氚微量热计标定及含氚样品量热验证.pdf

第 卷 第期 年月同位素J o u r n a l o f I s o t o p e sV o l N o A u g 氚微量热计标定及含氚样品量热验证欧阳慧平,袁晓明,何长水,李卓希,张培旭,杨洪广(中国原子能科学研究院,北京 )摘要:放射性同位素衰变放出热量,衰变热是计算放射性同位素活度的重要依据.为了测量氚的衰变热,本研究对一种W级别的低检测限微量热计进行检测限测试、工作曲线标定以及含氚样品量热验证.测量结果表明,微量热计的检测限为 W,即 m C i氚.在 W(C i氚)范围内对微量热 计的 输出 热电 势U输入 热 功 率P进 行 标 定,获 得 的 标 定 关 系 式 为U(V)P(W),对应氚活度与输出热电势关系式为A(C i)U(V),线性相关系数R .含氚样品的重复测量标准偏差为 ,与P V T法测量偏差为 .本研究使用的量热计通过水浴与真空环境减小测量环境的波动,保证测量的一致性.标定后的量热计在不破坏氚样品完整性的条件下测量其活度,相比其他氚测量方法更适用于固态氚样品的测量,具有工程应用价值.关键词:微量热计;氚活度;检测限;标定中图分类号:T L 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:;修回日期:基金项目:C F E T R候选氚增殖剂中氚测量技术研究(Y F E )通信作者:杨洪广d o i:/t w s y o u x i a n C a l i b r a t i o no fT r i t i u m M i c r o c a l o r i m e t e ra n dC a l o r i m e t r i cV e r i f i c a t i o no fT r i t i u mS a m p l e sOUYANG H u i p i n g,YUANX i a o m i n g,HEC h a n g s h u i,L IZ h u o x i,Z HANGP e i x u,YANG H o n g g u a n g(C h i n a I n s t i t u t eo fA t o m i cE n e r g y,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:R a d i o a c t i v ei s o t o p ed e c a yg i v e so f fh e a t,w h i c hi sa ni m p o r t a n tb a s i sf o rc a l c u l a t i n gt h ea c t i v i t yo fr a d i o a c t i v ei s o t o p e I no r d e rt om e a s u r et h eh e a te m i t t e db yt r i t i u m d e c a y,t h ed e t e c t i o nl i m i tt e s t,w o r k i n gc u r v ec a l i b r a t i o na n dt r i t i u ms a m p l em e a s u r e m e n tv e r i f i c a t i o no fal o wd e t e c t i o nl i m i tm i c r o c a l o r i m e t e ro fW g r a d ew e r ec a r r i e do u t T h em e a s u r e m e n t r e s u l t ss h o wt h a t t h ed e t e c t i o nl i m i to fm i c r o c a l o r i m e t e ri s W,i e m C it r i t i u m I nt h i sp a p e r,t h eo u t p u tt h e r m o e l e c t r i cp o t e n t i a lU i n p u tt h e r m a lp o w e rPo f m i c r o c a l o r i m e t e r w a sc a l i b r a t e di nt h er a n g eo f W(C it r i t i u m),a n dt h ec a l i b r a t i o nr e l a t i o n s h i po b t a i n e di sU(V)P(W),c o r r e s p o n d i n g t o t h e r e l a t i o nb e t w e e n t r i t i u ma c t i v i t ya n do u t p u t t h e r m o e l e c t r i cp o t e n t i a lA(C i)U(V),a n dt h el i n e rc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t i sg r e a t e rt h a n T h es t a n d a r dd