便携式氚监测仪现场校准装置设计
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摘 要
根据组成便携式氚监测仪现场校准装置的主要硬件及项目总的技术要求，调研确定了相关硬件的主要技术指标及其选型、设计加工等一系列过程;找到了符合要求的各部分硬件。对项目中存在的技术难点提出了相应解决方案。
关键词
氚监测仪;现场校准装置;设计
中图分类号： TL81 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.030
0 引言
核燃料生产与使用，核电站运行中会释放出气态氚。这些气态氚一方面会对人员带来辐射危害及环境污染，另一方面，气态氚的排放量又是核设施运行及环境安全评价的重要依据，因此，必须对其进行监测。为保证监测结果的准确可靠，必须对用于监测的仪器进行校准，通常，该类仪器由于安装污染等原因，只能进行现场校准。由于受现场条件限制，要求现场校准装置体型小，质量轻且易于携带。
为了规范氚气监测仪的技术条件及校准方法，国际电工委员会（IEC）1983年发布了IEC761-5[1]，2002年又对该标准进行了修订，并改版成60761-5IEC∶2002[2]。该标准是目前各国普遍采用的国际标准，我国参照采用该标准，制定颁布了GB7162·5-1987《用于辐射防护的空气中氚的测量和监测设备》[3]和GB 7165·5-1988《氚排出流监测仪的特殊要求》[4]。标准规定要用与监测对象同一化学形态的标准气体源对监测仪进行校准，标准气体源不确定度≤7%（k=2），而对于不同化学形态氚气的响应应小于15%。
通常情况下，环境中氚和反应堆运行时释放出的氚主要以氚化水的形态存在，因而，应该用标准氚气流（氚化水蒸气流）对监测仪进行校准。对标准氚气流的制备，目前普遍采用鼓泡法。
1 标准氚气流发生器原理
鼓泡法产生标准氚化水蒸汽，目前世界上使用最多的是R.V.Osborne鼓泡器模型[5]，见图1。
其原理是：假定鼓泡器饱和系数为S，分馏系数为F。
在鼓泡器内装入一定质量的氚化水，其起始质量为M0（g），起始比活度为C（Bq·g-1），将鼓泡器放入恒温器内恒温，此时，鼓出的气流中氚化水蒸汽密度Yt（g·m-3）恒定，再让流速不变的干燥空气通入鼓泡器鼓泡，就可以产生已知比活度的标准氚化水蒸汽。
R.V.Osborne为该模型推导了氚化水蒸汽比活度定量计算公式，结果为：
2 现场校准原理
将已知活度浓度的标准氚气流直接充入与被校仪器相连的回路中，待仪器稳定后读数，按照（2）式计算校准因子：
3 便携式氚监测仪现场校准装置设计
3.1 装置组成
便携式氚监测仪现场校准装置用于氚监测仪的现场校准。其组成主要包括氚化水鼓泡器、恒温器、质量流量控制器、传递仪器、抽气泵及各种传感器等，其中传递仪器由电离室和小电流测量仪组成。恒温器用于恒定鼓泡器中氚水温度;质量流量控制器用于控制鼓入鼓泡器的空气流速及测定其总体积;氚气监测仪为校准其他氚监测仪时使用的传递仪器;抽气泵用于系统抽气，是整个系统的动力源;温度传感器用于测量鼓泡器入口处空气的温度;压力传感器用于测量鼓泡器入口处空气的压力。将所有部件集成为一个系统，系统外形尺寸控制在400mm×400mm×600mm之内，总重量不超过15kg。原理框图见图2。
3.2 装置主要技术指标
鼓泡时氚水温度：低于环境温度5℃～10℃;
干燥空气露点：低于-40℃;
氚化水蒸汽活度浓度范围：102Bq·m-3～107Bq·m-3;
氚化水蒸汽活度浓度合成标准不确定度：≤8%;
量程范围：102Bq·m-3～107Bq·m-3。
3.3 装置设计
3.3.1 非标设备加工主要技术要求
（1）空气过滤器
用于系统进气口空气的过滤。过滤器为圆锥型，材料为不锈钢和玻璃纤维纸。
（2）空气干燥器
用于系统进气口空气的干燥。干燥器为圆柱形且两头为螺纹型，材料为有机玻璃管和铝，用于与管道连接，干燥剂为变色硅胶和分子筛。
（3）缓冲器
