CN113804706A - 一种高浓度氚测量探测器及其测量方法 - Google Patents

一种高浓度氚测量探测器及其测量方法 Download PDF

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杨阳
陈平
陈志林
赖财锋
李余
程胜寒
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Abstract

本发明公开了一种高浓度氚测量探测器及其测量方法，所述探测器包括：测量室组件、X射线探测器和探测器真空组件；所述测量方法包括待测气体的不同组分的测量方法及测量室镀金后的测量方法，其主要通过X射线探测器测量氚β射线诱发的X射线的能谱总强度，之后通过氚浓度计算公式进行含氚气体的氚浓度测量。本发明的高浓度氚测量探测器对测量气体压力无特殊要求，探测器有效体积小，泄漏率低，测量室内部做镀金处理，有效减少测量室内壁对氚的吸附产生的记忆效应。本发明提供的高浓度氚测量探测器的探测方法简单易操作，本发明适用于聚变堆DT燃料循环系统高浓度氚的在线测量。

Description

一种高浓度氚测量探测器及其测量方法
技术领域
本发明属于辐射探测技术领域，尤其涉一种高浓度氚测量探测器及其测量方法。
背景技术
在DT聚变反应中，聚变堆中单次进入真空室内的氚量将高达百克以上，且氚在氚工厂各个处理系统之间动态流动，如此大规模的纯氚操作中高浓度氚的动态测量问题一直是待解决的涉氚问题之一。
高浓度氚在线测量中，要求用于氚探测的的氚探测器能有高密封性(使用漏率<1.0×10-7Pa.L/s)、纯氚级氚测量能力、尽可能小的探测器有效体积以及宽的气压适用范围，以满足高浓度氚动态测量需求。现有技术中高浓度氚的在线测量普遍采用电离室，该方法适用于10kPa以上气体中氚的在线动态测量，然而，当含氚气体压力≤10kPa时，该方法的壁效应将严重影响测量结果，因此并不适用于含氚气体压力较小的情况。
因此，亟需一种用于测量高浓度氚的探测器及其测量方法，以实现任何含氚气体压力下，高浓度氚的测量。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种高浓度氚测量探测器及其探测方法，该探测器通过收集氚β射线诱发的X射线实现氚浓度测量，对测量气体压力无特殊要求，测量室与真空组件、真空组件与X射线探测器之间密封连接，探测器有效体积小，泄漏率低；测量室内部均做镀金处理，有效减少内壁对氚的吸附产生的记忆效应。本发明提供的高浓度氚测量探测器的探测方法简单易操作。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种高浓度氚测量探测器，所述探测器包括：测量室组件、X射线探测器和探测器真空组件；所述测量室组件的腔体下端开口；所述探测器真空组件用于保证X射线探测器处于真空环境，探测器真空组件为两端开口的空腔，上端口与测量室组件的下开口相对连接，连接处通过无氧铜垫圈进行密封，下端口与X射线探测器过盈配合，保证腔体密封性；所述X射线探测器部分位于探头真空组件的空腔内，且位于真空组件的空腔内的X射线探测器上端部靠近测量室组件下开口位置，X射线探测器另一部分位于真空组件的空腔外部。
优选的，所述测量室组件包括：测量室、进气管道、出气管道、铍窗和铍窗支架；所述测量室为下开口的腔体；所述进气管道和出气管道位于测量室外表面两侧，与测量室一体成型，且与测量室外壳内腔连通；所述铍窗位于测量室下开口处，且通过铍窗支架固定。
根据权利要求1所述的高浓度氚测量探测器，其特征在于，所述X射线探测器包括X射线探测器探头和X射线探测器前置放大器，所述X射线探测器前置放大器位于真空组件外部，且与X射线探测器探头一端连接。
优选的，所述探头真空组件包括：探头真空壳体I、探头真空壳体II、除气管道和真空度测量接口；所述，探头真空壳体I和探头真空壳体II均为中空、两端开口的腔体，两者通过螺栓连接在一起；所述除气管道和真空度测量接口与探头真空壳体I一体成型，且位于探头真空壳体I外部两侧，并与探头真空壳体I中空腔体连通；所述探头真空壳体II上端与探头真空壳体I密封连接，下端口与X射线探测器探头过盈配合。
优选的，所述铍窗厚度为100μm，铍窗上下表面均做镜面抛光处理，且铍窗上表面做镀金处理，镀金厚度为100nm。
优选的，所述X射线探测器为硅漂移探测器，测量能量下限<200eV。
优选的，所述的测量室内表面进行了镀金处理，镀金厚度为1μm。
一种高浓度氚测量探测器的测量方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：使用真空泵对探测器真空组件腔体除气，使探测器真空组件腔体气压≤100Pa；若待测气体组分只有氢同位素或氦与氢同位素的混合气体，则将测量室除气至气压≤1×10-3Pa，执行步骤S2；若待测气体组分包括氢同位素或氦以外的其他元素，则执行步骤S3；
S2：测量与计算只含氢同位素或氦与氢同位素混合组分的气体中氚的浓度；
S21：将待测气体充入测量室内，记录其压力P，打开X射线探测器记录测量时长t1时间内的X射线能谱总强度N1；
S22：计算含氚气体中氚的浓度C1：
Figure BDA0003270400410000021
