电离室氚活度浓度标定及稳定性测量

李语奇，占 勤，常 鸣，张培旭，袁晓明，杨洪广

中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究所，北京 102413

国际热核聚变实验堆(ITER)涉氚系统中，氚的测量是一项重要内容，通过测量可掌握氚的生产、消耗和损失[1]。氚的测量有多种方式，例如利用量热计、电离室与正比计数管，对气态氚比活度的测量；利用气相色谱或拉曼光谱，对气态氚化学成分与浓度的测量；以及利用液闪法测量液体氚活度等[2]。吴斌等[3]设计的TAM-Ⅱ型实时连续氚监测仪用30根φ0.12 mm的镍丝代替电离室圆筒；陈志林等[4]设计了网面壁电离室；Ichiki等[5]设计了一种高精确度电离室，该电离室使用磁悬浮电极；Munakata等[6]设计了一套超小灵敏体积电离室，研究了等摩尔氘-氚混合气体的气压相关性。根据测氚相关国家标准，流气式电离室利用已知含氚气体，循环在固定体积的闭合气路中，进行标定实验。通过气压体积(PVT)法配制一定氚活度浓度的含氚气体，通过氚活度浓度对应的电离室电流值I(扣除本底电流)进行线性拟合，可以得到刻度系数K，该值可以真实反映电离室对氚活度浓度的响应[7]。

1 电离室工作原理

电离室是工作在电离区、通过收集射线在电离室内产生的电离离子而探测射线强度的电流型气体探测器，其结构示意图示于图1。理想情况下，所有进入电离室灵敏体积的射线能量均用于电离电离室内工作气体，即所有产生的电离离子都被收集，这时电离室将输出-饱和电流信号I[8]。此时电离室内的氚活度浓度C可以表示为：

图1 电离室基本结构图

(1)

式中：I，电流信号值，A；p，气体压力，kPa；T，电离室气腔内气体温度，K；C，氚活度浓度，Bq/L；K，刻度系数，Bq/(L·A)；T0、p0为标准状态下的温度与气压，T0=273 K，p0=101.3 kPa；A，压力影响因子；B，压力影响因子，kPa-1。

1-Ae-Bp的表征曲线分析表明，当电离室内部气压高于一定压力后，温度影响变得不明显，根据电离室实验的条件，可以将电离室测得电流值与氚活度关系进行简化。因1-Ae-Bp约等于1，所以式(1)可变换为下式[9]：

(2)

2 实验系统与实验流程

自主研制的实验系统主要由氚气配制单元、气体循环单元、真空与除氚单元、电离室待测单元四个单元组成，可分别实现含氚气体的配制、测量气路中气压与流速的控制、装置的除气除氚以及氚活度的测试等功能，通过整套装置可以实现电离室的氚活度浓度测量。系统装置示意图示于图2。该系统中的电离室灵敏体积为50 mL，氚活度浓度测量范围为1×107～1×1010Bq/L。

标定氚源处为配制单元，循环泵加气路为循环单元，P1、P2为压力计，MFC1—2为流量计，V1—V7为阀门，IC1—3为电离室待测单元

2.1 含氚气体配制

氚气配制单元由储氚床、高压He+2×10-3(体积分数，下同)H2气源、标准气源储气罐、高低量程普发高精度传感器(100 Pa与10 kPa)、常压传感器(100 kPa)以及高密封性全金属波纹管阀门等部件组成。通过加热储氚床释放一定体积的氚气，与一定体积的He+2×10-3H2气混合后，可实现所需浓度待测氚气的配制。按照实验所需浓度气体配制的流程，将标准含氚气体充入气路，配制200 kPa的含氚混合气体。再根据标定所用浓度，配制了4×107～1×1010Bq/L浓度范围内5个不同浓度的含氚气体，并按照80～120 kPa等5个阶梯待测气压，补充至循环气路中。

2.2 实验内容与流程

氚测量实验装置必须进行气密性检漏。漏率必须优于1×10-10Pa·m3/s。按氚浓度由低至高进行测量，并控制流量、压力，至实验完成，回收氚气并开展记忆效应实验。完成测试后对坪特性(饱和电流)、压力特性、以及数据不确定度等进行分析。

2.2.1本底测试 将氚气循环系统抽至本底真空后，按照80～120 kPa等5个阶梯待测气压配制循环气路中的气体压力。并按照50～1 000 mL/min(标准状态，下同)流速进行本底流速实验。记录电离室在不同气压、流速下测到的本底电流值，用于观察记忆效应影响。