e v i a t i o no fr e p e a t e d m e a s u r e m e n to ft r i t i u ms a m p l e sw a s ,a n dt h ed e v i a t i o n f r o mP VTm e t h o dw a s I no r d e r t oe n s u r e t h e c o n s i s t e n c yo fm e a s u r e m e n t,t h ec a l o r i m e t e ru s e di nt h i sp a p e rr e d u c e st h ef l u c t u a t i o no fm e a s u r e m e n t e n v i r o n m e n t t h r o u g hw a t e rb a t ha n dv a c u u me n v i r o n m e n t T h ec a l i b r a t e dc a l o r i m e t e rc a nm e a s u r e t h ea c t i v i t yo f t r i t i u ms a m p l e sw i t h o u td a m a g i n gt h e i r i n t e g r i t y C o m p a r e dw i t ho t h e r t r i t i u mm e a s u r e m e n tm e t h o d s,c a l o r i m e t r y i sm o r e s u i t a b l e f o rt h em e a s u r e m e n to f s o l i dt r i t i u ms a m p l e sa n dh a sg r e a t e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e K e yw o r d s:m i c r o c a l o r i m e t e r;t r i t i u ma c t i v i t y;d e t e c t i o nl i m i t;c a l i b r a t i o n氚作为一种低能放射性核素,随着近年核聚变的发展等而受到日益密切的关注.为了监控氚向环境的排放,以保障公众辐射防护安全,对氚放射性活度进行测量是一项必要的工作,通过测量可掌握氚的生产、消耗和损失.氚的测量方法有多种,主要包括量热法、电离室法和正比计数管法、气相色谱法和拉曼光谱法、液闪法等.受氚的存在形态、活度大小等因素的影响,每种测量方法基本都有自身的局限性,其中量热法适用于固态氚样品的测量,电离室法、正比计数管法及气相色谱与拉曼光谱法适用于气态氚样品的测量,液闪法适用于液态氚样品的测量 .量热法通过测量样品产生热的功率计算样品放射性活度,是最直接的放射性同位素定量测量方法,其无需额外制备样品,不会因制样产生损失,以及其他方法中可能产生的放射性废物和化学废物,是一种无损检测的计量方式,广泛用于放射性半衰期、平均衰变能以及放射性活度测量等场景 .其中,用于低比活度氚测量的微量热计,在研究锂陶瓷增殖剂氚居留、结构材料氚活度、放射性废物氚含量、氚化水活度等方面具有重要的应用价值 .本研究对一种W级别的低检测限微量热计进行检测限测试、工作曲线标定以及含氚样品量热验证,可用于后续氚测量,在工程应用上具有重要价值.氚量热原理放射性同位素衰变放出热量,使周边物体接受热量温度提升,放射性核素量热计通过核素的衰变热功率P来确定核素的活度.氚量热通过测量氚衰变的热功率P,结合氚的衰变比热功率(P),即可计算出氚的活度A:APP()式中,A氚的活度,C i;P为氚的衰变热功率,W;P为氚的衰变比热功率,W/C i.量 热 计 主 要 由 四 个 元 素 组 成:量 热 室(Tc)、良好确定的热阻、热电堆(电压信号Vs)、环境(Te).当功率为P的热源放在量热室中,量热室温升dTc/dt与量热室的热容C和由热阻确定的热导k之间的关系为:dTcdtPk(TcTe)C()保持量热计Te不变,此时的量热计即为等温量热计.对上式积分,得到:TcTePkekCt()即:Pk(TcTe)ekCt()式中,C/k为 时 间 常 数,当t 时 有 关 系式():Pk(TcTe)()热源和冷源之间的温差TcTe,与二者之间的温差电势具有线性关系,故热源功率P与热电偶的温差电势之间具有线性关系 .实验装置与方法 实验装置等温双杯微量热计结构示意图示于图,分为量热单元和环境温度控制单元.量热单元由量热杯及其固定台、热电堆、测量室、信号测量部件等部分组成.为了保持测量环境的稳定性,测量室选取不锈钢作为结构材料,通过测量室外水浴保持温度,测量室尺寸为 mm mm.铝材质由于其热阻小、比热容大,选取作为内部量热杯材质.量热杯外部尺寸为 mm第期欧阳慧平等:氚微量热计标定及含氚样品量热验证 mm,内部尺寸为 mm mm,体积为 m L.量热计通过实验室空调控制环境温度,通过水浴与真空维持量热杯内温度稳定.实验时室内温度在 之间波动,恒温水箱可控制在 范围内,使用真空泵将量热腔室内的真空度抽取至 P a.