氢同位素形态对电离室氚测量的影响

李语奇,徐鹏程,占 勤,杨丽玲,杨洪广

(中国原子能科学研究院,北京 102413)

电离室能直接对氚的放射性活度浓度进行测量,是快速确定含氚气体活度浓度的分析方法。随着聚变堆与其他涉氚系统的发展,在线氚活度浓度测量提出了更精准的要求。理想情况下,进入电离室灵敏体积内所有氚气的β射线能量均作用于电离工作气体,且产生的所有电离离子都被收集[1]。实际上,在离子往两极运动过程中,部分正负离子将以复合的方式损失,导致输出电流减弱[2]。在氚活度浓度高于1×104MBq/L的氚测量时,电离室氚活度浓度测量值要低于实际值,因为电离室内的正负离子浓度增加,离子复合发生概率增大,影响电离室的收集效率[3]。根据Jesse等[4]在1952年α粒子的电离实验,在氦气(He)环境中加入少量的其他气体,会影响各种辐射电离产生的离子数量,这部分离子也会对电离室最终的输出信号产生影响。

在聚变堆氚增殖剂产氚或载带提取的载带气体He中,不同形态的氢同位素气体[5]会对氚测量结果产生影响。因此本研究建立一套循环氚测量实验系统,该系统能准确模拟聚变堆包层氚提取循环状态,可根据实验需求配制气体。本文主要工作是利用电离室氚测量时的复合效应理论与He+H2体系理论[6],结合电离室、色谱、露点仪等测量手段,在循环氚测量实验装置上分析He中含有H2O、HTO、H2等不同氢同位素气体形态对氚测量的影响。

1 实验原理

电离室的工作原理是通过电离工作气体使其产生正负离子对[7],并收集离子产生电流。在电离室内被电离的正负离子浓度(n±(r))可分别用下式表示[8]:

(1)

(2)

式中:a、b为电离室的几何结构;n0为氚浓度;u+、u-为载气成分的正负离子漂移速度;V为电离室上所加高压。

1.1 电离室内的离子复合损失

电离室内正负离子浓度分布取决于电离室的几何结构、氚浓度、离子漂移速度和电离室工作高压。当含氚气体中含有大量水汽,会使电离室壁污染,影响电离室的探测效率[9],如图1所示。

图1 电离室HTO去除与本底结果[10]Fig.1 Ionization chamber HTO decontamination and background result[10]

实际上,导致电离室内收集效率下降的主要原因是H2O与HTO等负电性气体的存在,使得离子发生复合的概率增大。根据测量电流计算公式[11],电离室内离子收集效率下降将导致测量电流下降,电离室测量的氚活度浓度与电流呈正比,所以测量值低于实际值,如下式所示:

(3)

式中:Ig为β射线在灵敏体积内电离产生的电离电流,A;Cg为电离室待测气体中的氚活度浓度,Bq/L;Ve为电离室灵敏体积,L;φ为电离室收集效率,%;E为衰变产生的沉积能量;e为电子电荷,1.6×10-19C;ζ为被气体吸收的β射线发射能量的百分比;W为电离能,eV。

1.2 电离室的电离增强效应

电离室内的工作气体He在吸收β射线能量后,除去电离反应外,一部分原子将处于激发态,导致其他气体(H2)被电离,从而产生电离离子对[12]。而He被β射线电离的同时也将生成带有一定能量的自由电子,也可能导致发生其他电离过程。β射线在He-H2体系中的能量传递过程如图2所示[12]。

图2 β射线在He-H2体系中的能量传递过程Fig.2 Energy transfer of β-ray in He-H2 system

在聚变堆包层或者其他氚提取系统中,H2浓度高于2 000 ppm时,根据电离增强理论[13],电离增强系数K逐渐趋于饱和,所以可使用K对在线测量的氚活度浓度进行修正。已有的氢浓度与电离增强系数的关系如表1所列。

表1 氢浓度与电离增强系数的关系[13]Table 1 Relationship between hydrogen concentration and ionization enhancement coefficient[13]