2.2.2电离室性能以及影响因素正交实验 氚测量实验影响因素参数列于表1。

表1 氚测量实验影响因素参数

(1) 饱和电流影响

按照气体配制流程配制一定浓度气体充入气路后，工作电压从0升至-300 V，记录电流变化情况，以及饱和电流稳定情况。

(2) 压力特性影响

配制含氚混合气后，通过放气阀门控制压力在80～120 kPa下，以10 kPa变化步阶，每一阶段保持10～20 min，待压力稳定记录电离室流量及变化情况。

(3) 流速影响

通过设定不同流速(0～1 000 mL/min)，调节电离室压力数值处于稳定压力下，记录特定流量下电离室测量信号输出结果，评价气体流速对电离室的影响。

(4) 记忆效应影响

每一浓度实验完毕后，打开除氚床以及循环泵，使含氚样品气连续经过进行过滤回收，在此过程中记录电离室电流变化情况。

(5) 活度测量线性特性影响

氚活度浓度C与电离室电流信号值I成线性关系。通过配制的已知浓度的氚气与测量得到的电流信号值I，按(2)式拟合得到刻度系数K及电离室电流信号值-氚活度浓度及压力影响的刻度关系。

3 结果与讨论

3.1 含氚气体

根据PVT法配制了氚活度浓度C为 2.718×1010Bq/L的含氚气体。通过一定的取样容积，释放不同压力的含氚气体，利用标准气体He+2×10-3H2气源填充至待测所需压力。计算得到气路中氚活度浓度，用于活度浓度测量线性分析。

3.2 饱和电流

根据电离室的工作原理，其不同的气体介质必有不同的饱和电流。通过逐步改变加在电离室上的工作高压Vi开展坪特性测量，随着工作电压Vi不断增加，记录每个工作电压Vi所对应的电流值Ii。从而得到工作电压与饱和电流的关系(图3)。

室温，100 kPa，1 000 mL/min

从0 V开始不断增加负高压，当负高压达到-40 V后，饱和电流达到稳定。实验最终选用稳定的-300 V工作电压。

3.3 压力特性

开始压力特性试验后，保持压力稳定，记录电离室的电流值，根据式(2)绘制电离室80～120 kPa下对应的电流值与氚活度浓度的关系曲线[10]，结果示于图4。

由图4可知，80～120 kPa气压下电离室测量电流值与对应氚活度浓度值线性良好，线性相关系数均约为1。

p，kPa：▲——120，■——110，●——100，◆——90，×——80

3.4 流速影响

在氚实验装置内，保持气压为100 kPa左右，调整流速分别为1 000、500、100 mL/min。记录-300 V电压下，电离室电流变化情况。以氚活度浓度为109量级测量结果为例，在保持气压为100 kPa，流速分别为1 000、500、100 mL/min，-300 V电压下，50 min内电离室IC1、IC2、IC3的平均电流分别为3.27×10-9、3.28×10-9、3.29×10-9A，相对偏差分别为0.21%、0.27%、0.54%，相对偏差均小于1%。

3.5 记忆效应结果

实验前，电离室IC2、IC3测量的本底电流分别为7.61×10-13、7.32×10-13A，实验后分别为9.81×10-13、9.10×10-13A。记忆效应较少，整体管路冲洗30 min后，本底值基本回归电离室初始测量值。

3.6 测量重复性偏差

重复性是评估数据采集系统在短时间内性能稳定性以及放射性活度不确定度评定中的因素之一，通过重复测量某一个工作电压下的电流值的稳定性来评估计数系统的重复性。重复性计算至少取6次测量的标准偏差来评估，通过20 min内每1 min收集一个电流值，取每 4 min电流值的平均值进行重复性的评估，重复性由贝赛尔公式来评价。以氚活度浓度为109量级测量结果为例，重复性结果列于表2。

由表2可知，保持1 000 mL/min、100 kPa，测试每分钟的平均电流，得到其相对标准偏差均小于1%(n=5)，稳定性良好。

表2 100 kPa、1 000 mL/min、20 min内平均电流及相对标准偏差

3.7 活度测量线性特性

采用前述通过PVT法配制的氦中氢载气的含氚气体，按实验要求在80～120 kPa压力条件下，完成氚活度浓度C与电离室电流信号值I线性关系的标定正交实验。通过配制的已知浓度的氚气与测量得到的电流信号值I，按式(2)拟合可得到电离室电流信号值-氚活度浓度及压力影响的线性刻度关系及刻度系数K。

反之，若不在压力范围内，氚活度浓度与电流值成非线性关系，由式(1)变换得到式(3)、式(4)，由式(4)左侧对p经线性拟合，即可得到压力指数A和B[11]：

(3)

(4)

通过实验测试后自主研制的镀金电离室IC1、IC2、IC3刻度系数分别为1.35×1018、1.34×1018、1.33×1018。其线性相关系数均约为1。

4 结 论

(1) 电离室IC1、IC2、IC3经过气压修正后的刻度系数分别为1.35×1018、1.34×1018、1.33×1018。其线性相关系数均约为1。对不同浓度氚气响应正常，浓度与配气浓度基本符合。

(2) 在1 000 mL/min、100 kPa条件下，测试每分钟的平均电流，稳定性良好，相对标准偏差小于1%(n=5)。

(3) 保持气压为100 kPa左右，调整流速为1 000、500、100 mL/min，在气压不发生改变的情况下，电离室IC1、IC2、IC3测量值相对偏差均小于1%。

(4) 记忆效应较少，整体管路冲洗30 min后，本底值基本回归电离室初始测量值。