CN112180417A - 一种惰性气体测量装置及惰性气体测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提出一种惰性气体测量装置，以弥补现有PIPS半导体探测器的不足。该测量装置包括：分别与测量室连通的进气管和出气管，光电倍增管；探测器，在所述测量室的至少一端设置，所述探测器用于对β粒子进行探测。所述探测器的探测面积为PIPS探测器有效面积450mm2的6.2倍～12.4倍。所述探测器包括：金属层，设置于所述测量室的端部，一面形成所述测量室的内壁：塑料闪烁体，设置于所述金属层的不在测量室的一侧；碗形光收集器，设置于所述塑料闪烁体的没有被金属层遮挡的一侧，所述塑料闪烁体的碗口朝向所述塑料闪烁体，所述碗形光收集器用来来隔离环境光及把荧光光子最大可能的导向所述光电倍增管；光电倍增管，设置于所述碗形光收集器的碗底部。
Description
技术领域
本发明涉及一种惰性气体测量装置及使用该装置进行惰性气体测量方法，具体涉及通过改进现有装置的不足，获得精度更高、可靠性更强、重量更小、成本更低的惰性气体测量装置并使用改进后的惰性气体测量装置测量惰性气体含量的方法。
背景技术
核电站或核设施的惰性气体监测，是核电厂监测反应堆是否安全运行的一种重要的手段。现有的核电厂监测惰性气体的方案有三种。
第一种，使用流气式的电离室。其原理是惰性气体通过管道到达圆柱形电离室的入口，进入电离室，再由电离室的出口流出。圆柱形电离室的有效体积约为100cm3。惰性气体衰变放出的β粒子和γ射线在电离室内部电离空气，使空气分子变成带电粒子，这些被电离的带电粒子在电离室内部的电场作用下，向电离室内部的两级漂移在电离室的输出端形成弱电流信号。在一定条件下，这个弱电流信号经过校准后，其值可以反映惰性气体的活度浓度。这种测量是用来测量活度浓度相对高的惰性气体的。为了减少环境中的γ的影响，通常电离室外加上5cm以上的铅屏蔽。
这种电离室测量惰性气体的办法，为了减少电离室对γ的响应，也为了更好的减少外部屏蔽材料的重量，在保证探测下限的情况下尽可能把电离室的体积做的足够小，这导致电离室产生的电离电流很小，本底电流在10-14A左右。为了电离室输出电流单调的反应惰性气体的活度浓度，电离室必须工作在饱和特性范围内。这种电离室测量惰性气体的方法，适合于对高活度浓度的惰性气体的测量。
第二种，使用塑料闪烁球。其原理是惰性气体通过管道到达塑料闪烁球的入口，进入塑料闪烁球，再由塑料闪烁球的出口流出。塑料闪烁球的直径约150mm左右，闪烁球的外壁是起支撑和光传导作用的有机玻璃，内壁为厚度小于1mm的塑料闪烁体。惰性气体衰变放出的β粒子和γ射线在塑料闪烁球内壁的塑料闪烁体上能量沉积后产生荧光光子，这些荧光光子被闪烁球壁传导到一个连接光电倍增管的平面，由光电倍增管把荧光光子转成电信号，这个电信号反映了塑料闪烁球内的惰性气体的活度浓度。这种塑料闪烁球的测量方法，因闪烁体厚度小于1mm(通常加工成0.4mm)，再结合塑料闪烁球外5cm以上的铅屏蔽，可以有效的减少环境γ对测量数据的影响，从而可以有效的降低对惰性气体测量的探测下限。
这种塑料闪烁球测量惰性气体的方法，有以下几个缺点：1.其内壁是薄的塑料闪烁体，有比较高的β/γ响应比，但塑料闪烁体球的荧光光子传导主要是靠有机玻璃闪烁体的全反射，而β粒子在闪烁体某点上产生的荧光光子在有机玻璃球上形成全反射的比例不高，造成低能的β粒子的信号容易被电子学噪声淹没。2.塑料闪烁球的内壁没有保护，使用时间长的时候，内壁可能被污染，造成荧光光子在有机玻璃加塑料闪烁球的光导上形成全反射的条件减少，而直射到达光电倍增管的光子也减少。3.这种塑料闪烁球产生的光子用球外垂直于闪烁球出光端面的光电倍增管来完成光电转换，这种构造，会造成闪烁球加光电倍增管的几何尺寸大，从而使得整个探测装置的屏蔽体重量偏重，达到1000kg左右，安装和维修都很不方便。4.这种球形塑料闪烁球加工工艺复杂，成品率低。
