CN111856543A - 一种水中总β与总γ在线监测装置及水中总β与总γ活度浓度的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水中总β与总γ在线监测装置及水中总β与总γ活度浓度的计算方法,监测装置包括样品管道和依次设于样品管道上的取样单元、用于对取样单元取得的水样进行离子浓集的浓集单元、对浓集液中的总β与总γ的活度浓度进行测量的测量单元，测量单元包括盛放浓集液的器皿、用于对浓集液中总βγ活度浓度进行检测的第一检测机构、用于对浓集液中总γ活度浓度进行检测的第二检测机构、数据采集器；本发明监测装置结构设计合理，检测准确度高，通过系统程序配合控制，能够实现无人值守，稳定可靠，适用于水中总β和γ核素监测。

Description

一种水中总β与总γ在线监测装置及水中总β与总γ活度浓度 的计算方法

技术领域

本发明涉及属于环境检测领域，具体涉及一种水中总β与总γ在线监测装置及水中总β与总γ活度浓度的计算方法。

背景技术

核设施运行过程中将产生大量的β核素和γ核素，通过液态的形式释放到环境中，通过生态循环进入生物圈，进而进入人体内，造成辐照损伤。国家标准GB14587-2011规定“对核电厂放射性液态流出物进行取样监测和在线连续监测。”尽管核电厂液态流出物排放口均已安装有在线总γ连续监测装置，但该装置由于探测限近4Bq/L，排放后对环境损害依然较大，对于总β连续监测装置，核电厂均未安装。

传统的总γ测量采用的是碘化钠探测器，该探测器能量分辨率极差，不易分辨具体核素，需要分辨具体核素，需要进行取样分析，该操作相对复杂，耗时极长，需要消耗大量人力物力。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种水中总β与总γ在线监测装置。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种水中总β与总γ在线监测装置,监测装置包括样品管道和依次设于样品管道上的取样单元、用于对取样单元取得的水样进行离子浓集的浓集单元、对浓集液中的总β与总γ的活度浓度进行测量的测量单元，测量单元包括盛放浓集液的器皿、用于对浓集液中总βγ活度浓度进行检测的第一检测机构、用于对浓集液中总γ活度浓度进行检测的第二检测机构、数据采集器。

优选地，第一检测机构包括能够与浓集液直接接触并检测浓集液中总βγ射线的塑料闪烁体探测器、将塑料闪烁体探测器的探测信号放大并转换成电信号的第一光电倍增管。

优选地，第一检测机构还包括与器皿靠拢设置并检测其内浓集液中总γ射线的高纯锗探测器、将高纯锗探测器的探测信号放大并转换成电信号的第二光电倍增管。

优选地，浓集单元包括对取得的水样依次进行离子浓集的一级浓集机构、二级浓集机构、三级浓集机构。

优选地，各级浓集机构均包括渗透膜组件、设于渗透膜组件上游和下游的第一压力传感器和第二压力传感器、设于第一压力传感器上游的增压阀。

优选地，取样单元包括设于样品管道上的水泵、过滤器、第一液体质量流量计、第二液体质量流量计，水泵、过滤器、第一液体质量流量计依次设置，且第二液体质量流量计位于浓集单元和测量单元之间。

优选地，监测装置还包括提供标准溶液以在测量单元进行探测后计算测量单元的探测效率的标准溶液供应单元，标准溶液供应单元包括盛装标准溶液的试剂瓶、将试剂瓶与样品管道连通的供应管、设于供应管上的第三液体质量流量计，供应管与样品管道的连接处位于浓集单元与第一液体质量流量计之间。

本发明还涉及一种水中总β与总γ活度浓度的计算方法,计算方法采用本发明所叙述的监测装置监测时获得的数据信息进行计算，监测时获得数据信息包括:高纯锗探测器计数率n_γ；高纯锗探测器本底计数率n_γ0；第三液体质量流量计测量体积V₃；塑料闪烁体探测器计数率n_s；塑料闪烁体探测器本底计数率n_s0；塑料闪烁体探测器对γ测量计数率n_β；第一液体质量流量计体积V₁；第二液体质量流量计体积V₂；本底测量时间t₀；c_β为标准溶液中β活度浓度；c_|γ为标准溶液中γ活度浓度。