从鼓泡器中鼓出的氚气流，经缓冲器缓冲后，可得到流速稳定、均匀的标准氚气流，缓冲器材料为不锈钢。
（4）液氮冷凝器
液氮冷凝器用于液氮储存和氚水回收器冷凝。冷凝器采用液氮生物容器的结构。
（5）鼓泡器
根据不同材料对氚的吸附特性以及热传导系数、硬度等物理特性，选用无氧铜设计加工了本系统的鼓泡器，鼓泡器结构为圆柱形，鼓泡端为球形，鼓泡端均匀地布满了鼓泡孔。
（6）回收器
回收器用于鼓泡后氚水的回收，選用经退火处理的玻璃管设计加工，易于观察和清洗。
（7）管道
用于系统各部分的连接。根据不同材料对氚的吸附特性和硬度等物理特性，并根据鼓泡器、回收器以及缓冲器接口的尺寸及连接方式，选用无氧铜设计加工本系统的连接管道。另外由于连接对象（如玻璃回收器），部分连接选择了真空橡胶管。
（8）快速接头
用于系统中鼓泡器与管道的连接，接头材料为不锈钢。
3.3.2 标准设备采购主要技术要求
恒温器要求显示分辨率高，温场稳定，升、降温时间短。质量流量控制器要求计数准确、稳定，连接简便，流速范围为（0～10）L·min-1，适合本系统气体流量测试。便携式氚气监测仪要求大于上述量程和流速要求，过滤效率高，可持续运行6小时以上。抽气泵要求抽气速率至少为（0～15）L·min-1，可连续工作8小时以上，稳定可靠。温度传感器要求测量精度为±（0.10+0.002t）℃，测量范围（0～50）℃，可满足空气体积修正的温度测量精度要求。压力传感器要求传感器误差极限小于0.05%，绝压范围为（0～200）kPa，连接简便，适合本系统压力测量。 4 生产厂家与调研结果
通过调研国内几乎所有生产恒温器的厂商，以达到技术指标为前提，计划采用半导体制冷恒温器，通过技术改造满足系统要求。质量流量控制器计划采用北京七星华创电子股份有限公司的D07-19B/ZM型质量流量控制器。真空泵采用美国生产的GAST的MOA-P101-CD型真空泵。压力传感器选用广东省江门市安泰电子有限公司的US10000高性能不锈钢压力变送器。
5 结束语
现场校准装置的轻便与移动性是技术难点。通过研制小型化传递仪器及采用半导体制冷技术对鼓泡器进行恒温，可实现现场校准装置小型化和方便移动的目的。该装置研制中的关键技术是鼓泡器的结构设计和参数确定，以及氚水定值和解决鼓出氚水的凝露问题。鼓出氚水的结露问题可利用温差解决，控制鼓泡的氚化水温度比环境温度低，这样，即使鼓出的是饱和氚化水蒸气，到温度较高的环境中后，也会变成不饱和，就不会发生凝露现象。
我国是核设施较多的国家之一，目前，在核电站运营中使用的氚监测仪有近百台，由于这些氚监测仪未经过校准，已无法对放射性工作场所氚的浓度进行准确判断，已经危害到了工作人员的安全，使用单位已多次提出了现场校准的要求，而且，随着我国核事业的发展，氚监测仪的使用数量会不断增加，因此，为保证这些氚监测仪测量结果的准确与可靠，必须对氚监测仪现场校准技术进行研究，并建立统一的现场校准方法，以满足日益增多的氚监测仪现场校准需求。
参考文献
[1]IEC 761-5《Equipmeng for continuous monitoring of radioactivity in gaseous effluents Part5：specific requiremengs for tritium monitors》.
[2]60761-5 IEC：2002 《Equipmeng for continuous monitoring of radioactivity in gaseous effluents Part5：specific requiremengs for tritium monitors》.
[3]GB7162·5-1987《用于輻射防护的空气中氚的测量和监测设备》.
[4]GB 7165·5-1988《氚排出流监测仪的特殊要求》.
[5]R·V·Osborne·CONF-730907 ⅤⅡ，pp·1428-1433.
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