第三种，使用PIPS半导体探测器。其原理是惰性气体通过管道到达圆柱桶探测腔体的入口，进入圆柱桶探测腔，再由圆柱形探测腔的出口流出。圆柱桶探测腔的直径80mm左右、高80mm左右。惰性气体在圆柱形探测腔里衰变放出的β粒子和γ射线被装在圆柱桶探测腔一端的PIPS测量，在PIPS上产生的电信号被前放电路放大整形变成电脉冲信号，通过校准后，脉冲信号的计数率转换成惰性气体的活度浓度。为了降低环境γ的影响，在测量β和γ射线的PIPS同心轴上再放置一个PIPS探测器，通过两个PIPS探测器的差分运算，降低环境γ的影响；在圆柱桶探测器外加上铅屏蔽，进一步降低环境γ的影响，有效的降低对惰性气体测量的探测下限。
这种PIPS探测器探测惰性气体的方法有以下几个缺点：1.PIPS是半导体探测器，其漏电流会随着环境温度的变化线性变化，而β射线的测量的关键是对低能部分的β粒子的测量，因低能部分β粒子产生的信号微弱，很容易被因温度变化而在PIPS产生的暗电流形成的噪声所淹没，影响对惰性气体的量程低端的测量。2.PIPS是半导体探测器，其有效灵敏层的厚度为200～300μm,这个厚度也是PIN型半导体测量γ剂量的本征层的厚度，再加上本征层的材料主要为Si，其原子序数远大于塑料闪烁体和空气，因此PIPS对γ的响应也成为干扰PIPS测量β信号重要因素。3.PIPS半导体探测器表面有一次保护膜，这层保护膜会消耗β粒子的部分能量；PIPS的有效探测区域在PIPS的本证层，在β粒子进入本证层的之前的区域也会消耗β粒子的能量。PIPS的保护层和半导体材料一部分区域形成所谓的死层。这个死层会降低PIPS输出信号的幅度。4.在测量圆柱桶内，探测面积越大，探测灵敏镀就越高，而PIPS的探测面积不能选择很大，因为面积大的PIPS成本很高，另外，面积大的PIPS的结电容偏大，会造成探测器噪声增加而使信噪比降低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种惰性气体测量装置，使用塑料闪烁体加硅光电倍增管取代PIPS半导体探测器进行β粒子测量。
一种惰性气体测量装置，包括：分别与测量室连通的进气管和出气管，光电倍增管；
探测器，在所述测量室的至少一端设置，所述探测器用于对β粒子进行探测。
进一步地，所述探测器在所述测量室的两端均设置。
进一步地，所述探测器的探测面积为PIPS探测器有效面积450mm2的6.2倍～12.4倍。
进一步地，所述探测器包括：
金属层，设置于所述测量室的端部，一面形成所述测量室的内壁：
塑料闪烁体，设置于所述金属层的相对于测量室的另一面；
碗形光收集器，设置于所述塑料闪烁体的没有被金属层遮挡的一侧，所述塑料闪烁体的碗口朝向所述塑料闪烁体，所述碗形光收集器用来来隔离环境光及把荧光光子最大可能的导向所述光电倍增管；
光电倍增管，设置于所述碗形光收集器的碗底部。
进一步地，所述塑料闪烁体为高β/γ响应比的塑料闪烁体。
进一步地，所述光电倍增管为硅光电被增管。
进一步地，所述硅光电被增管高度小于1mm。
进一步地，所述金属层为钛箔或钛片。
进一步地，所述钛箔厚度为1～7um。
进一步地，所述钛片厚度为0.5～3mm。
本发明的目的还在于提供一种惰性气体测量方法：
采用上述改进后的装置对惰性气体的含量进行测量，测量方法可选择为差分方式进行，进行差分方式测量时，所述惰性气体测量装置的所述探测器在所述测量室的两端均设置。
与现有技术相比，本发明的优点：
(1)改进后的探测器的面积是原来PIPS探测器面积的6.2倍～12.4倍。探测面积增加了6.2倍或12.4倍，大大提高探测效率，使整个探测器对惰性气体的探测下限在相同条件下可以降低一个量级。
(2)高β/γ响应比的塑料闪烁体比PIPS对γ响应低的多，在相同的屏蔽条件下，有更低的γ本底响应。
(3)两个塑料闪烁体探测器可以都对β测量，来进一步提高对β粒子的探测效率；也可以一个做β测量，另一个探测器的钛箔换成厚的钛片只对γ响应，两个探测器的数据可以做差分计算，降低环境γ的影响，进一步降低探测限。
