一種高靈敏度放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于環(huán)境輻射監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計(jì)與改進(jìn)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種高靈敏度放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測儀，所述整個(gè)連續(xù)監(jiān)測儀系統(tǒng)分為采樣模塊和測量模塊兩部分，其中采樣和測量模塊的上半部分安裝在上部支撐模塊內(nèi)，采樣模塊活動(dòng)單元和抽真空測量模塊活動(dòng)單元可以上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，安裝在下部支撐模塊內(nèi)；U-019-300-100粒子注入型硅探測器和真空轉(zhuǎn)接頭安裝在上部支撐模塊的右側(cè)真空室內(nèi)；采樣模塊活動(dòng)單元和抽真空測量模塊活動(dòng)單元的上方安裝環(huán)形硅膠密封墊片用于保持密封；采樣模塊活動(dòng)單元和抽真空測量模塊活動(dòng)單元的外側(cè)均套有彈簧。本發(fā)明主要用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。
【專利說明】一種高靈敏度放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)境輻射監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計(jì)與改進(jìn)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種高靈敏度 放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測儀。

【背景技術(shù)】
[0002] 钚鈾等長壽命人工a放射性氣溶膠主要通過吸入的途徑對人體產(chǎn)生內(nèi)照射損 傷，一種常用的監(jiān)測手段是使用放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測儀(簡稱連續(xù)監(jiān)測儀）在現(xiàn)場進(jìn)行連 續(xù)監(jiān)測。其基本原理是：采集氣溶膠樣品后不經(jīng)處理，直接進(jìn)行測量。測量完成后根據(jù)人 工放射性氣溶膠產(chǎn)生的凈計(jì)數(shù)率、采集的空氣體積、探測效率計(jì)算其濃度。整個(gè)過程全部 自動(dòng)完成，并傳輸監(jiān)測結(jié)果。與采樣實(shí)驗(yàn)室分析相比，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是監(jiān)測周期短，可以及 時(shí)提供現(xiàn)場人工放射性氣溶膠濃度數(shù)據(jù)，以便于在發(fā)生泄漏事故的情況下迅速采取應(yīng)急措 施。缺點(diǎn)是測量過程中的氡子體干擾嚴(yán)重，導(dǎo)致對人工放射性氣溶膠的監(jiān)測靈敏度差，即監(jiān) 測判斷限(簡稱判斷限）較高。
[0003] 連續(xù)監(jiān)測儀和實(shí)驗(yàn)室a譜儀的測量原理相同，均使用硅半導(dǎo)體探測器測量a粒 子，并進(jìn)行能譜分析，但是測量條件截然不同。實(shí)驗(yàn)室a譜儀在高真空環(huán)境中對專門制作 的電鍍面源進(jìn)行測量，出射的a粒子不受衰減，測量能譜的能量分辨率高，不產(chǎn)生能譜拖 尾。而連續(xù)監(jiān)測儀采用全自動(dòng)采樣測量的運(yùn)行模式，測量條件較為惡劣。出射的a粒子在 到達(dá)探測器的過程中，受到采樣濾紙、空氣層、探測器保護(hù)層等介質(zhì)的衰減而損失能量。測 量能譜的能量分辨率差，拖尾嚴(yán)重。普通商用連續(xù)監(jiān)測儀在沒有钚鈾等人工放射性氣溶膠 污染的環(huán)境中所測量的本底能譜見圖1。如圖1所示，氡子體218Po和214Po發(fā)射的a粒子 能量較高，除了在其峰計(jì)數(shù)能區(qū)產(chǎn)生峰計(jì)數(shù)外，還在能量較低的人工核素能區(qū)產(chǎn)生大量的 拖尾計(jì)數(shù)。如果钚鈾等人工放射性核素產(chǎn)生的計(jì)數(shù)較少，就會(huì)淹沒在氡子體拖尾計(jì)數(shù)中而 無法分辨。
