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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 高靈敏度空氣中氚污染測(cè)量?jī)x
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 環(huán)境放射性污染問題因日本福島核電站事故的發(fā)生而引起世界人們對(duì)放射性污染的廣泛關(guān)注，環(huán)境氚監(jiān)測(cè)是其中一個(gè)主要的研究方向。本作品開展了高靈敏度空氣中氚污染測(cè)量?jī)x的研究，主要包括內(nèi)充氣式正比計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)加工、高真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電路的設(shè)計(jì)、軟件研發(fā)等內(nèi)容，涉及核技術(shù)、輻射防護(hù)、核電子學(xué)、計(jì)算機(jī)軟件與理論、機(jī)械加工等多個(gè)學(xué)科。主要針對(duì)核設(shè)施周邊環(huán)境進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)，從而保證了涉氚工作人員和居民的安全健康。
- 詳細(xì)介紹：
- 1、作品背景 日本福島核電站事故的發(fā)生引起了人們對(duì)生活中空氣、水、食物等受到的放射性污染問題的關(guān)注。核設(shè)施給周圍環(huán)境帶來的放射性污染是核安全的一個(gè)重要方面。在核工業(yè)系統(tǒng)中有很多地方涉及到氚的職業(yè)照射，其中最典型的是核電站，無論是重水反應(yīng)堆還是輕水反應(yīng)堆中都會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的氚；在氚貯存、運(yùn)輸?shù)冗^程中也會(huì)造成環(huán)境氚污染；核裂變反應(yīng)堆、放射性同位素生產(chǎn)堆、核潛艇動(dòng)力堆會(huì)以及正在研究的核聚變堆等核設(shè)施也向環(huán)境中釋放氚。氚具有擴(kuò)散、滲透和吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，極易經(jīng)呼吸、飲水和飲食途徑進(jìn)入人體，發(fā)生內(nèi)照射危害。因而對(duì)環(huán)境空氣中氚濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)環(huán)境中氚污染水平，得到氚污染水平，指導(dǎo)涉氚工作人員進(jìn)行相應(yīng)的輻射防護(hù)，確保涉氚工作人員和核設(shè)施附近居民的安全性。 2、氚測(cè)量原理 氚（3H Tritium）又稱為超重氫，是氫的同位素之一。它是一種廣泛存在于自然界的重要天然放射性核素。氚的β衰變?nèi)缡?所示，β粒子憑借與周圍物質(zhì)中的電子發(fā)生碰撞而與該物質(zhì)相互作用。在每一次碰撞中，β粒子都會(huì)失去一些能量，而電子則發(fā)生電離作用或躍遷到激發(fā)態(tài)。 3H 3He + β + energy （式1） 其中，3He是穩(wěn)定核素，比4He略輕。其最大衰變能為18.6kev，由β粒子和反中微子分享，β粒子的平均能量為5.73keV。因此，在給定物質(zhì)中，不同能量氚β射線的穿透深度是不同的。β射線的在空氣中的最大射程約為5mm；在水或軟組織中的最大射程約為0.005mm，而這個(gè)射程使得氚對(duì)于人體的外照射危害幾乎為零，國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)（ICRP）只把它定為低毒類放射性核素。但氚擴(kuò)散、滲透和吸附能力強(qiáng)，極易經(jīng)呼吸、飲水和飲食途徑進(jìn)入人體，發(fā)生內(nèi)照射危害；進(jìn)入人體的氚在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生電離，引起細(xì)胞單鏈斷裂，導(dǎo)致基因突變。 