优选地，计算方法包括如下计算公式：

其中ε_γ为高纯锗探测器探测效率；ε_β为塑料闪烁体探测器探测效率；ρ为塑料闪烁体探测器与高纯锗探测器响应因子；

为系统浓集比；A_β为水中总β活度浓度；A_γ为水中总γ活度浓度。

优选地，计算方法还包括如下计算公式：

其中MDC_β为水中总β测量探测限；MDC_γ为水中总γ测量探测限。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的水中总β与总γ在线监测装置，通过浓集单元将水中离子进行浓集，浓集液分别经塑料闪烁体和高纯锗探测器测量，计算得到水中总β和γ核素的活度浓度，浓集单元的浓集率不低于40倍，水中总β探测限低至1Bq/L，水中γ核素探测限低至0.1Bq/L；本发明监测装置结构设计合理，检测准确度高，通过系统程序配合控制，能够实现无人值守，稳定可靠，适用于水中总β和γ核素监测。

附图说明

图1为本发明的监测装置整体结构示意图；

图2为本发明的测量单元俯视结构示意图；

其中：g10、样品管道；c1、水泵；c2、过滤器；c31、第一液体质量流量计；c32、第二液体质量流量计；b1、试剂瓶；b2、第三液体质量流量计；b3、供应管；n1、一级浓集机构；n2、二级浓集机构；n3、三级浓集机构；z10、增压阀；y10、第一压力传感器；y20、第二压力传感器；m10、渗透膜；f10、平面三通阀；j10、马林杯；j1、塑料闪烁体探测器；j2、第一光电倍增管；j3、高纯锗探测器；j4、第二光电倍增管。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1至图2所示，一种水中总β与总γ在线监测装置,监测装置包括样品管道g10和依次设于样品管道g10上的取样单元、用于对取样单元取得的水样进行离子浓集的浓集单元、对浓集液中的总β与总γ的活度浓度进行测量的测量单元，此外，监测装置还包括提供标准溶液以在测量单元进行探测后计算测量单元的探测效率的标准溶液供应单元。

具体地，测量单元包括盛放浓集液的器皿(为1L的为马林杯j10)、用于对浓集液中总βγ活度浓度进行检测的第一检测机构、用于对浓集液中总γ活度浓度进行检测的第二检测机构、数据采集器。第一检测机构包括能够与浓集液直接接触并检测浓集液中总βγ射线的塑料闪烁体探测器j1、将塑料闪烁体探测器j1的探测信号放大并转换成电信号的第一光电倍增管j2、与器皿靠拢设置并检测其内浓集液中总γ射线的高纯锗探测器j3、将高纯锗探测器j3的探测信号放大并转换成电信号的第二光电倍增管j4。1L马林杯j10井内径为85mm，深度约100mm，塑料材质，井内为直径83mm，高度100mm的高纯锗探测器j3；马林杯j10井与环形塑料闪烁体探测器j1为一体结构，即塑料闪烁体探测器j1构成马林杯j10的外壁，从塑料闪烁体与待测液直接接触。

在线监测时，需先打开高纯锗探测器j3制电制冷单元，制冷至-179℃以下，并打开塑料闪烁体探测器j1，待本底测量稳定，再采集水样进行监测。

塑料闪烁体探测器j1测量待测液中总βγ射线，经第一光电倍增管j2放大信号，采集至数据采集器中，通过软件计算水中总βγ的活度浓度。

高纯锗探测器j3用于测量待测液中γ射线，经第二光电倍增管j4放大信号，采集至数据采集器中，通过软件计算水中γ核素的活度浓度，得到的总γ测量结果，通过得到的总γ测量结果与上述塑料探测器测量结果进行计算得到待测液中总β的活度浓度。

进一步地，取样单元包括设于样品管道g10上的水泵c1、过滤器c2、第一液体质量流量计c31、第二液体质量流量计c32，水泵c1、过滤器c2、第一液体质量流量计c31依次设置，且第二液体质量流量计c32位于浓集单元和测量单元之间。

标准溶液供应单元包括盛装标准溶液的试剂瓶b1、将试剂瓶b1与样品管道g10连通的供应管b3、设于供应管b3上的第三液体质量流量计b2，供应管b3与样品管道g10的连接处位于浓集单元与第一液体质量流量计c31之间，且供应管b3与样品管道g10的连接处设置有一个平面三通阀f10。

控制供应管b3与样品管道g10的连接处设置的平面三通阀f10，使供应管b3与样品管道g10上的浓集单元、测量单元连通，通过第三液体质量流量计b2定量移取试剂瓶b1内总β和γ核素标准物质，经浓集单元浓集后进入测量单元，效率刻度塑料闪烁体探测器j1和高纯锗探测器j3，即通过在监测水中总β与总γ之前，先使用标准溶液对测量单元的塑料闪烁体和高纯锗探测器j3进行校准，计算出塑料闪烁体探测器j1和高纯锗探测器j3的探测效率。