(4)用硅光电被增管，把光电倍增管用的600V以上的高压降到硅光电倍增的70V以下，提高了整个系统的可靠性。
(5)硅光电倍增管的高度小于1mm,而光电被增高的高度一般超过100mm,小体积的光电倍增管使得整体设备的体积大大减小，铅屏蔽的重量可以大大减少。
(6)塑料闪烁体加硅光电倍增管组成的测量系统的总成本会比PIPS组层的系统的成本小很多。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1是实施例一中惰性气体测量装置的示意图，主要是为示意各构件的连接关系。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，使本发明技术方案更易于理解和掌握。
【实施例一】
如图1所示，一种惰性气体测量装置，包括：
包括：分别与测量室3连通的进气管1和出气管2，光电倍增管7，探测器，在所述测量室3的一端设置，所述探测器用于对β粒子进行探测。
增加所述探测器的探测面积，扩大的比例为6.2倍，在PIPS探测器的有效面积为450mm2的基础上，将探测器面积提高到2790mm2。
所述探测器包括：
金属层4，设置于所述测量室3的端部，一面形成所述测量室3的内壁：
塑料闪烁体5，设置于所述金属层4的相对于测量室的另一面；
碗形光收集器6，设置于所述塑料闪烁体5的没有被金属层遮挡的一侧，所述塑料闪烁体5的碗口朝向所述塑料闪烁体5，所述碗形光收集器6用来隔离环境光及把荧光光子最大可能的导向所述光电倍增管7；
光电倍增管7，设置于所述碗形光收集器6的碗底部。
为了固定所述光电倍增管7，所述碗形光收集器6的底部的外壁设有螺孔，固定片8通过螺丝固定于所述碗形光收集器6的底面，从而将所述光电倍增管7固定。
所述塑料闪烁体5为高β/γ响应比的塑料闪烁体。
所述光电倍增管7为硅光电被增管。
所述硅光电被增管高度为0.99mm。
所述金属层4为钛箔，所述钛箔厚度为3μm。
本实施例中，惰性气体测量方法为使用上述惰性气体测量装置进行惰性气体含量的测量。
【实施例二】
与实施例一不同之处：扩大的比例为12.4倍，在PIPS探测器的有效面积为450mm2的基础上，将探测器面积提高到5580mm2。
所述硅光电被增管高度为0.8mm。
所述金属层4为钛箔，所述钛箔厚度为4μm。
【实施例三】
与实施例一不同之处：扩大的比例为8倍，在PIPS探测器的有效面积为450mm2的基础上，将探测器面积提高到3600mm2。
所述硅光电被增管高度为0.5mm。
所述金属层4为钛箔，所述钛箔厚度为7μm。
【实施例四】
一种惰性气体测量装置，包括：分别与测量室3连通的进气管1和出气管2，光电倍增管7，
探测器，在所述测量室3的两端设置，所述探测器用于对β粒子进行探测。
增加所述探测器的探测面积，扩大的比例为6.2倍，在PIPS探测器的有效面积为450mm2的基础上，将探测器面积提高到2790mm2。每个所述探测器的有效面积为1395mm2。
所述探测器包括：
金属层4，设置于所述测量室3的端部，一面形成所述测量室3的内壁：
塑料闪烁体5，设置于所述金属层4的另一面；
碗形光收集器6，设置于所述塑料闪烁体5的没有被金属层遮挡的一侧，所述塑料闪烁体5的碗口朝向所述塑料闪烁体5，所述碗形光收集器6用来隔离环境光及把荧光光子最大可能的导向所述光电倍增管7；
光电倍增管7，设置于所述碗形光收集器6的碗底部。
所述塑料闪烁体5为高β/γ响应比的塑料闪烁体。
所述光电倍增管7为硅光电被增管，本实施例中，硅光电倍增管高度为0.5mm，工作电压为30V。
所述金属层4均为钛箔，所述钛箔厚度均为1μm。
一种惰性气体测量方法，两个所述探测器可以都对β测量，来进一步提高对β粒子的探测效率。
【实施例五】
与实施例四不同之处：扩大的比例为12.4倍，在PIPS探测器的有效面积为450mm2的基础上，将探测器面积提高到5580mm2。每个所述探测器的有效面积为2290mm2。一个所述探测器的所述金属层4为厚度3μm的钛箔，另一个所述探测器的所述金属层4为钛片，所述钛片厚度为3mm。