3、主要研究?jī)?nèi)容 （1）自主設(shè)計(jì)并研制內(nèi)充氣式正比計(jì)數(shù)器，并設(shè)計(jì)加工了一套真空系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)加工、器件選型時(shí)嚴(yán)格把關(guān)真空系統(tǒng)的氣密性，使正比計(jì)數(shù)管在抽真空工作之后能夠保持當(dāng)前的真空度，并可利用真空抽氣裝置，在高溫下對(duì)正比計(jì)數(shù)器進(jìn)行清洗，減少正比技術(shù)關(guān)對(duì)氚的記憶效應(yīng)。 （2）對(duì)國(guó)內(nèi)外放射性測(cè)量方法進(jìn)行了大量的調(diào)研，從理論方法到技術(shù)創(chuàng)新融入設(shè)計(jì)開發(fā)者全新的思路，開展高真空度下氚濃度測(cè)量。選擇內(nèi)充氣式正比計(jì)數(shù)器作為氚測(cè)量的探測(cè)器，將其設(shè)計(jì)加工成密封的測(cè)量室，對(duì)測(cè)量室抽真空后，按一定比例充入氚樣品氣體和P10氣體（90%氬氣+10%甲烷），外加高壓進(jìn)行測(cè)量，從而降低了環(huán)境本底的干擾，提高了氚污染樣品氣體的測(cè)量精度。 （3）基于PDA&MCU構(gòu)架研制成功一套高靈敏度空氣中氚污染測(cè)量?jī)x，以具有SOC特性的單片機(jī)C8051F060為主MCU，將正比計(jì)數(shù)器得到的脈沖信號(hào)經(jīng)過電荷靈敏前置放大器、S-K濾波整形后得到準(zhǔn)高斯波形傳給信號(hào)處理電路，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行二次濾波、上下閾值甄別、過峰檢測(cè)、峰值保持等處理，并對(duì)處于上下閾值之間的信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。將β能譜數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式通過藍(lán)牙通訊傳給PDA上開發(fā)的譜數(shù)據(jù)處理與顯示軟件。 （4）通過對(duì)譜分析方法的深入研究，在Visual Studio 2008集成開發(fā)環(huán)境下使用C++語言軟件開發(fā)了一套基于Windows Mobile 6.5操作系統(tǒng)PDA的集傳輸、處理、實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)為一體的測(cè)量軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和譜線的顯示與處理。譜線顯示與處理主要包括對(duì)原始譜數(shù)據(jù)的平滑濾波處理及譜線顯示，能量刻度，峰漂的校正，自動(dòng)尋峰，峰面積計(jì)算、核素識(shí)別等功能。該軟件使用界面友好，功能較齊全，可操作性強(qiáng)。 4、應(yīng)用前景和研究意義 我國(guó)在大力發(fā)展核工業(yè)的同時(shí)，也非常重視核設(shè)施的安全以及核設(shè)施對(duì)環(huán)境放射性污染，對(duì)環(huán)境中輻射劑量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)核設(shè)施對(duì)環(huán)境輻射劑量水平的影響是個(gè)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)。項(xiàng)目研制的高靈敏空氣中氚濃度測(cè)量?jī)x廣泛應(yīng)用于涉核單位的環(huán)境氚監(jiān)測(cè)、核電站中重水反應(yīng)堆、輕水反應(yīng)堆工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的氚污染監(jiān)測(cè)、產(chǎn)氚單位環(huán)境氚監(jiān)測(cè)等，同時(shí)也適用于各級(jí)環(huán)保部門對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境輻射劑量水平的長(zhǎng)期取樣監(jiān)測(cè)。項(xiàng)目自主研發(fā)的高靈敏度空氣中氚濃度測(cè)量?jī)x，集合了項(xiàng)目組成員的創(chuàng)新成果，具有精度高，穩(wěn)定性高，探測(cè)效率高、本底低等特點(diǎn)，從核輻射探測(cè)器的設(shè)計(jì)加工、后續(xù)電路的調(diào)試、測(cè)試軟件的開發(fā)到整體儀器的性能測(cè)試，完全實(shí)現(xiàn)了自主化，且儀器的性能指標(biāo)良好，適合在我國(guó)廣大核工業(yè)單位及環(huán)保局推廣使用，具有廣闊的市場(chǎng)前景。