进一步地，浓集单元包括对取得的水样依次进行离子浓集的一级浓集机构n1、二级浓集机构n2、三级浓集机构n3；各级浓集机构均包括渗透膜组件、设于渗透膜组件上游和下游的第一压力传感器y10和第二压力传感器y20、设于第一压力传感器y10上游的增压阀z10。

各级浓集机构均包括位于其渗透膜组件上游和下游的第一压力传感器y10和第二压力传感器y20，通过第一压力传感器y10和第二压力传感器y20的测量信息，便于系统控制渗透膜m10前后端压差，进而实现高效的水样浓集。

水样依次经过滤器c2、第一液体质量流量计c31后进入一级浓集机构n1，通过一级浓集机构n1的增压阀z10增压至300kPa，进入一级浓集机构n1的渗透膜组件，低离子水则从一级浓集机构n1的渗透膜m10侧面排出；

接着经一级浓集机构n1浓集的浓集水进入二级浓集机构n2，通过二级浓集机构n2的增压阀z10增压至400kPa，进入二级浓集机构n2的渗透膜组件，低离子水则从二级浓集机构n2的渗透膜m10侧面排出；

再接着经二级浓集机构n2浓集的浓集水进入三级浓集机构n3，通过三级浓集机构n3的增压阀z10增压至500kPa，进入三级浓集机构n3的渗透膜组件，低离子水则从三级浓集机构n3的渗透膜m10侧面排出；之后浓集水经第二液体质量流量计c32进入测量单元的马林杯j10中进行测量。

另外，在本例中各级浓集机构的渗透膜组件均包括并联设置的两个渗透膜m10(为醋酸纤维素材质)，两个渗透膜m10的入口通过一个平面三通阀f10与样品管道g10连通，而且两个渗透膜m10的浓集液出口也通过一个平面三通阀f10与样品管道g10连通；对水样进行在线监测时，通过第一液体质量流量计c31测得的液体体积与第二液体质量流量计c32测得的液体体积进行对比，计算得到系统中水样浓集比，浓集比低于设定值后，系统自动切换，由一个渗透膜m10切换至另一渗透膜m10继续进行监测工作，同时发出报警，提示作业人员更换切换之前使用渗透膜m10；在一个渗透膜m10的入口和浓集液出口通过平面三通阀f10与样品管道g10连通时，另一个渗透膜m10的入口和浓集液出口则与样品管道g10断开连通，即采用一用一备组合的方式，通过控制平面三通阀f10通断，实现不停机条件下更换渗透膜m10，为监测装置在线连续监测提供前提。