2 实验部分

2.1 实验系统

本研究搭建了一套氚测量实验系统,主要包括氢氚混合气配置单元、气路循环单元、电离室与露点仪测试单元(IC-1前端与IC-2后端)、色谱分析单元、水汽干燥单元等。可以实现气体配制、气体浓度的测量和循环氚活度的测试等功能。实验系统装置结构如图3所示。

图3 循环氚测量实验系统Fig.3 Experimental system for tritium measurement

其中色谱分析单元针对氢同位素气体的检测分析,搭载了双检测器(DID &TCD),其载气、放电气和参比气均选用He[14]。对于He中含有微量H2的高精度气相色谱分析研究,最低检测限小于10 ppb,且各浓度下响应值的相对标准偏差均小于1%,响应值与浓度的相关系数R>0.99[15]。H2含量与色谱峰面积的关系如图4所示。

图4 氢含量与色谱峰面积的关系Fig.4 Relationship between hydrogen content and chromatographic peak area

2.2 实验方法

1) 本底测试

系统内载气为高纯He时,记录电离室氚活度浓度与色谱的分析本底结果。待全部实验结束后,测量高纯He载气条件下的电离室本底。比较实验前后电离室的氚活度浓度。

2) 水汽影响实验

实验载气为He中含有微量H2(He+H2)时,利用气体配制单元配制实验所需气体,持续充入循环系统中(速率为10 mL/min),记录电离室(IC-1与IC-2)与色谱数据,评价H2O与HTO对电离室与色谱的影响。

3) 复合效应与电离增强特性影响实验

将干燥的HT气体持续充入循环系统(速率为10 mL/min),记录电离室与色谱测量情况并计算氚活度浓度。载气条件为纯He时,分析高浓度氚条件下复合效应对电离室测量影响情况;载气条件为He与H2的混合载气时,分析电离增强效应对电离室测量结果的影响。

3 结果与讨论

3.1 水汽对电离室与色谱测量的影响

往循环系统中持续充入等量湿润的He后,电离室测量电流从3.6×10-8A降低至1.5×10-8A,有明显的下降趋势。因为氧原子等负电性的存在导致俘获电子发生复合的概率增大,腔室内的离子数量减少,离子收集效率下降,所以电离室测量得到的电流降低,实验结果如图5所示。

图5 水汽含量与电流测量结果随时间的变化Fig.5 Change of water vapor content in system and measurement result of current with time

往循环系统中持续充入等量湿润的含氚He,当水汽含量超过200 ppm后,加快充入气体速率(由10 mL/min加快至50 mL/min),水汽与氚在未被去除的情况下,水汽含量上升速度明显加快,电离室氚活度浓度测量值增加趋势率由7.2×103(MBq/L)/min明显减缓至3.0×103(MBq/L)/min。主要原因是氧原子增加后其负电性导致的复合效应,也说明水汽对电离室的能量沉积具有负面影响。电离室、色谱与露点仪测量结果如图6所示。

图6 测量结果随时间的变化Fig.6 Relationship between measurement result and time

经上述水汽对电离室测量的影响实验后,系统保持循环状态并开启水汽干燥单元,继续往循环气路持续充入等量湿润的含氚He,实验结果如图7所示。水汽干燥床前端的水汽含量趋于平缓,即露点仪测量得到的水汽含量与充入气体中的水汽含量一致。电离室IC-2(干燥床出口处)氚活度浓度从7.5×105MBq/L降低至1.4×105MBq/L,电离室测量得到的氚活度浓度低于充入系统含氚He中的氚活度浓度(实际值),主要原因是在湿润的含氚He充入系统的过程中,氚与水汽发生了同位素交换,经过干燥床后,系统中的水汽(H2O与HTO)全部被吸附,导致系统内的含氚量低于充入的含氚量。

图7 水汽干燥单元开启时测量结果随时间的变化Fig.7 Relationship between measurement result and time in opened water vapor drying unit

