在线放射性气体监测系统构建

过流气式差分电离室实现气体放射性探测，采用高精度、超低偏置电流的前置放大换挡技术实现极弱电 流和宽量程的测量，利用软件差分方式实现7补偿并进行关键算法信号处理，达到快速准确测量的

目的。关键词:空气取样;流气式差分电离室;信号处理中图分类号：TL75+1 文献标志码：A 文章编号：0258-0934 （2019） 5-0656-05核电厂正常运行或破损时,不可避免地有 显示的问题，实现快速准确测量取样空气中的 放射性气体活度浓度水平。放射性物质经流出物排放到环境中或从燃料元 件的裂缝中渗透到一回路冷却剂中。当一回路

发生泄漏时，放射性的裂变产物就会通过各种 途径进入空气中而形成放射性气态分布⑴。 放射性气体（如®Xe、”Kr）容易经人体呼吸进

1辐射探测原理流气式差分电离室由两个完全一样的测量

腔室和补偿腔室组成。待测气体仅流经测量腔

入体内，造成浸没照射伤害。对核电厂相关区

室,补偿腔室装入大气压力下的空气。放射性 气体进入测量腔室，产生B, 丫射线（包括取样

域（室内大气环境、通风风管等）空气放射性进 行监测，是维护核电厂安全,保护相关工作人员 的重要措施。为应对核电厂放射性泄漏事件,

空气中的丫射线与周围环境中的丫射线）。中 心阳极通过收集由气体电离产生的电子电荷形 成电流。测量腔室还对外部丫背景场产生响

需要配备空气放射性监测设备,跟踪监测核电 厂厂房空气放射性水平。本课题构建了在线放射性气体监测系统。

应。补偿腔室不针对待测气体,主要是对外部 Y背景辐射作岀响应，测量周围环境中的Y射

该系统使用流气式差分电离室进行探测，实现 Y本底的补偿，采用高精度、超低偏置电流的前

线，以补偿周围7辐射场对测量腔室的影响。 两个腔室产生电流均由前置放大板处理，经 I—V—F转换，产生2路脉冲计数率，由信号处

置放大换挡技术,提高探测器的极弱电流测量 能力和量程范围,解决补偿腔室过去无法测量理装置通过软件差分方式，实现7本底的动态

补偿。2系统设计收稿日期:2018-09-13作者简介：夏炎（ 1988—）,男，湖北武汉人，工程师，主

2.1总体设计基于空气取样的放射性气体监测系统主要要从事辐射监测信号采集与信息处理应用研究。656由台架、取样管路、探测器、前置放大器、信号处 理装置、电气控制箱、电气接线箱等部分组成。

射性气体监测系统具备三级报警、数据存储、远 程通信等功能，同时提供就地RS232接口，供

取样管路中包括管路、阀门、压力计、流量计、真 空释放阀等。系统原理框图如图1所示。本放

装有调试助手软件的电脑进行参数设置和修改 等操作，方便现场维护。流气式足分屯离空图1系统原理框图2.2取样管路设计经加热除湿罐干燥之后的待测气体，通过 前置过滤器过滤掉粉尘颗粒后进入流气式差分

量级微弱电流，量程可跨越9个以上数量级，成 功解决了弱信号测量瓶颈和量程范围窄的问

题。前置放大原理设计如图2所示。探测器测 量腔室和补偿腔室各有一路独立的前置放大

电离室。在取样管路中安装了压力计，测量管 路中的压力，以便将电离室测量的放射性体活

器,两路前置放大器最终输出的标准脉冲信号 分别传至信号处理装置,进行信号处理拟合。

度浓度转换至标准大气压下的值。串联在管路 中的流量计测量流量，以确保取样速度达到相 关规定。2.4信号处理装置设计信号处理装置监测气路流量、压力信号,根

进出气口各设置一个截止阀，方便调试维 据流量、压力大小动态发送泵控信号,控制抽气

护，避免潮湿空气进入管路。流量调节阀调节 泵的启停。量程切换挡位划分，上一挡上限和下一挡下

管路的气流速度，真空释放阀门在管路堵塞的 情况下打开阀门以减小管路中的真空度，进而

限形成重叠,有效降低在临界值换挡时测量误差 和波动。①一挡：3.70x109~3.70x10\" Bq/m3 ； ②二挡：3.70xl06 - 4.40X109 Bq/n?；③三挡： 4.40x10°*3.70x10 Bq/n?。信号处理装置板卡

