γ背景辐射下材料表面氚直接测量技术的理论研究

发布时间：2020-06-04 14:41

【摘要】：氚是聚变堆的主要燃料,例如聚变功率为500 MW的ITER装置每年需要消耗的氚量为千克量级;氘氚反应后未燃烧的氚中一部分将进入聚变装置的面向等离子体材料(第一壁和偏滤器)和结构材料中,成为材料中的氚。在装置维护过程中,材料表面的氚易通过皮肤接触的方式进入人体组织器官。由于氚是一种β放射性核素,进入人体组织的氚会产生内照射危害:在涉氚操作场所中,接触被氚污染的表面是氚工作人员辐射剂量的重要来源。因此,从辐射防护角度出发,为确保人员安全和环境安全,需要对材料表面氚污染水平进行监测。此外,聚变堆环境下,除氚外还有中子活化材料产生的Y辐射。因此,类似场景中的氚测量需要在Y背景辐射下进行,相应的氚测量技术应具备消除γ射线影响的能力。本文针对当前主要氚测量技术无法实现γ背景下氚污染水平直接、准确测量的问题,采用一种多丝电离室作氚β射线探测器原型,通过理论研究的方法来确定电离室的结构。采用基于有限元法的ANSYS软件模拟计算多丝电离室在不同几何结构和极间偏压下灵敏体积内电场分布,系统研究了丝半径R、丝间距D、极间距离H和极间偏压U变化对电离室电场的影响。结果表明,多丝电离室内的电场分布类似于平板型电离室,减小丝半径R、丝间距D、极间偏压U和增大极间距离H可以有效的减小电离室中电场强度的变化幅度,从而获得稳定的电场。采用MCNP5程序计算了氚β射线和γ射线在不同几何结构电离室中的能量沉积,研究电离室灵敏区高度对β/γ射线能量沉积的影响。结果表明,β/,γ々射线的能量沉积随电离室灵敏区高度的增大而指数增大。当电离室灵敏区高度小于0.5cm时,灵敏区高度改变会引起氚β能量沉积的显著变化。采用MCNP5程序模拟计算不同工况下β/Y射线在电离室中的能量沉积,研究电离室壁材料、空气湿度、空气压强对β/γ射线能量沉积的影响。结果表明,电离室壁材料的改变对氚β射线的能量沉积几乎没有影响,而对Y射线在电离室中的能量沉积有较大影响,例如MeV能量γ射线在铝合金电离室和不锈钢电离室中的能量沉积相对比例为～85%,选取低原子序数材料作电离室壁可以有效减小Y射线的能量沉积。空气湿度对β/γ射线能量沉积影响的计算结果表明,空气湿度的改变会对氚β射线的能量沉积产生很大影响,空气湿度在40%时,β射线具有最小的能量沉积,适宜氚测量的空气湿度是在20%以下;而空气湿度的改变对γ射线的能量沉积没有影响。气体压强对β/γ射线能量沉积影响的计算结果表明,氚β射线的能量沉积在1 atm时达到饱和,继续增大压强不会显著改变其在电离室中的能量沉积;γ射线的能量沉积随气体压强的增大而线性增大。基于以干燥空气为探测介质,P/γ射线在100 cm2不锈钢电离室中的能量沉积数据评估γ射线对电离室中氚电离电流的影响。结果表明,MeV量级的γ射线在测量面积为100 cm2电离室中的能量沉积仅为几十电子伏的量级,与氚β射线在该电离室中能量沉积5.05 keV相比很小;1 Bq/cm2氚和几百Bq/cm2的γ放射性核素在一个100 cm2不锈钢电离室中产生的电流信号相当。本文基于多丝电离室电场构型以及β/γ射线在电离室中能量沉积的理论研究,验证了多丝电离室用于γ背景下材料表面氚污染测量的可行性,建立了用于材料表面氚污染测量的多丝电离室结构原型;电离室探测面积100cm2,阴极是丝间距D为1.0mm,丝半径R为10 μm镀金钨丝构成的丝阵列,阳极为铝合金平板,极间距离H为4.0 mm,以空气作为探测介质;论文工作为γ背景下材料表面氚测量电离室的设计提供了理论基础和依据。
【图文】：

结构示意图,监测仪

电离室是被广泛使用的氚测量装置之一，工作在离子收集电压电流曲线的饱和区；逡逑在l#工艺监测、环境监测和防护监测领域均有应用。典型的材料表面氚污染水平监测仪逡逑（ＳＡＭ）的结构如图１．１所示［５］邋，邋ＳＡＭ监测仪利用可更换的塑料胶黏剂连接监测仪和逡逑被测材料表面形成封闭的电离室灵敏区，材料表面（近表层）氚衰变发射的（３射线射入逡逑监测仪灵敏区诱发气体介质电离，产生电子离子对；在外加电场作用下，灵敏区内的电逡逑子、离子分别向两极漂移形成电流信号。忽略离子对漂移过程中的扩散、复合损失，输逡逑出电流信号的大小和材料表面氚浓度成正比。加拿大Ｔｙｎｅ公司基于ＳＡＭ工作原理设计逡逑研发的l#表面污染监测仪Ｍｏｄｅｌ邋７００１，测量面积１００邋ｃｍ２，测量范围３．邋７－２２２０邋Ｂｑ／ｃｍ２，逡逑灵敏度±２．邋８邋Ｂｑ／ｃｍ２［ｌ９］。美国ＴＡ公司研制的ＴＲＩ－ＰＥＲ用于检测贮氚容器材料的氚渗逡逑漏，测量范围（（３７ｋＢｑ／ｍ３＿３．７Ｘ１０８Ｂｑ／ｍ３），测量过程如图１．２所示，由于探测过程逡逑中使用橡胶密封圈粘结探测器和被测表面，避免了仪器使用过程中由被测表面平整度和逡逑曲面弧度对探测器应用的限制［２（）］。托克马克聚变试验堆（ＴＦＴＲ）在１９９３至１９９７年运逡逑行期间，大约？５３０００Ｃｉ的氚注入ＴＦＴＲ真空瓶中，等离子体反应结束后经过三个月的除逡逑氚操作后仍有？７５００Ｃｉ的l#滞留在装置中。Ｇｅｎｔｉｌｅ邋Ｃ邋Ａ［２１］等采用开壁式电离室对ＴＦＴＲ逡逑限流器石墨砖中滞留的氚含量进行现场、远程测量

示意图,渗漏监测,容器表面,过程

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