同時(shí)也促進(jìn)了我國(guó)氚測(cè)量技術(shù)水平的提高，對(duì)發(fā)展我國(guó)自主化高精度核儀器具有重要指導(dǎo)性意義。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1、作品設(shè)計(jì)的目的和基本思想 由于氚的放射性危害和它在環(huán)境中的特性，氚泄漏到周圍環(huán)境中，會(huì)造成空氣中氚濃度的升高，進(jìn)而對(duì)工作人員造成一定程度的內(nèi)照射傷害。為了確保涉氚工作人員和核設(shè)施附近居民的安全性，需要針對(duì)核設(shè)施等周圍環(huán)境進(jìn)行氣體樣品采集，監(jiān)測(cè)空氣中氚的污染水平。如何有效地對(duì)采集的氚污染樣品氣體進(jìn)行高靈敏度低本底測(cè)量，成為目前一個(gè)亟待解決的問題。 2、本作品的特色和創(chuàng)新之處在于 ★自主研制正比計(jì)數(shù)器，將正比計(jì)數(shù)器內(nèi)部工加成密封的測(cè)量室，并設(shè)計(jì)加工配套的抽真空裝置，提高氚測(cè)量的靈敏度，降低環(huán)境本底，同時(shí)還可以對(duì)探測(cè)器進(jìn)行清洗，具有一定的創(chuàng)新性。 ★采用分離式結(jié)構(gòu)，以C8051F為主控制器研制測(cè)量裝置，并通過藍(lán)牙方式傳輸數(shù)據(jù)；PDA接收數(shù)據(jù)、處理、顯示測(cè)量結(jié)果。 ★開發(fā)一套集數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示、存儲(chǔ)為一體的PDA控制軟件。 3、作品的主要技術(shù)指標(biāo) （1）研制一套高靈敏度空氣中氚污染測(cè)量?jī)x，能夠滿足對(duì)氣體樣品的準(zhǔn)確測(cè)量，探測(cè)下限：1Bq/L,最高測(cè)量濃度為：4×104Bq/L； （2）研制可抽真空的正比計(jì)數(shù)器，探測(cè)本底≤6cpm； （3）開發(fā)一套實(shí)時(shí)、高效的集傳輸、處理、顯示、存儲(chǔ)為一體的PDA控制軟件。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品針對(duì)我國(guó)氚濃度測(cè)量?jī)x測(cè)量精度低、探測(cè)效率低、干擾較大等問題，從氚衰變放射出低能β難以測(cè)量為切入點(diǎn)，在放射性核素測(cè)量方法上進(jìn)行調(diào)研并創(chuàng)新，開展了高真空度下氚污染測(cè)量。自主研制了正比計(jì)數(shù)器，將其內(nèi)部加工成密封的測(cè)量室，在測(cè)量前用真空泵將測(cè)量室抽成真空，再向測(cè)量室中按一定比例充入環(huán)境中采集的樣品氣體和P10氣體，外加高壓進(jìn)行測(cè)量，這樣能提高對(duì)氚的探測(cè)靈敏度，降低環(huán)境本底干擾，其探測(cè)下限能達(dá)到1Bq/L。 其突出的實(shí)質(zhì)性技術(shù)特點(diǎn)和顯著進(jìn)步是：（1）從放射性核素測(cè)量方法上調(diào)研并創(chuàng)新，開展高真空度下氚污染測(cè)量。提高我國(guó)氚濃度測(cè)量的探測(cè)精度；（2）自主研制正比計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)整套高靈敏度空氣中氚污染測(cè)量?jī)x的自主化。（3）采用分離式結(jié)構(gòu)，通過藍(lán)牙通訊將測(cè)量的數(shù)據(jù)傳到PDA上進(jìn)行顯示與進(jìn)一步譜線處理。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 《高靈敏度空氣中氚污染測(cè)量?jī)x》獲****大學(xué)2010-2011年度大學(xué)生課外科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- B中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 不轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品，圖紙，現(xiàn)場(chǎng)演示，圖片
