李 凱 鐘國強 胡立群 劉光柱 周瑞杰 普 能

（中國科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031）

EAST托卡馬克裝置的核輻射監(jiān)測系統(tǒng)

李 凱 鐘國強 胡立群 劉光柱 周瑞杰 普 能

（中國科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031）

EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak)現(xiàn)階段D-D運行產(chǎn)生2.45 MeV聚變中子及次級核反應(yīng)γ射線，為了解EAST運行期間輻射場的分布及強度，確保運行期間人員及環(huán)境的核輻射安全。針對EAST運行期間裝置大廳內(nèi)部存在較強的中子、伽馬瞬變輻射場的特征，結(jié)合環(huán)境低本底輻射監(jiān)測的需要，采用寬動態(tài)范圍、快時間響應(yīng)的場所輻射監(jiān)測探測器，與高靈敏度、穩(wěn)定性好的環(huán)境輻射監(jiān)測探測器相結(jié)合的方式，圍繞EAST裝置布置13個輻射監(jiān)測點，每點分別安裝一臺中子、伽馬監(jiān)測器。采用自行編寫的LabVIEW輻射監(jiān)測軟件進行數(shù)據(jù)采集，組建了一套EAST托卡馬克裝置的中子、伽馬輻射劑量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在2015年春季EAST實驗中連續(xù)穩(wěn)定運行了三個月，可靠性較高，獲取了大量實驗數(shù)據(jù)。監(jiān)測系統(tǒng)滿足EAST核輻射監(jiān)測的要求，同時為后續(xù)開展聚變堆輻射安全與防護研究提供實驗平臺。

EAST，托卡馬克，輻射監(jiān)測，中子，γ射線

EAST是我國首個自主設(shè)計和建造的全超導(dǎo)托卡馬克裝置[1]，為我國在探索實現(xiàn)聚變能源的物理、工程問題提供良好的平臺。聚變反應(yīng)使輕核在一定條件下作用生成新的更重的原子核，過程中釋放大量能量，聚變是解決未來能源問題的有效途徑。

核聚變過程產(chǎn)生大量的聚變中子，國內(nèi)外在聚變輻射安全與防護上已經(jīng)開展了大量工作[2?4]。國內(nèi)使用MCNP開展了HT-7U的活化研究，并設(shè)計了一套中子、γ監(jiān)測系統(tǒng)。國外開展了KSTAR裝置材料的中子活化研究。圍繞JT-60托卡馬克裝置的主要輻射來源進行了分析，對裝置運行期間及運行結(jié)束后的γ劑量當(dāng)量率進行了長達6年的監(jiān)測。

EAST托卡馬克裝置在實驗放電期間會產(chǎn)生大量的中子及中子誘導(dǎo)產(chǎn)生的γ射線，盡管EAST屏蔽大廳(33 m×28 m×23.1 m)四周屏蔽墻體厚度1.5m，頂部屏蔽墻厚1 m，屏蔽墻體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但部分中子及γ射線仍可能進入環(huán)境中，對周圍環(huán)境及工作人員造成危害。

EAST裝置于2013年開始升級改造，EAST原有核輻射探測器存在老舊嚴重、部分探測器飽和等問題。本文基于EAST目前的運行工況，同時考慮未來可能達到的運行參數(shù)，為保障工作人員及周圍環(huán)境的輻射劑量安全，設(shè)計了一套EAST核輻射監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)圍繞EAST周邊布置了13個監(jiān)測點，系統(tǒng)分為大廳內(nèi)場所監(jiān)測及大廳外環(huán)境監(jiān)測兩部分，大廳內(nèi)采用寬動態(tài)范圍探測器，解決探測器飽和的情況，大廳外采用高靈敏度、穩(wěn)定性好的探測器，能夠很好的響應(yīng)低水平的劑量率波動。同時，使用LabVIEW編寫了EAST核輻射監(jiān)測系統(tǒng)的采集軟件。EAST核輻射系統(tǒng)對實驗運行期間、放電間隙期、實驗結(jié)束后EAST周圍的中子、γ輻射水平進行長時間的監(jiān)測。

1 輻射監(jiān)測系統(tǒng)

