600MW示范快堆辐射探测设备监测能力提升研究

引言

进一步提升快堆辐射探测设备的监测能力，可以更加精准地实时监测辐射变化，及时发现辐射水平异常升高的情况，进而提供早期预警并保障实验成果。对此，结合实际案例，从设备选用的角度入手，针对快堆辐射探测设备的监测能力提升措施展开研究具有重要的现实意义。因此，本文通过对低本底液闪计数器、流气式 α/β 计数器、高纯锗 γ 谱仪多道分析器的质量与规格的科学筛选，分析了设备能效、质量保障措施、精度要求等多项技术指标，并且阐述了探测设备监测能力的测试验证结果，可为同类型项目以及有关从业人员提供具有可靠性的技术参考依据。

1 项目案例背景

本文所述案例为某 600MW 示范快堆 2 号机组建设项目，旨在提升 600MW 示范快堆辐射监测能力。为确保 600MW 示范快堆 2 号机组的建设质量和实验安全，项目中严格按照《关于加强核设施流出物和环境放射性监测质量管理的通知》（中核科发【2024】55 号）的规定内容，在一号机建设环境监测系统的监管下，进入专用的环境实验室进行实验。2 号机工程建设阶段，为了达成工程中探测设备辐射监测能力提升这一预期目标，满足《国核安函【2023】29 号》中要求的区分高低放、避免交叉污染、监测能力提升等多方面需求，合理选用高纯锗 γ 谱仪多道分析器及软件、低本底液闪计数器、流气式 αβ 计数器等设备，以保障项目实施的安全性和有效性。

2 监测设备选用

2.1 低本底液闪计数器

低本底液闪计数器如图 1 所示，即低本底液体闪烁分析系统，作为一种专门用于测量极低放射性活度样品的精密仪器，其配有铅屏蔽装置，能够有效降低环境本底计数，从而实现对环境样品、食品样品等低放射性样品的精确放射性分析，为核设施及有关人员的生命健康安全提供了保护屏障[1]。

图 1 低本底液闪计数器示意图

低本底液闪计数器设备的性能指标包含本底计数、计数效率及能量范围，为保障项目案例监测设备的质量，实际项目中在设备选用阶段根据 600MW 示范快堆的能效特点，将监测核心要素作为需求点加以合理选择。利用多道分析器测量样品射线的谱分布，在确定放射性同位素的种类后，以此测量特定放射性核素的放射性活度，并测试其是否可对 600MW 示范快堆产生的放射性核素进行准确的识别和活度测量。同时，检测低本底液闪计数器是否具备有效测量样品瓶静电自动消除、附带 α/β 能谱显示、仪器品质因数分析、同质样品快速测量等多种实用功能，以保障测量的准确性和可靠性。

2.2 流气式 αβ 计数器

流气式 αβ 计数器作为一种用于检测和测量 α 和 β 放射性粒子的精密仪器，在核反应实验中发挥着重要的监测作用。流气式 αβ 计数器采用气体电离检测法进行工作，在放射性物质发射的 α 或 β 粒子进入探测器内部时，射线离子会与气体分子碰撞使气体分子产生电离现象。并且，被电离的气体分子会产生离子对，通过电场的作用离子对会向电极运动，进而产生电信号。再对所得的电信号进行放大处理后，即可计算出样品中放射性物质的含量。

为保障流气式 αβ 计数器的精确度，项目案例中进行设备选择时要重点关注计数器对于 α 射线和β 射线的探测准确性，通过降低射线串道比的方式，保证探测结果的可靠性。计数器测量过程中的稳定性也是重要考察指标，为避免计数结果因各种干扰因素而出现大幅波动的情况，计数器的变异系数S 应当 <1.0% ，从而防止影响辐射结果的准确性[2]。

此外，计数器的坪特性曲线能够反映计数器在不同工作电压下的计数性能。结合项目案例 600MW示范快堆的情况，为保障计数器在一定电压范围内的工作稳定性，所挑选的计数器坪特性技术指标要求如表 1 所示。

表 1 计数器坪特性技术指标要求

多道分析器是高纯锗 γ 谱仪中的重要组成部分，是处理脉冲信号幅度分布的仪器，主要由模数转换（ADC）、地址编码器和存储器构成[3]。多道分析器可将不同能量的伽马射线转换成幅度与能量成正比的脉冲信号，输入到多道分析器的 ADC 中并转化成数字信号，以能量幅度分类存储至不同的能量通道，从而实现脉冲信号数字化与能谱构建。因此，在挑选高纯锗 γ 谱仪多道分析器时需要注意道数，保证道数与能量范围的匹配度，可优先选择≥16K 的多道系统，以支持高分辨率需求。