式中，nb为探测器本底计数率，单位/s，η为压力P下的修正系数，单位为Bq·s/m3；
S3：测量与计算除氢同位素或氦外的多组分含氚气体中氚的浓度；
S31：将与待测气体压力、组分相同的标准含氚气体充入探测器，标准含氚气体中的氚浓度C0已知，打开X射线探测器并在t0时间内获得X射线能谱强度N0；
S32：抽出测量室中标准含氚气体，关闭出气管道，并将待测气体通过进气管道充入测量室内，打开X射线探测器，记录探测时长为t2时间内X射线能谱总强度N2；
S33：计算含氚气体中氚的浓度C2：
Figure BDA0003270400410000031
式中，nb为探测器本底计数率，单位/s。
本发明的有益效果是：本发明提供一种高浓度氚测量探测器及其探测方法，该探测器通过收集氚β射线诱发的X射线实现氚浓度测量，对测量气体压力无特殊要求，测量室与真空组件、真空组件与X射线探测器之间密封连接，探测器有效体积小，泄漏率低；测量室内部均做镀金处理，有效减少测量室内壁对氚的吸附产生的记忆效应。本发明提供的高浓度氚测量探测器的探测方法简单易操作，本发明适用于聚变堆DT燃料循环系统高浓度氚的在线测量。
附图说明
图1为本发明高浓度氚测量探测器结构示意图。
图中：11.测量室 12.进气管道 13.出气管道 14.铍窗 15.铍窗支架 21.X射线探测器探头 22.X射线探测器前置放大器 31.探头真空壳体I 32.探头真空壳体II 33.除气管道 34.真空度测量接口。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种如图1所示的高浓度氚测量探测器，该探测器包括：测量室组件、X射线探测器和探测器真空组件；其中测量室组件的腔体下端开口，用于收集待测气体；探测器真空组件用于保证X射线探测器处于真空环境，探测器真空组件为两端开口的空腔，上端口与测量室组件的下开口相对连接，连接处通过无氧铜垫圈进行密封，下端口与X射线探测器过盈配合，保证腔体密封性；X射线探测器部分位于探头真空组件的空腔内，且位于真空组件的空腔内的X射线探测器上端部靠近测量室组件下开口位置，X射线探测器另一部分位于真空组件的空腔外部。
其中测量室组件包括：测量室11、进气管道12、出气管道13、铍窗14和铍窗支架15；测量室11为下开口的腔体；进气管道12和出气管道13位于测量室11外表面两侧，与测量室11一体成型，且与测量室外壳11内腔连通，或者进气管道12和出气管道13也可以与测量室11外表面焊接连接；铍窗14位于测量室11下开口处，且通过铍窗支架15固定，铍窗支架15通过焊接与测量室11的外壳固定连接。
X射线探测器包括X射线探测器探头21和X射线探测器前置放大器22，其中X射线探测器前置放大器22位于真空组件外部，且与X射线探测器探头21一端连接；
探头真空组件包括：探头真空壳体I 31、探头真空壳体II 32、除气管道33和真空度测量接口34；探头真空壳体I 31和探头真空壳体II 32均为中空、两端开口的腔体，两者通过螺栓连接在一起，且采用无氧铜垫圈进行密封连接；除气管道33和真空度测量接口34与探头真空壳体I 31一体成型，且位于探头真空壳体I 31外部两侧，并与探头真空壳体I31中空腔体连通，也可以通过焊接与探头真空壳体I 31外壳连接；探头真空壳体II 32上端与探头真空壳体I 31密封连接，下端口与X射线探测器探头21过盈配合。
上述铍窗14厚度为100μm，铍窗14上下表面均做镜面抛光处理，且铍窗14上表面做镀金处理，镀金厚度为100nm。
上述X射线探测器为硅漂移探测器，测量能量下限<200eV。
上述测量室11内表面可以进行镀金处理，镀金后有效减少测量室内壁对氚的吸附产生的记忆效应，镀金厚度为1μm。
一种基于上述高浓度氚测量探测器的氚的测量方法，所述方法包括：
若待测气体组分只有氢同位素，首先使用真空泵对探测器真空组件腔体除气，使探测器真空组件腔体气压≤100Pa，测量室除气至气压≤1×10-3Pa；之后将待测气体充入测量室内，记录其压力P，打开X射线探测器记录测量时长t1时间内的X射线能谱总强度N1；最后计算含氚气体中氚的浓度C1：
Figure BDA0003270400410000041
式中，nb为探测器本底计数率，单位/s，η为压力P下的修正系数，单位为Bq·s/m3；
若待测气体组分包括氢同位素以外的其他元素，该方法首先使用真空泵对探测器真空组件腔体除气，使探测器真空组件腔体气压≤100Pa；接着将与待测气体压力、组分相同的标准含氚气体充入探测器，标准含氚气体中的氚浓度C0已知，打开X射线探测器并在t0时间内获得X射线能谱强度N0；之后抽出测量室中标准含氚气体，关闭出气管道，并将待测气体通过进气管道充入测量室内，打开X射线探测器，记录探测时长为t2时间内X射线能谱总强度N2；最后计算含氚气体中氚的浓度C2：
Figure BDA0003270400410000042
式中，nb为探测器本底计数率，单位/s。
作为一个实施例，测量室11与铍窗14围成的测量腔室内部直径为15mm，高度为10mm，探测器灵敏体积为1.77mL，X射线探测器探头距离铍窗为6mm，经标准含氚气体标定后，在测量气氛为氢气、氩气，且氢气与氩气体积比为1∶1时，探测器内氚浓度为：
Figure BDA0003270400410000051

