赵卫军，章爱平，孙元君

（中国核电工程有限公司，北京　100840）

核电厂高纯锗气体谱仪现场应用方案设计

赵卫军，章爱平，孙元君

（中国核电工程有限公司，北京100840）

目前，国内多数核电厂高纯锗谱仪主要都用于实验室测量，作为谱仪的主要组成部分，以往由于受各种技术因素的限制，少数核电厂将高纯锗探测器用于现场，以监测现场工艺介质的核素组成。文章结合国内核电厂高纯锗气体谱仪在现场应用时存在的问题，分析了问题存在的原因，给出了新的现场气体谱仪总体结构图，并对总体结构图中的主要设备选型及软件进行了分析。

现场应用；高纯锗探测器；气体谱仪

高纯锗（HPGe）探测器由于自身的多种优点，正逐步用于核领域的放射性监测。以往HPGe谱仪主要设置在实验室，作为人工取样测量仪表使用。随着科技的进步，HPGe谱仪可设置在核电厂现场完成部分监测任务（如田湾核电站、秦山三期、中国实验快堆），但由于当时技术的限制，现场谱仪在运行时出现较多的故障，为了使在线气体谱仪在核电厂更为广泛的应用，需对现行的现场气体谱仪的应用方案进行改进。

1　HPGe谱仪探测器原理与特点［1］

HPGe谱仪探测器属于半导体探测器，其原理是在高纯度锗晶体两端注入金属接触极，在金属接触极两端加高压，使高纯锗形成一个电场，γ光子进入高纯锗内产生光电效应，由此产生的次级电子再引起物质的电离和激发，形成电脉冲流，电脉冲的幅度正比于γ光子的能量，通过收集这些脉冲电流来记录γ光子的相关信息。高纯锗在低温时（如77 K），平均电离能约为2.96 eV，而气体探测器的平均电离能约为30 eV，即同样能量的γ光子，在高纯锗中产生的电子空穴对数，要比气体探测器产生的多一个量级，产生统计涨落形成的误差，高纯锗远好于气体探测器。另外，高纯锗在低温状态下平均电离能几乎稳定不变，保证了高纯锗通过测量脉冲的幅度来确定γ光子的能量。

为了使HPGe探测器能够稳定的收集电流脉冲保持工作状态稳定，必须使HPGe探测器在要求的低温状态下工作。

2　国内电厂在线气体监测问题

M310堆型核电厂中没有设置现场气体谱仪，虽有气体监测通道，但这些监测通道只监测气体的总活度浓度或剂量率；为了获取被测工艺气体的核素组成，采用定期实验室取样分析的方法，此方法只能获取间断性的非实时数据，同时现场取样增加了运行人员的工作量和个人剂量。

田湾核电站和秦山三期设置了现场气体谱仪，可快速获取被监测气体的核素组成，减少工作人员现场取样的频率，但是，根据这些现场气体谱仪的运行情况，主要还存在以下问题：

1）现场气体谱仪安装区域环境温度过高，环境放射性本底起伏较大，或者取样点的样品温度有很大差别，有些测量点的样品温度过高，影响设备正常运行。2）HPGe探测器内部容易真空失效，探测器的选择不合适。3）单纯的液氮制冷，需要频繁更换液氮，增加运行成本和工作人员的工作量；单纯的电制冷机，使压缩机一直处于运行状态，缩短压缩机的使用寿命；同时一旦出现故障，维护维修周期长，降低HPGe探测器的实际使用率。4）电子学谱仪落后，需要更新换代，采用更先进的电子学谱仪。5）测量方式不合理。6）谱仪取样系统、测量设备、谱分析器等都设置了控制监测程序，程序的步序较多，相互之间的兼容性和容错性较差，测量容易中断。

