差分电离室探测器。但现有流气式差分电离室探测器在设计上存在检验源安装固定方式不恰当且利用效率低，探测器内部结构设计考虑不充分，信号处理方式不合理，空间利用冗余，组装方式复杂，易受潮湿气流影响等缺陷。

然而现有的气体放射性监测装置主要存在以下缺点：

1)现有放射性气体取样装置一般采用取样钢瓶进行放射性气体采样后置于探测单元进行监测，其取样时间长，不能实时监测核电厂气态排出流的辐射影响；

2)现有流气式差分电离室的检验源安装在探测器测量腔室顶部，射线穿过测量腔室后还可到达补偿腔室，理论上差分电流值减小，即减弱了探测器的差分补偿效果；

3)现有流气式差分电离室检验源固定工具设计不合理使得射线不能被有效利用，需通过加大检验源活度来弥补，结合检验源顶端的安装方式会使得其照射范围较大，从而给现场维护人员的人身健康带来威胁；

4)现有差分电离室内部结构设计考虑不充分，如未进行防放射性沾污设计，内部结构未倒角处理；

5)现有流气式差分电离室的输出信号处理方式是采用先测得两腔室模拟输出电流，再对输出电流进行程序差分处理的方式，在工程实践中无法做到测量值与理论值相符，因为受机械加工水平限制，测量腔室和补偿腔室无法做到完全一致，且实际中通入测量腔室中的气体成分更复杂，使得差分补偿的效果无法保证；

6)当潮湿气体进入电离室后，容易在腔室内表面冷凝成水，造成探测器收集极、高压极与地间的绝缘电阻下降，探测器漏电流增大，导致测量结果不准，且会对探测器性能造成不利影响。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种空气放射性实时监测系统，以解决上述问题现有技术中存在的至少一个问题。

根据本申请的一方面，本申请提供了一种空气放射性实时监测系统，其特征在于：包括，

抽气系统，用于抽取待测气体，包括抽气泵；

设置于所述抽气系统进气管路的加热除湿装置，用于对流经的所述待测气体进行除湿处理；

设置于所述抽气系统进气管路且在所述加热除湿装置之后的气体置换式差分环境电离室探测装置，用于探测所述待测气体的放射性；

信号处理单元，用于处理所述气体置换式差分环境电离探测装置室输出的脉冲信号；以及，

与所述抽气系统、所述加热除湿装置、所述气体置换式差分环境电离室探测装置、所述信号处理单元电连接的控制单元，用于控制所述抽气系统、所述加热除湿装置、所述气体置换式差分环境电离室探测装置、所述信号处理单元运行。

其中，所述气体置换式差分环境电离室探测装置包括相互独立的不锈钢圆柱体上部腔室和下部腔室，以及两腔室之间的前置放大电路盒。所述上部腔室为密闭结构，所述下部腔室为气体置换式结构。所述下部腔室顶部设置有进气口、出气口、电极烘烤装置和本底射线产生装置。所述进气口内部设有过滤网，所述电极烘烤装置包括电加热丝、加热丝固定座、陶瓷隔离罩和隔热反射层，所述电加热丝螺旋式缠绕在所述加热丝固定座上，所述加热丝固定座设置有螺旋状凹槽，所述陶瓷隔离罩将所述电加热丝和所述加热丝固定座屏蔽在内，所述隔热反射层设置在最外层，隔绝热量扩散。所述本底射线产生装置由本底源罩、本底源盒和齿轮联动装置组成。所述本底源盒包括不锈钢屏蔽外壳、铅屏蔽体、源衬、铅塞和屏蔽外壳盖，所述齿轮联动装置包括联动齿轮、联动杆、调节杆和调节旋钮，用于调节本底源的上下移动。

优选地，所述气体置换式差分环境电离室探测装置中所述上部腔室和所述下部腔室内部结构相同，包括第一端开口的圆筒状外壳、外壳端盖、高压电极、收集电极、近端盖导流板和远端盖导流架，所述高压电极一端通过高压极绝缘固定座坐落于所述上部腔室外壳端盖和所述下部腔室外壳端盖，第二端经由所述远端盖导流架绝缘紧压于所述上部腔室顶部和所述下部腔室底部，所述收集电极通过所述加热丝固定座与收集极绝缘垫固定于所述外壳端盖。

优选地，所述气体置换式差分环境电离室探测装置与台架固定连接，且采用绝缘部件绝缘。

优选地，所述进气管路采用不锈钢管，且进气管路设置截止阀、取样器、压力计、流量计和流量调节阀。

优选地，所述气体置换式差分环境电离室探测装置中隔热反射层由陶瓷外壳空腔填充隔热反射材料构成，所述隔热反射材料采用玻璃纤维或镀铝聚酯薄膜。

优选地，所述气体置换式差分环境电离室探测装置中电加热丝为钨丝或镍铬合金丝，所述加热丝固定座穿过所述收集电极，将所述收集电极与所述外壳端盖绝缘，所述加热丝固定座和所述收集极绝缘垫采用蓝宝石或陶瓷材料。

