基于PIPS半导体探测器的核电站放射性气溶胶测量系统设计

第33卷第8期2011年8月舰船科学技术

SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYVol．33，No．8Aug．，2011

基于PIPS半导体探测器的核电站放射性

气溶胶测量系统设计

1211

王益元，魏永康，陈祥磊，蔺常勇，柳

13彬，左亮周

（1．武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉430064；2．中广核工程有限公司，广东深圳518045；

3．北京赛思科系统工程有限责任公司，北京100079）摘

了阐述。

要：

分析了PIPS半导体探测器的优点。基于该探测器设计了一套放射性气溶胶测量系统，对基于新型

PIPS半导体探测器的放射性气溶胶探测装置的内部结构、探测原理进行了介绍，并对测量能谱的数据分析方法进行

关键词：PIPS半导体探测器；放射性气溶胶；能谱

A

DOI：10.3404/j.issn.1672－7649.2011.08.031

+

中图分类号：TL816．2文献标识码：文章编号：1672－7649（2011）08－0137－03

Designingofradioactiveaerosolmonitoringsystemfornuclearpower

plantbasedonPIPSsemiconductordetector

WANGYi-yuan1，WEIYong-kang2，CHENXiang-lei1，LINChang-yong1，LIUBin1，ZUOLiang-zhou3

（1．WuhanSecondShipDesignandResearchInstitute，Wuhan430064，China；2．ChinaNuclearPowerEngineeringCompany．LTD，Shenzhen518045，China；3．BeijingCyscoSystomEngineeringCorporation，Beijing100079，China）

Abstract：

Inthispaper，advantagesofPIPSsemiconductordetectorwereanalyzed．Akindof

radioactiveaerosolmonitoringsystemwhichwasbasedonPIPSsemiconductordetectorwasdesigned．Theinsidestructureandmonitoringprincipleofdetectingequipmentwereintroduced．Andsolutionmethodofmeasuredenergyspectrumwasexplained．

Keywords：

PIPSsemiconductordetector；radioactiveaeosol；energyspectrum

准确测量和剔除技术是非常关键的，也是技术难点。

另外，天然本底中的γ射线及放射性气溶胶发射的γ射线在一定程度上也影响了放射性气溶胶测量的准确度，也需要测量和剔除。国际上很多放射性气溶胶探测器由于其设计原理或者算法的缺陷导致对天然放射性气溶胶氡钍及其衰变子体和γ射线不能准确测量和剔除，在使用过程中经常出现测量结果不准确或者天然放射性干扰造成的误报警事件，严重影响设备的正常使用，大大削弱了其准确测量能力。新型PIPS探测器（离子注入型钝化硅半导体探测器）是离子搀杂形成的PN结型半导体探测

0引言

核电站以反应堆核能为动力来源，在事故情况下出现一回路承压边界完整性被破坏出现泄漏时，人工放射性气溶胶将迅速释放到环境大气中造成气载放射性污染。监测核电站内部大气环境中的放射性气溶胶浓度，可以及时发现核电站反应堆运行事故，对于保证核电站工作人员安全，保障核电站正常运行具有重要意义。

由于天然放射性气溶胶的存在，因此放射性气溶胶测量中天然放射性气溶胶氡钍及其衰变子体

［1］

的

收稿日期：2011－06－23

作者简介：王益元（1980－），男，工程师，主要从事核辐射探测器研制。

·138·器

［2－3］

舰船科学技术第33卷

，其灵敏区很薄，对γ射线不灵敏，输出脉冲信号快，能量分辨率高，非常适合于测量α和β放射性的场合。基于新型PIPS半导体探测器具有高效的能

能实时测量放射性气溶胶样品的能谱，谱测量能力，

利用专门的剥谱算法对能谱进行处理，实时剥离出天

然放射性氡、钍及其子体本底的成分，去除天然放射性干扰。从而得到准确度高的人工放射性气溶胶浓度。因此，新型PIPS半导体探测器从其性能特点出发非常适合于放射性气溶胶的测量，下面将进一步深入探讨新型PIPS探测器在放射性气溶胶测量上的使用方式及设计要点。

图2

Fig.2

放射性气溶胶测量系统运行逻辑图

Thelogicalplanofradioactiveaerosolmonitoringsystem

2探测装置结构

放射性气溶胶探测装置的内部结构如图3所示

。

1系统原理及组成

基于PIPS半导体探测器的放射性气溶胶测量系

过滤装置（含自动走纸装置）、测量单统由取样单元、

元、前端电子学系统和后端电子学系统组成。其中后

端电子学系统包括就地处理显示单元、电气单元和接线盒等部分。系统原理如图1所示

。

图3

Fig.3

气溶胶探测装置组成示意图

Thestructureofradioactiveaerosolmonitoringequipment

探测装置外壳将过滤装置、探测器和前置放大器

封闭在和取样管路连通的内部空间中，取样气体进入

图1

放射性气溶胶监测设备系统原理框图

Fig．1Theprincipleplanofradioactiveaerosolmonitoringsystem

探测装置后绕过正对气溶胶过滤装置的探测器，然后通过过滤装置，待测空气中的放射性气溶胶沉积在过滤装置上（正常流速下0.1μm以上的气溶胶粒子在滤纸上存留90%以上），探测器测量沉积的放射性气溶胶发射的α，β射线，产生的脉冲信号由紧挨探测器的前置放大器放大后输出到后端电子学系统进行处理。

