CN113156486A - 一种用于核电站液体流出物的氚水浓度实时检测系统 - Google Patents

一种用于核电站液体流出物的氚水浓度实时检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于核电站液体流出物的氚水浓度实时检测系统，所述实时检测系统至少包括探测器和电子学处理单元，电子学处理单元基于探测器测得闪烁光信号完成氚水中氚浓度测量；其中，所述探测器包括：闪烁体和两个光电倍增管，其中，闪烁体内设有若干流道，各流道一侧与设置于所述探测器表部的进水口相连，各流道的另一侧与设置于所述探测器表部的出水口相连，两光电倍增管分别设置于闪烁体两端，且所述两光电倍增管分别与电子学处理单元相连，当两光电倍增管同时接受到光子时，所述电子学处理单元完成一次信号采集。本实时检测系统在测量前无需处理待测样品，操作简单，且测量时不会产生额外废物，可以在复杂辐射环境中测量氚水浓度。

Description

一种用于核电站液体流出物的氚水浓度实时检测系统
技术领域
本发明属于放射性监测领域，尤其涉及一种用于核电站液体流出物的氚水浓度实时检测系统。
背景技术
氚广泛存在于核电站和乏燃料后处理厂的液体流出物中。对核电站、乏燃料后处理厂等核设施的液态流出物检测提出了要求，其中更是单独明确了对氚的排放量限制。
《核设施流出物检测的一般规定》(GB11217-89)中规定：一个核设施有大量的放射性废液要连续排入到受纳水体时，应在每一个排放管道上设立监测点；该标准对于液态流出物总排放量的检测中将氚列为单独监测项。《核热电厂辐射防护规定》(GBl4317—93)中规定：每座压水堆型核热电厂液体放射性流出物的年排放量中氚应低于6×1015Bq。《核动力厂环境辐射防护规定》(GB6249.201 1)中规定：核动力厂必须按每堆实施放射性流出物年排放总量的控制，对于3000MW热功率的反应堆液态放射性流出物中氚的控制值为轻水堆7.5×1013Bq/a，重水堆3.5×1014Bq/a。从辐射防护和氚安全的角度，氚浓度检测技术存在巨大的现实需求。
氚水浓度测量的原理：氚是氢的同位素，其具有放射性，衰变会产生β射线，其半衰期为12.43年。不同浓度的氚水(氚粒子个数不同)在单位时间内产生的β射线的数量不同，因此可以通过β射线探测器探测单位时间内β射线的数量以此来反推氚水的浓度。
液闪法是目前主流常见的氚水浓度测量方法，将氚水样品和闪烁液按一定比例加入到液闪瓶中混合摇匀后放入液闪分析仪中测量水中的氚浓度。氚衰变产生的β射线使溶剂分子激发，能量传递至溶质分子使其处于激发态，溶质分子退激时发出光子，光子被光电倍增管接收后转变为电信号传输到后端电子学系统。
液闪法常常用于低浓度氚水的测量，但是它的缺点也比较明显，在实际的测量过程中，需要根据具体情况选择闪烁液的种类，另外闪烁瓶的选择、闪烁液的用量、样品的前处理都会对测量结果产生影响。液闪法还可以用于低浓度氚水的在线测量，但是在测量前需要对样品进行两道过滤的同时，还要进行快速蒸馏，在测量过程中需要使用附带的放射源对猝灭的影响进行修正。不论是实验室测试还是在线测量，使用液闪法测量水中氚浓度，闪烁液在以某一速度消耗的同时最终会变为放射性有机液体废物，与环境保护的宗旨背道而驰。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种用于核电站液体流出物的氚水浓度实时检测系统，通过本实时检测系统的结构设计，使得系统在测量前无需处理待测样品，操作简单，且测量时不会产生额外废物，可以在复杂辐射环境中测量氚水浓度。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种用于核电站液体流出物的氚水浓度实时检测系统，所述实时检测系统至少包括探测器和电子学处理单元，所述电子学处理单元基于探测器测得闪烁光信号完成氚水中氚浓度测量；其中，所述探测器包括：闪烁体和两个光电倍增管，其中，所述闪烁体内设有若干流道，各流道一侧与设置于所述探测器表部的进水口相连，各流道的另一侧与设置于所述探测器表部的出水口相连，两光电倍增管分别设置于闪烁体两端，且所述两光电倍增管分别与电子学处理单元相连，当两光电倍增管同时接受到光子时，所述电子学处理单元完成一次信号采集。
