LB770低本底α/β测定仪故障检测

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【摘 要】本文对lb770低本底α/β测定仪的故障的发现过程进行了简要叙述。并通过进行LB770仪器的坪曲线测量，薄膜与金属阳极丝检查，数据处理器LB530PC、前置放大器LB2025与探测器检查比对试验，对仪器各个组成部件进行了故障检测和诊断，最终判断为仪器探测器部分（即探头）因达到使用寿命而发生老化故障，为仪器的进一步检修提供了指导。

【关键词】总β；坪曲线；计数管；探头

0 引言

总β的测量是核电厂辐射防护监测的一项重要内容，压水堆核电厂通过定期对反应堆冷却剂系统和换料水箱等设备中的水样进行取样，测量其总β，以了解和掌握其变化趋势和规律。总β测量通过德国伯托公司生产的LB770低本底α/β测定仪来完成。由于该仪器在国内只有销售部门，具体的维修工作只能由德国总公司的维修工程师才能维修。如果请厂家维修工程师过来检测不现实，所以只能寄至德国。但仪器又由多部分组成，在不能确定哪部分故障的基础上全部都寄出会白白增加很大一部分的进出口关税及额外检测花费，而且仪器整体移动不便。基于此，对仪器各部分进行了全面的检测，最后综合具体判断出探测器部分出现故障，只将探测器寄至德国进行更换，从而为公司节省了维修成本。

1 仪器结构组成

1.1 系统连接

LB770低本底α/β测定仪适用于对放射性样品的总α、β测量，它具有探头多、界面良好、可操作性强等特点。该仪器主要由10个流气式正比计数管、一个屏蔽计数管、前置放大器LB2025、数据处理器LB530PC、铅室气体环路及计算机工作站等构成。工作气体使用氩保气（90%的氩气和10%的二氧化碳组成的混合气体），气流通过所有的计数管后，排出至户外。操作系统使用Microsoft windows XP简体中文版。具体连接如图1。

1.2 气路连接

仪器采用PVC软管将10个测量管的出口端与上端流量计的入口端（底部）连接，再用长度小于8～10m的PVC管连接该流量计的出口端，使排气通至户外。

用PVC管将下端流量计的入口端（底部）与安装在气瓶上的二级减压阀连接，将流量计出口端与屏蔽管工作气体入口端连接。测量时气体流量保持稳定在5cm3/min左右。具体如图2所示：

1.3 电缆连接

将前置放大器、计算机主机和LB530PC接口按图3所示连接，确保所有的连接安全完好，拧紧螺丝。

图3前置放大器、计算机主机和LB530PC接口电缆连接计数管的连接线：计数管连接线位于LB 2025前置放大器的底部，这样前置放大器不用任何中间电缆即可直接安装到计数管单元的顶部。连接线通过“C”连接器连接，只有屏蔽计数管通过同轴电缆连接。

2 工作原理

当辐射贯穿物质时，辐射能量传递给物质并且辐射被屏蔽以至于被阻止。物质的原子或分子被激发到较高的能量态―激发态，或者如果辐射的能量足够高，它们就被电离。α，β被认为是电离辐射。当穿过一种气体时，辐射产生正离子和电子。这些带电粒子或者引起化学反应或者复合，最终再一次产生中性样品。但是如果施加一个外加电场，正离子开始向阴极移动并且电子被阳极吸引。如果场强足够高，防止了离子和电子移动过程中的复合，它们都将到达电极。它们被电极收集，使用适当的电路探测这些电荷，将给出电离辐射存在的指示。

气体电离探测器由一个包壳内的充气体组成，它或者是密封的，或者是允许所充气体连续的流动的构造。在这个充气内通过电极施加电场。外壁经常作为一个电极―阴极，在充气体的中间用金属丝、栅或版作为阳极。

LB770低本底α/β测定仪工作原理源于正比计数器。而正比计数器的功能是基于被工作气体（我们使用氩保气：90%氩气和10%的二氧化碳）包围的高压阳极金属丝附近的电荷放大：样品射线沿其径迹使工作气体电离，大量电子加速向阳极运动，离阳极越近，电子获得的能量越高，直到电离产生新的离子对，因此在阳极附近离子对的数量将如雪崩一样增长。通过这样的放大机制，不仅电荷增长到可测量的范围，电荷量也正比于原电离在气体中的辐射能量损失。其收集电极上产生的脉冲幅度V∞=MNe/C0，式中N为原电离产生的离子对数，C0为电离室的极间电容，M为气体放大倍数。当加于正比计数器两极间的电压恒定时，气体放大倍数M为一常数，输出脉冲高度与原电离成正比，因而可用于粒子的能量（或能谱）测量。正比计数器输出信号由两部分构成。从电离发生到电子雪崩，脉冲幅度只有微小的增加。从雪崩开始到电子被阳极收集，脉冲幅度急剧上升。此后直到所有正离子被阴极收集，脉冲幅度先是迅速增加，然后缓慢增加，直到MNe/C0。因此，当其用于活度测量时，对于电压要求较低，因为在其计数率工作电压曲线上有很长的坪。

