氚检测研究进展

氚检测研究进展

摘要:介绍了氚的基本性质及氚检测的目的,讨论了氚的在线检测、实验室分析和便携式测量所用到的仪器和方法,总结了氚检测过程中所遇到的困难及相关领域的发展方向。

关键词:氚检测正比计数管液闪

氚(3H或T)是氢元素中唯一的放射性同位素,天然存在的氚仅占自然界氢总量的10-16,由于其在氢同位素中的比例很小,所以其一般以HTO或HT分子的形式存在。作为氢的最丰中子同位素,处于基态的氚发生β—衰变后变为3He,其半衰期为12年,比活度为9800 Ci/g。氚的β射线最大能量为18 keV,平均能量为5.7 keV,其β粒子在空气中的平均射程仅为5 mm,普通的β探测器难以探测[1]。

氚的检测主要用于生产及辐射防护的目的,在氚的生产现场,氚化水的毒性为气态氚的104倍[2][3],所以液态或气态的HTO是检测的重要对象。

1 氚的检测

目前检测氚主要采用电离室、正比计数管、液体闪烁体谱仪、质谱仪等。前三种都是基于氚的β放射性。质谱仪的测量是基于不同核素荷质比不同的一种方法,适用于所有核素的测量,但质谱仪对检测样品形态和设备的安装环境要求很高,代价太大,不是一种常规的分析方

法。液体闪烁体谱仪多用于含氚水的实验室分析。用长度补偿法的内充气式正比计数管,对某些形式的氚如HT可有较高的检测灵敏度。

1.1 在线检测

在线检测主要用于氚的操作间、手套箱及氚生产车间的烟囱等向环境排放的区域。

正比计数器具有较高的脉冲幅度,灵敏度高,产生的脉冲幅度几乎与原电离地点无关,原则上只要有一对离子就可被分辨,所以其适合于探测低能或低比电离的离子,如β、γ和X射线以及高能离子等,其探测能量的下限可达0.25 keV,故其可作为氚检测的探测器。

为用于氚的在线监测,将正比计数器设计成内流气式。图1[4]为流气式正比计数管结构图。其正比计数管的坪长约400 V(3200～3600 V),坪斜约0.73%/100 V,工作电压为3400 V,其探测效率可达86%,适用于氚生产的在线检测。

文献[5]对其进行了改进,其采用大体积内充气正比计数管能谱法测量氚的活度,结合LLC(Low-Level Decay Conunting)方法,可以降低系统的最小探测限,大体积计数管可以充更多的样品,用多道代替定标器,能够直观地观测能谱,通过能谱进行阈修正,降低了本底。该文献研究了阈修正、端效应修正、壁效应修正,通过几种手段,使得正比计数管的氚探测效率可达90%,误差0.5%。

1.2 实验室分析法(液闪谱仪法)测氚

液闪是现今测量β射线最为准确的方法之一,其被广泛地用应于3H、14C、32P、35S等的测量中。对于氚监测的环境样品,因其中所含待测核素浓度极低且对结果精度的要求很高,故需要进行较繁琐的前处理程序,如制样、浓缩、蒸馏等。而在氚生产线上,由于其氚浓度远大于仪器的探测下限,故此检测不需进行前处理而可直接进行,但样品的形态要能够保证液闪的测量条件。

一般的低本底液闪谱仪都具有良好的低本底设计,即将整个光电倍增管包围在屏蔽之中,同时又具有一个幅度甄别器,可有效地防止切伦科夫光引起的脉冲噪声。由于液闪一般还可用于α粒子的探测,所以一般的液闪谱仪均有双多道分析器,用于一定能量范围的β能谱及α能谱的分析。

其用于环境样品中氚检测操作方法的一般步骤是:量取一定蒸馏合格的水样置于计数瓶中,而后加入少量闪烁液,加盖。振荡样品瓶使样品与闪烁液均匀混合。用酒精湿棉球擦拭计数瓶外壁后,将计数瓶放入液闪谱仪中进行暗适应。同时,用相同的方式配制一个标准样品与一个本底样品,一同放入液闪谱仪中进行避光测量。

1.3 便携式测氚

在未进行常规氚浓度监测但可能存在氚的场所,或由于固定式监测设备取样点位固定而无法测量到的地点,如地面及工作台表面等,一

般采用便携式氚测量仪。氚表面污染检测仪的工作原理与一般的α、β表面污染检测仪的工作原理基本相同。不同点仅仅由于氚β射线的能量很低,要求探测器窗的厚度要尽量小,探测器后置的电子学线路的甄别阈要尽量低,这不可避免地导致检测仪的本底比一般的α、β表面污染检测仪要高,探测下限偏大。

2 结语

以上介绍了氚的在线检测、液体闪烁谱仪检测及便携式检测的一些情况。可以看到,氚检测考虑的多为能探测氚发射的β射线的方法。该技术的难点在于氚的β射线能量很低,加之β射线能量的连续性,导致探测分辨困难。所以氚检测基本是对一些常规探测器进行改进,使其在低能端有更低的本底噪声、更高的灵敏度以及尽量方便氚的测量和延长设备的使用寿命等。

参考文献

[1] 杨怀远.氚的安全与防护[M].原子能出版社,1996.

[2] GB 18871-2002,电离辐射防护与辐射源安全基本标准[S].2002.

[3] 蒋国强,罗德礼,陆光达,等,氚和氚的工程技术[M].国防工业出版社,中国工程物理研究院科技丛书,2008.

[4] 官锐,翁葵平,任兴碧,等.产氚回路中氚的在线监测研究,核

技术[J],2010(3).

[5] 曹琳,亢武,向永春等.一种改进的3H活度测量方法[J].核电子学与探测技术,2009,29(2).