此外，本发明还涉及一种水中总β与总γ活度浓度的计算方法,计算方法采用本发明所叙述的监测装置监测时获得的数据信息进行计算；

通过第三液体质量流量计b2、塑料闪烁体探测器j1计数和高纯锗探测器j3计数可由公式(1)和公式(2)分别计算两种探测器的探测效率：

式中：

ε_γ：高纯锗探测器j3探测效率，％；

n_γ：高纯锗探测器j3计数率，CPM；

高纯锗探测器j3本底计数率，CPM；

c_|γ：标准溶液中γ核素活度浓度，Bq/L；

V₃：第三液体质量流量计b2测量体积，L。

式中：

ε_β：塑料闪烁体探测器j1探测效率，％；

n_s：塑料闪烁体探测器j1计数率，CPM；

n_s0：塑料闪烁体探测器j1本底计数率，CPM；

ρ：塑料闪烁体探测器j1与高纯锗探测器j3响应因子，％；

c_β：标准溶液中β核素活度浓度，Bq/L。

使用γ标准物质对塑料闪烁体探测器j1和高纯锗探测器j3进行响应效率对比测试，响应因子由公式(3)计算得到：

式中：

n_β：塑料闪烁体探测器j1对γ核素测量计数率，CPM。

通过第一液体质量探测器和第二液体质量探测器，可由公式(4)计算系统浓集比：

式中：

系统浓集比；

V₁：第一液体质量流量计c31体积，L；

V₂：第二液体质量流量计c32体积，L。

通过系统浓集比、塑料闪烁体探测器j1和高纯锗探测器j3测量数据，可由公式(5)和公式(6)分别计算得到水中总β活度浓度和水中总γ活度浓度。

式中：

A_β：水中总β活度浓度，Bq/L。

式中：

A_γ：水中总γ活度浓度，Bq/L。

通过公式(7)和公式(8)分别计算水中总β和γ核素测量探测限：

式中：

MDC_β：水中总β测量探测限，Bq/L；

t₀：本底测量时间。

式中：

MDC_γ：水中总γ测量探测限，Bq/L。

综上所述，本发明的水中总β与总γ在线监测装置，通过浓集单元将水中离子进行浓集，浓集液分别经塑料闪烁体和高纯锗探测器测量，计算得到水中总β和γ核素的活度浓度，浓集单元的浓集率不低于40倍，水中总β探测限低至1Bq/L，水中γ核素探测限低至0.1Bq/L；本发明监测装置结构设计合理，检测准确度高，通过系统程序配合控制，能够实现无人值守，稳定可靠，适用于水中总β和γ核素监测。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水中总β与总γ在线监测装置,其特征在于：所述监测装置包括样品管道和依次设于所述样品管道上的取样单元、用于对取样单元取得的水样进行离子浓集的浓集单元、对浓集液中的总β与总γ的活度浓度进行测量的测量单元，所述测量单元包括盛放浓集液的器皿、用于对浓集液中总βγ活度浓度进行检测的第一检测机构、用于对浓集液中总γ活度浓度进行检测的第二检测机构、数据采集器。

2.根据权利要求1所述的水中总β与总γ在线监测装置,其特征在于：所述第一检测机构包括能够与浓集液直接接触并检测浓集液中总βγ射线的塑料闪烁体探测器、将所述塑料闪烁体探测器的探测信号放大并转换成电信号的第一光电倍增管。

3.根据权利要求2所述的水中总β与总γ在线监测装置,其特征在于：所述第一检测机构还包括与所述器皿靠拢设置并检测其内浓集液中总γ射线的高纯锗探测器、将所述高纯锗探测器的探测信号放大并转换成电信号的第二光电倍增管。

4.根据权利要求1所述的水中总β与总γ在线监测装置,其特征在于：所述浓集单元包括对取得的水样依次进行离子浓集的一级浓集机构、二级浓集机构、三级浓集机构。

5.根据权利要求4所述的水中总β与总γ在线监测装置,其特征在于：各级浓集机构均包括渗透膜组件、设于所述渗透膜组件上游和下游的第一压力传感器和第二压力传感器、设于所述第一压力传感器上游的增压阀。

6.根据权利要求1所述的水中总β与总γ在线监测装置,其特征在于：所述取样单元包括设于所述样品管道上的水泵、过滤器、第一液体质量流量计、第二液体质量流量计，所述水泵、过滤器、第一液体质量流量计依次设置，且所述第二液体质量流量计位于所述浓集单元和测量单元之间。

7.根据权利要求6所述的水中总β与总γ在线监测装置,其特征在于：所述监测装置还包括提供标准溶液以在测量单元进行探测后计算测量单元的探测效率的标准溶液供应单元，所述标准溶液供应单元包括盛装标准溶液的试剂瓶、将所述试剂瓶与样品管道连通的供应管、设于所述供应管上的第三液体质量流量计，所述供应管与所述样品管道的连接处位于所述浓集单元与第一液体质量流量计之间。

8.一种水中总β与总γ活度浓度的计算方法,其特征在于：所述计算方法采用权利要求1～7中任一项所叙述的监测装置监测时获得的数据信息进行计算，监测时获得数据信息包括:高纯锗探测器计数率n_γ；高纯锗探测器本底计数率n_γ0；第三液体质量流量计测量体积V₃；塑料闪烁体探测器计数率n_s；塑料闪烁体探测器本底计数率n_s0；塑料闪烁体探测器对γ测量计数率n_β；第一液体质量流量计体积V₁；第二液体质量流量计体积V₂；本底测量时间t₀；c_β为标准溶液中β活度浓度；c_|γ为标准溶液中γ活度浓度。

9.根据权利要求8所述的水中总β与总γ活度浓度的计算方法,其特征在于：所述计算方法包括如下计算公式：

其中ε_γ为高纯锗探测器探测效率；ε_β为塑料闪烁体探测器探测效率；ρ为塑料闪烁体探测器与高纯锗探测器响应因子；

为系统浓集比；A_β为水中总β活度浓度；A_γ为水中总γ活度浓度。

10.根据权利要求9所述的水中总β与总γ活度浓度的计算方法,其特征在于：其特征在于：所述计算方法还包括如下计算公式：

其中MDC_β为水中总β测量探测限；MDC_γ为水中总γ测量探测限。

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