CN111880212A - 一种表面氚浓度探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面氚浓度探测器，所述的表面氚浓度探测器包含屏蔽外壳(17)，安装于屏蔽外壳(17)内且由上至下叠放的上绝缘板(7)、高压环(8)、下绝缘板(14)、“T”形信号收集板(15)、金属高压网(16)，及安装在屏蔽外壳(17)上屏蔽顶盖(2)。本发明的表面氚浓度探测器，适用于γ和氚混合辐射环境下，表面氚污染水平的在线测量，实际测量时，只需将探测器置于污染表面，即可实时获取污染数据，响应迅速，无需离线处理，不产生额外的废液和放射性废物，且具备较好的γ抑制能力、无死时间问题。

Description

一种表面氚浓度探测器
技术领域
本发明属于辐射探测技术领域，具体涉及一种表面氚浓度探测器。
背景技术
在惯性约束核聚变过程中，靶丸受到激光加热，瞬间气化，氘氚气体快速向靶室内释放，并且有一定的比例沉积在靶室内表面。靶室内表面即使用低氚吸附能力的金属材料铺设，经过多次聚变实验后，内表面将沉积的氚量也不容忽视，由于氚具有放射性，这将给靶室内设备维护造成困难。因此需要定期对靶室内表面的氚污染进行处理。
表面氚污染处理前后需对表面的氚浓度进行测量，以评估氚污染水平和处理效果。目前，针对表面氚浓度测量方法有擦拭后基于液闪/正比计数器的离线测量方法，或者基于开放型探测器的流气式正比计数在线测量方法。前者的缺点首先是测试周期长导致响应慢，其次是产生额外的废液/擦拭放射性废物，再次是它的准确度依赖于擦拭效率；后者的主要缺点是无γ抑制能力和污染水平高时测量的死时间太大。
DT聚变产生的中子将活化靶室材料，并伴随产生很强的活化γ，如何在强γ环境下快速且准确地测量宽量程范围的表面氚浓度，是聚变防护氚测量中需要解决的一个关键技术问题。
发明内容
本发明针对强γ本底环境下表面氚浓度测量问题，提供一种具有γ抑制能力的表面氚浓度探测器，适用于γ和氚混合辐射环境下，表面氚污染水平的在线测量。
一种表面氚浓度探测器，其特征在于，所述的表面氚浓度探测器包括屏蔽外壳，及安装于屏蔽外壳内且由上至下叠放的上绝缘板、高压环、下绝缘板、“T”形信号收集板及金属高压网，及安装在屏蔽外壳上屏蔽顶盖；其中，所述“T”形信号收集板的中心导杆由下至上依次穿过下绝缘板、高压环及上绝缘板，并通过位于上绝缘板的上端面的上绝缘板限位单元将“T”形信号收集板固定于上绝缘板；所述的金属高压网与高压环固定连接；所述的屏蔽顶盖上安装有高压连接器、信号连接器，高压连接器与高压环固定连接，信号连接器与“T”形信号收集板固定连接。
进一步，所述的表面氚浓度探测器还包括绝缘环，所述的绝缘环套设于“T”形信号收集板的中心导杆，并依次穿过上绝缘板、高压环及下绝缘板的中心通孔。
进一步，所述的上绝缘板限位单元包括与上绝缘板上端面相接触的绝缘垫、横杆及与横杆相配合的“T”形信号收集板中心导杆的通孔。
进一步，所述的上绝缘板限位单元包括与上绝缘板上端面相接触且带内螺纹的绝缘垫，及与绝缘垫相配合的“T”形信号收集板中心导杆的螺纹段。
进一步，所述的金属高压网的网孔为正六边形，通过蚀刻制成。
进一步，所述的表面氚浓度探测器还包括用于连接高压连接器和高压环的高压电极柱。
进一步，所述的高压电极柱下段为螺纹柱，上段开有焊槽，高压电极柱穿过上绝缘板后，其下段螺纹旋紧安装在高压环外沿的螺孔上，上段通过焊接于高压电极柱的焊槽的高压连接线，实现高压电极柱与高压连接器之间的连接。