在图7中,干燥床出口(去除水汽后)色谱氢含量测量(图3色谱取样口1)结果恢复稳定,说明水汽影响了气相色谱的性能,从而影响了对气体成分的分析。

3.2 复合效应的影响

电离室内的复合效应取决于多个因素,当电离室的工作电压保持不变时,电离室内的HT浓度达到16 000 ppm时,复合效应明显,氚活度浓度测量值低于8.1×105MBq/L,电离室测量结果如图8所示。

图8 电离室测量结果随时间的变化Fig.8 Relationship between ionization chamber measurement result and time

为了研究高浓度氚电离室测量中的复合效应,对色谱氢含量测量值进行计算得到对应的氚活度浓度,并对电离室测量值进行修正,结果如图9所示。当系统中的HT含量在5 000 ppm以下时,电离室修正后的氚活度浓度与色谱计算的基本一致,且与充入HT的标准活度浓度的相对标准偏差不超过3%。而当系统中的HT含量超过10 000 ppm后,电离室中的复合效应明显,电离室的氚活度浓度低于实际值。

图9 色谱计算氚活度浓度与电离室测量值修正结果对比Fig.9 Comparison of chromatographic content calculation for tritium activity concentration and ionization chamber correction

综上所述,对于复合效应的影响,可利用色谱氢含量计算的氚活度浓度数据标定电离室的复合系数,实现未知高浓度氚条件下的测量值修正,也可通过增大电离室工作电压达到电离室的饱和电流,解决上述复合效应的影响。

3.3 电离增强效应的影响

当含氚气体充入循环系统后,不同载气条件下电离室与色谱分析测量的结果如图10所示。两次实验中色谱分析得到的氢同位素含量接近时,电离室氚活度浓度测量结果存在明显差异。结果表明,纯He条件下系统中的氚仅通过电离He产生信号。但在载气中加入了H2后,随着H2浓度的增加,电离室的信号增强效应明显,氚活度浓度测量值高于实际值,当系统内的H2含量超过2 000 ppm,其增强因子也趋向于饱和状态。

图10 不同载气条件下电离室与色谱分析测量的结果Fig.10 Ionization chamber and chromatographic measurement result under different gas conditions

对两次实验结果的复合系数、电离增强系数、压力、温度等参数进行修正,在1 000～3 000 ppm的氚含量范围内计算得到的活度浓度基本一致,结果如图11所示。由此可见,未经过修正的测量数据与实际值差距较大。

图11 氚活度浓度修正值与测量结果对比Fig.11 Comparison of tritium activity concentration correction and measurement result

为了实现高效的测量与分析,在高浓度涉氚场所中进行实时在线测量时,仍然需要对各类影响电离室的因素开展相关特性实验,并考虑复合效应以及电离增强效应的影响。

3.4 记忆效应的影响

本文中使用的镀金丝壁电离室,灵敏体积为50 mL。测量实验前后本底测试结果如表2所列。全部实验结束后,相较于实验开始时本底稍有增加,镀金处理与丝壁结构减少了腔室内壁对HTO以及HT的吸附作用。对系统循环吹扫并回收管路中的HTO与HT,也减少了滞留效应导致的记忆效应,说明在高浓度的环境中工作后记忆效应并不明显,并不会影响其他实验中的测量。

表2 本底测试结果Table 2 Background test result

4 结论

1) 电离室与色谱对氢同位素气体的探测效率,在存在水汽气体的环境时低于干燥的气体环境。为了保证测量的准确性,测量时应分离或去除水汽。

2) 当载气中H2O、HTO、HT的浓度增加,电离室测量时的复合效应增强,导致电离室测量结果低于实际值,可考虑增大电离室工作电压或者对标定复合系数修正来解决此问题。

3) 当氢气存在于氦载气的环境中,由于电离增强效应的影响,含氚气体的氚活度浓度测量结果将增大,但当氢含量超过2 000 ppm后,其电离增强效应将趋近于饱和状态。