【摘要】：氚是聚變堆的主要燃料,例如聚變功率為500 MW的ITER裝置每年需要消耗的氚量為千克量級;氘氚反應(yīng)后未燃燒的氚中一部分將進(jìn)入聚變裝置的面向等離子體材料(第一壁和偏濾器)和結(jié)構(gòu)材料中,成為材料中的氚。在裝置維護(hù)過程中,材料表面的氚易通過皮膚接觸的方式進(jìn)入人體組織器官。由于氚是一種β放射性核素,進(jìn)入人體組織的氚會產(chǎn)生內(nèi)照射危害:在涉氚操作場所中,接觸被氚污染的表面是氚工作人員輻射劑量的重要來源。因此,從輻射防護(hù)角度出發(fā),為確保人員安全和環(huán)境安全,需要對材料表面氚污染水平進(jìn)行監(jiān)測。此外,聚變堆環(huán)境下,除氚外還有中子活化材料產(chǎn)生的Y輻射。因此,類似場景中的氚測量需要在Y背景輻射下進(jìn)行,相應(yīng)的氚測量技術(shù)應(yīng)具備消除γ射線影響的能力。本文針對當(dāng)前主要氚測量技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)γ背景下氚污染水平直接、準(zhǔn)確測量的問題,采用一種多絲電離室作氚β射線探測器原型,通過理論研究的方法來確定電離室的結(jié)構(gòu)。采用基于有限元法的ANSYS軟件模擬計(jì)算多絲電離室在不同幾何結(jié)構(gòu)和極間偏壓下靈敏體積內(nèi)電場分布,系統(tǒng)研究了絲半徑R、絲間距D、極間距離H和極間偏壓U變化對電離室電場的影響。結(jié)果表明,多絲電離室內(nèi)的電場分布類似于平板型電離室,減小絲半徑R、絲間距D、極間偏壓U和增大極間距離H可以有效的減小電離室中電場強(qiáng)度的變化幅度,從而獲得穩(wěn)定的電場。采用MCNP5程序計(jì)算了氚β射線和γ射線在不同幾何結(jié)構(gòu)電離室中的能量沉積,研究電離室靈敏區(qū)高度對β/γ射線能量沉積的影響。結(jié)果表明,β/,γ々射線的能量沉積隨電離室靈敏區(qū)高度的增大而指數(shù)增大。當(dāng)電離室靈敏區(qū)高度小于0.5cm時(shí),靈敏區(qū)高度改變會引起氚β能量沉積的顯著變化。采用MCNP5程序模擬計(jì)算不同工況下β/Y射線在電離室中的能量沉積,研究電離室壁材料、空氣濕度、空氣壓強(qiáng)對β/γ射線能量沉積的影響。結(jié)果表明,電離室壁材料的改變對氚β射線的能量沉積幾乎沒有影響,而對Y射線在電離室中的能量沉積有較大影響,例如MeV能量γ射線在鋁合金電離室和不銹鋼電離室中的能量沉積相對比例為～85%,選取低原子序數(shù)材料作電離室壁可以有效減小Y射線的能量沉積。空氣濕度對β/γ射線能量沉積影響的計(jì)算結(jié)果表明,空氣濕度的改變會對氚β射線的能量沉積產(chǎn)生很大影響,空氣濕度在40%時(shí),β射線具有最小的能量沉積,適宜氚測量的空氣濕度是在20%以下;而空氣濕度的改變對γ射線的能量沉積沒有影響。氣體壓強(qiáng)對β/γ射線能量沉積影響的計(jì)算結(jié)果表明,氚β射線的能量沉積在1 atm時(shí)達(dá)到飽和,繼續(xù)增大壓強(qiáng)不會顯著改變其在電離室中的能量沉積;γ射線的能量沉積隨氣體壓強(qiáng)的增大而線性增大�；谝愿稍锟諝鉃樘綔y介質(zhì),P/γ射線在100 cm2不銹鋼電離室中的能量沉積數(shù)據(jù)評估γ射線對電離室中氚電離電流的影響。結(jié)果表明,MeV量級的γ射線在測量面積為100 cm2電離室中的能量沉積僅為幾十電子伏的量級,與氚β射線在該電離室中能量沉積5.05 keV相比很小;1 Bq/cm2氚和幾百Bq/cm2的γ放射性核素在一個100 cm2不銹鋼電離室中產(chǎn)生的電流信號相當(dāng)。本文基于多絲電離室電場構(gòu)型以及β/γ射線在電離室中能量沉積的理論研究,驗(yàn)證了多絲電離室用于γ背景下材料表面氚污染測量的可行性,建立了用于材料表面氚污染測量的多絲電離室結(jié)構(gòu)原型;電離室探測面積100cm2,陰極是絲間距D為1.0mm,絲半徑R為10 μm鍍金鎢絲構(gòu)成的絲陣列,陽極為鋁合金平板,極間距離H為4.0 mm,以空氣作為探測介質(zhì);論文工作為γ背景下材料表面氚測量電離室的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)。
【圖文】：

