红外吸收光谱法测量六氟化铀浓度的装置设计

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中国的能源结构正向清洁低碳化发展，在这场能源结构调整中，核电始终被寄予厚望。

随着我国核电规模的日益扩大，人们对核能利用的关注度也越来越高，安全、绿色成为新形势下核能发展的重要方向[1]。

核能的利用离不开核燃料的加工，U F 6是核燃料加工产业中极为重要的工作介质，铀纯化转化、铀浓缩、元件加工环节都有它的身影[2]。

U F 6具有放射性与化学毒性，对人的肾脏和肺部具有致命性损伤。

同时，U F 6极易水解，
可以与空气中的水蒸气迅速反应生成UO 2F 2和H F，H F具有强酸性，对皮肤有强烈刺激和腐蚀作用[3]。

因此，预防UF 6的泄漏，并在泄漏事故发生后实时监测UF 6浓度，
制定高效的应急响应和救援计划[4]，最大限度地减少事故对人身安全伤害，是核燃料加工行业安全工作的重要环节。

基于以上分析，该文采用红外吸收光谱法，研发了一种事故应急时用于测量空气中UF 6泄漏浓度的装置。

1 装置设计原理
红外吸收光谱法是根据测量分子对特征吸收谱线的吸收，进行定性定量的一种分析方法[5]，它可测量气体、溶液中某一组分的浓度，具有灵敏度高、分析精度高等优点。

U F 6在红外光谱区具有明显的特征峰，因此，可以根据吸收峰的强度确定UF 6的相对浓度。

同时，根据李庭华等人的实验结果[6]，
UF 6在常温条件下对16 μm的红外光的吸收是非常灵DOI：10.16660/ k i.1674-098X.2016.11.009
红外吸收光谱法测量六氟化铀浓度的装置设计
瞿定荣1 李媛媛2
（1.中核新能核工业工程有限责任公司 山西太原 030012;2.首都经济贸易大学 北京 100070）
摘 要：UF 6是核燃料加工产业中的重要原料，由于其放射性和化学毒性，UF 6一旦泄漏将对人身安全造成巨大威胁。

目前国内对UF 6泄漏事故的研究甚少
，该文提出了一种基于吸收光谱法的装置设计方案，用于探测UF 6泄漏时空气中UF 6的浓度。

该装置可在UF 6泄漏事故中实时监测UF 6浓度，为制定应急响应和现场救援提供辅助决策。

关键词：红外吸收光谱法 测量六氟化轴浓度 装置设计原理中图分类号：O43
文献标识码：A
文章编号：1674-098X(2016)04(b)-0009-03
图1 吸收光谱法测量UF
6气体浓度原理
图2 吸收光谱法测量UF 6气体浓度原理
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敏的，因此，红外吸收光谱法可以作为对U F 6泄漏浓度进行有效鉴别和实时监测的技术手段。

吸收光谱法测量U F 6气体浓度原理如图1所示，频率为ν、光强为0(ν)的弱单色激光在穿过长为l、浓度为n 的UF 6气体后，由朗伯-比尔定律[7]可知，其光强会因分子吸收作用而变为：
(1)
其中σ(ν)是UF 6分子对频率为ν光子的吸收截面。

将式（1）
改写如下：
(2)
由式（2）可知，在已知σ(ν)、吸收路径长度l条件下，通过
测量穿过U F 6
气体前、后的光强，即可获得U F 6
气体的浓度
信息。