防止抽气泵受损。抽气泵为取样管路的气路循 环提供动力。2.3前置放大器设计一直以来，由于漏电流干扰原因，fA量级 电流测量是信号处理的难点，本前置放大器采

主要包括:电源板、测量板、显示板等，这些板卡 利用内部CAN总线实现数据交互，通过底板和

用电流一电压变换电路和电压一频率变换电 路,引入换挡技术进行量程切换,提供一种高灵

硬接线方式将模拟量、开关量（含挡位控制信

号）等引到电气接线箱相应端子排上，功能示意 图如图3所示。敏度、宽量程电流放大电路，下限可测量10 fA

657图2前置放大器原理图③面板配有切换开关，可在自动/手动/关闭之

间切换抽气的运行状态。在自动状态下，当流 量、压力满足一定条件时,可实现抽气泵的自动

启停。在手动状态下，连续供电时，抽气泵会持

测矩板:续运行。活度浓度测慣；继电器控制3主要性能测试3.1灵敏度计算利用MCNP软件计算探测器的灵敏度，计 算结果如图4所示。从图4结果表明：在考察

显小板： 数据存储*指示J、报离灯、蜂血器控制;液扇屏控制高爪大小调节电斥测量值电源板:电源系统管理测屋;2路高压产生电路能量范围(4 keV ~ 8 MeV )内；探测器对0射线 的灵敏度随能量的增加先增加后降低，当能量 约为100 keV时,探测器的灵敏度达到峰值。图3功能示意图2.5电气控制箱设计电气控制箱(EU)提供AC220V的控制电

源和抽气泵电源中转，采取断路器、继电器和接 触器、选择开关的有效组合实现功能设计。主 要功能如下：①EU主要控制抽气泵的运行状

态，由于抽气泵为大功率负载，因此EU需满足 大功率负载要求；②EU面板配有电源指示灯,

3.2温度特性测试放射性气体监测系统设计工作环境温度范并设置运行计时器，可记录抽气泵运行时间；658围为-10-+60七，为考察设备温度特性，避免 设备工作异常或者探测器在外界低温环境下受

在测量下限3.7xl()3 Bq/m3环境水平时, 由式(1)计算，计数率平均值ACPS为20。加 上校准源,计数率从当前本底值41上升到A1 +

潮,选取温度变化试验进行典型分析。温度变

化试验为-10-+60 r，温度升降速率为1 r/min, 在-10和+60七每个温度下的试验曝露时间3

20的时间为90 s。撤下校准源,计数率从当前

值41+20下降到山的时间为50 s。因此，测量 下限响应时间符合小于2 min要求。h,共2个循环。试验期间系统器通电运行，测 试结果列于表1。由表1数据表明，温度变化

变异系数(标准差率)根据式(2)统计涨落 公式计算，在测量值稳定后，每100 s记录一个

性能符合测量值波动小于±15%要求。表1温度变化试验数据温度变化

实验中/实验前

实验后/实验前计数率，连续记10次，变异系数不超过10%为 合格。测量值波动 -3.61% -4. 12%v = - /亠£ (C、-吞 (2)

C 7 n - 1 ：=i3.3测量下限性能测试为验证测量下限性能满足技术要求，需测

式中：y为变异系数；c；为每次读数；d为“次 读数平均值;n为测量次数。在测量下限3. 70x io3 Bq/m3量级水平测 试时，测试数据如表2所列，符合统计涨落 要求。试测量下限时的响应时间和统计涨落。活度浓