进一步，所述的“T”形信号收集板电镀有金膜层，其中心导杆上端开设有焊槽，通过焊接于该中心导杆的焊槽的信号连接线，实现“T”形信号收集板与信号连接器之间的连接。
进一步，所述的表面氚浓度探测器还包括用于连接屏蔽顶盖和上绝缘板的定位柱。
进一步，所述的定位柱的材质为不锈钢材质，圆柱型形结构，下段设有外螺纹，上段开设有竖直螺孔，所述定位柱下段插入上绝缘板的螺孔内，定位柱上段通过沉头螺钉实现屏蔽上盖与定位柱的连接。
附图说明
图1本发明一个优选的实施例中表面氚浓度探测器结构示意图；
图2本发明表面氚浓度探测器立体图；
图3本发明表面氚浓度探测器仰视图；
图1中，1.沉头螺钉 2.屏蔽顶盖 3.定位柱 4.高压电极柱 5.高压连接线 6.高压连接器 7.上绝缘板 8.高压环 9.绝缘垫 10.横杆 11.绝缘环 12.信号连接器 13.信号连接线14.下绝缘板 15.信号收集板 16.金属高压网 17.屏蔽外壳。
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。
如图1-3所示，一种表面氚浓度探测器，所述的表面氚浓度探测器包括屏蔽外壳17，及安装于屏蔽外壳17内且由上至下叠放的上绝缘板7、高压环8、下绝缘板14、“T”形信号收集板15及金属高压网16，及安装在屏蔽外壳17上屏蔽顶盖2；其中，所述的“T”形信号收集板15的材质为黄铜，一体成型制造，下端为圆形平板，中心设有导杆，该“T”形信号收集板15的中心导杆由下至上依次穿过下绝缘板14、高压环8及上绝缘板7，并通过位于上绝缘板7的上端面的上绝缘板限位单元将“T”形信号收集板15固定于上绝缘板7；该上绝缘板限位单元用于限制信号收集板15的垂直向下方向的位移；所述的金属高压网16与高压环8固定连接；所述的屏蔽顶盖2上安装有高压连接器6、信号连接器12，高压连接器6与高压环8固定连接，信号连接器12与“T”形信号收集板15固定连接。
进一步，所述的表面氚浓度探测器还包括绝缘环11，所述的绝缘环11套设于“T”形信号收集板15的中心导杆，并依次穿过上绝缘板7、高压环8及下绝缘板14的中心通孔。
在一个优选的实施例中，如图1所示，所述的上绝缘板限位单元包括与上绝缘板7上端面相接触的绝缘垫9、横杆10及与横杆10相配合的“T”形信号收集板15中心导杆的通孔。该方案中，“T”形信号收集板15中心导杆的中间段于横向方向设有一与横杆10相配合的通孔。“T”形信号收集板15中心导杆穿过绝缘垫9的中心通孔；所述的横杆10为圆柱形不锈钢杆，横穿过“T”形信号收集板15的中心导杆的通孔并固定于在绝缘垫9上方。
在另一个优选的实施例中未图示，所述的上绝缘板限位单元包括与上绝缘板7上端面相接触的、带内螺纹的绝缘垫9，及与绝缘垫9相配合的“T”形信号收集板15中心导杆的螺纹段，所述的绝缘垫9中心开有螺纹通孔，“T”形信号收集板15中心导杆穿过绝缘垫9的螺纹通孔，从而绝缘垫9螺纹连接于“T”形信号收集板15中心导杆对应的螺纹段。
进一步，所述的绝缘垫9材质为尼龙材质。
进一步，所述的表面氚浓度探测器还包括用于连接高压连接器6和高压环8的高压电极柱4。
