赵超 陆小军 胡玲 何林锋 刘佳煜 唐方东/上海市计量测试技术研究院

0 引言

气载放射性碘是核设施安全监测的主要对象之一，切尔诺贝利核事故与福岛核事故中，放射性碘（尤其是131I）是公众辐射暴露的主要来源之一[1,2]。气载放射性碘监测仪是将空气中的气载放射性碘采样收集至滤纸或活性炭滤盒内，用γ谱仪测量采样样品内放射性碘的活度，并根据采样气体的体积推算空气中气载放射性碘的活度浓度[3-5]。因此为校准气载放射性碘监测仪对采样样品的活度响应，应该以采样有131I的滤纸或活性炭滤盒为参考源，以保证校准所得活度响应具有代表性。尤其针对活性炭滤盒的情况，131I在其内部呈指数分布，为保证分布的一致性，还应使参考源制备时的采样条件与被校准仪器的典型工况保持一致。但由于131I半衰期短（8.03 d），其参考源无法长久保存，国内外长期以来一直用133Ba替代131I对气载放射性碘监测仪进行校准[6-8]。由于133Ba的能谱结构以及几何分布都与正常131I采样测量样品之间存在差异，校准结果的准确性难以得到可靠保证，Zimmerman等指出133Ba替代131I刻度极可能引入相当大的误差，某些情况下可高达实际值的300%[9]。

本研究针对气载放射性碘在碘室内的行为规律建立物理模型，并通过实验确定物理模型中的关键参数，从而建立一套气载放射性碘参考源的制备方法。基于这项技术，结合气载放射性碘参考源活度定值方法[10]，上海市计量测试技术研究院建立了社会公用计量标准“气载放射性碘监测仪校准装置”。

1 气载放射性碘室

之前的研究中，提出了一种由Na131I溶液与Fe2(SO4)3溶液反应生成气载放射性碘的方法，生成的气载放射性碘由流速1.8 L/min的载气带出[11]，而气载放射性碘监测的采样流速范围为20～200 L/min[7]。由于流速不匹配，不能直接从反应装置中采样制备参考源，为此研制了一套气载放射性碘室（简称为“碘室”）作为中继装置，由Na131I溶液生成的气载放射性碘以气体的形式暂存于碘室内，制备参考源时模拟环境采样典型工况从碘室内采样。

研制的气载放射性碘室及采样用设备如图1所示。气载放射性碘室主要由位于上方的密闭腔体和下方的支撑部件组成。密闭腔体是气载放射性碘的临时存储场所，内腔近似为 1 m×H1 m的圆柱体，容积为785 L，腔体带有照明、温度控制和多方向气流等功能，电源及各功能模块的开关集成于支撑柜内。

图1 气载放射性碘室及采样用设备

2 气载放射性碘参考源制备流程及其物理模型

气载放射性碘参考源制备流程如下：1）由Na131I溶液与Fe2(SO4)3溶液反应生成气载放射性碘；2）气载放射性碘注入碘室；3）气载放射性碘存储于碘室；4）从碘室内采样制备气载放射性碘参考源。该过程中每个环节都伴随着量的变化，如果充分掌握每个环节的气载放射性碘行为规律，则可以预测乃至规划设计最终制备的参考源的活度。

从碘室内采样制备气载放射性碘参考源，采样的活度As应满足：

式中：As——采样放射性碘的活度；

C(t)——碘室内气载放射性碘活度浓度随时间t的变化函数；

V——气载放射性碘室的容积；

Q——采样流速；

T——采样时长

式（1）的物理含义为：从气载放射性碘室内采样，实际上是以流速Q的速度，从气载放射性碘室内换气，气载放射性碘室内的活度随着时间以换气率Q/V的速度指数衰减，减少的部分即为采样所得。

碘室内气载放射性碘活度浓度C(t)则满足：

式中：A0——投入反应的Na131I活度；

Y——气载放射性碘的生成产率；

Iin——气载放射性碘注入气载放射性碘室时注入的比例（未注入部分的主要损失在输送管道和入口处）；

Ta——t时刻之前每一次采样的累积时长；

D(t)——沉积函数，是131I进入碘室后的沉积份额随时间变化函数；

V——气载放射性碘室的容积

式（2）的物理含义为：由投入反应的Na131I活度，考虑气载放射性碘生成产率、进入碘室的损失、沉积的损失以及被采样的损失，即为其现存活度。

综上可得：

在之前的研究中，产率Y的取值为78.7%±4.4%[11]，但随着一系列改进措施的推出[12]，新型制备装置的产率Y已经可以达到95%±3%；V的取值为785 L；A0、Q、Ta、T、t均为可控参数；Iin与D(t)的取值需要通过实验测定。

