一种高灵敏度放射性气溶胶连续监测仪的制作方法
【专利摘要】本发明属于环境辐射监测设备的设计与改进【技术领域】，特别是涉及一种高灵敏度放射性气溶胶连续监测仪，所述整个连续监测仪系统分为采样模块和测量模块两部分，其中采样和测量模块的上半部分安装在上部支撑模块内，采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元可以上下往复运动，安装在下部支撑模块内；U-019-300-100粒子注入型硅探测器和真空转接头安装在上部支撑模块的右侧真空室内；采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元的上方安装环形硅胶密封垫片用于保持密封；采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元的外侧均套有弹簧。本发明主要用于环境监测领域。
【专利说明】一种高灵敏度放射性气溶胶连续监测仪
【技术领域】
[0001] 本发明属于环境辐射监测设备的设计与改进【技术领域】，特别是涉及一种高灵敏度 放射性气溶胶连续监测仪。
【背景技术】
[0002] 钚铀等长寿命人工a放射性气溶胶主要通过吸入的途径对人体产生内照射损 伤，一种常用的监测手段是使用放射性气溶胶连续监测仪(简称连续监测仪）在现场进行连 续监测。其基本原理是：采集气溶胶样品后不经处理，直接进行测量。测量完成后根据人 工放射性气溶胶产生的净计数率、采集的空气体积、探测效率计算其浓度。整个过程全部 自动完成，并传输监测结果。与采样实验室分析相比，该技术的优点是监测周期短，可以及 时提供现场人工放射性气溶胶浓度数据，以便于在发生泄漏事故的情况下迅速采取应急措 施。缺点是测量过程中的氡子体干扰严重，导致对人工放射性气溶胶的监测灵敏度差，即监 测判断限(简称判断限）较高。
[0003] 连续监测仪和实验室a谱仪的测量原理相同，均使用硅半导体探测器测量a粒 子，并进行能谱分析，但是测量条件截然不同。实验室a谱仪在高真空环境中对专门制作 的电镀面源进行测量，出射的a粒子不受衰减，测量能谱的能量分辨率高，不产生能谱拖 尾。而连续监测仪采用全自动采样测量的运行模式，测量条件较为恶劣。出射的a粒子在 到达探测器的过程中，受到采样滤纸、空气层、探测器保护层等介质的衰减而损失能量。测 量能谱的能量分辨率差，拖尾严重。普通商用连续监测仪在没有钚铀等人工放射性气溶胶 污染的环境中所测量的本底能谱见图1。如图1所示，氡子体218Po和214Po发射的a粒子 能量较高，除了在其峰计数能区产生峰计数外，还在能量较低的人工核素能区产生大量的 拖尾计数。如果钚铀等人工放射性核素产生的计数较少，就会淹没在氡子体拖尾计数中而 无法分辨。
[0004] 降低连续监测仪判断限的基本方法是减少氡子体产生的拖尾计数。根据国内外 公开发表的相关文献和产品说明书，到目前为止，已经广泛采用的技术包括以下几个方面： (1)使用微孔滤膜滤纸 常用的气溶胶采样滤纸分为三类：纤维型、多孔型和微孔滤膜型滤纸。前两种类型的滤 纸对气溶胶的吸附机制是相同的：当气溶胶粒子随气流运动穿过滤纸时，气溶胶粒子与滤 纸的纤维发生碰撞并被吸附在纤维上。气溶胶粒子出射的a粒子在到达探测器的过程中， 会与滤纸的纤维发生碰撞损失能量，从而产生严重的能谱拖尾。微孔滤膜滤纸的结构特点 和吸附机制与上述两种滤纸完全不同，其结构与筛子类似，滤纸表面分布大量直径相同的 圆柱状空隙，当气溶胶粒子随气流运动穿过滤纸时，粒径比滤纸空隙直径大的气溶胶粒子 被截留在滤纸表面，而不是沉积在内部。因此微孔滤膜滤纸不会阻挡出射的a粒子，不会 造成能量损失。
[0005] CANBERRA公司的连续监测仪均使用氟材质的微孔滤膜滤纸，除了因为其不会对出 射的a粒子造成能量损失外，还因为该类型滤纸具有较好的化学稳定性、疏水性、抗拉强 度。在该公司的产品说明书中，对滤纸性能进行了较为详细的说明。目前市面上的连续监 测仪一般均使用微孔滤膜滤纸。
[0006] (2)氡子体分离采样技术 氡子体分离采样技术即是在采样过程中分离掉大部分的氡子体，主要采集关注的钚铀 等人工放射性气溶胶。目前可采用的技术有两种：氡子体粒度分离采样和氡屏。
[0007] 氡子体粒度分离采样的原理是：各种环境下氡子体的活度中位空气动力学直径 (AMD)均没有超过Iiim;另一方面，大多数情况下人工a放射性气溶胶是大粒径的，AMD 小于Ium的较为少见。根据氡子体和钚铀等人工a放射性气溶胶粒径的差异，采用惯性 分离的方式分离掉大部分的氡子体，仅采集钚铀等气溶胶进行测量。中国辐射防护研究院 的CAM-I和CAM-II型连续监测仪就采用了该技术。
