基本信息
- 项目名称：
- 高灵敏度空气中氚污染测量仪
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 环境放射性污染问题因日本福岛核电站事故的发生而引起世界人们对放射性污染的广泛关注，环境氚监测是其中一个主要的研究方向。本作品开展了高灵敏度空气中氚污染测量仪的研究，主要包括内充气式正比计数器的设计加工、高真空系统的设计、电路的设计、软件研发等内容，涉及核技术、辐射防护、核电子学、计算机软件与理论、机械加工等多个学科。主要针对核设施周边环境进行采样监测，从而保证了涉氚工作人员和居民的安全健康。
- 详细介绍：
- 1、作品背景 日本福岛核电站事故的发生引起了人们对生活中空气、水、食物等受到的放射性污染问题的关注。核设施给周围环境带来的放射性污染是核安全的一个重要方面。在核工业系统中有很多地方涉及到氚的职业照射，其中最典型的是核电站，无论是重水反应堆还是轻水反应堆中都会产生一定数量的氚；在氚贮存、运输等过程中也会造成环境氚污染；核裂变反应堆、放射性同位素生产堆、核潜艇动力堆会以及正在研究的核聚变堆等核设施也向环境中释放氚。氚具有扩散、渗透和吸附能力强等特点，极易经呼吸、饮水和饮食途径进入人体，发生内照射危害。因而对环境空气中氚浓度进行监测，评价环境中氚污染水平，得到氚污染水平，指导涉氚工作人员进行相应的辐射防护，确保涉氚工作人员和核设施附近居民的安全性。 2、氚测量原理 氚（3H Tritium）又称为超重氢，是氢的同位素之一。它是一种广泛存在于自然界的重要天然放射性核素。氚的β衰变如式1所示，β粒子凭借与周围物质中的电子发生碰撞而与该物质相互作用。在每一次碰撞中，β粒子都会失去一些能量，而电子则发生电离作用或跃迁到激发态。 3H 3He + β + energy （式1） 其中，3He是稳定核素，比4He略轻。其最大衰变能为18.6kev，由β粒子和反中微子分享，β粒子的平均能量为5.73keV。因此，在给定物质中，不同能量氚β射线的穿透深度是不同的。β射线的在空气中的最大射程约为5mm；在水或软组织中的最大射程约为0.005mm，而这个射程使得氚对于人体的外照射危害几乎为零，国际放射防护委员会（ICRP）只把它定为低毒类放射性核素。但氚扩散、渗透和吸附能力强，极易经呼吸、饮水和饮食途径进入人体，发生内照射危害；进入人体的氚在细胞内产生电离，引起细胞单链断裂，导致基因突变。 3、主要研究内容 （1）自主设计并研制内充气式正比计数器，并设计加工了一套真空系统。在设计加工、器件选型时严格把关真空系统的气密性，使正比计数管在抽真空工作之后能够保持当前的真空度，并可利用真空抽气装置，在高温下对正比计数器进行清洗，减少正比技术关对氚的记忆效应。 （2）对国内外放射性测量方法进行了大量的调研，从理论方法到技术创新融入设计开发者全新的思路，开展高真空度下氚浓度测量。选择内充气式正比计数器作为氚测量的探测器，将其设计加工成密封的测量室，对测量室抽真空后，按一定比例充入氚样品气体和P10气体（90%氩气+10%甲烷），外加高压进行测量，从而降低了环境本底的干扰，提高了氚污染样品气体的测量精度。 （3）基于PDA&MCU构架研制成功一套高灵敏度空气中氚污染测量仪，以具有SOC特性的单片机C8051F060为主MCU，将正比计数器得到的脉冲信号经过电荷灵敏前置放大器、S-K滤波整形后得到准高斯波形传给信号处理电路，对该信号进行二次滤波、上下阈值甄别、过峰检测、峰值保持等处理，并对处于上下阈值之间的信号进行AD转换。将β能谱数据以数据包的形式通过蓝牙通讯传给PDA上开发的谱数据处理与显示软件。 （4）通过对谱分析方法的深入研究，在Visual Studio 2008集成开发环境下使用C++语言软件开发了一套基于Windows Mobile 6.5操作系统PDA的集传输、处理、实时显示、存储为一体的测量软件，实现数据的显示和谱线的显示与处理。谱线显示与处理主要包括对原始谱数据的平滑滤波处理及谱线显示，能量刻度，峰漂的校正，自动寻峰，峰面积计算、核素识别等功能。该软件使用界面友好，功能较齐全，可操作性强。 4、应用前景和研究意义 我国在大力发展核工业的同时，也非常重视核设施的安全以及核设施对环境放射性污染，对环境中辐射剂量进行监测，评价核设施对环境辐射剂量水平的影响是个长期而艰巨的任务。项目研制的高灵敏空气中氚浓度测量仪广泛应用于涉核单位的环境氚监测、核电站中重水反应堆、轻水反应堆工作现场环境的氚污染监测、产氚单位环境氚监测等，同时也适用于各级环保部门对当地环境辐射剂量水平的长期取样监测。项目自主研发的高灵敏度空气中氚浓度测量仪，集合了项目组成员的创新成果，具有精度高，稳定性高，探测效率高、本底低等特点，从核辐射探测器的设计加工、后续电路的调试、测试软件的开发到整体仪器的性能测试，完全实现了自主化，且仪器的性能指标良好，适合在我国广大核工业单位及环保局推广使用，具有广阔的市场前景。同时也促进了我国氚测量技术水平的提高，对发展我国自主化高精度核仪器具有重要指导性意义。