进一步，所述的高压电极柱4为圆柱形黄铜，其下段为螺纹柱，上段开有焊槽，高压电极柱4穿过上绝缘板7后，其下段螺纹旋紧安装在高压环8外沿的螺孔上，上段通过焊接于高压电极柱4的焊槽的高压连接线5，实现高压电极柱4与高压连接器6之间的连接；所述的高压连接线5为单芯银导线，一端焊接在高压连接器6下端的铜芯上，另一端焊接在高压电极柱4的焊槽上。
进一步，为确保信号连接顺畅稳固，所述的“T”形信号收集板15的中心导杆上端开设有焊槽，通过焊接于该中心导杆的焊槽的信号连接线13，实现“T”形信号收集板15与信号连接器12之间的连接，所述的信号连接线13为单芯银导线，一端焊接在信号连接器12下端的铜芯上，另一端焊接在信号收集板15导杆上端的焊槽上。
进一步，所述的表面氚浓度探测器还包括用于连接屏蔽顶盖2和上绝缘板7的定位柱3，以限制上绝缘板7的垂直向上方向的位移。为确保本探测器的连接牢固度，定位柱的数量可根据实际需求设定。
进一步，所述的定位柱3的材质为不锈钢材质，圆柱型形结构，下段设有外螺纹，上段开设有竖直螺孔，所述定位柱下段插入上绝缘板7的螺孔内，定位柱上段通过沉头螺钉1实现屏蔽上盖2与定位柱的连接，从而通过定位柱3实现屏蔽顶盖2和上绝缘板7的连接，即将屏蔽上盖2安装在屏蔽外壳17上。
所述的屏蔽上盖2材质为不锈钢，圆饼形结构。屏蔽上盖2中心位置开有用于分别安装高压连接器6、信号连接器12的两个通孔；屏蔽上盖2外沿开有多个均布的外侧通孔，通过该外侧通孔与对应的屏蔽外壳17外沿通孔，利用沉头螺钉1将屏蔽上盖2固定于屏蔽外壳17外沿；屏蔽上盖2还开有多个均布的内侧通孔，通过该内侧通孔及与之对齐的对应定位柱焊槽，利用沉头螺钉1将屏蔽上盖2固定于定位柱3，从而实现本发明表面氚浓度探测器的装配。
所述的屏蔽外壳17由不锈钢材质制成，该外壳为一体成型的圆筒形结构，其底端向圆内方向设有环形定位台，顶端向圆外方向设有外沿结构，该屏蔽外壳17外沿设有多个与屏蔽上盖2外沿的外侧通孔相对应的通孔。
所述的上绝缘板7由尼龙材质制成，半工字型结构，其包括一朝下的开口，上绝缘板7的下端面放置于屏蔽外壳17环形定位台的上表面，从而上绝缘板内镶于屏蔽外壳17内。
所述的下绝缘板14为聚乙烯材质，中心设有通孔，绝缘环11穿过下绝缘板通孔后，下绝缘板14压在信号收集板15上。
所述的高压环8为不锈钢材质，半工字型结构，开口朝下，其外沿下表面均布有多个用于连接金属高压网16的螺孔，中心开有通孔，上表面开有一用于容纳高压电极柱4的螺纹孔，绝缘环11穿过高压环中心通孔后，高压环8压在下绝缘板14上。
所述的绝缘环11材质为聚乙烯，中心设有通孔，信号收集板15中心导杆穿过绝缘环11通孔后，绝缘环11压在信号收集板15上。
所述的绝缘垫9材质为尼龙，中心开有通孔，信号收集板15中心导杆穿过绝缘垫9通孔后，绝缘垫9压在上绝缘板7上。
所述的横杆10为圆柱形不锈钢杆，穿过信号收集板15中心导杆中间的通孔后挂在绝缘垫9上。
所述的金属高压网16，材质为不锈钢，边沿有多个均布的通孔，通过四个M3螺钉安装在高压环8下表面。
所述的高压连接器6为BNC-KY连接器，穿过屏蔽顶盖2中心的一个通孔，安装在屏蔽顶盖2上。
所述的信号连接器12为BNC-Q9连接器，穿过屏蔽顶盖2中心的另一个通孔，安装在屏蔽顶盖2上。
进一步，所述的信号收集板15表面电镀有金膜层，金膜层厚度取决于镀膜后能达到的表面粗糙度水平，极板表面粗糙度需达到Ra0.2。
进一步，所述的金属高压网16，网孔为正六边形，通过蚀刻制成。