[0008] 氡屏技术是CANBERRA公司发明的，并申报了专利。基本原理是采用加了电压的栅 网吸附氡子体。据相关文献报道，这两种技术对氡子体的分离效率都可以达到90%左右；但 是由此带来的负面效果是：有可能漏采钚铀等人工放射性气溶胶。
[0009] (3)自动更换滤纸 大部分商用连续监测仪为简化设计和节约成本，采用无法自动更换的固定滤纸。这种 仪器在监测过程中，必须使用同一片滤纸进行多次采样和测量。单片滤纸的使用时间长达 数小时，甚至数十小时。在这个过程中，滤纸上累积的氡子体越来越多，对测量的干扰也越 来越严重。CANBERRA公司、Thermos公司的产品大多采用这种设计。
[0010] 部分连续监测仪则安装了可自动更换的滤纸卷。运行过程中首先在滤纸卷的一片 区域进行采样和测量，然后转动滤纸卷，在新的区域进行下一次采样和测量。这种运行模式 可以避免氡子体的累积效应，显著降低判断限。但是设计较为复杂，特别是气路密封性难以 保证，仪器价格和重量也显著增加。Thermos公司的FHT59Si、Berthold公司的BAI9128、国 内中国辐射防护研究院的CAM-I和CAM-II均安装了可自动更换的滤纸卷。部分连续监测 仪虽然安装了可自动更换滤纸卷，但是采样过程中无法做到气路密封，大部分气溶胶粒子 无法收集到滤纸上，这类仪器不能称为合格的产品。如CANBERRA公司使用滤纸卷采样头的 iCAM，中国辐射防护研究院的CAM-4。
[0011]目前世界上有多款商用化连续监测仪可供选用，这些仪器或多或少地应用了上述 降低氡子体干扰的技术。在全球多个连续监测仪生产商中，技术最为成熟，产品使用最广的 三家公司是美国CANBERRA公司、美国Thermos公司和德国Berthold公司。国内，中国福射 防护研究院、防化研究院、北京核仪器厂等单位做过放射性气溶胶连续监测方面的一些研 究，并研制了几款仪器。这些仪器在判断限技术指标上不比国外产品逊色，主要差距是产品 可靠性差、集成度低。
[0012] 不同类型连续监测仪的测量能谱差别很大，其中较好的测量能谱与图1类似，仍 存在较严重的氡子体能谱拖尾。因为这些仪器虽然避免了滤纸对出射a粒子的衰减，但是 探测器与滤纸之间的空气层、探测器表面的保护层对a粒子仍存在严重衰减。
[0013] 与铀相比，钚的危害大得多，摄入量限值也少得多，是重点关注核素。根据我国目 前采用的国家标准《电离辐射防护与辐射源安全基本安全标准》GB18871-2002,环境中239Pu 的活度浓度限值为〇.2Bq/m3。各种商用连续监测仪仅适用于天然氡浓度环境（氡浓度小于 lOOBq/m3)，在这种环境中，在一小时的监测周期情况下，这些仪器对239Pu的监测判断限一 般低于或接近国标限值。但是在氡浓度很高的环境中（氡浓度在数百Bq/m3以上)，如山体 坑道、地下仓库等场所，氡子体对测量的干扰很严重，这些商品化仪器对239Pu的监测判断限 很高，远超过其浓度限值。根据我国国标，拟研制的高灵敏度连续监测仪的判断限设计技术 指标为：在氡浓度为lOOOOBq/m3,监测周期为一小时的情况下，对钚气溶胶的监测判断限不 高于0. lBq/m3 ;氡浓度为lOOBq/m3,相同的监测周期情况下，对钚气溶胶的监测判断限不高 于 0? 01Bq/m3。
【发明内容】
[0014] 本发明的目的在于：在目前连续监测仪已有技术的基础上，进一步研制灵敏度更 高的连续监测仪，这种新仪器采用新技术进一步减少测量能谱的氡子体拖尾，提高监测灵 敏度，使其能够在高氡环境下监测微量钚铀气溶胶。
[0015] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：一种高灵敏度放射性气溶胶连 续监测仪（HS-CAM)，所述整个连续监测仪系统分为采样模块和测量模块两部分，其中采样 和测量模块的上半部分安装在上部支撑模块内，采样模块活动单元和抽真空测量模块活动 单元可以上下往复运动，安装在下部支撑模块内；被动走纸轮和主动走纸轮分别位于上部 和下部支撑模块的左右两侧；上述四部分均使用长螺钉固定在衬底板上；滤纸卷缠绕在被 动走纸轮和主动走纸轮上，穿过上部支撑模块和下部支撑模块之间的空隙；气溶胶粒子通 