目前EAST聚變裝置主要進行D-D等離子體實驗，主要核反應(yīng)過程如下：

從式(1)、(2)可以看出，聚變中子的來源為D-D等離子體反應(yīng)產(chǎn)生的能量2.45 MeV的中子。EAST輻射場[5]與加速器類似，EAST放電為脈沖式，持續(xù)時間一般在十幾秒，設(shè)計最大脈沖為1 000 s，僅在等離子體放電期間產(chǎn)生中子以及γ射線，EAST放電結(jié)束后中子消失，只有活化產(chǎn)生的γ射線。

1.1 監(jiān)測器

EAST核輻射監(jiān)測系統(tǒng)包括大廳內(nèi)的場所輻射監(jiān)測及大廳外的環(huán)境輻射監(jiān)測[6]，大廳內(nèi)等離子體運行期間劑量當(dāng)量率較高，且放電持續(xù)時間較短，放電結(jié)束后劑量率很快衰減到較低水平，因此對于大廳內(nèi)的輻射劑量監(jiān)測，要求監(jiān)測器具有動態(tài)范圍寬、響應(yīng)較快、能夠在受到高劑量率照射下很快恢復(fù)等特點，滿足短時間內(nèi)高劑量率監(jiān)測的要求。大廳外由于屏蔽大廳的良好屏蔽效果，EAST放電并不會對環(huán)境造成很大影響，大廳外劑量率穩(wěn)定在較低水平，因此要求大廳外的監(jiān)測器具有靈敏度高、長期穩(wěn)定性較好等特點。

1.1.1 γ監(jiān)測器

首先，大廳內(nèi)γ監(jiān)測器采用動態(tài)范圍寬、響應(yīng)快的場所輻射監(jiān)測器。探頭部分采用圓柱形電離室，內(nèi)充2 MPa的氬氣。同時，針對脈沖輻射場的特點，減少電離室在瞬時高劑量率下的正負離子復(fù)合效應(yīng)，在電離室的設(shè)計中采取縮短兩收集電極板間距和提高工作電壓的方式。電離室輸出的電流信號，采用I-F電流頻率變換的方法，將微弱的電流信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，I-F電路中采用電荷泵電路代替開關(guān)電路，提高電路的靈敏度及抗干擾能力，并能在一定程度上克服零點漂移的問題，I-F變換原理圖如圖1。

圖1 I-F變換電路示意圖Fig.1 Schematic diagram of I-F transform circuit.

大廳外采用球形高壓氬氣電離室，內(nèi)充2.5MPa的氬氣，收集電極為?50 mm的小球，電離室輸出信號經(jīng)I-F變換后供采集系統(tǒng)使用。此球形電離室具有靈敏度高、能量響應(yīng)好、穩(wěn)定性好等特點，測量范圍0.01?6000 μGy·h?1，能量響應(yīng)范圍0.050?10MeV。

1.1.2 中子監(jiān)測器

EAST裝置D-D等離子體運行產(chǎn)生大量的聚變中子，中子劑量占大廳內(nèi)總劑量的份額較大，且高參數(shù)等離子體放電的瞬時中子通量較高，在這種持續(xù)時間短、劑量率高的場所，普通中子監(jiān)測器存在漏計數(shù)嚴重、響應(yīng)不及時的情況，無法正確給出大廳內(nèi)的中子劑量水平。

為適應(yīng)EAST大廳內(nèi)中子場特點，本文大廳內(nèi)使用的中子監(jiān)測器采用?25 mm×135 mm的小型BF3正比計數(shù)管，通過降低BF3涂層厚度、降低管內(nèi)充氣氣壓、調(diào)整鎘片開孔面積的方式，降低監(jiān)測器靈敏度，提高探測上限。計數(shù)管外包1 mm厚的開孔隔片用于改善計數(shù)管的能量響應(yīng)，最外層為厚度6.5 cm的圓柱狀高壓聚乙烯慢化體。經(jīng)標(biāo)定探測器靈敏度約為93.05 nSv·Plus?1，能量響應(yīng)范圍為2.53×10?2?1.6×107eV。監(jiān)測器示意圖如圖2所示。

圖2 中子監(jiān)測器外觀及結(jié)構(gòu)Fig.2 Appearance and structure of neutron monitor.

中子計數(shù)管的工作電壓為1 800 V，中子管輸出的脈沖幅度為十幾毫伏。電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，后續(xù)經(jīng)過前放、主放、甄別、脈沖成形，最后經(jīng)輸出電路輸出+12 V、10 μs的脈沖，進入單片機采集。

圖3 中子監(jiān)測器電路Fig.3 Schematic diagram of neutron detector circuit.