[0004] 降低連續(xù)監(jiān)測儀判斷限的基本方法是減少氡子體產(chǎn)生的拖尾計(jì)數(shù)。根據(jù)國內(nèi)外 公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)和產(chǎn)品說明書，到目前為止，已經(jīng)廣泛采用的技術(shù)包括以下幾個(gè)方面： (1)使用微孔濾膜濾紙 常用的氣溶膠采樣濾紙分為三類：纖維型、多孔型和微孔濾膜型濾紙。前兩種類型的濾 紙對氣溶膠的吸附機(jī)制是相同的：當(dāng)氣溶膠粒子隨氣流運(yùn)動(dòng)穿過濾紙時(shí)，氣溶膠粒子與濾 紙的纖維發(fā)生碰撞并被吸附在纖維上。氣溶膠粒子出射的a粒子在到達(dá)探測器的過程中， 會(huì)與濾紙的纖維發(fā)生碰撞損失能量，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的能譜拖尾。微孔濾膜濾紙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 和吸附機(jī)制與上述兩種濾紙完全不同，其結(jié)構(gòu)與篩子類似，濾紙表面分布大量直徑相同的 圓柱狀空隙，當(dāng)氣溶膠粒子隨氣流運(yùn)動(dòng)穿過濾紙時(shí)，粒徑比濾紙空隙直徑大的氣溶膠粒子 被截留在濾紙表面，而不是沉積在內(nèi)部。因此微孔濾膜濾紙不會(huì)阻擋出射的a粒子，不會(huì) 造成能量損失。
[0005] CANBERRA公司的連續(xù)監(jiān)測儀均使用氟材質(zhì)的微孔濾膜濾紙，除了因?yàn)槠洳粫?huì)對出 射的a粒子造成能量損失外，還因?yàn)樵擃愋蜑V紙具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、疏水性、抗拉強(qiáng) 度。在該公司的產(chǎn)品說明書中，對濾紙性能進(jìn)行了較為詳細(xì)的說明。目前市面上的連續(xù)監(jiān) 測儀一般均使用微孔濾膜濾紙。
[0006] (2)氡子體分離采樣技術(shù) 氡子體分離采樣技術(shù)即是在采樣過程中分離掉大部分的氡子體，主要采集關(guān)注的钚鈾 等人工放射性氣溶膠。目前可采用的技術(shù)有兩種：氡子體粒度分離采樣和氡屏。
[0007] 氡子體粒度分離采樣的原理是：各種環(huán)境下氡子體的活度中位空氣動(dòng)力學(xué)直徑 (AMD)均沒有超過Iiim;另一方面，大多數(shù)情況下人工a放射性氣溶膠是大粒徑的，AMD 小于Ium的較為少見。根據(jù)氡子體和钚鈾等人工a放射性氣溶膠粒徑的差異，采用慣性 分離的方式分離掉大部分的氡子體，僅采集钚鈾等氣溶膠進(jìn)行測量。中國輻射防護(hù)研究院 的CAM-I和CAM-II型連續(xù)監(jiān)測儀就采用了該技術(shù)。
[0008] 氡屏技術(shù)是CANBERRA公司發(fā)明的，并申報(bào)了專利?；驹硎遣捎眉恿穗妷旱臇?網(wǎng)吸附氡子體。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，這兩種技術(shù)對氡子體的分離效率都可以達(dá)到90%左右；但 是由此帶來的負(fù)面效果是：有可能漏采钚鈾等人工放射性氣溶膠。
[0009] (3)自動(dòng)更換濾紙 大部分商用連續(xù)監(jiān)測儀為簡化設(shè)計(jì)和節(jié)約成本，采用無法自動(dòng)更換的固定濾紙。這種 儀器在監(jiān)測過程中，必須使用同一片濾紙進(jìn)行多次采樣和測量。單片濾紙的使用時(shí)間長達(dá) 數(shù)小時(shí)，甚至數(shù)十小時(shí)。在這個(gè)過程中，濾紙上累積的氡子體越來越多，對測量的干擾也越 來越嚴(yán)重。CANBERRA公司、Thermos公司的產(chǎn)品大多采用這種設(shè)計(jì)。
