核设施退役气溶胶采样系统原理及设计❋

周茹茹，赵立宏

（南华大学，湖南 衡阳 421001）

0 引言

核设施退役是核设施生命周期的终端，是核设施全寿期管理中的一个重要环节，也是环境保护的一项重要活动。核设施退役的基本要求是放射性物项获得安全处理与处置，使场址成为绿地无限制开放或用于其他用途。退役过程中会包含大量的放射性污染，如气溶胶、土壤污染等，会对人们的生产作业造成很大的影响，故此需要建立正确的监测预警系统，及时作出应急措施。

1 监测系统原理及其组成

1.1 监测系统的组成

监测主要是利用各种监测仪记录粒子的数目，测定放射性活度。在监测过程中，最基本的测量原理是利用带电粒子在物质中产生的电离和激发效应或快速轻带电粒子穿过物质的电磁辐射效应。由于γ射线不能被探测器直接探测到，故探测时利用它在物质中的光电效应、康普顿散射和电子对效应。放射性污染（气溶胶）目前阶段的测量方法主要有收集和分析、实时在线测量法，如图1所示。选择气溶胶测量仪器时，考虑的首要因素之一是气溶胶的粒度范围。在粒度图谱中的微小粒子端，气溶胶粒子可能在（光）化学反应、凝结核和凝结生长以及凝结或凝聚中形成。

监测系统一般由采样装置、探测器、抽气泵、接口、PC机等部分构成［1］，如图2所示。当进入工作状态时，气溶胶采样的上下两支吸入管自动闭合，将滤纸夹紧，抽气泵开始抽气，放射性气溶胶粒子以一定的流量被吸入装置中，待一段时间后，抽气泵停止工作。滤纸的传送机构将采集了气溶胶粒子的滤纸样品准确送到探测部位，通过PC机即可知道其中所含的放射性物质以及其质量浓度。

图1 气溶胶实时在线测量装置示意图

在气溶胶测定中，特征放射性测量具有现实意义。放射性核的数目随时间按指数规律减少，在给定时间内，一定量的放射性核素在一个很短的时间内发生核衰变数除以时间间隔的商称为放射性活度，用A来表示：

其中：A0为样品在0时刻的活性；λ为衰变常数；N为放射性原子核数；N0为0时刻放射性原子核数；t为测量时间。

而气溶胶的粒子质量浓度Cm（g/cm3）取决于放射性物质的数量浓度Ca（Bq/m3），并与物质的特征放射性A（Bq/g）有关，其关系为：Cm＝Ca/A。

每平方米空气中放射性粒子的数量浓度Cn（粒子数/m3）取决于已知的放射性物质的数量浓度Ca，并与特征放射性A、粒子浓度ρ（g/m3）以及气溶胶的体积存在关系。假设粒子是单分散性的，形状为球形（体积为πd3p/6，dp为气溶胶粒子的当量直径），则关系式为：

1.2 气溶胶采样系统的组成

在气溶胶采样过程中，首先要考虑采样器的选择，目前常用的采样口有两种，blunt采样口和薄壁采样口。本系统采用薄壁采样口，这是一种理想采样口，不会影响外界气流，在管口也不会有粒子反弹。采样探头、滤膜托、压力机、流量测量装置、流量调整器和抽气泵是采样系统必备的部件［2］。在一般情况下，携带气溶胶的气体通过探测头进入滤膜托，进入控制装置，采样时，采样探头的方向应与气流方向相反。采样过后就是样品的输送系统，由管道（铅管）、弯管和流量压缩元件组成。输送系统设计的原则是使粒子的损失最小化，故此要缩短传输距离和传输时间。在整个采样系统中，重要的是切割器的设计，考虑到PM10和PM2.5的特点，本设计了采样PM2.5切割器。

图2 放射性气溶胶连续监测系统原理图

在设计切割器时［3］，要遵循两个设计指导方针（这两个指导方针涉及到两个无量纲参数）：由喷嘴直径限定的喷射流S与喷嘴到板的距离W之比（S/W）和雷诺数（Rej）。根据测得的实验数据经过软件拟合后绘制出收集效率曲线，发现S/W和Rej会影响冲击式采样器的采样效率。