慢化型中子探測器在脈沖輻射場中具有展寬窄中子脈沖的作用，1 μs的窄脈沖可被展寬到300μs[7]。EAST大廳內(nèi)實測數(shù)據(jù)表明，持續(xù)時間為5 s的等離子體放電，實測采集到的中子持續(xù)時間可達9 s，大大降低瞬時劑量率，對于提高計數(shù)管內(nèi)離子的收集效率、減少漏計數(shù)有很大作用。

環(huán)境中子劑量率約為nGy·h?1級別，為準確測量如此低水平中子本底，要求環(huán)境中子監(jiān)測器具有很高的靈敏度，目前市場上劑量當(dāng)量率儀靈敏度普遍偏低[8]，可靠測量下限為0.1 μGy·h?1。因此，在探測器的設(shè)計上為提高靈敏度滿足EAST大廳外環(huán)境中子監(jiān)測的需要，使用大型中子計數(shù)管(?50mm× 350 mm)，探測器結(jié)構(gòu)采用非雷姆結(jié)構(gòu)，慢化體為圓柱狀，提高了靈敏度，能夠測定本底水平。注量率靈敏度為12 Plus·μSv?1·h。

1.2 監(jiān)測布點

EAST輻射監(jiān)測系統(tǒng)[9]由13個獨立監(jiān)測點、1臺輻射采集PC組成，每個監(jiān)測點分別布置一臺中子、γ監(jiān)測器，監(jiān)測點分布如圖4所示，監(jiān)測器N代表中子監(jiān)測器，G代表γ監(jiān)測器，數(shù)字為監(jiān)測點編號。

其中，大廳內(nèi)布置3個點（1、2、3號監(jiān)測點），分別位于EAST大廳內(nèi)三面屏蔽墻上，用于監(jiān)測運行期間大廳內(nèi)的劑量率變化情況，了解不同運行參數(shù)、模式的劑量率變化情況，方便開展EAST運行相關(guān)核輻射劑量研究，同時對EAST運行間隙期及運行后的大廳內(nèi)劑量率情況進行長時間的監(jiān)測，確保工作人員在大廳內(nèi)的輻射安全。另外10個監(jiān)測點位于EAST實驗大廳外，4、9、10號點分別放置于實驗大樓入口處、大廳東入口、大廳西屏蔽門，均為人員進出密集處，且屏蔽門與墻體之間的縫隙易導(dǎo)致大廳內(nèi)輻射進入環(huán)境中，因此在上述三處分別設(shè)置監(jiān)測點。11及12號點分別為實驗控制大廳、所辦公大樓，人員長期停留，需要在這兩點分別設(shè)置監(jiān)測點確保人員的安全。13號點靠近大廳負二層北側(cè)，由于布置管道及線路的需要，該點部分墻體采用沙袋填充，EAST運行期間大廳內(nèi)中子、γ射線可能從此處進入地溝，因此有必要在該點布置監(jiān)測探測器。其余5、6、7、8分別布置在大廳外墻上，實時監(jiān)測周邊環(huán)境的輻射變化情況。

圖4 EAST實驗大廳示意圖及監(jiān)測器布點分布Fig.4 Layout of EAST experimental hall and the distribution of monitors.

1.3 數(shù)據(jù)采集

由于13個監(jiān)測點分布較分散，個別監(jiān)測點離采集PC較遠，給輻射采集組網(wǎng)帶來困難，實際組網(wǎng)中采用雙絞線+以太網(wǎng)的混合組網(wǎng)模式，對布線困難的11、12、13號監(jiān)測點采用所內(nèi)現(xiàn)有的以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，其余監(jiān)測點均采用雙絞線連接探測器與采集PC。借鑒以往實驗數(shù)據(jù)采集的經(jīng)驗，本次實驗數(shù)據(jù)的采集摒棄原有的晶體管-晶體管邏輯集成電(Transistor-Transistor Logic, TTL)脈沖傳輸方式，避免TTL轉(zhuǎn)換模塊引入的計數(shù)率瓶頸，統(tǒng)一采用探測器RS-485串口輸出方式。探測器在獲取輻射信息后，原始信號經(jīng)過處理進入單片機，單片機輸出RS-485協(xié)議數(shù)據(jù)，經(jīng)雙絞線或以太網(wǎng)傳輸?shù)竭h端的計算機采集。因普通PC不具備RS-485串口的通訊協(xié)議，采集機插入MOXA型號為CP-118EL的外設(shè)組件互連標(biāo)準(Peripheral Component Interconnect, PCI)多串口卡，通DB9連接頭連接，實現(xiàn)PC與探測器的實時通訊，獲取探測器的實時測量信息。

