【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(jí);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(guò)程中,材料表面的氚易通過(guò)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(huì)產(chǎn)生內(nèi)照射危害:在涉氚操作場(chǎng)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(lái)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(duì)材料表面氚污染水平進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(lèi)似場(chǎng)景中的氚測(cè)量需要在Y背景輻射下進(jìn)行,相應(yīng)的氚測(cè)量技術(shù)應(yīng)具備消除γ射線(xiàn)影響的能力。本文針對(duì)當(dāng)前主要氚測(cè)量技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)γ背景下氚污染水平直接、準(zhǔn)確測(cè)量的問(wèn)題,采用一種多絲電離室作氚β射線(xiàn)探測(cè)器原型,通過(guò)理論研究的方法來(lái)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(chǎng)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(duì)電離室電場(chǎng)的影響。結(jié)果表明,多絲電離室內(nèi)的電場(chǎng)分布類(lèi)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(chǎng)強(qiáng)度的變化幅度,從而獲得穩(wěn)定的電場(chǎng)。采用MCNP5程序計(jì)算了氚β射線(xiàn)和γ射線(xiàn)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(duì)β/γ射線(xiàn)能量沉積的影響。結(jié)果表明,β/,γ々射線(xiàn)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(huì)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(xiàn)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(duì)β/γ射線(xiàn)能量沉積的影響。結(jié)果表明,電離室壁材料的改變對(duì)氚β射線(xiàn)的能量沉積幾乎沒(méi)有影響,而對(duì)Y射線(xiàn)在電離室中的能量沉積有較大影響,例如MeV能量γ射線(xiàn)在鋁合金電離室和不銹鋼電離室中的能量沉積相對(duì)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(xiàn)的能量沉積�？諝鉂穸葘�(duì)β/γ射線(xiàn)能量沉積影響的計(jì)算結(jié)果表明,空氣濕度的改變會(huì)對(duì)氚β射線(xiàn)的能量沉積產(chǎn)生很大影響,空氣濕度在40%時(shí),β射線(xiàn)具有最小的能量沉積,適宜氚測(cè)量的空氣濕度是在20%以下;而空氣濕度的改變對(duì)γ射線(xiàn)的能量沉積沒(méi)有影響。氣體壓強(qiáng)對(duì)β/γ射線(xiàn)能量沉積影響的計(jì)算結(jié)果表明,氚β射線(xiàn)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(huì)顯著改變其在電離室中的能量沉積;γ射線(xiàn)的能量沉積隨氣體壓強(qiáng)的增大而線(xiàn)性增大。基于以干燥空氣為探測(cè)介質(zhì),P/γ射線(xiàn)在100 cm2不銹鋼電離室中的能量沉積數(shù)據(jù)評(píng)估γ射線(xiàn)對(duì)電離室中氚電離電流的影響。結(jié)果表明,MeV量級(jí)的γ射線(xiàn)在測(cè)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(jí),與氚β射線(xiàn)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(gè)100 cm2不銹鋼電離室中產(chǎn)生的電流信號(hào)相當(dāng)。本文基于多絲電離室電場(chǎng)構(gòu)型以及β/γ射線(xiàn)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(cè)量的可行性,建立了用于材料表面氚污染測(cè)量的多絲電離室結(jié)構(gòu)原型;電離室探測(cè)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(yáng)極為鋁合金平板,極間距離H為4.0 mm,以空氣作為探測(cè)介質(zhì);論文工作為γ背景下材料表面氚測(cè)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(cè)量裝置之一，工作在離子收集電壓電流曲線(xiàn)的飽和區(qū)；逡逑在l#工藝監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和防護(hù)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域均有應(yīng)用。典型的材料表面氚污染水平監(jiān)測(cè)儀逡逑（ＳＡＭ）的結(jié)構(gòu)如圖１．１所示［５］邋，邋ＳＡＭ監(jiān)測(cè)儀利用可更換的塑料膠黏劑連接監(jiān)測(cè)儀和逡逑被測(cè)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(xiàn)射入逡逑監(jiān)測(cè)儀靈敏區(qū)誘發(fā)氣體介質(zhì)電離，產(chǎn)生電子離子對(duì)；在外加電場(chǎng)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(hào)。忽略離子對(duì)漂移過(guò)程中的擴(kuò)散、復(fù)合損失，輸逡逑出電流信號(hào)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(cè)儀Ｍｏｄｅｌ邋７００１，測(cè)量面積１００邋ｃｍ２，測(cè)量范圍３．邋７－２２２０邋Ｂｑ／ｃｍ２，逡逑靈敏度±２．邋８邋Ｂｑ／ｃｍ２［ｌ９］。美國(guó)ＴＡ公司研制的ＴＲＩ－ＰＥＲ用于檢測(cè)貯氚容器材料的氚滲逡逑漏，測(cè)量范圍（（３７ｋＢｑ／ｍ３＿３．７Ｘ１０８Ｂｑ／ｍ３），測(cè)量過(guò)程如圖１．２所示，由于探測(cè)過(guò)程逡逑中使用橡膠密封圈粘結(jié)探測(cè)器和被測(cè)表面，避免了儀器使用過(guò)程中由被測(cè)表面平整度和逡逑曲面弧度對(duì)探測(cè)器應(yīng)用的限制［２（）］。托克馬克聚變?cè)囼?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(guò)三個(gè)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(kāi)壁式電離室對(duì)ＴＦＴＲ逡逑限流器石墨磚中滯留的氚含量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)、遠(yuǎn)程測(cè)量

電離室是被廣泛使用的氚測(cè)量裝置之一，工作在離子收集電壓電流曲線(xiàn)的飽和區(qū)；逡逑在l#工藝監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和防護(hù)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域均有應(yīng)用。典型的材料表面氚污染水平監(jiān)測(cè)儀逡逑（ＳＡＭ）的結(jié)構(gòu)如圖１．１所示［５］邋，邋ＳＡＭ監(jiān)測(cè)儀利用可更換的塑料膠黏劑連接監(jiān)測(cè)儀和逡逑被測(cè)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(xiàn)射入逡逑監(jiān)測(cè)儀靈敏區(qū)誘發(fā)氣體介質(zhì)電離，產(chǎn)生電子離子對(duì)；在外加電場(chǎng)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(hào)。忽略離子對(duì)漂移過(guò)程中的擴(kuò)散、復(fù)合損失，輸逡逑出電流信號(hào)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(cè)儀Ｍｏｄｅｌ邋７００１，測(cè)量面積１００邋ｃｍ２，測(cè)量范圍３．邋７－２２２０邋Ｂｑ／ｃｍ２，逡逑靈敏度±２．邋８邋Ｂｑ／ｃｍ２［ｌ９］。美國(guó)ＴＡ公司研制的ＴＲＩ－ＰＥＲ用于檢測(cè)貯氚容器材料的氚滲逡逑漏，測(cè)量范圍（（３７ｋＢｑ／ｍ３＿３．７Ｘ１０８Ｂｑ／ｍ３），測(cè)量過(guò)程如圖１．２所示，由于探測(cè)過(guò)程逡逑中使用橡膠密封圈粘結(jié)探測(cè)器和被測(cè)表面，避免了儀器使用過(guò)程中由被測(cè)表面平整度和逡逑曲面弧度對(duì)探測(cè)器應(yīng)用的限制［２（）］。托克馬克聚變?cè)囼?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(guò)三個(gè)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(kāi)壁式電離室對(duì)ＴＦＴＲ逡逑限流器石墨磚中滯留的氚含量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)、遠(yuǎn)程測(cè)量
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TL627

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