3　改进思路［2，4］

如果能解决目前国内电厂谱仪运行中存在的问题，仪表的运行将会持续稳定。相比常规实验室HPGe谱仪，仪表将充分体现出在线实时测量的优势。

针对目前谱仪存在的主要问题，尝试从以下几个方面加以解决：

1）针对环境温度过高，放射性本底起伏较大及工艺流体介质温度不均的问题，安装时采用在线取样测量方式，设备布置在环境条件较温和的场所，并选择合理的铅屏蔽及本底较低的安装区；视各回路被测介质温度情况适当增加部分冷却回路。2）选择真空效果较好的探测器，进行探测器的选择优化。3）为了避免单独采用液氮制冷或者单独采用电制冷的问题，将设计采用最新改进型的电制冷装置加液氮制冷的混合型方法。4）更新采用最新高通过率的电子学谱仪。5）优化电气控制单元与测量模式。6）根据软件功能要求及分类，优化选择合理的控制软件。

4　总体结构

高纯锗现场在线气体谱仪系统包括过滤器、控制阀及冷却回路的前端预取样部件，不同量程的双探测器，液氮与电组合制冷器，流量计，调节阀，取样泵，多道电子谱仪，电气控制箱及计算机系统等设备，如图1所示。

5　硬件配置方案

5.1取样回路设计及布置

由于现场各种复杂的工艺介质条件，工艺流体介质温度可能不均，也可能含各种杂质，为此视各回路被测介质温度情况，适当增加部分支路的冷却回路，并增加支路过滤器。

针对目前国内电厂谱仪运行环境温度过高的问题，安装时拟采用在线取样测量方式，测量设备布置在环境条件较温和的场所。

选择合理的铅屏蔽及本底较低的安装区，以防止放射性本底起伏较大而影响测量结果。

图1　现场气体谱仪总体结构图Fig.1　The architecture for on-site gas spectrometer system

5.2探测器的选择［3］

HPGe探测器的选择应该结合实际情况，综合考虑实际应用中的因素而进行选择。这些因素包括：样品的形状与可获取量、感兴趣核素的能量范围、核素及能量峰的复杂程度、样品的实际活度水平、希望达到的最低探测限以及是否在强中子场下测量等。

探测器能量响应范围的下限不仅取决于探测器类型，还与探测器所采用的端窗材料有关。GMX探测器的能量响应下限为3 keV，是指采用5 mm的Be窗；如果采用碳纤维窗，其能量下限约为6 keV；而采用铝窗的能量下限则为20 keV左右。

从实际探测效率的角度，不同类型的探测器对不同形状的样品有着不同的适应性；对于现场气体谱仪探测效率要求在低能端效率适中即可，相对效率可选20%～30%。

低效率的探测器尽管有着更好的分辨率，但其峰康比也较低，影响中高能段与高能峰邻近峰的测量，所以不宜选择太低的分辨率。

对于不同的实际应用，分辨率的重要程度或者说其应该达到的要求是有区别的。核电厂在线气体谱仪测量的核素种类相对较多或谱线相对复杂，应该首先考虑分辨率，经分析选择2～3 keV合适。根据目前市场上已有探测器，选择P型同轴高纯锗探测器合适。

文章采用双探测器测量，根据活度范围自动选择采集的数据，低活度的采用测量室1的数据，高活度的采用测量室2的数据，由计算机系统进行控制。根据目前存在的问题应注意选择真空效果较好的探测器。

5.3制冷方式的选择

制冷设备的选择，根据核电厂具体情况，可以采用液氮制冷、电制冷，或者采用液氮与电组合制冷方式，以达到相互补充的作用。

为了解决单个制冷存在的问题，文章采用液氮与电组合制冷方式。它利用常规的液氮和电气制冷。利用内置低温制冷器冷凝LN2存储的蒸发气体。这一功能克服了单独电制冷最普遍的缺点，即在电力故障期间失去制冷能力。利用单独的电制冷器，即使很短的电源故障也会造成24～48 h的停机时间去做必要的回温/变冷的循环。甚至还存在探测器在温度循环后没有完全恢复的风险。

在发生电源故障后，低温恒温器LN2供应仍然能够不断冷却探测器，最长可达一星期，不会造成制冷能力的中断，不会由于部分回温而造成停机，也不会因为温度循环而造成探测器故障。

低温恒温器利用一个冷指制冷器与一个LN2杜瓦装置集成，整个配置本质上与标准的杜瓦完全相同。这意味着低温恒温器可以直接代替目前使用的最普通LN2低温恒温器。冷指制冷器的电源和电源控制器合成到低温恒温器装置的内部，插入电源即可运行。

