地下水氚探测器迈向商业化
摘要
Thomas Jefferson National Accelerator Facility与Canary Instruments签署合作研发协议，推动地下连续放射性同位素环境监测仪商业化。该设备可在井孔中长期连续监测地下水氚污染，并通过优化闪烁纤维和硅光电倍增器提升灵敏度，未来主要面向聚变设施市场。
Thomas Jefferson National Accelerator Facility昨日宣布，已与Canary Instruments签署合作研究与开发协议（CRADA），以推动其研发的一种氚探测器商业化。该探测器用于监测核设施附近的地下水。
Jefferson Lab首席创新官兼Research and Technology Partnerships Office负责人Marla Schuchman表示：“我们拥有一位充满热情、积极投入的合作伙伴，他们希望深入开展工作，承担识别市场并围绕我们的知识产权构建业务这一艰巨任务。归根结底，我们创新工作的目标是确保具有重大影响的技术能够走出实验室，从而改善社会，并为美国带来经济效益。”
水监测：核电站和核燃料设施通常会监测附近地下水中的氚污染。随着聚变示范电站开始投运，这些设施可能也需要开展地下水监测。
Jefferson Lab已研发出地下连续放射性同位素环境监测仪（SCREM）。尽管其专利所述应用场景与裂变核电站有关，但Canary将把SCREM作为面向聚变设施的产品进行推广，因为这类设施的监管环境可能对新方法更加开放。
根据该专利，目前检测水中放射性同位素的主要方法“精确而有效，但需要投入大量人力或耗费大量时间”。这些方法也只能反映取样时刻的水体状况。
在已知存在地下氚污染的厂址，可能需要多年定期对多个地点进行取样。该专利称，SCREM正是受到这一应用场景的启发而研发。
技术：SCREM设计为嵌入需要监测区域地下的水井或钻孔中。根据电源的不同，它可以在数月至数年的时间内，连续探测并记录取样区域内放射性物质产生的辐射。
该专利称：“连续监测和记录可为长期时间序列研究提供优势[原文如此]，并提高灵敏度，尤其适用于可能发生污染物间歇性流动和／或放射性同位素含量极低的情况。”
该探测器以被称为闪烁体的发光纤维和硅光电倍增器（SiPM）为基础。贝塔粒子与纤维相互作用时，纤维会发出光子并传输至SiPM。随后，读出装置采集信号，以便进行计数和分析。从概念上看，该系统较为简单；研发团队着力优化了设计，以确保探测器的封装和读出装置适用于地下环境。
为针对氚所发射贝塔粒子的低能量特性进行优化，该设计使无包层闪烁纤维与地下水直接接触。这些纤维排列成网格结构，使水能够从中流过，从而最大限度地增加润湿表面积。光子信号从纤维两端收集，并采用符合探测。据该专利称，这“几乎完全消除了热本底噪声”。
Jefferson Lab电子工程师Jack McKisson表示：“SiPM非常适合用作这一应用的探测器。其光谱灵敏度与纤维发射光谱高度匹配，仅需低电压即可工作，并能在微小封装内提供强得多的信号。这些特性都符合地下监测系统的要求，而传统光电倍增管无法提供这些能力。”
通过改变闪烁纤维的尺寸，该设计还可适用于探测伽马射线、阿尔法粒子或中子；尺寸变化会改变对不同辐射类型的探测效率。
迈向商业化：Canary Instruments是一家源自美国能源部Boost Platform计划的初创企业，成立目的是取得这款地下监测仪的许可。Boost旨在推动实验室研发的有前景技术进入商业市场，并提供商业和指导资源。
Jefferson Lab计算机工程师John McKisson表示：“CRADA机制非常出色，因为它使我们能够与多种类型的机构、医院、大学和企业合作。其中一些合作已经发展成为很有价值的项目，因此这次合作令人非常振奋。”
Canary Instruments将与Jefferson Lab研究人员密切合作，改进该设备的电子和读出系统，开展基线试验并开发原型机。
Sandia National Laboratories业务开发经理兼Boost Platform项目经理Kelli Howie表示：“在16周内完成技术转化、组建强大团队并成功创办一家公司，是一项令人印象深刻的成就。这项CRADA体现了Boost更广泛的目标，即帮助美国能源部实验室研发的技术进入市场，使其能够满足关键的能源和基础设施需求。”
Canary由Walter Xu和Adil Ahmed领导。
Xu表示：“这项CRADA使我们能够继续与Jefferson Lab合作，并利用这一合作关系，共同开发尽可能优秀的产品。对于我们这家年轻公司迈出的最初几步而言，能够利用Jefferson Lab的专业知识、设施、辐射控制团队和现有材料，确实意义重大。”