本仪器可以进行α与β的同时测量。由于α、β脉冲幅度的巨大差异，现在可以在接下来的放大器（α道、β道）中加以区分。在α通道的输入端包括一个无源微分电路（时间常数约0.12μs），所以在高压工作点上，由于β脉冲幅度较低，一般不会超过α甄别器设定的阈值，而经过微分的α脉冲因幅度较大，将超过设定的阈值。在β道，进入甄别器之前，较低幅度的β脉冲被放大20倍。而串入β道的α脉冲也将放大同样的倍数，因此，必须在随后通过适当的方法禁戒。为甄别器还设定了一个积分阈，所有超过该阈值的脉冲在输出端产生一个标准脉冲，标准脉冲宽度可通过单稳态的触发器进行调整。

典型的α、β坪区见图5。

3 故障发现

3.1 2号机反应堆冷却剂系统水样的总β数据异常

2010年12月，二号机小修后启机时，反应堆冷却剂总β迅速增至2450MBq/t，之后反而呈下降趋势，具体数据如表1。正常来讲，机组启动后总β会迅速升至3000MBq/t以上，而由于测量误差等原因，会有一些波动，但不会相差如此之大。表2为206大修启动后几周内主系统总β数据。比较两表容易看出数据相差悬殊，据2010年2号机满功率运行时总β数据统计可得出该年主系统总β平均值为3359MBq/t。因为反应堆冷却剂系统水样其它参数（诸如总γ、氚等参数）未见异常，所以初步判断仪器发生故障。

3.2 坪曲线测量

坪曲线是衡量仪器性能的一个重要标志。其定义为：在强度不变的放射源照射下，测量计数率随工作电压的变化。曲线的特点是当工作电压超过起始电压时，计数率由零迅速增大；工作电压继续升高时，计数率仅略随电压增大，并有一个明显的坪存在，工作电压再继续升高，计数率又急剧增大，这是因为计数管失去猝熄作用，形成连续放电。针对上述粗略判断，对仪器的10个探头进行了标准面源90Sr-90Y与241Am坪曲线的测量，测量结果如图6、图7。

正常的坪曲线趋势图如图8、图9。

通过对比容易看出，仪器的坪曲线变化趋势明显不正确，所以综上两点可以肯定仪器发生了故障。

4 故障检测

针对LB770低本底α/β测定仪的结构等特点逐项对其密封薄膜、金属阳极丝、数据处理器LB530PC、前置放大器LB2025及探测器进行了检查，最后确定为探测器故障。即因为使用时间长久造成的仪器探测功能下降，从而使测量结果不准确。具体检测过程如下。

4.1 薄膜与金属阳极丝检查

正常工作时，LB770低本底α/β测定仪探测器部分的金属阳极丝是用一层聚酯薄膜密封起来的，以防止工作气体泄露。具体如图7和图8。鉴于以前曾经出现过因薄膜破损导致仪器测量不准的情况，故首先将仪器拆卸对薄膜进行检查。经检查发现薄膜完好无破损。将薄膜取下检查金属阳极丝也并没有断裂情况。

4.2 数据处理器LB530PC检查

将另一好的LB5330（LB530PC的升级版，功能与LB530PC相同）取代这条旧的LB530PC进行验证，发现测量结果无明显变化，所以可判断数据处理器LB530PC正常。

4.3 前置放大器LB2025与探测器检查

前置放大器LB2025是由一个屏蔽计数器和10个测量计数器组成。10个测量计数器分别对应10个探测器通道，如图11和图12。

首先，将另一完好的新的前置放大器LB2025与这台旧前置放大器LB2025的进行互换，然后分别在两台重新组合（即：一台为新探测器和旧前置放大器组合，另一台为旧探测器和新前置放大器的组合）的LB770低本底α/β测定仪进行坪曲线的测量。

（1）新探头与旧前置放大器组合：

（2）旧探头与新前置放大器组合：

将图14-图17与图8和图9进行比较，容易看出旧LB770低本底α/β测定仪的前置放大器是好的，探测器故障。鉴于探测器包括10个计数管，所以通过将10个计数管分别与10个前放相组合的方法对10个计数管进行了逐一检测，测量数据结果如表3。

表3为同一个平面源90Sr-90Y（活度3633Bq）的测量结果。从表中容易看出5号计数管与10号计数管的数据相一致，而且计数率最大，其探测效率为30%以上，符合探测器出厂效率，而其它计数管的探测效率明显降低，依此可进一步判断10个计数管只有5号和10号两个是好的，其它8个计数管均已出现不同程度损坏。

5 结论和建议

综上所述，可以确定LB770低本底α/β测定仪的探头故障。与生产厂家交流沟通后得知，该仪器的使用寿命在10年左右，其它用户也有出现过类似的情况。而我们的仪器是2000年2月生产的，2002年2月投入使用，至今已将近十年。所以，出现故障应属仪器使用寿命限制的范畴，亦属正常，建议更换探头。

【参考文献】

[1]吴治华，赵国庆，齐卉荃，沈能学，等.原子核物理实验方法[M].北京：原子能出版社，1997

[2]王祥云，刘元方，主编.核化学与放射化学[M]. 北京：北京大学出版社，2007，3.

[3][美]阿农齐塔（Annunziata，M.F.L），编.放射性分析手册[M].2版.北京：原子能出版社，2006，12.

[4]BERTHOLD TECHNOLOGIES. LB770 Win-PC[Z].