[论文解读] TRITIUM - A Real-Time Tritium Monitor System for Water Quality Surveillance

C.D.R. Azevedo, A. Baeza+18 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2019

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 2被引用 10

一句话总结

本文介绍了TRITIUM项目，一种用于核电站附近河流水体的实时、原位氚监测系统，采用闪烁光学纤维结合硅光电倍增管（SiPMs）在符合模式下读出，以高灵敏度检测低水平氚。通过优化光纤几何结构、背景抑制及超纯水纯化，该系统实现了低于100 Bq/L的检测能力，原型验证表明其性能稳定，并相比早期型号实现了10倍的信号提升。

ABSTRACT

In this work the development results of the TRITIUM project is presented. The main objective of the project is the construction of a near real-time monitor for low activity tritium in water, aimed at in-situ surveillance and radiological protection of river water in the vicinity of nuclear power plants. The European Council Directive 2013/51/Euratom requires that the maximum level of tritium in water for human consumption to be lower than 100 Bq/L. Tritium levels in the cooling water of nuclear power plants in normal operation are much higher than the levels caused by the natural and cosmogenic components, and may easily surmount the limit required by the Directive. The current liquid-scintillation measuring systems in environmental radioactivity laboratories are sensitive to such low levels, but they are not suitable for real-time monitoring. Moreover, there is no currently available device with enough sensitivity and monitoring capabilities that could be used for surveillance of the cooling water of nuclear power plants. A detector system based on scintillation fibers read out by photomultiplier tubes (PMTs) or silicon photomultiplier (SiPM) arrays is under development for in-water tritium measurement. This detector will be installed in the vicinity of Almaraz nuclear power plant (Spain) in Spring 2019. An overview of the project development and the results of first prototypes are presented.

研究动机与目标

• 开发一种接近实时、原位的河流水体氚监测系统，用于核电站附近，以确保符合欧盟2013/51/Euratom指令中将氚限值设定为100 Bq/L的要求。
• 克服现有液态闪烁法的局限性，后者需要采样且不适用于连续、自主监测。
• 设计一种探测器，具备足够灵敏度以检测低于100 Bq/L的氚水平，即使在宇宙射线和天然本底辐射存在的情况下亦可。
• 实施水纯化系统，以维持超纯水（电导率~10 µS/cm），确保处理过程中无氚损失。
• 实现自主、连续测量，并在测量时间少于10分钟内触发氚浓度超过100 Bq/L的报警。

提出的方法

• 利用无包层闪烁光学纤维（直径1 mm和2 mm）作为低能β粒子（来自氚衰变）的主要探测介质。
• 采用硅光电倍增管（SiPMs）或光电倍增管（PMTs）在符合模式下读出闪烁信号，以抑制探测器固有噪声。
• 实施主动与被动屏蔽——使用塑料闪烁体和铅砖——以排斥宇宙射线和天然本底辐射。
• 集成超纯水纯化系统，电导率<10 µS/cm，以防止纤维污染并保持测量过程中氚活性。
• 设计模块化探测器，包含15个圆柱形腔室，每个腔室含500根纤维（长25 cm，直径1 mm），每腔室由两组SiPM阵列在符合模式下读出。
• 使用GEANT4模拟优化纤维长度、直径及几何构型，以实现最大能量沉积与检测效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 无包层闪烁光纤能否以足够效率和信噪比检测来自氚衰变的低能β粒子？
• RQ2 何种最优光纤直径与几何构型可最大化氚衰变电子的能量沉积，同时最小化信号损失？
• RQ3 采用SiPMs或PMTs的符合检测能否有效抑制探测器固有噪声，并在100 Bq/L以下实现灵敏度提升？
• RQ4 探测器系统性能如何随闪烁光纤数量及其表面状态变化而变化？
• RQ5 连续流超纯水系统能否维持氚水平，并支持10分钟更新周期以实现真实时间监测？

主要发现

• GEANT4模拟显示，氚衰变产生的电子在2 mm直径无包层光纤中沉积能量，峰值约12 keV，能量范围为2至18 keV，且衰变事件多发生于距光纤表面5 µm以内。
• TRITIUM-1 Aveiro原型机相比TRITIUM-0原型机实现了十倍的氚信号提升，归因于光纤数量增加与优化的符合读出。
• 探测器原型在连续9个月的实验室测试中保持稳定响应，证明了其长期可靠性。
• 利用55Fe源（5.9 keV光子）验证了低能探测能力，确认系统具备检测接近氚β衰变平均能量6 keV信号的能力。
• 系统成功测量到108.11 MBq/L的氚水，并在数据谱中清晰分离出与超纯水的信号，证实其在远超法规限值水平下的检测灵敏度。
• 超纯水纯化系统有效保持了氚活性，并实现了10分钟水更新周期，满足真实时间监测需求。