探测器的测量原理如图4所示

。

从入口进入取样系统的被测气体，由气溶胶探测装置实现气溶胶测量后从出口排出，在取样管路上安装有压差计，实时测量进气口和出气口的压力差，当压力差异常时给出报警信号。另外，在取样管路上安装有流量计，在取样测量过程中实时测量取样气体流量，当取样流量超出正常允许范围时给出报警信号，操作人员通过手动调节阀调节系统取样气体流量至正常范围。抽气泵安装在整个取样系统的下游，在抽气泵入口处设置和抽气泵压力指标相匹配的就地压力表，并设置泄压保护装置，当取样系统上游滤纸阻塞或者阀门异常关闭等导致抽气泵入口压力异常时，泄压保护装置自动打开，避免抽气泵损坏。放射性气溶胶测量系统运行逻辑图如图2所示

。

图4

Fig．4

PIPS气溶胶探测器测量原理图

ThemeasuringprincipleofPIPSradioactiveaerosolmonitor

探测器由2个平行放置的PIPS探测器组成，前

第8期王益元，等：基于PIPS半导体探测器的核电站放射性气溶胶测量系统设计·139·

端PIPS探测器测量气溶胶粒子发射的α，β射线及

环境与气溶胶粒子的γ射线，探测器和过滤装置间使后端PIPS用特殊设计的准直结构对射线进行准直，

探测器测量环境与气溶胶粒子的γ射线。2个探测器的测量数据经过专门的算法处理后就可得到放射性气溶胶的比活度。

确的人工α放射性气溶胶和人工β放射性气溶胶比活度。

4结语

本文采用新型PIPS半导体探测器设计了一种核电站放射性气溶胶监测系统，并对系统组成、探测器内部结构、测量原理和数据分析方法进行了介绍。基于PIPS探测器的放射性气溶胶测量技术具有以下优点：

1）测量实时性强。能谱测量技术在有效的运算法则配合下可以实时的测量计算出人工放射性气溶胶和天然放射性气溶胶比活度，响应速度快。2）灵敏度高、测量范围宽。PIPS探测器有效灵

对γ射线探测效率低，仪器环境本底敏层厚度很薄，

对放射性气溶胶更灵敏，对α射线探测计数率更低，

效率高（100%），可高效、准确地测量人工放射性气溶胶。

3）测量结果准确可靠。对天然放射性气溶胶和环境本底的准确测量和剔除，使得人工放射性气溶胶

3测量能谱分析

基于PIPS探测器的气溶胶测量系统测量到的典

型能谱示意图如图5所示

。

图5

Fig.5

放射性气溶胶典型能谱

Thetypicalenergyspectrumofradiactiveaerosol

比活度的测量结果准确可靠。

4）测量目的多样化。可同时测量人工α放射性气溶胶比活度、人工β放射性气溶胶比活度量、多种天然放射性气溶胶比活度及γ辐射本底。

5）探测器体积小、重量轻。PIPS半导体探测器

厚度薄，对环境γ本底不灵敏，不需要太多的面积小、

铅屏蔽来屏蔽环境本底的影响，基于这种探测器设计

的放射性气溶胶测量设备体积小、重量轻，安装、调试和维护保养方便。

因此，基于新型PIPS半导体探测器设计的核电站放射性气溶胶监测系统具有多方面优点，可在一定γ本底干扰下很好的进行放射性气溶胶α，β能谱测量，可准确区分天然和人工放射性气溶胶，非常适合于核电站放射性气溶胶测量。参考文献：

［1］程业勋，．王南萍，侯胜利．核辐射场与放射性勘查［M］

2008．北京：地质出版社，

［2］刘忠立．半导体辐射探测器［M］．北京：国防工业出版

2004．285－286．社，

［3］汪晓莲，M］．合肥：李澄，邵明，陈宏芳．粒子探测技术［

2009．197－198．中国科学技术大学出版社，

该能谱是α，β，γ的混合能谱，气溶胶放射性比

活度计算有效区间如图中所示，共有A～E五个有效区间。其中区间A是低能区的β，γ区间，该区间测量到的计数中包含人工β放射性气溶胶的β射线计数、环境γ本底计数、天然放射性气溶胶β，γ计数；区间B是中能区的α放射性粒子能量区间，该区间测量到的计数为多种人工α放射性气溶胶产生的α

218

射线总计数；区间C是铀系天然放射性气溶胶Po发射的α射线总计数；区间D是铀系天然放射性气

214

溶胶Po发射的α射线总计数；区间E是钍系天然

212

放射性气溶胶Po发射的α射线总计数。

PIPS探测器的测量能谱分辨率高，特别是在高218214212

能端（＞5MeV）可精确区分Po，Po和Po的α射线能峰，由于没有其他高能粒子干扰，很容易计算

出每个有效能峰的计数率。因此，通过对各能量区间α射线的测量，利用一定的运算法则可计算出各种氡钍及其衰变子体对测量能谱的影响，从而扣除天然放射性气溶胶，同时利用后端PIPS探测器测量的γ射线，从而扣除γ射线的影响，最终得到大气环境中精

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