根据一个优选的实施方式，所述电子学处理单元包括ADC模数转换电路、FPGA运算电路和两放大器；两光电倍增管分别经放大器与ADC模数转换电路相连，所述ADC模数转换电路与FPGA运算电路相连，所述FPGA运算电路基于光电倍增管的输出信号幅度完成氚水衰变产生的β射线的识别，并完成β射线产生的脉冲数的统计。
根据一个优选的实施方式，所述闪烁体为圆柱状结构。
根据一个优选的实施方式，圆柱状结构的闪烁体内设有若干作为氚水流道的通孔，各通孔平行于闪烁体的轴线设置。
根据一个优选的实施方式，各通孔在靠近于两光电倍增管的端部内填充有光学耦合剂。
根据一个优选的实施方式，所述闪烁体外侧还设有壳体，所述壳体与所述闪烁体间设有间隙。
根据一个优选的实施方式，所述壳体与所述闪烁体间的间隙一端与氚水的进水口相连通，另一端与氚水的出水口相连通。
根据一个优选的实施方式，所述壳体包括PC管体和合金屏蔽壳；所述合金屏蔽壳位于所述PC管体外侧。
根据一个优选的实施方式，所述光电倍增管的玻壳材料采用无钾硼硅玻璃制得。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：通过本发明实时检测系统中塑料闪烁体的新型探测器结构设计，通过增加氚水与探测器的接触面积以提高探测器的探测效率，同时，使用双PMT作符合探测，提高探测器的抗干扰能力。并且，电子学处理单元设计为能谱获取，可以根据能谱的不同来识别筛选有效的低能β射线，增加了探测系统在复杂环境的适用性。与现在的液闪法相比，本发明实时检测系统在测量前无需处理待测样品，操作简单，测量时不会产生额外废物，可以在复杂辐射环境中测量氚水浓度。
附图说明
图1是本发明实时检测系统的原理示意图；
图2是本发明实时检测系统的探测器的结构示意图；
其中，101-第一光电倍增管，102-第二光电倍增管，103-闪烁体，104-通孔，105-光学耦合剂，106-壳体，107-进水口，108-出水口。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
实施例1：
参考图1所示，本发明公开了一种用于核电站液体流出物的氚水浓度实时检测系统，所述实时检测系统至少包括探测器和电子学处理单元，所述电子学处理单元基于探测器测得闪烁光信号完成氚水中氚浓度测量。
优选地，所述探测器包括：闪烁体和两个光电倍增管。
优选地，所述闪烁体是一类吸收高能粒子或射线后能够发光的材料，在辐射探测领域发挥着重要作用。通常在应用中将其加工成晶体，称为闪烁晶体。用于闪烁计数器的闪烁体可分为有机和无机两大类，按其形态又有固体、液体和气体三种。
优选地，本发明的探测器的闪烁体采用的为固体塑料闪烁体。进一步地，所述闪烁体为圆柱状结构。
优选地，所述闪烁体内设有若干流道，各流道一侧与设置于所述探测器表部的进水口相连，各流道的另一侧与设置于所述探测器表部的出水口相连。
进一步地，圆柱状结构的闪烁体内设有若干作为氚水流道的通孔，各通孔平行于闪烁体的轴线设置。
由于氚水中β射线的能量很低(最高18.3KeV)，在水和塑料闪烁体中的穿透能力只有5 μm左右。从而通过在闪烁体内设置若干通孔作为流道，有助于提高氚水与闪烁体的接触面积，从而大大增加了探测器的探测效率。
优选地，各通孔在靠近于两光电倍增管的端部内填充有光学耦合剂。从而对通孔两端的端部进行密封，防止氚水与光电倍增管的接触。
优选地，所述闪烁体外侧还设有壳体，所述壳体与所述闪烁体间设有间隙。例如，所述间隙宽度可以为5mm。
优选地，所述壳体与所述闪烁体间的间隙一端与氚水的进水口相连通，另一端与氚水的出水口相连通。从而氚水也能够通过所述间隙流经闪烁体，从而进一步地提高了测量效率。
优选地，所述壳体包括PC管体和合金屏蔽壳。所述合金屏蔽壳位于所述PC管体外侧。通过本合金屏蔽壳实现辐射屏蔽。
优选地，两个光电倍增管分别设置于闪烁体两端。且所述两光电倍增管分别与电子学处理单元相连，当两光电倍增管同时接受到光子时，所述电子学处理单元完成一次信号采集。
氚水中的氚衰变产生β射线，β射线在闪烁体中沉积能量产生闪烁光，闪烁光向四面八方传播，只有当两端的光电倍增管同时接收到光子时，才被认为是一次有效事件。因为，光电倍增管的自身会产生噪声信号，但是噪声是一个随机产生的偶然信号，探测器采用两个光电倍增管进行测量时，一般认为两个光电倍增管不可能同时产生噪声信号，或者同时产生噪声信号的概率很低。
