2019, Vol. 41
放射性核素131I是裂变产物，具有产额高、易挥发、半衰期较长（8.02 d）等特点，另外131I还属于中毒性组核素[1]，易被人体吸入或食入，积聚在甲状腺中对人体造成严重伤害。131I是核事故早期重点监测和关注的典型核素之一。1979年美国三哩岛核事故[2]、1986年苏联切尔诺贝利核事故[3]和2011年日本福岛核事故[4]的早期应急监测阶段，都把典型核素131I的识别与活度浓度测量作为重点监测对象。核事故发生之后对131I进行监测，可以判定是否有放射性污染（烟羽或烟云）到达，为人员和装备及时采取防护措施、预判事故发展态势、反推事故源项（131I释放当量）、判定核事故等级[5, 6]，同时为舰船集防系统滤除、净化放射性碘等提供科学依据[7]。
为便于携带和展开救援，有必要为水面舰船和核应急监测分队配置专用的移动式131I监测仪，对舰船集防区内及核事故周围环境中131I核素的活度浓度进行连续在线监测，满足海上、陆上使用的需求。本文在前期研究工作基础上[5]，介绍新型船用移动式131I监测仪的研制工作。
1 仪器主要设计指标1）测量对象：131I（有机碘、元素碘），γ能量364 keV；
2）测量范围：3.7～3.7×105 Bq/m3；
3）基本误差：≤±20%；
4）外型尺寸：≤420 mm（长）×420 mm（宽）×950 mm（高）；
5）重量：≤40 kg。
2 设备组成与工作流程 2.1 设备组成框图移动式131I监测仪的设备组成如图1所示。由取样探测部分（活性炭滤盒、NaI探测器）、测量部分（放大器、AD变换单元、滤波成形电路、数字多道、FPGA数据采集处理及稳谱单元）、外围器件（触摸屏显示器、真空泵、流量计、声光报警灯）、电源模块及机械部件等组成。
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图 1 移动式131I监测仪的组成框图 Fig. 1 Block diagram of the portable Iodine-131 monitor |
移动式131I监测仪的机械结构如图2所示。
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图 2 移动式131I监测仪的机械结构 Fig. 2 Mechanical structure of the portable Iodine-131 monitor |
结构布局如下：
1）机架底部固定有2个地脚和2个脚轮，便于支撑和移动式携行；
2）机架上部有固定板，通过橡胶减震器安装1台Becker VT4.8型真空泵（流量约133 L/min）；
3）真空泵进气口与取样探测装置的出气口用导电硅胶管连接，用于抽气；
4）真空泵上部为取样探测部分，用于气载放射性131I核素的采样和监测；
5）取样探测部分右侧顶部安装有声光报警灯，超阈值时可发出声光报警信号；
6）上部拖拉手把上固定有触摸液晶屏显示器，用于显示测量能谱、活度浓度等信息，并完成设备工作状态的操控。
2.2.2 取样探测装置的设计取样探测装置为设备核心部件，其结构如图3所示。
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图 3 取样探测装置内部结构组成 Fig. 3 Composition structure scheme of the sampling and detecting part |
取样探测装置的结构特点如下：
1）活性炭过滤盒为一个“井型”空心圆柱体，中心为探测器，可使探测与取样紧密联系在一起，实现连续监测：①滤盒和探测器位置固定，滤盒便于更换；②可以累积取样，取样过程中不更换滤盒；③保证探测器对采集的131I样品有较高的探测效率；④取样和探测过程中，几何因子在逐渐发生变化，但这种结构对取样几何因子发生变化不敏感，对测量的影响较小（经计算分析，影响≯5%）。
2）采用成熟的活性炭吸附，浸渍10%三乙撑二胺（TEDA）的活性炭对有机碘的吸附效率可达98.4%。
3）为了防止活性炭吸附放射性气溶胶而引起附加的放射性，减少131I测量的干扰，在进气头组件内设有滤纸及紧固组件。可过滤各种气溶胶状态的放射性物质，减少对131I测量的影响，同时减少气溶胶对活性炭的污染，延长使用寿命。任务结束后，可用实验室分析设备对滤纸进行测量分析，测量结果用于131I活度浓度的修正。
4）采用A3碳钢外壳固定、支撑，可降低环境辐射场对测量的影响，还起电磁屏蔽作用。
2.3 设备工作流程移动式131I监测仪的工作流程如图4所示。