过气流入口进入仪器，光电开关中间安装带缺口的圆片，采集到气溶胶的滤纸从采样模块 移动到测量模块的过程中，带缺口的圆片旋转一周，光电开关再次给出信号；钚标准源托盘 用于刻度a谱仪，从下部支撑模块中间的缺口插入U-019-300-100粒子注入型硅探测器的 下部；支撑板连接采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元的下部，偏心轮位于支撑 板的上方，连接抬压纸驱动电机抬纸到位行程开关位于偏心轮的左侧，压纸到位行程开关 位于偏心轮的右侧；抬压纸驱动电机运转时，带动偏心轮一同转动，紧贴偏心轮的支撑板连 同与其连接的采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元随之上下往复运动，支撑板运 动到最低点时，抬纸到位行程开关给出信号；支撑板运动到最高点时，压纸到位行程开关给 出信号，走纸驱动电机连接主动走纸轮，带动滤纸带转动；粒度分离采样器安装在上部支撑 模块的左侧；U-019-300-100粒子注入型硅探测器和真空转接头安装在上部支撑模块的 右侧真空室内；采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元的上方安装环形硅胶密封垫 片用于保持密封；采样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元的外侧均套有弹簧。
[0016] 通过抬压纸运动同时形成密封的采样模块和真空测量模块，可以在基本不增加机 械模块整体重量的前提下实现抽真空测量。在连续监测仪中使用a谱仪专用的Ultra系 列探测器。其能量分辨率和氡子体能谱拖尾显著优于标准的用于连续监测仪的CAM系列探 测器，为了使探测器避光和不受水蒸气和灰尘的污染，采用采样和测量模块分离的设计。
[0017] 本发明的有益效果：高灵敏度放射性气溶胶连续监测仪（HS-CAM)测量的氡子体 本底能谱如图3所示，从图中可以看出，该能谱基本没有拖尾，与图1普通连续监测仪拖尾 严重的能谱截然不同，十分接近实验室a谱仪的测量能谱。相当于使用氡子体粒度分离采 样器采集气溶胶，然后在实验室a谱仪真空室中进行测量所达到的效果。与普通商用连续 监测仪相比，判断限指标提高了约两个数量级。二者之间的判断限指标对比如表1所示。
[0018] 表I HS-CAM与普通商用连续监测仪的判断限指标对比，单位：Bq/m3
【权利要求】
1. 一种灵敏度放射性气溶胶连续监测仪，所述整个连续监测仪系统分为采样模块和 测量模块两部分，其特征在于：其中采样和测量模块的上半部分安装在上部支撑模块内，采 样模块活动单元和抽真空测量模块活动单元可以上下往复运动，安装在下部支撑模块内； 被动走纸轮和主动走纸轮分别位于上部和下部支撑模块的左右两侧；上述四部分均使用长 螺钉固定在衬底板上；滤纸卷缠绕在被动走纸轮和主动走纸轮上，穿过上部支撑模块和下 部支撑模块之间的空隙；气溶胶粒子通过气流入口进入仪器，光电开关中间安装带缺口的 圆片，采集到气溶胶的滤纸从采样模块移动到测量模块的过程中，带缺口的圆片旋转一周， 光电开关再次给出信号；钚标准源托盘用于刻度a谱仪，从下部支撑模块中间的缺口插入 U-019-300-100粒子注入型硅探测器的下部；支撑板连接采样模块活动单元和抽真空测量 模块活动单元的下部，偏心轮位于支撑板的上方，连接抬压纸驱动电机抬纸到位行程开关 位于偏心轮的左侧，压纸到位行程开关位于偏心轮的右侧；抬压纸驱动电机运转时，带动偏 心轮一同转动，紧贴偏心轮的支撑板连同与其连接的采样模块活动单元和抽真空测量模块 活动单元随之上下往复运动，支撑板运动到最低点时，抬纸到位行程开关给出信号；支撑板 运动到最高点时，压纸到位行程开关给出信号，走纸驱动电机连接主动走纸轮，带动滤纸带 转动；粒度分离采样器安装在上部支撑模块的左侧；U-019-300-100粒子注入型硅探测器 和真空转接头安装在上部支撑模块的右侧真空室内；采样模块活动单元和抽真空测量模块 活动单元的上方安装环形硅胶密封垫片用于保持密封；采样模块活动单元和抽真空测量模 块活动单元的外侧均套有弹簧。
【文档编号】G01T1/167GK104360371SQ201410636311
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月12日 优先权日:2014年11月12日
【发明者】不公告发明人 申请人:中国人民解放军63653部队