為方便13個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)實時查看及存儲，實時了解EAST大廳內(nèi)及周邊環(huán)境的輻射情況，使用LabVIEW軟件編寫了EAST核輻射監(jiān)測系統(tǒng)的采集軟件，軟件通過串口主動查詢數(shù)據(jù)的方式，同時采集13個監(jiān)測點26個探測器的數(shù)據(jù)，在監(jiān)測軟件界面上實時給出劑量率的數(shù)據(jù)及變化圖形。采集軟件在編寫時大量使用子VI，將功能相同的模塊進行集成，減少內(nèi)存占用量，提高軟件長時間穩(wěn)定運行的能力。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.1 實驗前本底輻射監(jiān)測

EAST核輻射監(jiān)測系統(tǒng)，于2015年EAST春季實驗前一個月，開始長時間的輻射本底監(jiān)測。監(jiān)測期間系統(tǒng)未出現(xiàn)故障，無劑量率異常情況。選取其中大廳外7號點及10號點一周的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖5(a)、圖6(a)所示。在圖6(a)中，中子本底劑量率值較穩(wěn)定，平均值分別為N7：2.305 nGy·h?1、N10：2.218nGy·h?1，所用監(jiān)測器的靈敏度能夠滿足低本底環(huán)境監(jiān)測的需要；圖5(a)中，γ本底隨時間波動較大，且每天的波動趨勢隨時間的變化基本一致，主要是受太陽輻射粒子的影響，到接近下午14:00左右本底劑量率達到最高水平，隨后開始下降，到第二天又開始逐漸上升，每天都重復(fù)上述過程。數(shù)據(jù)表明，環(huán)境伽馬監(jiān)測器能夠監(jiān)測到微小的輻射變化，靈敏度較高。

2.2 實驗期間輻射監(jiān)測

為實時了解EAST運行期間及運行結(jié)束后大廳內(nèi)及周邊環(huán)境的輻射情況，核輻射監(jiān)測系統(tǒng)24 h不間斷運行。截取了7、10號監(jiān)測點在放電期間一周內(nèi)的劑量率變化情況，如圖5(b)、圖6(b)所示。

對比圖5(a)、(b)可發(fā)現(xiàn)，實驗期間γ劑量率隨時間的變化規(guī)律與實驗前類似。同時，實驗期間G10劑量率變化曲線能明顯看到“尖峰”的存在，這是由于10號監(jiān)測點靠近屏蔽門，運行期間有伽馬射線通過屏蔽門與墻體之間的縫隙進入環(huán)境，但總γ劑量率仍較低，并不會對環(huán)境造成大的輻射劑量。G7探測器安裝于一塊完整的屏蔽墻上，屏蔽效果較好，只在極少數(shù)高參數(shù)實驗條件下，G7劑量率稍高于實驗前天然本底。

對比圖6(a)、(b)，N7中子劑量率與實驗前本底水平相近，放電期間無明顯的瞬時劑量率升高。由于中子有一定幾率從墻體與屏蔽門的縫隙中逃逸出，N10劑量率曲線同樣可以觀察到“尖峰”的存在，最高瞬時劑量率不超過0.03 μGy·h?1。但由于EAST運行屬于“脈沖式”，每炮持續(xù)時間較短，放電結(jié)束后大廳外中子、γ水平很快回到本底水平。為直觀地了解EAST運行對周邊環(huán)境的影響，表1分別對7、10號監(jiān)測點在5.29?6.4（實驗前）及7.1?7.7（實驗期間）的平均劑量率以及此區(qū)間內(nèi)的累積劑量進行統(tǒng)計，從表1中可以看出，γ累積劑量受不同時間段本底劑量率水平差別的影響，實驗期間G7、G10累積劑量均稍低于實驗前，實驗期間中子累積劑量高于實驗前期，N7、N10累積劑量偏差分別為0.15%、5.34%，總體來說實驗期間劑量率基本處于本底水平，EAST屏蔽大廳對運行期間產(chǎn)生的中子、γ射線屏蔽效果較好。

圖5 EAST核輻射監(jiān)測系統(tǒng)7、10號點實驗前(a)以及實驗期間(b)的γ劑量率Fig.5 Gamma dose rate curves of points 7 and 10 of EAST radiation monitoring system before (a) and during (b) the experiment.