优选地，所述气体置换式差分环境电离室探测装置中联动齿轮由右齿轮和下齿轮组成，所述右齿轮与所述调节杆为一体化结构，所述下齿轮与所述联动杆之间为螺纹作用方式。

优选地，所述气体置换式差分环境电离室探测装置中下部腔室外壳端盖内部与所述进气口对应位置处设置张角结构。

优选地，所述气体置换式差分环境电离室探测装置中下部腔室近端盖导流板和所述远端盖导流架上均匀布设小孔，以使气流均匀流动，避免滞留，所述近端盖导流板和所述远端盖导流架组成电离室导流系统。

本发明技术方案，具有如下优点或有益效果：

1.本发明提供的空气放射性实时监测系统通过电极烘烤装置，保证了电离室在长时间使用后仍可保持绝缘度和高的测量准确度。

2.本发明提供的空气放射性实时监测系统通过布置在电离室探测装置上部腔室和下部腔室之间的本底射线产生装置，并结合齿轮联动结构，实现检验源的有效利用。

3.本发明提供的空气放射性实时监测系统通过气体置换式差分环境电离室与台架间采用绝缘部件绝缘，提高了抗电磁干扰能力。

4.本发明提供的空气放射性实时监测系统通过气体置换式差分环境电离室下部腔室端盖与进气口对应位置设计为张角结构，以使放射性气体进入后能够短时间穿过前端导流板。

5.本发明提供的空气放射性实时监测系统通过气体置换式差分环境电离室下部腔室设置近端盖导流板和远端盖导流架，其组成电离室导流系统，保证气体在电离室内部的流动均匀性。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例提供的一种空气放射性实时监测系统结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种空气放射性实时监测系统气体置换式差分电离室探测装置结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种空气放射性实时监测系统气体置换式差分电离室本底射线产生装置的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的一种空气放射性实时监测系统气体置换式差分电离室电极烘烤装置的结构示意图。

其中：101-气体置换式差分环境电离室，102-绝缘部件，103-截止阀， 104-加热除湿装置，105-信号处理单元，106-过滤器，107-控制接线箱， 108-抽气泵，109-真空释放保护阀，110-压力计，111-流量计，112-流量调节阀，201-本底射线产生装置，202-上部腔室，203-前置放大电路盒， 204-进气口，205-进气口处喇叭状结构，206-下部腔室，207-出气口，208- 圆筒状外壳，209-远端盖导流架，210-收集电极，211-高压电极，212-电极烘烤装置，213-收集极绝缘垫，214-近端盖导流板，215-高压极绝缘子， 216-高压极绝缘固定座，217-上部腔室外壳端盖，218-下部腔室外壳端盖； 301-本底源罩，302-联动杆，303-联动齿轮，3031-下齿轮，3032-右齿轮， 304-调节杆，305-调节旋钮，306-屏蔽外壳盖，307-铅塞，308-源衬，309- 铅屏蔽体，310-不锈钢屏蔽外壳；401-电加热丝，402-加热丝固定座，403-陶瓷隔离罩，404-隔热反射层。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例一

参考图1，本申请实施例中空气放射性实时监测系统，包括抽气系统，用于抽取待测气体，包括抽气泵；设置于所述抽气系统进气管路的加热除湿装置，用于对流经的所述待测气体进行除湿处理；设置于所述抽气系统进气管路且在所述加热除湿装置之后的气体置换式差分环境电离室探测装置，用于探测所述待测气体的放射性；信号处理单元，用于处理所述气体置换式差分环境电离探测装置室输出的脉冲信号；以及与所述抽气系统、所述加热除湿装置、所述气体置换式差分环境电离室探测装置、所述信号处理单元电连接的控制单元，用于控制所述抽气系统、所述加热除湿装置、所述气体置换式差分环境电离室探测装置、所述信号处理单元运行。

本申请实施例中抽气泵108抽取的核电站烟囱或厂房中的放射性气体经过加热除湿装置104进行干燥处理后进入取样管路，经过滤器106过滤后的待测气体进入气体置换式差分环境电离室探测装置101进行在线测量，并输出标准脉冲信号送入信号处理单元105进行后端处理，将信号转换为气体活度浓度值并显示。截止阀103控制气流管路的通断。进入管路和探测装置的气体流速通过流量调节阀112进行调节，并通过串联在管路中的流量计111在线测量气体流量，确保取样速度满足探测器测量最佳环境并符合相关标准。电离室探测装置101出气口后端设置压力计110，将探测装置实际测量的气体放射性体活度浓度修正至标准大气压下的值。取样管路末端设置真空释放保护阀109，当取样管路发生堵塞的情况时，打开此阀可减小管路中的真空度，以防抽气泵 108受损。控制接线箱107控制本系统的整体运行。电离室探测装置101与台架间采用绝缘部件102绝缘，避免了系统周围的电磁干扰通过台架传送给探测装置。