[0010] 部分連續(xù)監(jiān)測儀則安裝了可自動(dòng)更換的濾紙卷。運(yùn)行過程中首先在濾紙卷的一片 區(qū)域進(jìn)行采樣和測量，然后轉(zhuǎn)動(dòng)濾紙卷，在新的區(qū)域進(jìn)行下一次采樣和測量。這種運(yùn)行模式 可以避免氡子體的累積效應(yīng)，顯著降低判斷限。但是設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，特別是氣路密封性難以 保證，儀器價(jià)格和重量也顯著增加。Thermos公司的FHT59Si、Berthold公司的BAI9128、國 內(nèi)中國輻射防護(hù)研究院的CAM-I和CAM-II均安裝了可自動(dòng)更換的濾紙卷。部分連續(xù)監(jiān)測 儀雖然安裝了可自動(dòng)更換濾紙卷，但是采樣過程中無法做到氣路密封，大部分氣溶膠粒子 無法收集到濾紙上，這類儀器不能稱為合格的產(chǎn)品。如CANBERRA公司使用濾紙卷采樣頭的 iCAM，中國輻射防護(hù)研究院的CAM-4。
[0011]目前世界上有多款商用化連續(xù)監(jiān)測儀可供選用，這些儀器或多或少地應(yīng)用了上述 降低氡子體干擾的技術(shù)。在全球多個(gè)連續(xù)監(jiān)測儀生產(chǎn)商中，技術(shù)最為成熟，產(chǎn)品使用最廣的 三家公司是美國CANBERRA公司、美國Thermos公司和德國Berthold公司。國內(nèi)，中國福射 防護(hù)研究院、防化研究院、北京核儀器廠等單位做過放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測方面的一些研 究，并研制了幾款儀器。這些儀器在判斷限技術(shù)指標(biāo)上不比國外產(chǎn)品遜色，主要差距是產(chǎn)品 可靠性差、集成度低。
[0012] 不同類型連續(xù)監(jiān)測儀的測量能譜差別很大，其中較好的測量能譜與圖1類似，仍 存在較嚴(yán)重的氡子體能譜拖尾。因?yàn)檫@些儀器雖然避免了濾紙對出射a粒子的衰減，但是 探測器與濾紙之間的空氣層、探測器表面的保護(hù)層對a粒子仍存在嚴(yán)重衰減。
[0013] 與鈾相比，钚的危害大得多，攝入量限值也少得多，是重點(diǎn)關(guān)注核素。根據(jù)我國目 前采用的國家標(biāo)準(zhǔn)《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本安全標(biāo)準(zhǔn)》GB18871-2002,環(huán)境中239Pu 的活度濃度限值為〇.2Bq/m3。各種商用連續(xù)監(jiān)測儀僅適用于天然氡濃度環(huán)境（氡濃度小于 lOOBq/m3)，在這種環(huán)境中，在一小時(shí)的監(jiān)測周期情況下，這些儀器對239Pu的監(jiān)測判斷限一 般低于或接近國標(biāo)限值。但是在氡濃度很高的環(huán)境中（氡濃度在數(shù)百Bq/m3以上)，如山體 坑道、地下倉庫等場所，氡子體對測量的干擾很嚴(yán)重，這些商品化儀器對239Pu的監(jiān)測判斷限 很高，遠(yuǎn)超過其濃度限值。根據(jù)我國國標(biāo)，擬研制的高靈敏度連續(xù)監(jiān)測儀的判斷限設(shè)計(jì)技術(shù) 指標(biāo)為：在氡濃度為lOOOOBq/m3,監(jiān)測周期為一小時(shí)的情況下，對钚氣溶膠的監(jiān)測判斷限不 高于0. lBq/m3 ;氡濃度為lOOBq/m3,相同的監(jiān)測周期情況下，對钚氣溶膠的監(jiān)測判斷限不高 于 0? 01Bq/m3。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的目的在于：在目前連續(xù)監(jiān)測儀已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研制靈敏度更 高的連續(xù)監(jiān)測儀，這種新儀器采用新技術(shù)進(jìn)一步減少測量能譜的氡子體拖尾，提高監(jiān)測靈 敏度，使其能夠在高氡環(huán)境下監(jiān)測微量钚鈾氣溶膠。
