陳 華，丁大杰，卓仁鴻，文德智，呂己祿，鄭 慧，成 晶，袁永剛，雷家榮，陳志林,*

1.中國工程物理研究院 核物理與化學研究所，四川 綿陽 621000;2.中國工程物理研究院，四川 綿陽 621000

基于電離室測氚原理的便攜式氚測量儀已廣泛應用于核設施外環(huán)境和工作場所的空氣中氚濃度監(jiān)測[1-3]，其現(xiàn)場校準的需求日益突出。中國原子能科學研究院的陳細林等[4]利用氚水蒸氣空氣源作為氚測量儀器的校準源，建立了一個較大的封閉空間，可以放置多達12臺待校準儀器在此空間內(nèi)同時校準。儀器在校準過程中完全沉浸在含氚氣體內(nèi)，可能由于氚的吸附效應等導致沾污。中國核動力研究設計院的洪永俠[5-6]、吳甜甜[7]等對鼓泡法產(chǎn)生標準氚氣的分餾系數(shù)等進行了研究，在校準便攜式氚測量儀時，使用鼓泡法產(chǎn)生參考氚氣并引入一臺傳遞儀器進行量值傳遞。該法需對傳遞儀器進行校準，且對鼓泡過程的溫度控制要求較高。中國原子能科學研究院羅瑞等[8]通過破碎密封氚氣源并采用稱量稀釋的方式，實現(xiàn)了標準氚氣的制備。該法采用的稀釋系統(tǒng)復雜，且氚氣源為一次性破碎消耗品，不可重復使用。由于標準氣態(tài)氚源不易獲取和操作，國內(nèi)目前尚無便攜式氚測量儀的可靠校準方式。為了滿足便攜式氚測量儀的量值溯源需求，本工作擬采用PVT方法產(chǎn)生參考氚氣并對其量值傳遞過程進行研究。

1 PVT方法原理

理想氣體(PVT系統(tǒng))的狀態(tài)方程如下：

pV=nRT

(1)

式中：p，氣體的壓強，Pa；V，氣體的體積，m3；n，氣體的物質(zhì)的量，mol；R，理想氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T，氣體絕對溫度，K。

根據(jù)氚的放射性衰變規(guī)律，其活度濃度C(Bq/m3)的計算如下：

(2)

式中：λ，氚的衰變常數(shù)，1.781×10-9s-1；f，氣體中氚的分壓比例，f=1；NA，阿伏伽德羅常數(shù)，6.022×1023mol-1。

根據(jù)式(2)，同一氚氣在不同的溫度和壓強條件下，其活度濃度、溫度和壓強之間滿足式(3)。

(3)

若已知初始溫度(T1)、壓強(p′)和活度濃度(C1)，則通過式(3)，可以通過測量氣體溫度(T2)和壓強(p2)參數(shù)，計算得到該氣體的活度濃度(C2)。

為了保障便攜式氚測量儀校準裝備的使用次數(shù)，在初始灌裝氚氣的時候需要灌裝較高初始活度濃度的氚氣，然后利用PVT法通過擴大體積的方式進行逐級稀釋從而產(chǎn)生合適濃度的參考氚氣。進行第一次稀釋的時候，裝備氣路為第一級緩沖容器，其體積為V1，進行第二次稀釋的時候接入第二級緩沖容器和待校準的儀器，裝備氣路體積變?yōu)?V1+V2+V儀器)，此時的參考氚活度濃度(C′)的計算公式如式(4)。

(4)

式中：V1，第一級緩沖容器的體積，mL；V2，第二級緩沖容器的體積，mL；V儀器，待校準儀器的體積，mL；C0，灌裝氚氣的初始活度濃度，Bq/L；p0，灌裝氚氣的初始壓強，Pa；t0、t1，灌裝氚氣的初始溫度和第一次稀釋時的氚氣溫度，℃；p1，第一次稀釋之后的壓強，Pa；p，第二次稀釋之后的壓強，Pa。