3 气载放射性碘室隔室模型

隔室模型是一种常用于描述物质转移过程的物理模型。本研究尝试利用隔室模型描述气载放射性碘在碘室内的沉积与再悬浮，并通过实验验证。由于碘室内的放射性碘可能悬浮于碘室内的空气中，也可能凝结沉积于碘室内壁，因此用悬浮态（即气载放射性碘）和沉积态两个隔室描述，如图2所示。悬浮态放射性碘的总活度用As表示，沉积态放射性碘的总活度用Ad表示，悬浮态放射性碘以λD的速度沉积，沉积态放射性碘以λS的速度再悬浮。用微分方程表示如下：

在零时刻（气载放射性碘刚进入碘室的时刻），沉积尚未发生，因此有初始条件：

结合式（4）（5）可解得：

结合式（2）（6）不难得出注入比例Iin与沉积函数D(t)分别满足：

图2 气载放射性碘室隔室模型

取1.08×105Bq的Na131I反应生成气载放射性碘，并将其注入气载放射性碘室。约定反应结束时为零时刻（前面所列Na131I的活度以此时间为参考时间）。在零时刻断开气载放射性碘生成装置与气载放射性碘室之间的连接，同时以60 L/min的速度采样20 s，制备第1个采样样品。此后每间隔0.5 h以同样的条件制备1个采样样品，合计制备采样样品18个。采用之前的研究提出的正反两面测量法测量样品的参考活度[12]，并统一做衰变修正至零时刻。表1列出了18个样品的采样条件（采样流速Q、采样时间点t、采样时长T、该样品采样前对气载放射性碘室的总采样时间Ta）以及样品的参考活度。

表1 采样样品的采样条件与参考活度

由表1中的数据结合式（3）（7），可计算得气载放射性碘注入碘室时的注入比例Iin与沉积函数D(t)，Iin取值为73.6%，沉积函数D(t)如图3所示。图3中还按式（7）做拟合，从拟合结果可以看出理论拟合曲线与实验数据吻合得很好（R2= 0.994，最大相对偏差不超过5.5%），这验证了本研究由隔室模型推导沉积函数D(t)变化规律是可靠的。并且由实验数据可得沉积速率λD的取值为0.486 h-1，悬浮速率λS的取值为0.027 h-1。对于本研究对应的气载放射性碘室，其沉积函数D(t)满足：

图3 沉积函数测量值与拟合曲线

4 参考源制备物理模型的验证

制备三个用于校准气载放射性碘监测仪的131I参考源，根据JJF 1598-2016《气载放射性碘监测仪校准规范》[13]，三个参考源的活度范围为50～500 Bq。设计一套制备方案，其可控参数（投入反应的Na131I活度A0，采样流速Q，前累积采样时长Ta，采样时长T，采样时刻t）、该条件下参考源规划活度As及参考源实测活度Am的取值列于表2。如表2所示，参考源根据物理模型规划的活度与实测活度之间吻合得较好，相对偏差均小于9%。相对偏差可能来源于气载放射性碘的生成产率Y、气载放射性碘注入碘室时的注入比例Iin及沉积函数D(t)的波动。三个参考源实测活度均小于规划活度，可能是由于生成产率Y或注入比例Iin向下波动造成的。但总的来说，实测活度与规划活度之间较好的一致性表明：依据本研究建立的物理模型，可以较为理想地制备所需活度的气载放射性碘参考源。

表2 气载放射性碘参考源制备物理模型应用与验证数据表

5 结语

本研究从气载放射性碘在碘室内的行为规律出发，结合隔室模型，建立了一套制备气载放射性碘参考源的物理模型，并通过实验确定物理模型中的关键参数。建立的制备方法简便易行，可通过调整投入反应的Na131I活度A0、采样流速Q、前累积采样时长Ta、采样时长T、采样时刻t等物理参数，规划被制备参考源的活度。验证实验表明，参考源的规划活度与实测活度吻合得很好，相对偏差不超过9%。本研究建立的技术可满足快速便捷地制备指定活度的参考源的需求，为建立气载放射性碘监测仪校准装置提供了基础。