[0015] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：一種高靈敏度放射性氣溶膠連 續(xù)監(jiān)測儀（HS-CAM)，所述整個(gè)連續(xù)監(jiān)測儀系統(tǒng)分為采樣模塊和測量模塊兩部分，其中采樣 和測量模塊的上半部分安裝在上部支撐模塊內(nèi)，采樣模塊活動(dòng)單元和抽真空測量模塊活動(dòng) 單元可以上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，安裝在下部支撐模塊內(nèi)；被動(dòng)走紙輪和主動(dòng)走紙輪分別位于上部 和下部支撐模塊的左右兩側(cè)；上述四部分均使用長螺釘固定在襯底板上；濾紙卷纏繞在被 動(dòng)走紙輪和主動(dòng)走紙輪上，穿過上部支撐模塊和下部支撐模塊之間的空隙；氣溶膠粒子通 過氣流入口進(jìn)入儀器，光電開關(guān)中間安裝帶缺口的圓片，采集到氣溶膠的濾紙從采樣模塊 移動(dòng)到測量模塊的過程中，帶缺口的圓片旋轉(zhuǎn)一周，光電開關(guān)再次給出信號；钚標(biāo)準(zhǔn)源托盤 用于刻度a譜儀，從下部支撐模塊中間的缺口插入U(xiǎn)-019-300-100粒子注入型硅探測器的 下部；支撐板連接采樣模塊活動(dòng)單元和抽真空測量模塊活動(dòng)單元的下部，偏心輪位于支撐 板的上方，連接抬壓紙驅(qū)動(dòng)電機(jī)抬紙到位行程開關(guān)位于偏心輪的左側(cè)，壓紙到位行程開關(guān) 位于偏心輪的右側(cè)；抬壓紙驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)偏心輪一同轉(zhuǎn)動(dòng)，緊貼偏心輪的支撐板連 同與其連接的采樣模塊活動(dòng)單元和抽真空測量模塊活動(dòng)單元隨之上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，支撐板運(yùn) 動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，抬紙到位行程開關(guān)給出信號；支撐板運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，壓紙到位行程開關(guān)給 出信號，走紙驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接主動(dòng)走紙輪，帶動(dòng)濾紙帶轉(zhuǎn)動(dòng)；粒度分離采樣器安裝在上部支撐 模塊的左側(cè)；U-019-300-100粒子注入型硅探測器和真空轉(zhuǎn)接頭安裝在上部支撐模塊的 右側(cè)真空室內(nèi)；采樣模塊活動(dòng)單元和抽真空測量模塊活動(dòng)單元的上方安裝環(huán)形硅膠密封墊 片用于保持密封；采樣模塊活動(dòng)單元和抽真空測量模塊活動(dòng)單元的外側(cè)均套有彈簧。
[0016] 通過抬壓紙運(yùn)動(dòng)同時(shí)形成密封的采樣模塊和真空測量模塊，可以在基本不增加機(jī) 械模塊整體重量的前提下實(shí)現(xiàn)抽真空測量。在連續(xù)監(jiān)測儀中使用a譜儀專用的Ultra系 列探測器。其能量分辨率和氡子體能譜拖尾顯著優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的用于連續(xù)監(jiān)測儀的CAM系列探 測器，為了使探測器避光和不受水蒸氣和灰塵的污染，采用采樣和測量模塊分離的設(shè)計(jì)。