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、作品设计的目的和基本思想 由于氚的放射性危害和它在环境中的特性，氚泄漏到周围环境中，会造成空气中氚浓度的升高，进而对工作人员造成一定程度的内照射伤害。为了确保涉氚工作人员和核设施附近居民的安全性，需要针对核设施等周围环境进行气体样品采集，监测空气中氚的污染水平。如何有效地对采集的氚污染样品气体进行高灵敏度低本底测量，成为目前一个亟待解决的问题。 2、本作品的特色和创新之处在于 ★自主研制正比计数器，将正比计数器内部工加成密封的测量室，并设计加工配套的抽真空装置，提高氚测量的灵敏度，降低环境本底，同时还可以对探测器进行清洗，具有一定的创新性。 ★采用分离式结构，以C8051F为主控制器研制测量装置，并通过蓝牙方式传输数据；PDA接收数据、处理、显示测量结果。 ★开发一套集数据的接收、处理、显示、存储为一体的PDA控制软件。 3、作品的主要技术指标 （1）研制一套高灵敏度空气中氚污染测量仪，能够满足对气体样品的准确测量，探测下限：1Bq/L,最高测量浓度为：4×104Bq/L； （2）研制可抽真空的正比计数器，探测本底≤6cpm； （3）开发一套实时、高效的集传输、处理、显示、存储为一体的PDA控制软件。
科学性、先进性
- 本作品针对我国氚浓度测量仪测量精度低、探测效率低、干扰较大等问题，从氚衰变放射出低能β难以测量为切入点，在放射性核素测量方法上进行调研并创新，开展了高真空度下氚污染测量。自主研制了正比计数器，将其内部加工成密封的测量室，在测量前用真空泵将测量室抽成真空，再向测量室中按一定比例充入环境中采集的样品气体和P10气体，外加高压进行测量，这样能提高对氚的探测灵敏度，降低环境本底干扰，其探测下限能达到1Bq/L。 其突出的实质性技术特点和显著进步是：（1）从放射性核素测量方法上调研并创新，开展高真空度下氚污染测量。提高我国氚浓度测量的探测精度；（2）自主研制正比计数器，实现整套高灵敏度空气中氚污染测量仪的自主化。（3）采用分离式结构，通过蓝牙通讯将测量的数据传到PDA上进行显示与进一步谱线处理。
获奖情况及鉴定结果
- 《高灵敏度空气中氚污染测量仪》获****大学2010-2011年度大学生课外科技作品竞赛一等奖。
作品所处阶段
- B中试阶段
技术转让方式
- 不转让
作品可展示的形式
- 实物、产品，图纸，现场演示，图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该作品主要应用于对涉氚环境中的氚污染气体进行采样进而进行高灵敏度分析评价氚的污染水平，确保涉氚环境中工作人员和核设施附近居民的安全性。 应用到此产品的地方有： （1）对核电站（重水反应堆、轻水反应堆）、核潜艇动力堆等核设涉氚工作现场空气中氚进行取样监测； （2）对热核聚变堆中氚提取、冷却剂纯化的氚进行采样检测； （3）对氚在贮存、运输等过程中向环境泄漏氚进行采样监测； （4）各级环保局对该地区，特别是核设施区域的空气中氚污染程度进行定期取样监测。 随着我国核电的发展，以及人们对环境污染的日益重视，氚的监测与控制，以及安全防护与环境影响正在成为一个专门的研究领域，本产品有具有精度高，稳定性高，成本低等特点，适合在我国广大核设施及环保局推广使用。
同类课题研究水平概述
- 国外开展氚技术的研究与开发较早，如美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）建立的一整套氚生产、研究处理设施；萨凡纳河技术中心（SRTC）一直继续在研究和开发氚的分离和贮存技术方面发挥核心作用；欧洲如英国的联合欧洲环活性气体操作系统，德国的Karlsruhe氚实验室、意大利的欧洲氚处理实验室等；还有日本原子能研究所的氚处理实验室（TPL）等开展了大量聚变氚技术、氚生产、氚处理、氚贮存、氚测量方面的工作。国外如德国BERTHOLD公司、美国AMETEK公司、法国Canberra公司等跨国公司相继开展氚监测仪的研制，其产品在全球市场都占据了一定份额。目前国外生产的空气中氚监测仪，一般都实现了低本底，宽量程自动切换，数据自动记录，储存，可由计算机控制。以达到最佳灵敏度或使干扰本底尽可能减小。 随着我国核技术的发展，国内研究机构也在不断追踪国外技术进展，开展氚监测技术研究，完善国内的监测仪器、标准和分析测定方法。70年代末，西安核仪器厂在小电流测量技术上取得突破性进展，并研制出了FJ-357空气中低能β气体监测仪。近年来北京核仪器厂生产的α、β表面污染测量仪和中国辐射防护研究院研制TAM系列空气中氚监测仪，便携式α、β、γ表面污染测量仪，BH1216Ⅲ型二路低本底α、β测量仪等，均取得了良好的探测效果。但这些仪器和国外相比，在探测下限、测量精度和探测效率方面还有很大的差距。 本作品研制的高灵敏度空气中氚污染测量仪从核探测方法上进行创新，采用内充气式正比计数器抽真空后充入样品气体进行测量，其测量范围为：1Bq/L-4×104Bq/L，具有精度高，稳定性高，探测效率高、低本底测量等特点。
