基本信息
- 項目名稱：
- 高靈敏度空氣中氚污染測量儀
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 環(huán)境放射性污染問題因日本福島核電站事故的發(fā)生而引起世界人們對放射性污染的廣泛關注，環(huán)境氚監(jiān)測是其中一個主要的研究方向。本作品開展了高靈敏度空氣中氚污染測量儀的研究，主要包括內(nèi)充氣式正比計數(shù)器的設計加工、高真空系統(tǒng)的設計、電路的設計、軟件研發(fā)等內(nèi)容，涉及核技術、輻射防護、核電子學、計算機軟件與理論、機械加工等多個學科。主要針對核設施周邊環(huán)境進行采樣監(jiān)測，從而保證了涉氚工作人員和居民的安全健康。
- 詳細介紹：
- 1、作品背景 日本福島核電站事故的發(fā)生引起了人們對生活中空氣、水、食物等受到的放射性污染問題的關注。核設施給周圍環(huán)境帶來的放射性污染是核安全的一個重要方面。在核工業(yè)系統(tǒng)中有很多地方涉及到氚的職業(yè)照射，其中最典型的是核電站，無論是重水反應堆還是輕水反應堆中都會產(chǎn)生一定數(shù)量的氚；在氚貯存、運輸?shù)冗^程中也會造成環(huán)境氚污染；核裂變反應堆、放射性同位素生產(chǎn)堆、核潛艇動力堆會以及正在研究的核聚變堆等核設施也向環(huán)境中釋放氚。氚具有擴散、滲透和吸附能力強等特點，極易經(jīng)呼吸、飲水和飲食途徑進入人體，發(fā)生內(nèi)照射危害。因而對環(huán)境空氣中氚濃度進行監(jiān)測，評價環(huán)境中氚污染水平，得到氚污染水平，指導涉氚工作人員進行相應的輻射防護，確保涉氚工作人員和核設施附近居民的安全性。 2、氚測量原理 氚（3H Tritium）又稱為超重氫，是氫的同位素之一。它是一種廣泛存在于自然界的重要天然放射性核素。氚的β衰變?nèi)缡?所示，β粒子憑借與周圍物質(zhì)中的電子發(fā)生碰撞而與該物質(zhì)相互作用。在每一次碰撞中，β粒子都會失去一些能量，而電子則發(fā)生電離作用或躍遷到激發(fā)態(tài)。 3H 3He + β + energy （式1） 其中，3He是穩(wěn)定核素，比4He略輕。其最大衰變能為18.6kev，由β粒子和反中微子分享，β粒子的平均能量為5.73keV。因此，在給定物質(zhì)中，不同能量氚β射線的穿透深度是不同的。β射線的在空氣中的最大射程約為5mm；在水或軟組織中的最大射程約為0.005mm，而這個射程使得氚對于人體的外照射危害幾乎為零，國際放射防護委員會（ICRP）只把它定為低毒類放射性核素。但氚擴散、滲透和吸附能力強，極易經(jīng)呼吸、飲水和飲食途徑進入人體，發(fā)生內(nèi)照射危害；進入人體的氚在細胞內(nèi)產(chǎn)生電離，引起細胞單鏈斷裂，導致基因突變。 3、主要研究內(nèi)容 （1）自主設計并研制內(nèi)充氣式正比計數(shù)器，并設計加工了一套真空系統(tǒng)。在設計加工、器件選型時嚴格把關真空系統(tǒng)的氣密性，使正比計數(shù)管在抽真空工作之后能夠保持當前的真空度，并可利用真空抽氣裝置，在高溫下對正比計數(shù)器進行清洗，減少正比技術關對氚的記憶效應。 （2）對國內(nèi)外放射性測量方法進行了大量的調(diào)研，從理論方法到技術創(chuàng)新融入設計開發(fā)者全新的思路，開展高真空度下氚濃度測量。選擇內(nèi)充氣式正比計數(shù)器作為氚測量的探測器，將其設計加工成密封的測量室，對測量室抽真空后，按一定比例充入氚樣品氣體和P10氣體（90%氬氣+10%甲烷），外加高壓進行測量，從而降低了環(huán)境本底的干擾，提高了氚污染樣品氣體的測量精度。 （3）基于PDA&MCU構架研制成功一套高靈敏度空氣中氚污染測量儀，以具有SOC特性的單片機C8051F060為主MCU，將正比計數(shù)器得到的脈沖信號經(jīng)過電荷靈敏前置放大器、S-K濾波整形后得到準高斯波形傳給信號處理電路，對該信號進行二次濾波、上下閾值甄別、過峰檢測、峰值保持等處理，并對處于上下閾值之間的信號進行AD轉換。