[0017] 本發(fā)明的有益效果：高靈敏度放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測儀（HS-CAM)測量的氡子體 本底能譜如圖3所示，從圖中可以看出，該能譜基本沒有拖尾，與圖1普通連續(xù)監(jiān)測儀拖尾 嚴(yán)重的能譜截然不同，十分接近實(shí)驗(yàn)室a譜儀的測量能譜。相當(dāng)于使用氡子體粒度分離采 樣器采集氣溶膠，然后在實(shí)驗(yàn)室a譜儀真空室中進(jìn)行測量所達(dá)到的效果。與普通商用連續(xù) 監(jiān)測儀相比，判斷限指標(biāo)提高了約兩個(gè)數(shù)量級。二者之間的判斷限指標(biāo)對比如表1所示。
[0018] 表I HS-CAM與普通商用連續(xù)監(jiān)測儀的判斷限指標(biāo)對比，單位：Bq/m3

【權(quán)利要求】
1. 一種靈敏度放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測儀，所述整個(gè)連續(xù)監(jiān)測儀系統(tǒng)分為采樣模塊和 測量模塊兩部分，其特征在于：其中采樣和測量模塊的上半部分安裝在上部支撐模塊內(nèi)，采 樣模塊活動(dòng)單元和抽真空測量模塊活動(dòng)單元可以上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，安裝在下部支撐模塊內(nèi)； 被動(dòng)走紙輪和主動(dòng)走紙輪分別位于上部和下部支撐模塊的左右兩側(cè)；上述四部分均使用長 螺釘固定在襯底板上；濾紙卷纏繞在被動(dòng)走紙輪和主動(dòng)走紙輪上，穿過上部支撐模塊和下 部支撐模塊之間的空隙；氣溶膠粒子通過氣流入口進(jìn)入儀器，光電開關(guān)中間安裝帶缺口的 圓片，采集到氣溶膠的濾紙從采樣模塊移動(dòng)到測量模塊的過程中，帶缺口的圓片旋轉(zhuǎn)一周， 光電開關(guān)再次給出信號；钚標(biāo)準(zhǔn)源托盤用于刻度a譜儀，從下部支撐模塊中間的缺口插入 U-019-300-100粒子注入型硅探測器的下部；支撐板連接采樣模塊活動(dòng)單元和抽真空測量 模塊活動(dòng)單元的下部，偏心輪位于支撐板的上方，連接抬壓紙驅(qū)動(dòng)電機(jī)抬紙到位行程開關(guān) 位于偏心輪的左側(cè)，壓紙到位行程開關(guān)位于偏心輪的右側(cè)；抬壓紙驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)偏 心輪一同轉(zhuǎn)動(dòng)，緊貼偏心輪的支撐板連同與其連接的采樣模塊活動(dòng)單元和抽真空測量模塊 活動(dòng)單元隨之上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，支撐板運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，抬紙到位行程開關(guān)給出信號；支撐板 運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，壓紙到位行程開關(guān)給出信號，走紙驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接主動(dòng)走紙輪，帶動(dòng)濾紙帶 轉(zhuǎn)動(dòng)；粒度分離采樣器安裝在上部支撐模塊的左側(cè)；U-019-300-100粒子注入型硅探測器 和真空轉(zhuǎn)接頭安裝在上部支撐模塊的右側(cè)真空室內(nèi)；采樣模塊活動(dòng)單元和抽真空測量模塊 活動(dòng)單元的上方安裝環(huán)形硅膠密封墊片用于保持密封；采樣模塊活動(dòng)單元和抽真空測量模 塊活動(dòng)單元的外側(cè)均套有彈簧。
【文檔編號】G01T1/167GK104360371SQ201410636311
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月12日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請人:中國人民解放軍63653部隊(duì)