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 該作品主要應(yīng)用于對(duì)涉氚環(huán)境中的氚污染氣體進(jìn)行采樣進(jìn)而進(jìn)行高靈敏度分析評(píng)價(jià)氚的污染水平，確保涉氚環(huán)境中工作人員和核設(shè)施附近居民的安全性。 應(yīng)用到此產(chǎn)品的地方有： （1）對(duì)核電站（重水反應(yīng)堆、輕水反應(yīng)堆）、核潛艇動(dòng)力堆等核設(shè)涉氚工作現(xiàn)場(chǎng)空氣中氚進(jìn)行取樣監(jiān)測(cè)； （2）對(duì)熱核聚變堆中氚提取、冷卻劑純化的氚進(jìn)行采樣檢測(cè)； （3）對(duì)氚在貯存、運(yùn)輸?shù)冗^程中向環(huán)境泄漏氚進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)； （4）各級(jí)環(huán)保局對(duì)該地區(qū)，特別是核設(shè)施區(qū)域的空氣中氚污染程度進(jìn)行定期取樣監(jiān)測(cè)。 隨著我國(guó)核電的發(fā)展，以及人們對(duì)環(huán)境污染的日益重視，氚的監(jiān)測(cè)與控制，以及安全防護(hù)與環(huán)境影響正在成為一個(gè)專門的研究領(lǐng)域，本產(chǎn)品有具有精度高，穩(wěn)定性高，成本低等特點(diǎn)，適合在我國(guó)廣大核設(shè)施及環(huán)保局推廣使用。
同類課題研究水平概述
- 國(guó)外開展氚技術(shù)的研究與開發(fā)較早，如美國(guó)的洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LANL）建立的一整套氚生產(chǎn)、研究處理設(shè)施；薩凡納河技術(shù)中心（SRTC）一直繼續(xù)在研究和開發(fā)氚的分離和貯存技術(shù)方面發(fā)揮核心作用；歐洲如英國(guó)的聯(lián)合歐洲環(huán)活性氣體操作系統(tǒng)，德國(guó)的Karlsruhe氚實(shí)驗(yàn)室、意大利的歐洲氚處理實(shí)驗(yàn)室等；還有日本原子能研究所的氚處理實(shí)驗(yàn)室（TPL）等開展了大量聚變氚技術(shù)、氚生產(chǎn)、氚處理、氚貯存、氚測(cè)量方面的工作。國(guó)外如德國(guó)BERTHOLD公司、美國(guó)AMETEK公司、法國(guó)Canberra公司等跨國(guó)公司相繼開展氚監(jiān)測(cè)儀的研制，其產(chǎn)品在全球市場(chǎng)都占據(jù)了一定份額。目前國(guó)外生產(chǎn)的空氣中氚監(jiān)測(cè)儀，一般都實(shí)現(xiàn)了低本底，寬量程自動(dòng)切換，數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，儲(chǔ)存，可由計(jì)算機(jī)控制。以達(dá)到最佳靈敏度或使干擾本底盡可能減小。 隨著我國(guó)核技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也在不斷追蹤國(guó)外技術(shù)進(jìn)展，開展氚監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，完善國(guó)內(nèi)的監(jiān)測(cè)儀器、標(biāo)準(zhǔn)和分析測(cè)定方法。70年代末，西安核儀器廠在小電流測(cè)量技術(shù)上取得突破性進(jìn)展，并研制出了FJ-357空氣中低能β氣體監(jiān)測(cè)儀。近年來北京核儀器廠生產(chǎn)的α、β表面污染測(cè)量?jī)x和中國(guó)輻射防護(hù)研究院研制TAM系列空氣中氚監(jiān)測(cè)儀，便攜式α、β、γ表面污染測(cè)量?jī)x，BH1216Ⅲ型二路低本底α、β測(cè)量?jī)x等，均取得了良好的探測(cè)效果。但這些儀器和國(guó)外相比，在探測(cè)下限、測(cè)量精度和探測(cè)效率方面還有很大的差距。 本作品研制的高靈敏度空氣中氚污染測(cè)量?jī)x從核探測(cè)方法上進(jìn)行創(chuàng)新，采用內(nèi)充氣式正比計(jì)數(shù)器抽真空后充入樣品氣體進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量范圍為：1Bq/L-4×104Bq/L，具有精度高，穩(wěn)定性高，探測(cè)效率高、低本底測(cè)量等特點(diǎn)。