圖6 EAST核輻射監(jiān)測系統(tǒng)7、10號點實驗前(a)以及實驗期間(b)的中子劑量率Fig.6 Neutron dose rate curves of points 7 and 10 of EAST radiation monitoring system before (a) and during (b) the experiment.

表1 實驗前與實驗期間劑量率、累積劑量對比Table 1 Comparison of dose rate and accumulated dose before and during the experiment.

3 結(jié)語

針對EAST運行期間輻射場的特點，在EAST大廳內(nèi)外布置了13個監(jiān)測點組成的輻射監(jiān)測系統(tǒng)。為滿足EAST運行期間高參數(shù)、持續(xù)時間短的“脈沖式”輻射監(jiān)測，大廳內(nèi)采用動態(tài)范圍寬、響應(yīng)快的場所監(jiān)測器，實時監(jiān)測大廳內(nèi)運行期間劑量率變化以及運行間隙期劑量率的衰減情況。大廳外輻射為本底水平，故采用靈敏度高、長期穩(wěn)定性較好的環(huán)境監(jiān)測器，確保周邊環(huán)境及人員的輻射安全。采集組網(wǎng)采用雙絞線直連+以太網(wǎng)的組網(wǎng)方式，借助多串口設(shè)備卡將探測器數(shù)據(jù)與PC連接，并自行編寫EAST核輻射采集軟件，可實時采集、查看、存儲各監(jiān)測器數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)于2015年春季EAST實驗前開始運行，并開始長時間本底監(jiān)測。實驗期間運行良好，各監(jiān)測器以及監(jiān)測軟件未出現(xiàn)故障，2015春季運行累積時長三個月。實驗監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)各監(jiān)測器能滿足大廳內(nèi)外輻射監(jiān)測的需要，系統(tǒng)運行可靠性高、穩(wěn)定性好，同時EAST屏蔽大廳對大廳內(nèi)產(chǎn)生的中子、γ射線具有很好的屏蔽效果。

EAST核輻射監(jiān)測系統(tǒng)目前只進行了中子、γ射線的監(jiān)測，后續(xù)有待開展放射性氣體（氚氣）、放射性液體流出物的監(jiān)測，逐步完善EAST的核輻射監(jiān)測體系。

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Radiation monitoring system for EAST tokamak

LI Kai ZHONG Guoqiang HU Liqun LIU Guangzhu ZHOU Ruijie PU Neng

(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

Background: During the experiment of Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), reaction of D-D may generate neutrons with energy of 2.45 MeV, and bremsstrahlung gamma rays and neutron activated gamma rays as well. Purpose: The aim is to study the radiation of neutrons and gamma rays in the EAST hall during the running of EAST tokamak and obtain the radiation doses under different modes and parameters by implementing a radiation monitoring system to diagnose some plasma parameters and ensure the radiation safety of the personnel and the environment around EAST. Methods: In consideration of the highly and transient radiation doses of neutrons and gamma rays contrast to the lowly environmental background during the plasma discharge in the EAST hall, the combination of high ranging and fast responding detectors are adopted in the EAST hall whilst high sensitivity and stability detectors are deployed in the environment. Thirteen monitoring points were selected around the EAST, each point contains a neutron detector and a gamma ray detector. Combination of Ethernet and twisted pair are adopted for the data transmission, and the radiation monitoring software based on LabVIEW was developed. Results: A radiation monitoring system of EAST tokamak was successfully built to monitor and save the real-time radiation dose rates of each detector, and to produce an alarm signal when abnormal dose rate happens. The radiation monitoring system had run stably for more than three months during the EAST experiment in the spring of 2015, and obtained many useful experimental data on fusion radiation safety and protection. Conclusion: The radiation monitoring system can well monitor the radiation around the EAST tokamak, and provide a platform for the future study of radiation safety and protection of the fusion reactor.

EAST, Tokamak, Radiation monitoring, Neutron, Gamma ray

TL75+1

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110602

國家自然科學(xué)基金(No.11261140328)、國家磁約束聚變科學(xué)計劃(No.2015GB103000)資助

李凱，男，1990年出生，2014年于東華理工大學(xué)獲碩士學(xué)位

鐘國強，E-mail: gqzhong@ipp.ac.cn

2015-09-15，

2015-10-20

CLC TL75+1