2 參考氚氣的配制和絕對測量

2.1 參考氚氣的配制和絕對測量流程

參考氚氣的制備、校準以及便攜式氚測量儀的校準流程示于圖1。在配制參考氚氣時，首先對整個氣路抽真空，然后關閉所有閥門，將校準氣路分為獨立封閉的小體積。打開氚氣瓶的閥門，將氣瓶內(nèi)的標準氚氣經(jīng)減壓閥釋放到第一級緩沖容器內(nèi)，關閉減壓閥并記錄此時第一級緩沖容器內(nèi)的氣體壓強和溫度參數(shù)。然后打開一、二級緩沖容器之間的閥門，將氚氣的體積擴大，進行氚氣濃度的稀釋。將待校準的儀器進出氣口分別接入氣路系統(tǒng)，打開閥門給氣路補充空氣，待氣路內(nèi)壓強與大氣平衡后，關閉該閥門，將待校準儀器的校準氣壓條件與工作時的氣壓調(diào)節(jié)一致。由于配制參考氚氣時，首先對氣路抽真空，且標準氚氣的壓強為負壓，因此包含補空氣過程在內(nèi)，整個配氣的氣路壓強均小于大氣壓，可以實現(xiàn)氚氣在氣路內(nèi)的包容，從而保障了操作人員的輻射安全。

圖1 參考氚氣的配制以及便攜式氚測量儀的校準流程

使用碳纖維高壓氣瓶作為氚氣瓶，向其內(nèi)灌裝一定量的氚氣，測量灌裝后氚氣瓶壓強(p0)和溫度(t0)，并使用經(jīng)檢定的電離室裝置測量灌裝之后氚氣瓶內(nèi)的氚氣初始活度濃度(C0)，然后將其作為標準氚氣。標準氚氣經(jīng)緩沖容器稀釋之后，使用式(4)可計算得到稀釋后的氚氣活度濃度的理論值(C′)，對其取樣并使用國防科技工業(yè)5116二級計量站的放射性氣體活度測量裝置進行校準測量，可得到稀釋后緩沖容器內(nèi)的氚氣活度濃度測量值(Cdet)，比較兩者的相對誤差以驗證PVT方法配制的參考氚氣的準確性和可靠性。將待校準儀器接入便攜式氚測量儀校準裝備，使用待檢儀器進行測量，通過儀器示值與參考氚濃度值(Cdet)的比較，即可實現(xiàn)便攜式氚測量儀的校準。

2.2 實驗驗證

利用氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)對氚氣瓶檢漏合格后，使用實驗室氚氣源對其進行灌裝，灌裝過程中使用壓力計、溫度計和電離室對氚氣瓶內(nèi)的壓強、溫度和氚活度濃度進行測量。灌裝過程中，首先對灌裝氣路抽真空至-95.0 kPa，然后使用氣體擴散的方式，將實驗室氚氣擴散灌裝到氚氣瓶內(nèi)。灌裝完成之后，氚氣瓶內(nèi)的壓強為-10.3 kPa，氚氣溫度為25.1 ℃，使用經(jīng)檢定的電離室裝置測得灌裝的氚氣初始活度濃度C0=3.05×108Bq/L(Ur=5.00%)。C0的不確定度分量包括：電離室裝置的不確定度(5.00%)和測量不確定度(0.02%)。

按照圖1的流程，研制了如圖2所示的便攜式氚測量儀校準裝備，其操作界面如圖3所示，該裝備外形尺寸為73 cm×40 cm×25 cm，質(zhì)量為24.88 kg，可滿足便攜式氚測量儀現(xiàn)場校準的遂行需求。該裝備將氚氣瓶內(nèi)的初始氚氣經(jīng)過體積分別為V1=28.0 mL和V2=564.7 mL的兩級緩沖容器稀釋，制備了參考氚氣，其理論值為C′，使用體積為20.0 mL的取樣容器對稀釋后的氚氣進行取樣，并使用中國工程物理研究院核物理與化學研究所電離輻射計量站的放射性氣體活度標準裝置進行測量，其測量值為Cdet，兩者的差異比較列入表1。