2 吸收光谱法探测装置的设计
基于红外吸收光谱法的U F 6气体浓度探测装置由激光器、分光镜、光电接收器和查分放大器组成，装置设计方案如图2所示。

探测激光选用可调谐半导体激光器，激光频率可在16 μm 附近做无跳模扫描，探测激光频率扫描周期,范围可由信号发生器输出的三角波控制。

激光经分光镜作用可沿3个路径运动。

光路1的激光经过UF 6气体标准样品池，在光电接收器1处得到吸收峰。

此吸收峰用于标定U F 6特征吸收峰在吸收光谱中的位置。

光路2密封在整个仪器中，不与空气接触，最终进入光电接收器2，作用是测定激光功率随激光波长的变化规律，作为差分放大器的基础输入信号。

光路3直接暴露在空气中，用于空气中存在六氟化铀时，光电接收器3处能够获得UF 6特征吸收谱线。

2.1 标准样品池的设计
通常可以采用两种方法判断激光波长是否处于U F 6的特征吸收峰附近，一种是波长计测量法;另一种是标准样品池法。

第一种方法需要激光在UF 6特征吸收峰附近做频率扫描，然后对激光波长进行测量，来确定此波长就是UF 6特征吸收峰光谱。

满足这种要求的波长计价格昂贵且体积较大，将极大地增加装置的设计成品。

因此，该文采用标准样品池法，将常温下密闭容器中的低气压UF 6标准样品代替波长计，用以标定UF 6的特征吸收峰。

这样，只要在光路1中出现U F 6吸收峰，
就可以确定激光的频率是满足要求的,并确定UF 6特征吸收峰在吸收光谱中的位置。

这样的设计可以尽可能地减小装置的体积和设计成本。

2.2 差分放大器测量吸收光谱
装置设计的体积越小，操作起来更方便，因此，如图2所示的装置设计方案中，光路3在空气中暴露的长度以及光路3的吸收长度越短越好。

在这种情况下，当空气中的UF 6浓度很低时，对光路3中激光的吸收比例是非常低的，这种低吸收比例的情况称为弱吸收。

采用直接测量穿过U F 6前、后光强的吸收光谱法，所得UF 6浓度信息的相对误差为：
(3)
在项非
常大，对测量误差较小，得到UF 6浓度信息相对误差也很大。

为减小在弱吸收条件下测量UF 6浓度相对误差，
我们在仪器设计方案中采取了差分测量的方法，原理正如宋增云等人的测量方法类似
[8]。

图3中UF 6吸收池入射观察窗右侧处激光光强为0(ν)。

则光电接收器所接收到的信号为：
(4)
其中，1为入射窗口透射率；1为分光镜的透反比，1为受照射的光电接收器截面与光束横截面积之比（当光束横截面小于光电接收器截面，该值取1）；1为光电转换效率；1
为光电接收器1的可变取样电阻；1为杂散光（荧光）信号对
光电接收器1的贡献。

通过UF 6吸收池后的光强为(ν)，同理可写出光电接收器2所接收到的信号为：
(5)
其中
2
为出射窗口的透射率，其余量均与（4）式中类似。

将（1）式代入（5）式中：
(6)
将光电接收器1与光电接收器2的信号接入差分放大器中，在仪器运行过程中，当气体吸收池中不存在吸收介质时，由示波器可得差分
信号：
(7)
其中为差分放大器放大倍数，
每次测量杂散光对光电接收器的影响都是不同的，因此,在此处将该项写为与。

该信
号
为两信号的差值，因此,可以通过调节
1
或者
2
，使尽量趋于零。

当气体吸收池中存在吸收介质
时，可得如下差分信号：
图3 差分测量法测量UF 6气体浓度原理图
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(8)
在仪器运行中，可以通过断开进入光电接收器1的光，可
得差分信号为：
(9)
由（8）（9）式，分别可得：
(10)
(11)
仪器内部可采用暗室等处理方式，可以将杂散光的影响减小，
使得以下关系得以满足：
(12)
(13)
（11）写作：
(14)
(15)
结合式（14）（15）
可得：
(16)
已知l与
条件下，由式（16）即可得到UF 6浓度。

3 结语
UF 6是铀浓缩和铀转化过程中的重要原料，其放射性和
化学毒性对人身有巨大伤害。

该文基于红外吸收光谱法，设计了测定六氟化铀西楼浓度的装置，装置采用标准样品池标定UF 6的特征吸收谱，
差分放大方法测量吸收光谱，获得UF 6的泄漏浓度。

装置设计合理、成本较低，具有很强的可行性和实用价值，可以在UF 6泄漏事故中为应急响应提供辅助决策。

装置设计还需要在实验中加以验证和改进。

参考文献
[1] 环境保护部(国家核安全局).核安全与放射性污染防治“十二五”规划及2020年远景目标[M].北京：科学出版社,2013.
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R e v i e w o f m o d e l s u s e d f o r d e t e r m i n i n g c on s e que nc e s of UF6 r ele as e: developme nt of m o d e l e v a l u a t i o n c r i t e r i a (N U R E G K R-6481)[R].Wa s h i n g t o n, DC (Un it e d S t at e s):Nu c l e a r Reg u lator y Com m is sion,1997.
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[4] 陈海龙.UF 6泄漏事故后果评价研究进展[J].辐射防护通
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[6] 李庭华,侯惠奇,刘秀.六氟化铀的红外吸收光谱[J].原子
能科学技术，1983(5):588-591.
[7] 罗达峰,杨建华,仲崇贵.基于红外吸收光谱的瓦斯气体浓
度检测技术[J].光谱学与光谱分析,2011,31(2):384-386.[8] 宋增云,瞿定荣,范凤英.一种测量弱吸收条件下锂同位
素比率的新方法[J].原子能科学技术,2014,48(1):823-827.
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