本申请实施例中气体置换式差分环境电离室探测装置为主体结构，如图2 所示，包括相互独立的不锈钢圆柱体上部腔室202和下部腔室206，以及两腔室间的前置放大电路盒203。上部腔室202包括圆筒状外壳208、上部腔室外壳端盖217、收集电极210、高压电极211、近端盖导流板214和远端盖导流架209，外壳208和外壳端盖217构成密闭结构。高压电极211一端通过高压极绝缘固定座216坐落于外壳端盖217，另一端经由远端盖导流架209被外壳 208压紧固定，收集电极210通过加热丝固定座402和收集极绝缘垫213固定于上部腔室外壳端盖217。下部腔室206包括圆筒状外壳208、外壳端盖218、收集电极210、高压电极211、近端盖导流板214和远端盖导流架209，高压电极211一端通过高压极绝缘固定座216坐落于下部腔室外壳端盖218，另一端经由远端盖导流架209压紧固定于外壳208，收集电极210通过加热丝固定座402和收集极绝缘垫213固定于下部腔室外壳端盖218。下部腔室外壳端盖 218上设置有进气口204、出气口207和本底射线产生装置201。

具体应用时，上部腔室202作为补偿腔室，测量周围环境中的γ射线本底。待测放射性气体从进气口204进入下部腔室206，然后经喇叭状结构205和近端盖导流板214的疏导后，均匀地流入下部腔室206的灵敏区，其携带的β射线(伴随环境γ射线)在高压电极211所加的极化电压作用下，撞击气体分子产生电子离子对，电子和离子在电场作用下高速向两极移动，并由收集电极 210输出与待测气体体活度浓度成正比的电流信号。极化电压通过高压极绝缘子215施加到高压电极211，绝缘子选择耐温耐湿度更好、绝缘度更高的蓝宝石或陶瓷作为绝缘材料。在灵敏区作用后的气体经远端盖导流架209均匀地通过出气口207排出。本实施例中，气流的均匀有利于探测器的测量准确性。为检验探测器是否能够正常工作，本发明电离室设置了本底射线产生装置201，即可保证探测器在无放射性存在的环境中仍有计数。上部腔室202只对环境γ灵敏，下部腔室206和上部腔室202测得的电流信号分别经前置放大电路盒 203中各自配置的前放电路放大处理后，传输至后级处理单元实现算法上的差分测量，即得到待测气体的真实体活度浓度，此法便于获知两腔室的输出信号，利于故障分析与原理实现。此外，本发明电离室设置有电加热装置213，以保证高压电极211和收集电极210干燥不吸潮且与地之间维持较高的绝缘电阻。

本实施例中上述实施例的基础上还包括本底射线产生装置201，如图3所示，采用新颖的结构设计，既能牢固地固定放射源，又能上下调节放射源位置，充分地利用检验源射线，以最小活度的检验源达到要求的辐照强度。将其设置在上部腔室202和下部腔室206之间，不但减小了放射源辐照范围，避免了放射源对检修人员造成的不必要照射，还实现了检验源对两腔室的区别照射，有效地提高了检验源的利用效率。该装置由本底源罩301、本底源盒和齿轮联动装置组成，本底源盒由屏蔽外壳盖306、铅塞307、源衬308、铅屏蔽体309 和屏蔽外壳310组成，应用时，将本底检验源放置于铅塞307中，并与屏蔽外壳盖306固定，将其紧凑套入本底源盒源衬308中，周围布置有铅屏蔽体309，并将屏蔽体下方设计为锥形，使得本底射线相对下部腔室具有足够大的发射窗口，尽可能覆盖下部腔室206灵敏区。齿轮联动装置包括联动杆302、联动齿轮303、调节杆304和调节旋钮305，具体应用时，旋转调节旋钮305，带动调节杆304及右齿轮3032转动，同步带动下齿轮3031旋转，下齿轮3031与联动杆302间为螺纹匹配，下齿轮3031的旋转导致调节杆304的上下移动，进而调节检验源的上下位置，使电离室探测效率处于最佳状态。本实施例中调节杆304与右齿轮3032为一体化结构，或采用顶锥固定的方式。