图微量热计结构示意图F i g S t r u c t u r ed i a g r a mo f t h e t w o c u pc a l o r i m e t e r两个量热杯之间的温差电势U通过A g i l e n t A纳伏表测量,标定工作曲线时采用K e y s i g h t B A电源表对量热杯输入电加热功率P,二者参数列于表,可精确测量V级别的热电势与W级别的电功率.表电表参数T a b l eP a r a m e t e r so f e l e c t r i cm e t e r s型号量程分辨率A g i l e n t AV V p V n K e y s i g h tB A n V V f A直流 A n V脉冲 A f A W等温双杯量热计测量可有效抵消噪声对测量的困扰,双杯均无热源时测得的电势差为基线值.基线值波动小,检测限也小,适合低热功率的测量对象.实验方法 检测限测量对于低活度氚的量热测量,微量热计的基线稳定性决定检测限的大小,直接影响氚活度测量结果的准确性.等温双杯量热计在两个量热杯内均没有热源的情况下,两个量热杯的输出电压信号差值即为该量热计的基线值.基线检测原理示于图.图基线检测原理图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo fb a s e l i n ed e t e c t i o n 电加热功率量热标定量热计采用电加热功率标定方法.采用电源表对量热杯输入一定的热功率P,纳伏表测量两个量热杯之间的温差热电势U,对量热计的输入电功率P(W)输出热电势U(V)关系进行标定,标定示意图示于图.图双杯量热计原理图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h e t w o c u pc a l o r i m e t e r 含氚样品量热验证为了保证氚活度测量的稳定性与准确性,需对含氚样品重复测量,确认相对标准偏差在以内 ,并与其他测量方法所得活度值对比,验证测量准确度.采用固态氚样品Z r T x 进行多次重复测量其氚活度A,此样品充氚时经P VT法测量为 C i(量热计测量时已扣除衰减).含氚样品测量示意图示于图.按照公式()计算多次测量的相对标准偏差(R S D).R S Dn(AiA)nA ()同 位 素第 卷式中,Ai为第i次测量得到的氚活度,C i;n为测量次数;A为n次测量得到的氚活度平均值,C i.图含氚样品量热原理图F i g C a l o r i m e t r i cd i a g r a mo f s a m p l ec o n t a i n i n g t r i t i u m将吸氚样品密封在铜样品盒内,放入量热计的量热杯内,同时在量热杯内放入同等质量的空白铜样品盒,开始测量直至输出热电势平衡时间 h.根据平衡后的输出热电势值,根据标定的P(W)U(V)关系曲线以及氚衰变比热功率(P),计算得出该吸氚样品的氚活度(Ai).结果与讨论 检测限测试对量热计进行次基线测量,测量的第 h(图中h)的基线波动 情况示于图,此时已充分稳定,取这h的平均值作为基线值,结果汇总列于表.图量热计基线输出曲线F i g B a s e l i n eo u t p u t c u r v eo f c a l o r i m e t e r表量热计基线及噪声数据T a b l eB a s e l i n ea n dn o i s ed a t ao f c a l o r i m e t e r次基线测量值/V平均值标准差 由图及表测量结果可见,由于每次测量打开量热杯暴露于空气中时,破坏了温度稳定性,导致每次基线测量值不完全一致,但均在V以下,平均值为 V,标准差为 V,当测量值在 V以上时,测量偏差小于 .基线噪声为 V,按照倍噪声值计算,量第期欧阳慧平等:氚微量热计标定及含氚样品量热验证热计的净输出热电势最低检测限为 V.电加热功率量热标定在 W范围内进行标定,重复三次.对标定所得的输入电功率P输出热电势U进行线性拟合,线性关系示于图.图三组标定的P U线性关系F i g T h eP Ul i n e a r r e l a t i o n s h i po f t h r e eg r o u p so f c a l i b r a t i o n由图可看出,三组P U线性关系式基本一致,且线性关系良好.拟合所得最大系数为 ,最小系数为 ,二者仅相差 ,说图量热计电功率标定P U线性关系F i g C a l i b r a t i o no f c a l o r i m e t e rp o w e rP Ul i n e a r r e l a t i o n s h i p明标定重复性良好.为了减少拟合计算所得的偏差、更准确地得到工作曲线,对所有数据进行线性拟合,结果示于图.拟合得到电功率P与热电势U的线性关系 为:P(W)U(V),即U(V)P(W),灵敏度系数为 V/W,二者线性关系较好,相关系数R ,对应氚活度与热电势关系为A(C i)U(V).结合 节中检测限测试的最低电势为 V,计 算 得 出 最 低 检 测 限 的 热 功 率 为 W,对应氚活度 C i,即 m C i.含氚样品量热验证含氚样品的次量热计测量热电势变化曲线示于图.由热电势计算获得的氚活度汇总列于表.