Claims (8)

1.一种高浓度氚测量探测器，其特征在于，所述探测器包括：测量室组件、X射线探测器和探测器真空组件；所述测量室组件的腔体下端开口；所述探测器真空组件用于保证X射线探测器处于真空环境，探测器真空组件为两端开口的空腔，上端口与测量室组件的下开口相对连接，连接处通过无氧铜垫圈进行密封，下端口与X射线探测器过盈配合，保证腔体密封性；所述X射线探测器部分位于探头真空组件的空腔内，且位于真空组件的空腔内的X射线探测器上端部靠近测量室组件下开口位置，X射线探测器另一部分位于真空组件的空腔外部。
2.根据权利要求1所述的高浓度氚测量探测器，其特征在于，所述测量室组件包括：测量室(11)、进气管道(12)、出气管道(13)、铍窗(14)和铍窗支架(15)；所述测量室(11)为下开口的腔体；所述进气管道(12)和出气管道(13)位于测量室(11)外表面两侧，与测量室(11)一体成型，且与测量室外壳(11)内腔连通；所述铍窗(14)位于测量室(11)下开口处，且通过铍窗支架(15)固定。
3.根据权利要求1所述的高浓度氚测量探测器，其特征在于，所述X射线探测器包括X射线探测器探头(21)和X射线探测器前置放大器(22)，所述X射线探测器前置放大器(22)位于真空组件外部，且与X射线探测器探头(21)一端连接。
4.根据权利要求1所述的高浓度氚测量探测器，其特征在于，所述探头真空组件包括：探头真空壳体I(31)、探头真空壳体II(32)、除气管道(33)和真空度测量接口(34)；所述，探头真空壳体I(31)和探头真空壳体II(32)均为中空、两端开口的腔体，两者通过螺栓连接在一起；所述除气管道(33)和真空度测量接口(34)与探头真空壳体I(31)一体成型，且位于探头真空壳体I(31)外部两侧，并与探头真空壳体I(31)中空腔体连通；所述探头真空壳体II(32)上端与探头真空壳体I(31)密封连接，下端口与X射线探测器探头(21)过盈配合。
5.根据权利要求2所述的高浓度氚测量探测器，其特征在于，所述铍窗(14)厚度为100μm，铍窗(14)上下表面均做镜面抛光处理，且铍窗(14)上表面做镀金处理，镀金厚度为100nm。
6.根据权利要求3所述的高浓度氚测量探测器，其特征在于，所述X射线探测器为硅漂移探测器，测量能量下限<200eV。
7.根据权利要求2所述的高浓度氚测量探测器，其特征在于，所述的测量室(11)内表面进行了镀金处理，镀金厚度为1μm。
8.一种如权利要求1～6中任意一项所述的高浓度氚测量探测器的测量方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：使用真空泵对探测器真空组件腔体除气，使探测器真空组件腔体气压≤100Pa；若待测气体组分只有氢同位素或氢同位素与氦气的混合气体，则将测量室除气至气压≤1×10-3Pa，执行步骤S2；若待测气体组分包括氢同位素或氦气以外的其他元素，则执行步骤S3；
S2：测量与计算只含氢同位素组分或含有氢同位素与氦气的混合组分的气体中氚的浓度；
S21：将待测气体充入测量室内，记录其压力P，打开X射线探测器记录测量时长t1时间内的X射线能谱总强度N1；
S22：计算含氚气体中氚的浓度C1：
Figure FDA0003270400400000021
式中，nb为探测器本底计数率，单位/s，η为压力P下的修正系数，单位为Bq·s/m3；
S3：测量与计算除氢同位素与氦气外的多组分含氚气体中氚的浓度；
S31：将与待测气体压力、组分相同的标准含氚气体充入探测器，标准含氚气体中的氚浓度C0已知，打开X射线探测器并在t0时间内获得X射线能谱强度N0；
S32：抽出测量室中标准含氚气体，关闭出气管道，并将待测气体通过进气管道充入测量室内，打开X射线探测器，记录探测时长为t2时间内X射线能谱总强度N2；
S33：计算含氚气体中氚的浓度C2：
Figure FDA0003270400400000022
式中，nb为探测器本底计数率，单位/s。
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