理想气溶胶采样仪器定义为：能计数每一个粒子并迅速测量其粒径、化学成分及形态的仪器。在设计过程中要考虑流体力学的因素，效率高的进口能最大可能地减少泵损耗而使粒子传输速率更快。在传输过程中，不可避免地会有粒子沉积，最终得到的沉积效率为：

其中：M为采样口管道处的斯托克数；Di为采样口管道的内径；Dn为喷嘴直径。

2 采样仪器的技术特性

采样仪器的技术特性如下：

流量范围（m3/min）： 0.8～1.2；

流量示值误差（%）： ±2.5；

稳流响应时间（s）： ＜5；

计时精度（%）： ±0.1；

累计采样流量误差（%）： ±5；

温度测量范围（℃）： －30～50；

温度示值误差（℃）： ±1。

3 监测系统效率分析及数据处理

气溶胶在采样和测量过程中往往会出现一些偏差，在光学粒度分级仪器中，检测的基础是一个粒子，但在监测的过程中往往会存在重合效应，在输送过程中也会有损失，考虑了重合效应后，输送管路输送效率为：

通过实验拟合得出PM2.5切割器的采样效率η3与气溶胶粒子的当量直径dp（μm）的关系，如图3所示，约为：

图3 PM2.5切割器采样效率与当量直径的关系

在测量过程中，仪器主要的输出结果与活性表面积浓度的空气动力学粒度分布有关。浓度的测量值受仪器精密度、采样器的收集特征、流量以及电流测量值的影响，为了计算采样器的带电效率，实验发现不同的粒径分布有如下规律，其分布函数为：

采集了的气溶胶，最终是要测量其所含放射性物质的多少，气溶胶样品中的放射性核素的活度须大于仪器的最小探测活度，方能被识别出来［4］。我国采用探测下线或定量探测下线，其计算式为：

其中：AD为气溶胶样品中待测核素的活度；K为α射线和β射线探头的判断概率对应值；Nb为本底计数；η，εP（Eγ）分别为待测γ射线的发射概率和全能峰探测效率；G为取样体积。

在放射性物质监测中，本设计用的是半导体闪烁探测器探测γ射线，探测时把入射粒子的能量转变为电荷数，形成脉冲电流［5］。闪烁探测器探测γ的效率称为本征效率，表示为：

其中：μ为闪烁体材料对被测射线的线性吸收系数；δ为闪烁体在入射方向上的厚度。

自然界普遍存在一定的辐射，这些辐射来自外界空间的宇宙射线以及本身地理天然放射性核素，会干扰实验的准确性，我们称这些干扰核素测得的值为本底。考虑本底后，该监测系统的活度定量探测下限为：

其中：ε为特征峰的探测效率。

在监测系统中，最终要确定的是放射性气溶胶的浓度，也就是表面污染，根据仪器的特点，得出α射线和β射线表面污染值计算公式为：

4 结束语

在核设施退役过程中，放射性气溶胶会对人们的生活和工作产生有害的影响，如何监测和预警至关重要。该项研究工作围绕气溶胶及土壤采样监测系统关键设备展开研究，通过对气溶胶现有采样技术的研究和分析，旨在解决现有条件下的不足之处。随着电子测试技术的发展，监测技术取得了很大的进步和发展，有利的保证了研究目标的实现。

［1］李建龙，谭玲龙，王彦，等.新型放射性气溶胶连续监测仪的实验研究［J］，核电子学与探测技术，2009（7）：921-924.

［2］李爱武，毛永，傅翠明，等.QLM＿01型放射性气溶胶连续监测仪的研制［J］.核电子学与探测技术，1998（5）：216-220.

［3］保罗A巴伦，克劳斯·维勒克.气溶胶测量原理、技术及应用［M］.白志鹏，张灿，译.北京：化学工业出版社，2007.

［4］周程.大气中放射性气溶胶的监测和评价［J］.核技术，2011（11）：866-871.

［5］张志龙，傅翠明，李静，等.PING＿50型放射性气溶胶＿碘和惰性气体监测系统的研制［J］.核电子学与探测技术，2006（7）：390-396.