图吸氚锆片样品重复性测量热电势曲线F i g R e p e a t a b l e t h e r m o e l e c t r i cp o t e n t i a l c u r v e so f z i r c o n i u ms a m p l e sw i t ht r i t i u ma b s o r p t i o n表吸氚锆片样品重复性测量数据汇总T a b l eS u mm a r yo f r e p e a t a b i l i t ym e a s u r e m e n td a t ao f t r i t i a t e dz i r c o n i u ms h e e t s a m p l e s测量次序热电势/V氚活度/C i 平均值 标准偏差S 相对标准偏差R S D/通过公式()计算得出该量热计次测量的相对标准偏差为 ,重复性良好.量热法测量平均值 C i与P V T法测量所得值 C i相比,偏差为 ,准确度较好.结论通过微量热计的检测限测量、电加热功率标定及含氚样品量热验证,得到以下结论.同 位 素第 卷()微量热计的样品功率最低检测限为 W,对应 m C i活度的氚.()双杯量热计的输入电加热功率P与输出热电势U的线性关系式为:P(W)U(V),灵敏度系数为 V/W,相关系数R ,对应氚活度与热电势关系为A(C i)U(V).()次吸氚锆片样品的测量相对标准偏差为 ,与P VT法 测 试 所 得 偏 差 为 ,验证了微量热计具有较好的测量稳定性与准确 性,证 明 此 微 量 热 计 适 用 于 W范围内热功率测量.参考文献:M o r a n J,A l e x a n d e r T,A a l s e t h C,e t a l I m p r o v e m e n t s t os a m p l ep r o c e s s i n ga n dm e a s u r e m e n tt oe n a b l e m o r e w i d e s p r e a de n v i r o n m e n t a la p p l i c a t i o no f t r i t i u mJA p p l i e dR a d i a t i o na n dI s o t o p e s,:S o n gK,C h e nZ,C h e nZ,e t a l D e s i g no f a s o l i ds c i n t i l l a t i o nc o u n t e rf o rt r i t i u m w a t e r m e a s u r e m e n tb a s e do n C a F(E u)s h e e tu s i n g M o n t eC a r l o s i m u l a t i o nJ F u s i o n E n g i n e e r i n g a n dD e s i g n,:C h e nZ,L a i C,L iY,e t a l Ap l a n a r t y p e i o n i z a t i o nc h a m b e rf o rt r i t i u m s u r f a c ec o n t a m i n a t i o nm e a s u r e m e n t s i nf u s i o nf a c i l i t yJ F u s i o nE n g i n e e r i n ga n dD e s i g n,:C h e nZ,P e n gS,C h e nP,e t a l I m p r o v e m e n to fi o n i z a t i o nc h a m b e rf o rt r i t i u m m e a s u r e m e n t si ni n p i l e t r i t i u me x t r a c t i o ne x p e r i m e n t sJ F u s i o nE n g i n e e r i n ga n dD e s i g n,:刘丽飞,武超,胡石林,等放射性核素量热计研制J核技术,():L i uL i f e i,W uC h a o,H uS h i l i n,e ta l D e v e l o p m e n t o f r a d i o n u c l i d e c a l o r i m e t e rJ N u c l e a rT e c h n i q u e s,():(i nC h i n e s e)G e n k aT,I m a h a s h iTR a d i o a c t i v i t y m e a s u r e m e n t s o f G dp e l l e t s o u r c e s b y c a l o r i m e t r i cm e t h o d sJN u c l e a rI n s t r u m e n t sa n d M e t h o d si n P h y s i c s R e s e a r c h S e c t i o n A:A c c e l e r a t o r s,S p e c t r o m e t e r s,D e t e c