將β能譜數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式通過藍牙通訊傳給PDA上開發(fā)的譜數(shù)據(jù)處理與顯示軟件。 （4）通過對譜分析方法的深入研究，在Visual Studio 2008集成開發(fā)環(huán)境下使用C++語言軟件開發(fā)了一套基于Windows Mobile 6.5操作系統(tǒng)PDA的集傳輸、處理、實時顯示、存儲為一體的測量軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和譜線的顯示與處理。譜線顯示與處理主要包括對原始譜數(shù)據(jù)的平滑濾波處理及譜線顯示，能量刻度，峰漂的校正，自動尋峰，峰面積計算、核素識別等功能。該軟件使用界面友好，功能較齊全，可操作性強。 4、應用前景和研究意義 我國在大力發(fā)展核工業(yè)的同時，也非常重視核設施的安全以及核設施對環(huán)境放射性污染，對環(huán)境中輻射劑量進行監(jiān)測，評價核設施對環(huán)境輻射劑量水平的影響是個長期而艱巨的任務。項目研制的高靈敏空氣中氚濃度測量儀廣泛應用于涉核單位的環(huán)境氚監(jiān)測、核電站中重水反應堆、輕水反應堆工作現(xiàn)場環(huán)境的氚污染監(jiān)測、產(chǎn)氚單位環(huán)境氚監(jiān)測等，同時也適用于各級環(huán)保部門對當?shù)丨h(huán)境輻射劑量水平的長期取樣監(jiān)測。項目自主研發(fā)的高靈敏度空氣中氚濃度測量儀，集合了項目組成員的創(chuàng)新成果，具有精度高，穩(wěn)定性高，探測效率高、本底低等特點，從核輻射探測器的設計加工、后續(xù)電路的調(diào)試、測試軟件的開發(fā)到整體儀器的性能測試，完全實現(xiàn)了自主化，且儀器的性能指標良好，適合在我國廣大核工業(yè)單位及環(huán)保局推廣使用，具有廣闊的市場前景。同時也促進了我國氚測量技術水平的提高，對發(fā)展我國自主化高精度核儀器具有重要指導性意義。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 1、作品設計的目的和基本思想 由于氚的放射性危害和它在環(huán)境中的特性，氚泄漏到周圍環(huán)境中，會造成空氣中氚濃度的升高，進而對工作人員造成一定程度的內(nèi)照射傷害。為了確保涉氚工作人員和核設施附近居民的安全性，需要針對核設施等周圍環(huán)境進行氣體樣品采集，監(jiān)測空氣中氚的污染水平。如何有效地對采集的氚污染樣品氣體進行高靈敏度低本底測量，成為目前一個亟待解決的問題。 2、本作品的特色和創(chuàng)新之處在于 ★自主研制正比計數(shù)器，將正比計數(shù)器內(nèi)部工加成密封的測量室，并設計加工配套的抽真空裝置，提高氚測量的靈敏度，降低環(huán)境本底，同時還可以對探測器進行清洗，具有一定的創(chuàng)新性。 ★采用分離式結構，以C8051F為主控制器研制測量裝置，并通過藍牙方式傳輸數(shù)據(jù)；PDA接收數(shù)據(jù)、處理、顯示測量結果。 ★開發(fā)一套集數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示、存儲為一體的PDA控制軟件。 3、作品的主要技術指標 （1）研制一套高靈敏度空氣中氚污染測量儀，能夠滿足對氣體樣品的準確測量，探測下限：1Bq/L,最高測量濃度為：4×104Bq/L； （2）研制可抽真空的正比計數(shù)器，探測本底≤6cpm； （3）開發(fā)一套實時、高效的集傳輸、處理、顯示、存儲為一體的PDA控制軟件。
科學性、先進性