電離室是被廣泛使用的氚測量裝置之一，工作在離子收集電壓電流曲線的飽和區(qū)；逡逑在l#工藝監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測和防護(hù)監(jiān)測領(lǐng)域均有應(yīng)用。典型的材料表面氚污染水平監(jiān)測儀逡逑（ＳＡＭ）的結(jié)構(gòu)如圖１．１所示［５］邋，邋ＳＡＭ監(jiān)測儀利用可更換的塑料膠黏劑連接監(jiān)測儀和逡逑被測材料表面形成封閉的電離室靈敏區(qū)，材料表面（近表層）氚衰變發(fā)射的（３射線射入逡逑監(jiān)測儀靈敏區(qū)誘發(fā)氣體介質(zhì)電離，產(chǎn)生電子離子對；在外加電場作用下，靈敏區(qū)內(nèi)的電逡逑子、離子分別向兩極漂移形成電流信號。忽略離子對漂移過程中的擴(kuò)散、復(fù)合損失，輸逡逑出電流信號的大小和材料表面氚濃度成正比。加拿大Ｔｙｎｅ公司基于ＳＡＭ工作原理設(shè)計(jì)逡逑研發(fā)的l#表面污染監(jiān)測儀Ｍｏｄｅｌ邋７００１，測量面積１００邋ｃｍ２，測量范圍３．邋７－２２２０邋Ｂｑ／ｃｍ２，逡逑靈敏度±２．邋８邋Ｂｑ／ｃｍ２［ｌ９］。美國ＴＡ公司研制的ＴＲＩ－ＰＥＲ用于檢測貯氚容器材料的氚滲逡逑漏，測量范圍（（３７ｋＢｑ／ｍ３＿３．７Ｘ１０８Ｂｑ／ｍ３），測量過程如圖１．２所示，由于探測過程逡逑中使用橡膠密封圈粘結(jié)探測器和被測表面，避免了儀器使用過程中由被測表面平整度和逡逑曲面弧度對探測器應(yīng)用的限制［２（）］。托克馬克聚變試驗(yàn)堆（ＴＦＴＲ）在１９９３至１９９７年運(yùn)逡逑行期間，大約？５３０００Ｃｉ的氚注入ＴＦＴＲ真空瓶中，等離子體反應(yīng)結(jié)束后經(jīng)過三個月的除逡逑氚操作后仍有？７５００Ｃｉ的l#滯留在裝置中。Ｇｅｎｔｉｌｅ邋Ｃ邋Ａ［２１］等采用開壁式電離室對ＴＦＴＲ逡逑限流器石墨磚中滯留的氚含量進(jìn)行現(xiàn)場、遠(yuǎn)程測量

電離室是被廣泛使用的氚測量裝置之一，工作在離子收集電壓電流曲線的飽和區(qū)；逡逑在l#工藝監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測和防護(hù)監(jiān)測領(lǐng)域均有應(yīng)用。典型的材料表面氚污染水平監(jiān)測儀逡逑（ＳＡＭ）的結(jié)構(gòu)如圖１．１所示［５］邋，邋ＳＡＭ監(jiān)測儀利用可更換的塑料膠黏劑連接監(jiān)測儀和逡逑被測材料表面形成封閉的電離室靈敏區(qū)，材料表面（近表層）氚衰變發(fā)射的（３射線射入逡逑監(jiān)測儀靈敏區(qū)誘發(fā)氣體介質(zhì)電離，產(chǎn)生電子離子對；在外加電場作用下，靈敏區(qū)內(nèi)的電逡逑子、離子分別向兩極漂移形成電流信號。忽略離子對漂移過程中的擴(kuò)散、復(fù)合損失，輸逡逑出電流信號的大小和材料表面氚濃度成正比。加拿大Ｔｙｎｅ公司基于ＳＡＭ工作原理設(shè)計(jì)逡逑研發(fā)的l#表面污染監(jiān)測儀Ｍｏｄｅｌ邋７００１，測量面積１００邋ｃｍ２，測量范圍３．邋７－２２２０邋Ｂｑ／ｃｍ２，逡逑靈敏度±２．邋８邋Ｂｑ／ｃｍ２［ｌ９］。美國ＴＡ公司研制的ＴＲＩ－ＰＥＲ用于檢測貯氚容器材料的氚滲逡逑漏，測量范圍（（３７ｋＢｑ／ｍ３＿３．７Ｘ１０８Ｂｑ／ｍ３），測量過程如圖１．２所示，由于探測過程逡逑中使用橡膠密封圈粘結(jié)探測器和被測表面，避免了儀器使用過程中由被測表面平整度和逡逑曲面弧度對探測器應(yīng)用的限制［２（）］。托克馬克聚變試驗(yàn)堆（ＴＦＴＲ）在１９９３至１９９７年運(yùn)逡逑行期間，大約？５３０００Ｃｉ的氚注入ＴＦＴＲ真空瓶中，等離子體反應(yīng)結(jié)束后經(jīng)過三個月的除逡逑氚操作后仍有？７５００Ｃｉ的l#滯留在裝置中。Ｇｅｎｔｉｌｅ邋Ｃ邋Ａ［２１］等采用開壁式電離室對ＴＦＴＲ逡逑限流器石墨磚中滯留的氚含量進(jìn)行現(xiàn)場、遠(yuǎn)程測量
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TL627

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