从而，两个光电倍增管做符合测量可以有效减少光电倍增管暗电流产生的错误计数。即是，较大程度避免了光电倍增管自身噪声被误统计为闪烁光信号。提升了探测器的探测精度。
优选地，所述光电倍增管的玻壳材料采用无钾硼硅玻璃制得。无钾硼硅玻璃的暗电流小、增益更大、量子效率高。
优选地，所述电子学处理单元包括ADC模数转换电路、FPGA运算电路和两放大器。两光电倍增管分别经放大器与ADC模数转换电路相连，所述ADC模数转换电路与FPGA运算电路相连，所述FPGA运算电路基于光电倍增管的输出信号幅度完成氚水衰变产生的β射线的识别，并完成β射线产生的脉冲数的统计。
进一步地，放大器为电荷灵敏前置放大器，靠近光电倍增管PMT的输出端，用于将输出信号放大以提高信噪比，选用TI公司的OPA656运放芯片。
优选地，ADC选用采样率为500MSPS的双通道AD9234，FPGA采用赛灵思的SPARTAN6系列芯片。
由于氚水浓度的测量环境一般比较复杂，譬如核电站液体流出物中除了氚元素为，C14 的含量相对也较多(C14衰变产生的β射线能量高，对应的PMT输出信号幅度大)，ADC+FPGA 的电子组合，可以根据PMT输出的信号幅度，识别氚衰变产生的β射线，进而根据β射线产生的脉冲数反推氚浓度。从而增加了探测系统在复杂环境工作的适用性。
通过本发明实时检测系统中塑料闪烁体的新型探测器结构设计，通过增加氚水与探测器的接触面积以提高探测器的探测效率，同时，使用双PMT作符合探测，提高探测器的抗干扰能力。并且，电子学处理单元设计为能谱获取，可以根据能谱的不同来识别筛选有效的低能β射线，增加了探测系统在复杂环境的适用性。
与现在的液闪法相比，本发明实时检测系统在测量前无需处理待测样品，操作简单，测量时不会产生额外废物，可以在复杂辐射环境中测量氚水浓度。
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于核电站液体流出物的氚水浓度实时检测系统，其特征在于，所述实时检测系统至少包括探测器和电子学处理单元，所述电子学处理单元基于探测器测得闪烁光信号完成氚水中氚浓度测量；
其中，所述探测器包括：闪烁体和两个光电倍增管，其中，所述闪烁体内设有若干流道，各流道一侧与设置于所述探测器表部的进水口相连，各流道的另一侧与设置于所述探测器表部的出水口相连，两光电倍增管分别设置于闪烁体两端，且所述两光电倍增管分别与电子学处理单元相连，当两光电倍增管同时接受到光子时，所述电子学处理单元完成一次信号采集。
2.如权利要求1所述的用于核电站液体流出物的氚水浓度实时检测系统，其特征在于，所述电子学处理单元包括ADC模数转换电路、FPGA运算电路和两放大器；
两光电倍增管分别经放大器与ADC模数转换电路相连，所述ADC模数转换电路与FPGA运算电路相连；
所述FPGA运算电路基于光电倍增管的输出信号幅度完成氚水衰变产生的β射线的识别，并完成β射线产生的脉冲数的统计。
3.如权利要求1所述的用于核电站液体流出物的氚水浓度实时检测系统，其特征在于，所述闪烁体为圆柱状结构。
4.如权利要求3所述的用于核电站液体流出物的氚水浓度实时检测系统，其特征在于，圆柱状结构的闪烁体内设有若干作为氚水流道的通孔，各通孔平行于闪烁体的轴线设置。
5.如权利要求4所述的用于核电站液体流出物的氚水浓度实时检测系统，其特征在于，各通孔在靠近于两光电倍增管的端部内填充有光学耦合剂。
6.如权利要求3所述的用于核电站液体流出物的氚水浓度实时检测系统，其特征在于，所述闪烁体外侧还设有壳体，所述壳体与所述闪烁体间设有间隙。
7.如权利要求6所述的用于核电站液体流出物的氚水浓度实时检测系统，其特征在于，所述壳体与所述闪烁体间的间隙一端与氚水的进水口相连通，另一端与氚水的出水口相连通。
8.如权利要求6所述的用于核电站液体流出物的氚水浓度实时检测系统，其特征在于，所述壳体包括PC管体和合金屏蔽壳；所述合金屏蔽壳位于所述PC管体外侧。
9.如权利要求6所述的用于核电站液体流出物的氚水浓度实时检测系统，其特征在于，所述光电倍增管的玻壳材料采用无钾硼硅玻璃制得。
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