与此同时，为保障多道分析器的抗高计数率能力，多道分析器应当选择可支持 > 100kcps 的最大数据通过率，且配备脉冲抗堆积算法的功能指标，以适应快堆场景要处理的高辐射通量。而且，因辐射离子容易受到环境和温度的影响，为保障监测数据的准确性，设备要优先选择温度系数≤35ppm/℃的型号及集成电制冷系统，从而达到增强仪器稳定性、减少设备液氮依赖的目的。

3 面临难题及技术措施

3.1 高纯锗设备结构

高纯锗探测器是一种基于高纯锗晶体的 PN 结型半导体探测器，具有极高的能量分辨率和高探测效率，是现代社会进行科学研究的重要设备。在项目案例开始前，通过识别和分析得知，企业为该项目提供的设备中具有 3 套核心设备，具有技术要求高、技术复杂的突出特点；其中，HP1600 型高纯锗则是项目中难度最高的一款设备，该项目所使用的高纯锗设备为同轴型，锗晶体沿着轴向走势分布，可以用于测量穿透能力强的高能射线，设备通过在外表面施加电压来形成耗尽层，从而为载流子的收集提供便利条件。由于高纯锗需要根据现场情况重新设计设备结构，且要求实现高精度目标，项目为保障整体设备质量，专门对高纯锗设备结构展开了研究，需要综合考虑探测器安装到液氮回凝制冷设备和水平安装致铅室的全过程。

3.2 探测器安装精度

由于探测器安装精度要求非常高，同时真空探测器冷指部分壁厚仅为 0.3mm ，为保证设备在安装和使用中不会发生碰撞变形而导致设备受损的问题，设备本底要求 60%探测效率时不超过 3cpm，水平安装精度要求达到 0.2mm 。

对此，高纯锗探测器在工作时需保持低温状态，因此在安装前要确保系统安装与探测器冷指直径的适配性，并使用液氮进行冷却以达到所需的低温环境。在进行高纯锗探测器安装时，为确保设备的尺寸符合工程技术要求，项目对设备的尺寸和所要安装的位置进行了精确测量，以免出现安装偏差。在此过程中采用了定位测量的方法，结合设备安装的具体要求及高纯锗探测器设备的结构图纸，对设备的安装位置进行了准确的控制和调整。

4 监测能力测试验证分析

快堆辐射探测设备的准确性和可靠性对于监测辐射水平、保护人员安全以及环境条件至关重要，通过测试验证工作以评估仪器是否符合预定技术标准和规范，从而确保其能发挥设计功能和作用，进而达到既定性能要求。具体进行测试验证时，一是要进行能量响应测试，使用不同能量的辐射源，检测探测仪对不同能量核辐射的检测效率，以确保设备的能量响应符合技术要求；同时，为保证监测仪的灵敏度，项目中通过调节环境变量设置特定测试条件，测量探测器对辐射强度的最小可检测值，并对其灵敏度加以评估。二是测试设备的线性范围，项目案例中施加了不同强度的辐射，在保证探测器不产生较大误差的情况下，检测探测器的辐射强度范围，以免出现范围过小的问题。三是进行设备的稳定性测试，采取让探测器长时间运行的方式，对其性能变化进行全程记录，以此作为设备稳定性的判定依据。此外，项目在设计、试生产与装配过程中，还安排了 DV 人员进行全过程跟踪和测试与验证，并对异常事项进行了全流程记录及跟踪处理，快堆辐射探测设备监测能力提升项目最终成效如表2 所示，且各项指标均符合设备技术规格书要求。

表 2 快堆辐射探测设备监测能力提升项目最终成效分析

5 结语

在本文研究的项目案例中，通过多项技术措施及质量提升策略，顺利解决了高纯锗设备结构、探测器安装精度相关难题，从而保质保量地实现了项目的顺利交付。在项目的实施过程中，还实施了“走出去”的质量管理策略，结合设备指标与客户方技术规格书的要求，制定了详细的项目计划和标准规范，有效保证了产品质量和项目进度，并且实现了一次验收合格的成果；另外，还为项目的成本控制以及后续维护方面做出了较大的贡献。

参考文献：

[1] 郭绪智,张晶,鲁誉,等.一种低本底液体闪烁谱仪:CN202411268705.1[P].CN119024404A.

[2] 胥海亮 陈诚 王亮 朱珠 郭旭影 王茜 粟琨璞.超低本底流气式正比计数器在样品总 a/ β 测量中串道影响修正[J].辐射防护, 2024(5).

[3] 徐少一.核电站现场应用型液体高纯锗 γ 谱仪[J].电子技术应用, 2023, 49(S01):241-244.

作者简介：何涛，男，汉族，1984.04-，重庆人，本科，工程师，研究方向：机械与自动化