本发明所述的氚探测器，通过高压连接器给探测器的金属高压网加载一定大小的正电压，将探测器置于表面平整的受氚放射性污染的金属部件上，氚发射的β射线通过金属高压网的网孔进入探测器内，并电离探测器灵敏区(即信号收集板与金属高压网之间的区域)的空气，所电离的正负离子在电场的定向作用下分别向高压网和信号收集板漂移，由此在信号收集板上形成定向电流，通过信号连接器向后端的收集电路输出电流信号，信号的幅度正比于金属部件氚表面污染的程度，通过既定的转换公式可以将电流信号转换成氚表面污染水平值。
本发明表面氚浓度探测器对表面氚浓度的测量包括：
1、射线在探测器中所引起的电流I0的理论计算公式
探测器灵敏区内的电流由两部分组成：氚β粒子电离效应对应的电流和γ射线对应的电流。
首先计算氚β粒子对应的电流。污染表面在探测器外部，因此，并非所有的氚β粒子均能进入探测器，探测器灵敏区对测量表面所张的立体角与4π的比值为立体角因子，用K表示；金属高压网有一定的实体结构，会阻挡一部分氚β粒子进入探测器灵敏区，且不是所有进入灵敏区的β粒子，都能将能量100％沉积在灵敏区，用收集修正因子η表示这两个效应。氚β平均能量为5900eV，因此，当表面氚浓度为Q，有效探测面积为S时，每秒β粒子在灵敏区的总沉积能量为5900K·η·Q·S。空气平均电离能为w，则每秒电离产生的离子对数量为
Figure BDA0002627548290000061
在电场作用下饱和收集时，回路感应电流为
Figure BDA0002627548290000062
这便是氚β粒子在探测器中对应的电流。
其次计算γ射线对应的电流。定义探测器对γ的响应系数为ε，其表述的含义为在lGy/h的γ辐射环境下探测器对应产生的电流，ε可以通过标准γ场标定给出。当γ剂量率为R时，探测器对应γ的响应电流为ε·R。
因此得到总电流I0的计算公式如下：
Figure BDA0002627548290000063
式中：
Q-为表面氚浓度，单位Bq/cm2；
K-为氚β粒子立体角因子，无量纲；
η-为收集修正因子，无量纲，由探测器结构、灵敏区厚度等因素共同决定；
e-为电子电荷，单位1.6×10-19C；
S-为探测器灵敏面积，单位cm2；
w-空气平均电离能量，单位eV；
ε-γ剂量响应系数，单位3600C/Gy；
R-探测器所在位置的γ剂量率，单位Gy/h。
2、在工作时，通过弱电流测量仪测量探测器收集到的电流信号I0。
3、表面氚浓度Q的计算
在测得探测器收集到的电流I0后，由公式(1)得到本发明探测器中氚浓度计算公式为：
Figure BDA0002627548290000064
实施例1
在本实例中，探测器只收集向上发射的β粒子，金属高压网与待测表面距离为3mm，立体角因子(K)为45％；探测器下方有效探测区直径为11.3cm，所以有效探测面积(S)为100cm2；金属高压网网孔为正六边形，厚度为2mm，边长4mm，边宽度1mm，灵敏区厚度为4mm，β粒子通过比率以及在灵敏区的平均能量沉积比的综合效应，即收集修正因子(η)为0.15；经过标准γ源测试，γ剂量响应系数(ε)为2×10-10(3600C/Gy)。当γ剂量率低于50μGy/h时，可忽略γ产生的电流，则本实施例所测量的表面氚浓度为：
Q≈5.18×1015I0 (3)