- 本作品針對我國氚濃度測量儀測量精度低、探測效率低、干擾較大等問題，從氚衰變放射出低能β難以測量為切入點，在放射性核素測量方法上進行調(diào)研并創(chuàng)新，開展了高真空度下氚污染測量。自主研制了正比計數(shù)器，將其內(nèi)部加工成密封的測量室，在測量前用真空泵將測量室抽成真空，再向測量室中按一定比例充入環(huán)境中采集的樣品氣體和P10氣體，外加高壓進行測量，這樣能提高對氚的探測靈敏度，降低環(huán)境本底干擾，其探測下限能達到1Bq/L。 其突出的實質(zhì)性技術特點和顯著進步是：（1）從放射性核素測量方法上調(diào)研并創(chuàng)新，開展高真空度下氚污染測量。提高我國氚濃度測量的探測精度；（2）自主研制正比計數(shù)器，實現(xiàn)整套高靈敏度空氣中氚污染測量儀的自主化。（3）采用分離式結構，通過藍牙通訊將測量的數(shù)據(jù)傳到PDA上進行顯示與進一步譜線處理。
獲獎情況及鑒定結果
- 《高靈敏度空氣中氚污染測量儀》獲****大學2010-2011年度大學生課外科技作品競賽一等獎。
作品所處階段
- B中試階段
技術轉讓方式
- 不轉讓
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品，圖紙，現(xiàn)場演示，圖片
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 該作品主要應用于對涉氚環(huán)境中的氚污染氣體進行采樣進而進行高靈敏度分析評價氚的污染水平，確保涉氚環(huán)境中工作人員和核設施附近居民的安全性。 應用到此產(chǎn)品的地方有： （1）對核電站（重水反應堆、輕水反應堆）、核潛艇動力堆等核設涉氚工作現(xiàn)場空氣中氚進行取樣監(jiān)測； （2）對熱核聚變堆中氚提取、冷卻劑純化的氚進行采樣檢測； （3）對氚在貯存、運輸?shù)冗^程中向環(huán)境泄漏氚進行采樣監(jiān)測； （4）各級環(huán)保局對該地區(qū)，特別是核設施區(qū)域的空氣中氚污染程度進行定期取樣監(jiān)測。 隨著我國核電的發(fā)展，以及人們對環(huán)境污染的日益重視，氚的監(jiān)測與控制，以及安全防護與環(huán)境影響正在成為一個專門的研究領域，本產(chǎn)品有具有精度高，穩(wěn)定性高，成本低等特點，適合在我國廣大核設施及環(huán)保局推廣使用。
同類課題研究水平概述
- 國外開展氚技術的研究與開發(fā)較早，如美國的洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）建立的一整套氚生產(chǎn)、研究處理設施；薩凡納河技術中心（SRTC）一直繼續(xù)在研究和開發(fā)氚的分離和貯存技術方面發(fā)揮核心作用；歐洲如英國的聯(lián)合歐洲環(huán)活性氣體操作系統(tǒng)，德國的Karlsruhe氚實驗室、意大利的歐洲氚處理實驗室等；還有日本原子能研究所的氚處理實驗室（TPL）等開展了大量聚變氚技術、氚生產(chǎn)、氚處理、氚貯存、氚測量方面的工作。國外如德國BERTHOLD公司、美國AMETEK公司、法國Canberra公司等跨國公司相繼開展氚監(jiān)測儀的研制，其產(chǎn)品在全球市場都占據(jù)了一定份額。目前國外生產(chǎn)的空氣中氚監(jiān)測儀，一般都實現(xiàn)了低本底，寬量程自動切換，數(shù)據(jù)自動記錄，儲存，可由計算機控制。以達到最佳靈敏度或使干擾本底盡可能減小。 隨著我國核技術的發(fā)展，國內(nèi)研究機構也在不斷追蹤國外技術進展，開展氚監(jiān)測技術研究，完善國內(nèi)的監(jiān)測儀器、標準和分析測定方法。70年代末，西安核儀器廠在小電流測量技術上取得突破性進展，并研制出了FJ-357空氣中低能β氣體監(jiān)測儀。近年來北京核儀器廠生產(chǎn)的α、β表面污染測量儀和中國輻射防護研究院研制TAM系列空氣中氚監(jiān)測儀，便攜式α、β、γ表面污染測量儀，BH1216Ⅲ型二路低本底α、β測量儀等，均取得了良好的探測效果。但這些儀器和國外相比，在探測下限、測量精度和探測效率方面還有很大的差距。 本作品研制的高靈敏度空氣中氚污染測量儀從核探測方法上進行創(chuàng)新，采用內(nèi)充氣式正比計數(shù)器抽真空后充入樣品氣體進行測量，其測量范圍為：1Bq/L-4×104Bq/L，具有精度高，穩(wěn)定性高，探測效率高、低本底測量等特點。