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图 4 移动式131I监测仪的工作流程 Fig. 4 Working process of the portable Iodine-131 monitor |
1）开机后，真空泵启动，将周围空气（可能含有放射性131I核素）吸入取样装置（进气口带有滤纸，可滤除放射性气溶胶）内，流经活性炭取样滤盒时131I被富集在活性炭上；
2）活性炭中富集的131I核素发射出364 keV能量的γ射线打入探测器中的NaI晶体内，将γ光子转变为荧光脉冲信号，再由光电倍增管转变为电脉冲信号；
3）脉冲信号经放大、滤波成形、A/D变换后送入数字多道分析系统，完成能谱数据的采集；同时自动完成131I核素364 keV能量特征峰的识别、净面积计算，并结合采样流量信息完成活度浓度的计算；
4）获取的能谱数据、活度浓度信息实时显示在触摸屏显示器上；
5）如果未监测到131I核素，则持续进行测量，显示环境本底能谱信息；如果监测到131I核素，设备将给出其活度浓度值，并发出声光报警信号。
6）NaI探测器内嵌有241Am源，等效特征峰在2.8 MeV附近，用于实时稳谱，防止131I核素的364 keV特征峰随温度漂移。
2.4 软件控制流程与显控界面整个设备的软件控制流程如图5所示。
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图 5 移动式131I监测仪的软件控制流程 Fig. 5 Software control flow of the portable Iodine-131 monitor |
显控界面如图6所示。图6中，液晶显示器包括能谱显示区域、131I核素活度浓度、测量时间、工作状态显示、低能端阈值设置、操控按键等，便于操作使用。
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图 6 移动式碘-131监测仪的显控界面 Fig. 6 Display and control interface of the portable Iodine-131 monitor |
新研制了适合水面舰船和核应急监测分队使用的移动式131I监测仪，各项性能指标满足预期指标要求。具有以下特点：
1）设备主要技术指标不低于国内外同类产品外；
2）设备体积小、重量轻，便于单人移动携行和操作使用；
3）活性炭滤盒便于更换；
4）满足高温（+50 ℃）、低温（–20 ℃）、恒定湿热（30 ℃、RH 93±3%）、外壳防水（IP44）、振动、电磁兼容等船用环境的要求；
5）备品备件、耗材及维护保养等有保障。
| [1] |
李鲁滨, 曹真山. 应用放射性同位素安全防护与管理[M]. 北京: 军事医学科学出版社, 2009.
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| [2] |
MORREY M, BROWN J, WILLIAMS J A. A preliminary assessment of the radiological impact of the Chernobyl reactor accident on the population of the European community [R]. 1987.
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| [3] |
HULL A P. Environmental measurements during the TMI-2 accident [R]. 1988.
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| [4] |
王永红, 刘志亮, 刘冰, 等. 福岛核事故应急[M]. 北京: 国防工业出版社, 2015.
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| [5] |
刘明健, 张燕, 郭庆元, 等. 空气中放射性碘-131测量仪的设计及测量技术研究[J]. 1998年全国核仪器应用学术会议论文集, 1998, 68-75. |
| [6] |
刘国廉, 叶常青, 谢国良, 等. 放射性碘生物危害及其医学防护的研究[J]. 辐射防护, 1993, 13(5): 337-346. |
| [7] |
刘虹, 刘飞, 王斌. 海上核化生安全威胁与水面舰艇集体防护[J]. 舰船科学技术, 2011, 33(7): 150-155. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2011.07.037 |