表1 參考氚氣的理論值及測量值比較

圖2 便攜式氚測量儀校準裝備

F1——F9閥門

參考氚氣的配制過程中，首先關閉閥門F1、F4—F6和F9，打開真空泵將裝備氣路整體抽真空至-94.9 kPa(p)，關閉閥門F2、F3和F8。然后打開氚氣瓶的閥門、減壓閥和閥門F1，向第一級緩沖容器充入氚氣至壓強為-79.9 kPa(p1)，關閉減壓閥和氣瓶閥。然后打開閥門F2，將氚氣向第二級緩沖容器稀釋(增大氚氣的體積)至壓強為-79.2 kPa，計算得到參考氚氣的活度濃度C′=2.50×106Bq/L，其不確定分量包括：初始氚濃度的不確定度(5.00%)、溫度計引入的不確定度(0.14%)和壓力計引入的不確定度(0.01%)，其合成不確定度Ur=5.00%。將取樣容器內(nèi)的氣體導入放射性氣體活度標準裝置進行測量，測得的樣品氚活度濃度Cdet=2.48×106Bq/L(Ur=2.50%)，兩者相對誤差為0.81%。

3 現(xiàn)場校準功能的初步測試

將實驗室現(xiàn)有的便攜式氚測量儀(品牌：OVERHOFF，型號：MODEL 400SBDγC，電離室體積V儀器=440 mL)連接至研制的便攜式氚測量儀校準裝備進行校準功能測試。在測試過程中，首先對連接的整個氣路抽真空至-95.0 kPa(p)，然后經(jīng)氣瓶閥、減壓閥和閥門F1向第一級緩沖容器充入氚氣，充入氚氣之后的壓強為-93.0 kPa(p1)，然后關閉所有閥門，打開閥門F2—F5將第一級緩沖容器的氚氣擴散至整個校準氣路，此時的氣路壓力低于大氣壓，打開閥門F6向氣路內(nèi)補充空氣，觀察壓力計示值，當其示值為“0.00”(即氣路內(nèi)壓強與大氣壓強平衡時)迅速關閉閥門F6，避免氚氣泄露。在此過程中，氣路內(nèi)的壓強一直保持在負壓，避免了氚氣向氣路外泄漏，實現(xiàn)了氚氣的包容和人員的防護。

使用式(4)計算得到校準氣路內(nèi)的氚活度濃度C′=1.98×105Bq/L，合成不確定度Ur=5.01%，滿足參考檢驗源的活度濃度約定真值的不確定度應不超過±10%的要求[9]。配制不同濃度參考氚氣進行測試，便攜式氚測量儀的測定值和校準結果列入表2。

表2 便攜式氚測量儀的氚活度濃度測量值和校準結果

經(jīng)過現(xiàn)場校準功能測試，便攜式氚測量儀的相對固有誤差小于11%，滿足“相對固有誤差不超過±30%”的規(guī)定[9]。便攜式氚測量儀校準裝備實現(xiàn)了便攜式氚測量儀的校準功能。

4 結 論

根據(jù)PVT方法研制了便攜式氚測量儀現(xiàn)場校準裝備，配制了參考氚氣并使用放射性氣體活度標準裝置對其進行了校準測量，測量結果與理論計算結果相對誤差為0.81%，證明PVT方法制備參考氚氣可行，配制的參考氚氣不確定為5.00%，滿足現(xiàn)場校準對于參考檢驗源的要求。

采用研制的便攜式氚測量儀校準裝備開展了便攜式氚測量儀的現(xiàn)場校準實踐，結果表明該裝備可以滿足便攜式氚測量儀的遂行校準需求。

對于研制的便攜式氚測量儀校準裝備，其氚氣源的穩(wěn)定性、氣路系統(tǒng)的吸附和記憶效應等的改善均是下一步工作需要關注的重點。