度转化公式：y=KxACPS

数率平均值。(1)式中：y为活度浓度;K为校准系数;ACPS为计

表2量程下限统计涨落测试测量次序计数率/s\"1153.223 456147.47 89 149.2

10150.5146.5145.7 149.0143.7150.5 141.7变异系数=2. 46%3.4稳定性测试为验证放射性气体监测系统满足技术要式中■D为偏差;匕为每次读数;岭为初始值。连续运行168 h,每次测量值和初始值3. 69xl06代入式(3)计算，测试数据如表3所求，需进行长期稳定性测试。D =-——X100%>

表3列,满足偏差小于±15%要求。(3)长期稳定性测试时间1 h3. 70xl06测量值/( Bq/m3)平均值(Bq/m3)偏差/%一3.68X1063.68X1063. 68xl063. 72xl063. 69xl063. 68xl063. 71X1063. 68X1063. 70x1063. 68X1063.67X1063. 67X1063.69X1063.69X1063. 69xl063.69X1063. 69xl0610 h3. 70X1063. 69X1063. 68X1063. 69x1063. 69x1063. 68xl063. 69xJ063. 68xl063. 67xl063. 66xl063. 69xl063. 69xl06050 h3. 68xl063.67X1063. 67X1063. 70X1063.69X1063.66X1063. 67xl06-0. 54100 h3. 69xl063. 71X1063. 70x1063. 70x1063. 71X1063. 70xl063. 70xl060. 27659续表时间测量值/(Bq/n?)平均值(Bq/m3 )3.68xl06偏差/%120 h3.68X1063.68X1063. 67xl063. 66xl063.72X1063.71X1063.69X1063. 67x1063. 74xl063. 69xl063. 68xl06-0. 273.69X1063.71X1063.75X1063. 68xl063. 72xl063. 73xl063.65X1063.72X1063.70X106168 h3.72X1060.813.5主要技术指标通过取样回路控制测量通道，当对应通道

射性水平，具有测量下限低、量程范围宽，响应 时间快的性能，其操作简单，通过了相关测试试

的p放射性体活度浓度超过设定阈值时，给出

验，进一步验证了该设备的高可靠性，有效提升 该设备在市场上的竞争力。本成果对其他领域

报警信号。具体的技术指标如下:①测量范围： 3.70x10—3.70x10\" Bq/m3 ；②被测 0 射线能

中的放射性气体监测设备的设计具有借鉴、推

量：50 keV-5 MeV；③工作温度：-10~+60 X., 广价值。参考文献：贮存温度：-35~+60七；④操作维护:触摸屏显 示按键操作，可与计算机进行串口通信，配置系

统器参数;⑤监测指示:超阈值报警、故障报警, [1] 施仲齐，曲静原，崔永利.核电厂对环境的放射性

污染及防治[J].辐射防护,1998,18(4) =240-261.快速响应，定位板级故障;⑥远程传输:提供标 准4~20 mA模拟量信号和RS485串口通信。[2] 李星洪.辐射防护基础[M].北京：原子能出版

社,1982:28-99.4结论本课题构建了基于空气取样的放射性气体

[3] 方杰.辐射防护导论[M].北京:原子能出版社,1991:299-306.[4] 卢希庭，江栋兴，叶沿林.原子核物理[M].北京:原子能出版社,2000:68-72.监测系统,该监测系统可快速准确测量空气放

The Design of On-line Radioactive Gases Monitoring SystemXIA Yan, REN Cai, PEI Yu, QIU Shun-li, SUN Guang-zhi, CHENG Hui, ZENG Le, YU Wei(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)Abstract: An on-line radioactive gase monitoring system is designed to meet the requirement of air sampling monitoring in the nuclear power plant. A flow differential ionization chamber enables radioactive detection. Using the preamplifier with high accuracy and ultralow bias current shifting technology, the measurement of weak current and wide range are realized. It can realize gamma

compensation by software differential method and perform the key algorithm signal process, and achieve the fast accurate measurement.Key words: air sampling ； gas-flow differential ionization chamber ； signal process660