t o r sa n dA s s o c i a t e dE q u i p m e n t,():罗学建,罗文华,蒋国强,等量热法测量贮氚容器中的 氚J原 子能 科学 技 术,():L u oX u ej i a n,L u o W e nh u a,J i a n gG u oq i a n g,e ta l M e a s u r e m e n to f t r i t i u mi nt h et r i t i u ms t o r i e dv e s s e lw i t hc a l o r i m e t r yJA t o m i cE n e r g yS c i e n c eA n dT e c h n o l o g y,():(i nC h i n e s e)W e s tDS,F r a m eKJ,T h o m p s o nJ,e t a l E v a l u a t i o no f an e w l yd e v e l o p e d t r i t i u mc a l o r i m e t e r a tl o sa l a m o sn a t i o n a l l a b o r a t o r yJ F u s i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g y,():T h o r n t o n M I,V a s s a l l o G,M i l l e rJ,e ta l D e s i g na n dp e r f o r m a n c e t e s t i n go f at r i t i u mc a l o r i m e t e rJN u c l e a rI n s t r u m e n t s&M e t h o d si nP h y s i c sR e s e a r c h,():罗老永,漆明森,张劲松,等医用同位素微量热计性能研究J同位素,():L u oL a o y o n g,Q iM i n g s e n,Z h a n gJ i n s o n g,e ta l T h ep e r f o r m a n c eo fm e d i c a l i s o t o p em i c r o c a l o r i m e t e rJ J o u r n a lo fI s o t o p e s,():(i nC h i n e s e)李玮,陈细林,袁大庆,等低能活度微量热计性能研 究J原 子 能科 学技 术,():L i W e i,C h e n X i l i n,Y u a n D a q i n g,e t a l R e s e a r c ho np e r f o r m a n c eo fm i c r o c a l o r i m e t e rf o rr a d i o a c t i v i t y m e a s u r e m e n t o fl o w e n e r g y b e t ae m i t t e r sJA t o m i cE n e r g yS c i e n c eA n dT e c h n o l o g y,():(i nC h i n e s e)刘红明,贾伟江,张廷生,等低能核素微热量热计研 制J原 子 能科 学技 术,():L i uH o n g m i n g,J i aW e i j i a n g,Z h a n gT i n g s h e n g,e t a l D e v e l o p m e n t o f l o w e n e r g y B m i c r o c a l o r i m e t e rJ A t o m i c E n e r g y S c i e n c e A n dT e c h n o l o g y,():(i nC h i n e s e)董传江,蒲显恩,刘莎莎,等水中氚活度浓度测量不确 定 度 评 定 J核 电 子 学 与 探 测 技 术,():D o n gC h u a n j i a n g,P uX i a n e n,L i uS h a s h a,e ta l E v a l u a t i o no fu n c e r t a i n t yi nm e a s u r e m e n to ft r i t i u ma c t i v i t yc o n c e n t r a t i o ni nw a t e rJN u c l e a rE l e c t r o n i c s&D e t e c t i o n T e c h n o l o g y,():(i nC h i n e s e)L e eE S,C h oS,A h n M Y,e ta l A c c u r a c ya s s e s s m e n to f t h e i n b e dc a l o r i m e t r ye m p l o y e d i nI T E RS D SJ F u s i o nE n g i n e e r i n gA n dD e s i g n,():第期欧阳慧平等:氚微量热计标定及含氚样品量热验证