本发明中的表面氚浓度探测器，在实际测量过程中，只需将探测器置于污染表面，即可实时获取污染数据，响应迅速，无需离线处理，不产生额外的废液和放射性废物；信号收集板与金属高压网之间的区域构成的探测器灵敏区仅4mm厚，氚β粒子在这个厚度的空气中有较高的电离效率，而γ射线的响应几乎可以忽略，具备较好的γ抑制能力；电离产生的电流跨多个数量级均与污染水平成正比，无死时间问题。

Claims (10)

1.一种表面氚浓度探测器，其特征在于，所述的表面氚浓度探测器包括屏蔽外壳(17)，及安装于屏蔽外壳(17)内且由上至下叠放的上绝缘板(7)、高压环(8)、下绝缘板(14)、“T”形信号收集板(15)及金属高压网(16)，及安装在屏蔽外壳(17)上屏蔽顶盖(2)；其中，所述“T”形信号收集板(15)的中心导杆由下至上依次穿过下绝缘板(14)、高压环(8)及上绝缘板(7)，并通过位于上绝缘板(7)的上端面的上绝缘板限位单元将“T”形信号收集板(15)固定于上绝缘板(7)；所述的金属高压网(16)与高压环(8)固定连接；所述的屏蔽顶盖(2)上安装有高压连接器(6)、信号连接器(12)，高压连接器(6)与高压环(8)固定连接，信号连接器(12)与“T”形信号收集板(15)固定连接。
2.根据权利要求1所述的表面氚浓度探测器，其特征在于，所述的表面氚浓度探测器还包括绝缘环(11)，所述的绝缘环(11)套设于“T”形信号收集板(15)的中心导杆，并依次穿过上绝缘板(7)、高压环(8)及下绝缘板(14)的中心通孔。
3.根据权利要求2所述的表面氚浓度探测器，其特征在于，所述的上绝缘板限位单元包括与上绝缘板(7)上端面相接触的绝缘垫(9)、横杆(10)及与横杆(10)相配合的“T”形信号收集板(15)中心导杆的通孔。
4.根据权利要求2所述的表面氚浓度探测器，其特征在于，所述的上绝缘板限位单元包括与上绝缘板(7)上端面相接触且带内螺纹的绝缘垫(9)，及与绝缘垫(9)相配合的“T”形信号收集板(15)中心导杆的螺纹段。
5.根据权利要求1所述的的表面氚浓度探测器，其特征在于，所述的金属高压网(16)的网孔为正六边形，通过蚀刻制成。
6.根据权利要求1所述的表面氚浓度探测器，其特征在于，所述的表面氚浓度探测器还包括用于连接高压连接器(6)和高压环(8)的高压电极柱(4)。
7.根据权利要求6所述的表面氚浓度探测器，其特征在于，所述的高压电极柱(4)下段为螺纹柱，上段开有焊槽，高压电极柱(4)穿过上绝缘板(7)后，其下段螺纹旋紧安装在高压环(8)外沿的螺孔上，上段通过焊接于高压电极柱(4)的焊槽的高压连接线(5)，实现高压电极柱(4)与高压连接器(6)之间的连接。
8.根据权利要求1所述的表面氚浓度探测器，其特征在于，所述的“T”形信号收集板(15)电镀有金膜层，其中心导杆上端开设有焊槽，通过焊接于该中心导杆的焊槽的信号连接线(13)，实现“T”形信号收集板(15)与信号连接器(12)之间的连接。
9.根据权利要求1所述的表面氚浓度探测器，其特征在于，所述的表面氚浓度探测器还包括用于连接屏蔽顶盖(2)和上绝缘板(7)的定位柱(3)。
10.根据权利要求9所述的表面氚浓度探测器，其特征在于，所述的定位柱(3)的材质为不锈钢材质，圆柱型形结构，下段设有外螺纹，上段开设有竖直螺孔，所述定位柱下段插入上绝缘板(7)的螺孔内，定位柱上段通过沉头螺钉(1)实现屏蔽上盖(2)与定位柱的连接。
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