金属氢化物与气体探测器集成技术实现氚气高灵敏检测

《IEEE Transactions on Nuclear Science》：Integrating metal-hydride and gas-detector for tritium gas detection

为解决环境痕量氚气检测灵敏度低、选择性差及现场部署难等问题，研究人员开展了集成金属氢化物与气体探测器（MEGA）的主题研究。结果表明，钯（Pd）薄膜可选择性吸收/释放氚气，并通过气体正比计数器实现高效测量，为核不扩散与环境监测提供了高灵敏度、高选择性的便携式检测新方案。

　　

氚（³H）作为一种放射性氢同位素，在核能、医学和军事领域具有重要应用，但其环境监测一直面临巨大挑战。氚衰变释放的β粒子能量极低（最大18.6 keV，平均5.7 keV），极易被物质吸收，导致传统检测方法如液体闪烁计数（LSC）和气相正比计数器存在灵敏度不足、背景干扰强、样品前处理复杂等问题。尤其在未来聚变堆大规模运行后，氚库存量将急剧增加，开发能够现场部署、高选择性、高灵敏度的氚气检测技术成为核不扩散与环境安全领域的迫切需求。

为此，Matthew Van Zile等研究人员在《IEEE Transactions on Nuclear Science》上发表论文，提出了一种创新性的氚气检测技术——金属氢化物与气体探测器（MEGA）集成系统。该技术通过将氢存储金属（如钯）与气体正比计数器结合，实现了氚气的高选择性捕获、纯化与定量测量，显著提升了检测信噪比与便携性。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：首先利用电子束蒸发技术在不锈钢基体上制备1 μm厚钯薄膜，作为氢同位素选择性吸收材料；其次设计定制化气体正比计数器，优化其结构与电场分布以适配氚β粒子探测；再通过质谱与商用氚监测仪联用，实时追踪氢/氚的吸收-脱附动力学；最后在手套箱内完成氚气暴露实验，并采用脉冲高度分析系统采集β粒子能谱。

Ⅱ．MEGA探测器的工作原理

MEGA探测器的核心是将钯等氢存储金属以薄膜或Getter形式集成于正比计数器内。当含氚气体通入探测器时，氚分子（³H₂）在钯表面解离为原子并渗入金属晶格形成钯氚化物（PdT_x）。随后，残余气体被 purge 排除，计数器充入P-10工作气体（90% Ar+10% CH₄）。加热钯涂层至300–350°C后，氚以分子形式释放至计数器空腔，此时正比计数器仅测量氚β粒子诱发的电离信号，从而实现高选择性探测。

Ⅲ．氢吸收与脱附测试

通过质谱实时监测发现，钯涂层样品在4%–100%氢气环境中均能快速吸氢，并在350°C加热后出现明显的氢释放峰。20分钟氢气暴露后的脱附强度显著高于10分钟暴露，证明吸氢量与暴露时间正相关。实验同时发现，无粘附层的钯薄膜在多次吸放氢循环后出现剥落，归因于Pd与不锈钢基体间的热膨胀系数失配及氢致晶格膨胀（体积可增大10%）。

Ⅳ．氚吸收与脱附测试

采用活度为0.61 mCi的氚气标准源，在手套箱内对钯涂层样品进行氚暴露实验。商用氚监测仪数据显示，十次微量氚注入后，加热样品可观察到氚释放活度峰值达1.1 MBq/m3；而单次大剂量注入（880 MBq/m3）后，加热则引发快速释放峰（~8 MBq/m3）。脉冲高度谱进一步证实，加热后计数器计数率显著升高，但环境本底辐射（如宇宙射线）仍对信号纯度产生干扰。

Ⅴ．讨论

当前探测器因尺寸较大（阴极直径8.89 cm），电场强度较弱，且氚β粒子在P-10气体中射程仅约7 mm，导致电离信号收集效率受限。未来需优化探测器几何结构、引入氦/四氟化碳（He/CF₄）混合气体以降低本底，并采用铬/钛粘附层提升钯膜稳定性。值得注意的是，氚实验未引发明显薄膜剥落，可能与氚浓度较低、晶格膨胀效应弱于普通氢有关。

结论与展望

本研究成功验证了MEGA探测器用于氚气检测的可行性。钯薄膜可逆吸放氢/氚的特性与正比计数器的高灵敏度相结合，为现场化、高选择性氚监测提供了全新路径。后续工作将聚焦于探测器小型化、本底抑制及钯膜寿命优化，以推动该技术在核安保与环境辐射监测领域的实际应用。