所述硅光电被增管高度为0.6mm，工作电压为30V。
一种惰性气体测量方法，使用本实施例中的装置：装有钛箔的所述探测器做β测量，另一个所述探测器因厚的钛片只对γ响应，采用上述两个所述探测器的数据，做差分计算，不仅降低环境γ的影响，还进一步降低探测限。
【实施例六】
与实施例四不同之处：扩大的比例为8倍，在PIPS探测器的有效面积为450mm2的基础上，将探测器面积提高到3600mm2。每个所述探测器的有效面积为1800mm2。
一个所述探测器的所述金属层4为厚度0.8μm的钛箔，另一个所述探测器的所述金属层4为钛片，所述钛片厚度为0.5mm。
所述硅光电被增管高度为0.6mm，工作电压为66V。
一种惰性气体测量方法，使用本实施例中的装置：装有钛箔的所述探测器做β测量，另一个所述探测器因厚的钛片只对γ响应，采用上述两个所述探测器的数据，做差分计算，不仅降低环境γ的影响，还进一步降低探测限。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种惰性气体测量装置，包括：分别与测量室(3)连通的进气管(1)和出气管(2)，光电倍增管(7)，其特征在于：包括：
探测器，在所述测量室(3)的至少一端设置，所述探测器用于对β粒子进行探测。
2.根据权利要求1述的一种惰性气体测量装置，其特征在于：所述探测器在所述测量室(3)的两端均设置。
3.根据权利要求1或2述的一种惰性气体测量装置，其特征在于：所述探测器的探测面积为PIPS探测器有效面积450mm2的6.2倍～12.4倍。
4.根据权利要求3述的一种惰性气体测量装置，其特征在于：所述探测器包括：
金属层(4)，设置于所述测量室(3)的端部，一面形成所述测量室(3)的内壁：
高β/γ塑料闪烁体(5)，设置于所述金属层(4)的不在测量室的一侧；
碗形光收集器(6)，设置于所述塑料闪烁体(5)的没有被金属层遮挡的一侧，所述塑料闪烁体(5)的碗口朝向所述塑料闪烁体(5)，所述碗形光收集器(6)用来隔离环境光及把荧光光子最大可能的导向所述光电倍增管(7)；
光电倍增管(7)，设置于所述碗形光收集器(6)的碗底部。
5.根据权利要求4述的一种惰性气体测量装置，其特征在于：所述光电倍增管(7)为硅光电被增管。
6.根据权利要求5述的一种惰性气体测量装置，其特征在于：所述硅光电被增管高度小于1mm。
7.根据权利要求4述的一种惰性气体测量装置，其特征在于：所述金属层(4)为钛箔或钛片。
8.根据权利要求7述的一种惰性气体测量装置，其特征在于：所述钛箔厚度为1～7um。
9.根据权利要求7述的一种惰性气体测量装置，其特征在于：所述钛片厚度为0.5～3mm。
10.一种惰性气体测量方法，其特征在于：使用权利要求1-9任一项的惰性气体测量装置测量惰性气体含量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Jin Gen Inventor after: Cheng Jinxing Inventor after: Wang Jilian Inventor after: Jin Yanyu Inventor after: Tao Ran Inventor after: Wang Qingbo Inventor after: Wen Weiwei Inventor after: Wu Youpeng Inventor before: Jin Gen Inventor before: Wang Jilian Inventor before: Jin Yanyu Inventor before: Tao Ran |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210105 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |