CN113866819A - 一种超铀核素气溶胶在线监测设备校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超铀核素气溶胶在线监测设备校准装置及方法，装置包括：标准气溶胶发生器、气溶胶校准小室、基准测量系统、待校准气溶胶在线监测设备测量系统以及尾气处理系统，气溶胶校准小室分别连通标准气溶胶发生器、基准测量系统、待校准气溶胶在线监测设备测量系统以及尾气处理系统。本发明能够有效对基于ICP‑MS的气溶胶在线监测系统和基于PIPS的气溶胶在线监测设备两种类型超铀核素气溶胶在线监测系统进行校准，提高其真实测量能力，弥补了现有超铀核素气溶胶在线监测系统校准方法的不足，为完善超铀核素气溶胶在线监测系统校准方法奠定了基础。

Description

一种超铀核素气溶胶在线监测设备校准装置及方法

技术领域

本发明涉及放射性气溶胶监测领域，具体涉及一种超铀核素气溶胶在线监测设备校准装置及方法。

背景技术

场所放射性气溶胶监测是辐射防护的一项重要措施，其可对场所正常工况进行监测，对场所异常情况进行预警报警，同时也可作为人员内照射监测的一种手段，因此是超铀核素相关工艺场所必须配备的一项技术手段。场所放射性气溶胶监测包括离线取样分析和在线实时监测。离线取样分析的优点在于可以富集大量的气溶胶，探测限足够低，但无法及时给出气溶胶放射性水平，且由于长时间累积取样可能会掩盖短时泄漏造成的影响；在线实时监测能够及时给出气溶胶浓度，起到预警的功能，但其缺点是探测限一般在导出空气浓度水平附近，且测量时间通常需要半小时以上，无法实现真正意义上的实时监测。

目前对超铀核素气溶胶进行在线监测的设备主要分为两类：第一类是利用α核素的衰变特性研制的基于离子注入型平面硅探测器(PIPS)的气溶胶在线监测设备。其测量流程主要包括利用滤膜快速收集气溶胶、硅半导体探测器测量、测量结果修正和给出放射性水平。比较知名的商业化产品有美国Canberra公司、德国Berthold公司、英国Lab ImpexSystems公司和美国Thermo公式等研发的一系列产品，此外国内北京射线中心、清华大学等单位也研发了一些相关产品。这些产品在监测周期为1小时(该类仪器典型的单次测量时间)的情况下对钚气溶胶的探测限多为10^-1Bq/m³的水平，当在探测限附近实际测量时造成的不确定度较大，极易波动，其中Pu^-239气溶胶年剂量限值对应的导出空气浓度水平(DAC)也在10^-1Bq/m³水平，从而导致仪器经常误报警，十分不利于实际使用。因此目前针对该类设备的研究主要集中在在气溶胶取样方式、氡钍子体的扣除、能谱处理优化等方面，以期进一步降低干扰、优化探测限和响应时间；第二类是基于电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)的气溶胶在线测量设备。该方法针对Pu^-239气溶胶具有较低的探测下限和更快的响应时间(可达到10^-3Bq/m³，测量时间为1min)，可以很好的满足辐射防护监管要求。

虽然这两类在线监测设备可用于不同场景下α气溶胶的监测，但是目前均缺少有效的校准方法对仪器进行校准，从而造成获得的数据存在较大的不确定性。

针对α放射性气溶胶测量仪器的校准，IEC61578-1997《Radiation protectioninstrumentation-calibration and verification of the effectiveness of radoncompensation for alpha and/or beta aerosol measuring instruments-testmethods》以及EJ/T 1010-1996《α、β放射性气溶胶监测仪校准与氡子体补偿有效性的检验方法针》提出了一套校准流程，基本过程是产生0.4μm和4μm的标准放射性气溶胶导入一个缓冲室，然后利用对该粒径取样效率达到100％的滤膜和气溶胶在线监测系统同时对缓冲室进行取样测量，滤膜取得的样品再利用基准测量系统进行测量获得放射性水平，从而对待校准设备进行校准。但是由于滤膜取样的时效性等问题，该方法并没有得到很好的应用。

目前对基于PIPS的α气溶胶在线监测系统均是利用放射源对硅探测器进行刻度，但是未考虑实际测量过程中氡钍子体、气溶胶分布特性不同造成的滤膜取样效率及自吸收等因素的影响，存在较大的不确定性；中国原子能科学研究院建立的基于电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)的在线气溶胶测量系统是利用膜去溶雾化器产生标准气溶胶进行定量刻度，但是其产生的气溶胶特性与实际场所中的差异也没有很好地进行考虑，需要进一步论证。

总体来说，由于目前并没有一套比较完善可靠的针对超铀核素气溶胶在线监测系统的校准方法，因此容易造成相关设备在使用过程中存在较大的不确定性。为了完善超铀核素气溶胶在线监测系统校准方法，本发明提供了一种针对上述两类超铀核素气溶胶在线监测系统的校准方法和装置。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种超铀核素气溶胶在线监测设备校准装置及方法，提高其真实测量能力，弥补了现有超铀核素气溶胶在线监测系统校准方法的不足。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种超铀核素气溶胶在线监测设备校准装置，包括：标准气溶胶发生器、气溶胶校准小室、基准测量系统、待校准气溶胶在线监测设备测量系统以及尾气处理系统，所述气溶胶校准小室分别连通所述标准气溶胶发生器、所述基准测量系统、所述待校准气溶胶在线监测设备测量系统以及所述尾气处理系统；

所述标准气溶胶发生器，用于产生大于或等于10^-4Bq/m³水平、粒径分布在0.1μm-10μm范围内的超铀核素气溶胶，并通入所述气溶胶校准小室；

所述气溶胶校准小室内部流场稳定、内充气溶胶混合均匀且长时间保持稳定，两侧对称的取样口分别连接所述基准测量系统和所述待校准气溶胶在线监测设备测量系统，用于为所述基准测量系统和所述待测气溶胶在线监测设备测量系统提供浓度一致的超铀核素气溶胶；

所述基准测量系统，用于测量超铀核素气溶胶的放射性水平，用以确定待校准气溶胶在线监测设备的校准因子；

所述尾气处理系统，用于过滤本校准装置中含超铀核素气溶胶的尾气；

所述待校准气溶胶在线监测设备测量系统，用于通过待校准气溶胶在线监测设备和所述基准测量系统同时对所述气溶胶校准小室的超铀核素气溶胶进行取样测量，确定待校准气溶胶在线监测设备的校准因子。

进一步，如上所述的装置，所述气溶胶校准小室的直径为200mm，长为200mm，入口内径为6mm，出口内径为40mm，入口和出口张角均为60度，采样口位于小室中间，内径均为6mm。

进一步，如上所述的装置，所述基准测量系统包括电感耦合等离子体质谱仪气溶胶在线测量系统。

一种超铀核素气溶胶在线监测设备校准方法，包括：

S100、标准气溶胶发生器产生大于或等于10^-4Bq/m³水平、粒径分布在0.1μm-10μm范围内的超铀核素气溶胶，并通入气溶胶校准小室；

S200、所述气溶胶校准小室为基准测量系统和待测气溶胶在线监测设备测量系统提供浓度一致的超铀核素气溶胶；

S300、所述基准测量系统测量超铀核素气溶胶的放射性水平，用以确定待校准气溶胶在线监测设备的校准因子；

S400、尾气处理系统过滤本校准装置中含超铀核素气溶胶的尾气；

S500、所述待校准气溶胶在线监测设备测量系统将待校准气溶胶在线监测设备和所述基准测量系统同时对所述气溶胶校准小室的超铀核素气溶胶进行取样测量，确定待校准气溶胶在线监测设备的校准因子。

进一步，如上所述的方法，所述气溶胶校准小室的直径为200mm，长为200mm，入口内径为6mm，出口内径为40mm，入口和出口张角均为60度，采样口位于小室中间，内径均为6mm。

进一步，如上所述的方法，所述基准测量系统包括电感耦合等离子体质谱仪气溶胶在线测量系统。

本发明的有益效果在于：本发明能够产生≥10^-4Bq/m³水平、粒径分布在0.1μm-10μm范围内的超铀核素标准气溶胶，能够有效对基于ICP-MS的气溶胶在线监测系统和基于PIPS的气溶胶在线监测设备两种类型超铀核素气溶胶在线监测系统进行校准，提高其真实测量能力，弥补了现有超铀核素气溶胶在线监测系统校准方法的不足，为完善超铀核素气溶胶在线监测系统校准方法奠定了基础。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种超铀核素气溶胶在线监测设备校准装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的气溶胶校准小室的俯视图；

图3为本发明实施例中提供的气溶胶校准小室的立体剖面图；

图4为本发明实施例中提供的气溶胶校准小室的实物图；

图5为本发明实施例中提供的一种超铀核素气溶胶在线监测设备校准方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。

本发明实施例提供了一种超铀核素气溶胶在线监测设备校准装置，如图1所示，包括：标准气溶胶发生器100、气溶胶校准小室200、基准测量系统300、待校准气溶胶在线监测设备测量系统500以及尾气处理系统400，气溶胶校准小室200分别连通标准气溶胶发生器100、基准测量系统300、待校准气溶胶在线监测设备测量系统500以及尾气处理系统400。标准气溶胶发生器100，用于产生大于或等于10^-4Bq/m³水平、粒径分布在0.1μm-10μm范围内的超铀核素气溶胶，并通入气溶胶校准小室200。气溶胶校准小室200内部流场稳定、内充气溶胶混合均匀且长时间保持稳定，两侧对称的取样口分别连接基准测量系统300和待校准气溶胶在线监测设备测量系统500，用于为基准测量系统300和待测气溶胶在线监测设备测量系统500提供浓度一致的超铀核素气溶胶；气溶胶校准小室200的直径为200mm，长为200mm，入口内径为6mm，出口内径为40mm，入口和出口张角均为60度，采样口位于小室中间，内径均为6mm。基准测量系统300，用于测量超铀核素气溶胶的放射性水平，用以确定待校准气溶胶在线监测设备的校准因子；基准测量系统300包括电感耦合等离子体质谱仪气溶胶在线测量系统。尾气处理系统400，用于过滤本校准装置中含超铀核素气溶胶的尾气。待校准气溶胶在线监测设备测量系统500，用于将待校准气溶胶在线监测设备和基准测量系统300同时对气溶胶校准小室200的超铀核素气溶胶进行取样测量，确定待校准气溶胶在线监测设备的校准因子。

本发明实施例中，建立的超铀核素气溶胶在线监测设备校准系统如图1所示，主要包括标准气溶胶发生器、基准测量系统、气溶胶校准小室、待校准气溶胶在线监测设备测量系统以及尾气处理系统五部分。

(1)标准气溶胶发生器

用于产生≥10^-4Bq/m³水平、粒径分布在0.1μm-10μm范围内的超铀核素气溶胶(包括单分散的气溶胶和多分散气溶胶)，克服了超铀核素气溶胶分布特性对气溶胶在线监测系统测量准确性造成的差异。

(2)气溶胶校准小室

除为前端产生标准气溶胶提供暂存外，主要用于为待测气溶胶在线监测设备测量系统和基准测量系统提供浓度一致的气溶胶。该气溶胶校准小室内部流场稳定，内充气溶胶混合均匀且长时间保持稳定，同时连接待测气溶胶在线监测设备测量系统和基准测量系统的两个采样口气溶胶浓度一致，能够实现对称取样功能。

气溶胶校准小室的最终设计如图2-3所示，选取直径200mm，长200mm的腔室作为校准小室主体，入口内径6mm，出口内径40mm，入口和出口张角均为60度，采样口位于小室中间，内径均为6mm。气溶胶校准小室加工后实物如图4所示。校准小室整体采用不锈钢材质，内表面进行镜面抛光处理，以保证尽量少的气溶胶吸附沉积作用。

(3)基准测量系统

用于通过准确测量气溶胶放射性水平从而确定待校准系统的校准因子。基准测量系统基于电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)气溶胶在线测量系统建立。电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)在线气溶胶测量系统具有较低水平测量能力和快速响应能力，能实现对稳定核素和长寿命放射性核素气溶胶的连续快速测量，单个核素测量时间短(≤30s)。

(4)尾气处理系统

用于解决气溶胶在线监测系统校准装置中含超铀核素气溶胶尾气的长期排放问题，对气溶胶的过滤效率≥99.9％，同时配备过滤器放射性水平实时监测设备。

(5)待校准气溶胶在线监测设备测量系统

通过待校准气溶胶在线监测设备和基准测量系统对气溶胶校准小室的气溶胶同时进行取样测量，实现待校准气溶胶在线监测设备的校准因子。

首先，根据典型工艺实际产生的α气溶胶的分布规律设计组建标准气溶胶发生系统，将其产生的典型粒径分布及化学组分的气溶胶作为校准系统的标准物来源通入符合设计要求的气溶胶校准小室，稳定一段时间(>1小时)待其混合均匀且保持流量及浓度不变；然后，在校准小室两侧对称的取样口分别连接基准测量系统和待校准气溶胶在线监测设备测量系统，其中基准测量系统采用经准确性验证后的基于ICP-MS的气溶胶在线测量系统；连接好尾气处理系统后同时进行取样测量，最终给出待校准气溶胶在线监测设备的校准因子。

采用本发明实施例的装置，能够产生≥10^-4Bq/m³水平、粒径分布在0.1μm-10μm范围内的超铀核素标准气溶胶，能够有效的对基于ICP-MS的气溶胶在线监测系统和基于PIPS的气溶胶在线监测设备两种类型超铀核素气溶胶在线监测系统进行校准，提高其真实测量能力，弥补了现有超铀核素气溶胶在线监测系统校准方法的不足，为完善超铀核素气溶胶在线监测系统校准方法奠定了基础。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种超铀核素气溶胶在线监测设备校准方法，如图5所示，包括：

S100、标准气溶胶发生器产生大于或等于10^-4Bq/m³水平、粒径分布在0.1μm-10μm范围内的超铀核素气溶胶，并通入气溶胶校准小室；

S200、气溶胶校准小室为基准测量系统和待测气溶胶在线监测设备测量系统提供浓度一致的超铀核素气溶胶；

S300、基准测量系统测量超铀核素气溶胶的放射性水平，用以确定待校准气溶胶在线监测设备的校准因子；

S400、尾气处理系统过滤本校准装置中含超铀核素气溶胶的尾气；

S500、待校准气溶胶在线监测设备测量系统将待校准气溶胶在线监测设备和基准测量系统同时对气溶胶校准小室的超铀核素气溶胶进行取样测量，确定待校准气溶胶在线监测设备的校准因子。

需要说明的是，本发明的方法与前述的一种超铀核素气溶胶在线监测设备校准装置，属于同一发明构思，具体实施方式不再赘述。

首先，根据典型工艺实际产生的α气溶胶的分布规律设计组建标准气溶胶发生系统，将其产生的典型粒径分布及化学组分的气溶胶作为校准系统的标准物来源通入符合设计要求的气溶胶校准小室，稳定一段时间(>1小时)待其混合均匀且保持流量及浓度不变；然后，在校准小室两侧对称的取样口分别连接基准测量系统和待校准气溶胶在线监测设备测量系统，其中基准测量系统采用经准确性验证后的基于ICP-MS的气溶胶在线测量系统；连接好尾气处理系统后同时进行取样测量，最终给出待校准气溶胶在线监测设备的校准因子。

采用本发明实施例的方法，能够产生≥10-4Bq/m3水平、粒径分布在0.1μm-10μm范围内的超铀核素标准气溶胶，能够有效的对基于ICP-MS的气溶胶在线监测系统和基于PIPS的气溶胶在线监测设备两种类型超铀核素气溶胶在线监测系统进行校准，提高其真实测量能力，弥补了现有超铀核素气溶胶在线监测系统校准方法的不足，为完善超铀核素气溶胶在线监测系统校准方法奠定了基础。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种超铀核素气溶胶在线监测设备校准装置，其特征在于，包括：标准气溶胶发生器、气溶胶校准小室、基准测量系统、待校准气溶胶在线监测设备测量系统以及尾气处理系统，所述气溶胶校准小室分别连通所述标准气溶胶发生器、所述基准测量系统、所述待校准气溶胶在线监测设备测量系统以及所述尾气处理系统；

所述标准气溶胶发生器，用于产生大于或等于10^-4Bq/m³水平、粒径分布在0.1μm-10μm范围内的超铀核素气溶胶，并通入所述气溶胶校准小室；

所述气溶胶校准小室内部流场稳定、内充气溶胶混合均匀且长时间保持稳定，两侧对称的取样口分别连接所述基准测量系统和所述待校准气溶胶在线监测设备测量系统，用于为所述基准测量系统和所述待测气溶胶在线监测设备测量系统提供浓度一致的超铀核素气溶胶；

所述基准测量系统，用于测量超铀核素气溶胶的放射性水平，用以确定待校准气溶胶在线监测设备的校准因子；

所述尾气处理系统，用于过滤本校准装置中含超铀核素气溶胶的尾气；

所述待校准气溶胶在线监测设备测量系统，用于通过待校准气溶胶在线监测设备和所述基准测量系统同时对所述气溶胶校准小室的超铀核素气溶胶进行取样测量，确定待校准气溶胶在线监测设备的校准因子。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气溶胶校准小室的直径为200mm，长为200mm，入口内径为6mm，出口内径为40mm，入口和出口张角均为60度，采样口位于小室中间，内径均为6mm。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基准测量系统包括电感耦合等离子体质谱仪气溶胶在线测量系统。

4.一种超铀核素气溶胶在线监测设备校准方法，应用于权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，包括：

S100、标准气溶胶发生器产生大于或等于10^-4Bq/m³水平、粒径分布在0.1μm-10μm范围内的超铀核素气溶胶，并通入气溶胶校准小室；

S200、所述气溶胶校准小室为基准测量系统和待测气溶胶在线监测设备测量系统提供浓度一致的超铀核素气溶胶；

S300、所述基准测量系统测量超铀核素气溶胶的放射性水平，用以确定待校准气溶胶在线监测设备的校准因子；

S400、尾气处理系统过滤本校准装置中含超铀核素气溶胶的尾气；

S500、所述待校准气溶胶在线监测设备测量系统将待校准气溶胶在线监测设备和所述基准测量系统同时对所述气溶胶校准小室的超铀核素气溶胶进行取样测量，确定待校准气溶胶在线监测设备的校准因子。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述气溶胶校准小室的直径为200mm，长为200mm，入口内径为6mm，出口内径为40mm，入口和出口张角均为60度，采样口位于小室中间，内径均为6mm。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基准测量系统包括电感耦合等离子体质谱仪气溶胶在线测量系统。

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