5.4数字化多道的选择

为了更好地测量与处理数据，采用快速通过率的数字化谱仪，主要技术性能如下：

1）最高数据通过率大于133 kcps。2）内置高压模块，正负极性由用户选择。3）自动最优化、自动极零、虚拟示波器和数字化门控基线恢复等多项技术。4）零死时间校正（ZDT）功能下同时给出不确定度报告。5）用户可预置多个核素的MDA，在所有MDA满足时自动终止计数。

5.5电气控制单元的选择

主要完成对取样泵的控制以及显示故障信息。采用集中测量，发现问题时逐个通道扫描测量的运行方式。扫描时的控制模式分为两种模式（自动和手动），这两种工作模式进程如下：

1）自动扫描时间可设置，也可以选择任意几个连续通道循环扫描。2）手动扫描可选择任意通道连续循环扫描。

6　软件配置方案

6.1软件需要完成的基本功能

根据测量要求，软件需要完成的基本功能如下：

1）接收来自探测器的γ能谱，确定放射性核素的成分和在样品中的放射性核素的体积活度。2）保存处理后的γ能谱。3）定义核素库。4）能量与效率刻度功能。5）探测器与样品的配置。6）样品的分类管理。7）QA质保分析。8）二次开发功能。

6.2软件模块类型

根据软件完成的基本功能，需要设置的软件模块如下：

1）Windows 7操作系统，并配备TCP/IP协议。2）32位数据库引擎。3）库文件。4）活度及其平均值计算。5）对取样管线阀门进行控制的IO模块。6）自动批处理γ能谱的模块。7）在线查看谱处理结果的程序模块。8）将数据输出到能用于二次开发的格式文件。9）本底与灵敏度设置模块。10）最低探测下限计算模块（MDA）。11）组态软件的应用。

整个应用系统从结构、硬件与软件的配置进行了分析优化设计，为核电厂现场谱仪系统的研究开发与设计提供参考。

7　结束语

现场气体谱仪的实际应用将大大减轻工作人员的工作强度，提高工作效率；测量结果将更加精确，便于工作人员及时了解核电厂或核设施的运行状态，提高核电运行的安全性，在核电厂将产生明显的经济效益。该谱仪的研制成功，在国内外必将具有广阔的应用市场。

［1］ 凌球，郭兰英. 核辐射监测［M］. 北京：原子能出版社，1992.（LING Qiu，GUO Lan-ying. Nuclear Radiation Monitoring［M］. Beijing：Atomic Energy Press，1992.）

［2］ 张志龙，等. PING-50型放射性气溶胶、碘和惰性气体监测系统的研制［J］. 核电子学与核探测技术，2006， 26（4）：390-396.（ZHANG Zhi-long，et al. Development of PING-50 continuous radioactive aerosols，gaseous iodine and noble gases monitor［J］. Nuclear Electronics & Detection Technology，2006， 26（4）：390-396.）

［3］ ORTEC. The Best Choice of High Purity Germanium（HPGe） Detector［G］. U.S.A，2009.

［4］ ORTEC. Recent Development of HPGe Detectors and γ-ray Spectrometers［G］. U.S.A，2009.

Solution Design for High-Purity Germanium Gas Spectrometer On-site

ZHAO Wei-jun，ZHANG Ai-ping，SUN Yuan-jun
（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing100840，China）

As a main component of the spectrometer， the high-purity germanium spectrometer at civil nuclear power plant is mainly used in laboratory at present. For various technical limits， the HPGe on-line spectrometer is only used in few power plants， to monitor the composition of nuclide for field process medium. Combined with the problem of the field HPGe gas spectrometer in civil power plant， the causes of the problem are analysed. The overall architecture for new field gas spectrometer have been given， the choice for main equipment and software have been analysed for the overall architecture.

field application；high-purity germanium detector；gas-spectrometer

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）02-0101-04

TM623

A

1674-1617（2015）02-0101-04

2015-02-05

赵卫军（1973—），男，湖南邵东人，高级工程师，学士，从事辐射监测设计工作。