参考图4，本实施例中上述实施例的基础上还包括电极烘烤装置212，通过电极烘烤装置212对本申请实施例提供的空气放射性实时监测系统差分电离室中支撑收集电极210的加热丝固定座402和收集极绝缘垫213、以及高压极绝缘子215进行加热干燥，避免电极受潮，并使其长期维持较高的绝缘度。如图4所示，加热丝固定座402设置有螺旋状凹槽，电加热丝401螺旋式缠绕在加热丝固定座402凹槽内，且电加热丝401外套有陶瓷管，陶瓷隔离罩403 将电加热丝401和加热丝固定座402屏蔽在内，隔热反射层404设置在最外层，将收集极210下端与高压极绝缘子215包裹在内，以隔绝热量扩散。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空气放射性实时监测系统，其特征在于：包括，

抽气系统，用于抽取待测气体，包括抽气泵；

设置于所述抽气系统进气管路的加热除湿装置，用于对流经的所述待测气体进行除湿处理；

设置于所述抽气系统进气管路且在所述加热除湿装置之后的气体置换式差分环境电离室探测装置，用于探测所述待测气体的放射性；

信号处理单元，用于处理所述气体置换式差分环境电离探测装置室输出的脉冲信号；以及，

与所述抽气系统、所述加热除湿装置、所述气体置换式差分环境电离室探测装置、所述信号处理单元电连接的控制单元，用于控制所述抽气系统、所述加热除湿装置、所述气体置换式差分环境电离室探测装置、所述信号处理单元运行。

其中，所述气体置换式差分环境电离室探测装置包括相互独立的不锈钢圆柱体上部腔室和下部腔室，以及两腔室之间的前置放大电路盒。所述上部腔室为密闭结构，所述下部腔室为气体置换式结构。所述下部腔室顶部设置有进气口、出气口、电极烘烤装置和本底射线产生装置。所述进气口内部设有过滤网，所述电极烘烤装置包括电加热丝、加热丝固定座、陶瓷隔离罩和隔热反射层，所述电加热丝螺旋式缠绕在所述加热丝固定座上，所述加热丝固定座设置有螺旋状凹槽，所述陶瓷隔离罩将所述电加热丝和所述加热丝固定座屏蔽在内，所述隔热反射层设置在最外层，隔绝热量扩散。所述本底射线产生装置由本底源罩、本底源盒和齿轮联动装置组成。所述本底源盒包括不锈钢屏蔽外壳、铅屏蔽体、源衬、铅塞和屏蔽外壳盖，所述齿轮联动装置包括联动齿轮、联动杆、调节杆和调节旋钮，用于调节本底源的上下移动。

2.根据权利要求1所述的空气放射性实时监测系统，其特征在于：所述气体置换式差分环境电离室探测装置中所述上部腔室和所述下部腔室内部结构相同，包括第一端开口的圆筒状外壳、外壳端盖、高压电极、收集电极、近端盖导流板和远端盖导流架，所述高压电极一端通过高压极绝缘固定座坐落于所述上部腔室外壳端盖和所述下部腔室外壳端盖，第二端经由所述远端盖导流架绝缘紧压于所述上部腔室顶部和所述下部腔室底部，所述收集电极通过所述加热丝固定座与收集极绝缘垫固定于所述外壳端盖。

3.根据权利要求1所述的空气放射性实时监测系统，其特征在于：所述气体置换式差分环境电离室探测装置与台架固定连接，且采用绝缘部件绝缘。

4.根据权利要求1所述的空气放射性实时监测系统，其特征在于：所述进气管路采用不锈钢管，且进气管路设置有截止阀、取样器、压力计、流量计和流量调节阀。

5.根据权利要求1所述的空气放射性实时监测系统，其特征在于：所述气体置换式差分环境电离室探测装置中隔热反射层由陶瓷外壳空腔填充隔热反射材料构成，所述隔热反射材料采用玻璃纤维或镀铝聚酯薄膜。

6.根据权利要求1所述的空气放射性实时监测系统，其特征在于：所述气体置换式差分环境电离室探测装置中电加热丝为钨丝或镍铬合金丝，所述加热丝固定座穿过所述收集电极，将所述收集电极与所述外壳端盖绝缘，所述加热丝固定座和所述收集极绝缘垫采用蓝宝石或陶瓷材料。

7.根据权利要求1所述的空气放射性实时监测系统，其特征在于：所述气体置换式差分环境电离室探测装置中联动齿轮由右齿轮和下齿轮组成，所述右齿轮与所述调节杆为一体化结构，所述下齿轮与所述联动杆之间为螺纹作用方式。

8.根据权利要求1所述的空气放射性实时监测系统，其特征在于：所述气体置换式差分环境电离室探测装置中下部腔室外壳端盖内部与所述进气口对应位置处设置张角结构。

9.根据权利要求1所述的空气放射性实时监测系统，其特征在于：所述气体置换式差分环境电离室探测装置中下部腔室近端盖导流板和所述远端盖导流架上均匀布设小孔，以使气流均匀流动，避免滞留，所述近端盖导流板和所述远端盖导流架组成电离室导流系统。

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