α粒子测量中的参数计算方法研究

放射性测量广泛应用于核技术的各个领域,测量不确定度、置信区间、探测限值等是放射性测量的重要参数,其计算结果直接影响相关决策。本研究采用偏导数方法和蒙特卡罗方法研究α粒子活度浓度测量中的重要参数。首先,对测量结果不确定度来源进行分析,再利用偏导数和蒙特卡罗方法计算α粒子活度浓度不确定度、置信区间、判定阈和探测限等。结果表明:当输入量不确定度高于10%时,两种计算方法所得置信区间与不确定度结果相对偏差大于15%;输入量相对不确定度较小时,探测限约判定阈的两倍。偏导数方法应用较广,但未考虑输入量的概率分布形式,不适用于复杂和特殊输入量的模型,此时可借助蒙特卡罗方法得到更加可靠的计算结果,这两种方法可以互补应用。

医用放射性废液取样容器尺寸的最优化研究

医用放射性废液中核素放射性活度必须经监测满足相关标准后,该放射性废液方可排放,采用LaBr3(Ce)晶体探测医用放射性废液的核素活度,废液样品体积及其在探测器周围的分布情况直接影响探测效率,为此利用Geant4工具建立LaBr3(Ce)晶体探测模型,探索最优马林杯样品盒尺寸参数的变化规律,并在实验室利用?25.4 mm×25.4 mm的LaBr3(Ce)探测器和3D打印光敏树脂样品盒作验证实验。结果显示:单纯增加样品体积不能提高探测效率,随着样品体积增大,探测效率随样品盒环状部分深度方向的变化趋势趋于平缓。研究得到马林杯最优尺寸比例:环状部分深度(h2)和顶部半径(r)分别约为探测器晶体长度和空心腔直径的两倍,顶部半径(r)和样品盒高度(H)之比约为0.5。在最优化尺寸下,全能峰探测效率实验值与模拟结果一致,相对偏差优于2.5%。研究结果将为后续医用放射性废液监测装置在探测器选择、采样容器设计、加工及放射性废液监测量值溯源方法等方面提供重要的技术借鉴。

一种基于标准样品浓度稀释的在线氚监测仪校准装置

为解决在线氚监测仪的现场校准问题,开展了在线氚监测仪现场校准方法研究,主要包括现场校准装置的机械构造、工作原理、校准装置量值的确定,以及需要开展的校准项目。利用该现场校准装置和氚活度浓度标准装置,对同一台在线氚监测仪进行了校准比较,结果表明两者的校准因子分别为1.07和1.05,相对偏差约为2%,该现场校准装置具备量值传递的能力,可满足现场校准要求。此外,该校准装置具有便携性、可操作性和可拆分的特点,可保证现场校准不受场所作业空间的限制,适合在现场进行校准实验,可解决国内在线氚监测仪设备无法溯源的问题。

粒子源水吸收剂量绝对测量装置内部电场模拟

拟研制125I粒子源水吸收剂量绝对测量电离室,通过Maxwell软件建立电离室内部模型,模拟得出电离室无保护极、不同保护极环宽度,不同绝缘环宽度、不同栅极个数、不同栅极形状和不同栅极厚度下的电场强度分布,并进行了定性和定量的分析。结果表明:绝缘环宽度的增加会使收集极边缘处的边缘效应增强,应尽量使绝缘环宽度减小;在设计电离室时,应当使保护极宽度和收集极半径比值不低于2。当栅极个数为15个时,电场强度的变化幅度可减少为1%左右,表明通过增加栅极个数能有效改善电场的均匀性。相较于栅极截面为圆形和三角形,当栅极截面为矩形时,电场强度的变化幅度较小。栅极厚度越大,栅极边缘处的边缘效应越严重,应尽量减少栅极厚度。本次研究结果将为后续粒子源水吸收剂量绝对测量标准装置的优化设计提供支撑。

通道式放射性监测系统校准平台设计

为解决通道式车辆放射性监测系统现场校准的问题,基于硬件系统和控制界面设计开发了通道式放射性监测系统校准平台,该装置能够携带参考放射源,置于通道式放射性监测系统的通道中心线上距地面1m处,以(8±2)km/h匀速往返检测通道。测试结果显示,该平台达到放射源定位误差优于0.1m/m、速度误差优于2km/h的技术指标,能够保障通道式车辆放射性监测系统的校准工作,提高校准工作的标准化和自动化程度。

主动式多重性方法对黄饼中铀定量的模拟研究

黄饼材料中铀的准确定量是后续处理工艺选择的关键,文中在主动式多重性方法的基础上,提出了一种通过记录分析中子源诱发238U裂变信息,进行铀定量的方法。但由于黄饼材料自身存在中子自屏蔽效应以及含水量的差异,导致定量结果存在偏差。为了进一步提高定量准确性,使用MCNP(Monte Carlo N-Particle Transport)结合MATLAB程序优化选择了241Am-Be源作为激发源;另外,通过对不同质量及含水量系列化样品的模拟发现:铀定量误差主要来自于泄漏增殖因子ML与增殖因子M差距的不匹配。通过MCNP模拟获取M随铀质量变化规律的曲线后,根据样品净含量选择合适的增殖因子M,再根据二重计数率D进行定量计算,获得铀定量的相对误差小于5%;含水量的变化带来的中子自屏蔽效应对多重计数率影响较大,通过S0/Si与D0/Di的关系对二重计数率D进行修正后再进行计算,铀定量的相对误差能够控制在10%左右;该研究对中子多重性方法在黄饼生产与测量中的应用推广具有重要的参考价值。

考古受热石英释光发光光谱性质及其测年研究

释光测年技术在解决考古低温受热材料的年代问题中已趋于成熟,而在考古高温受热材料的释光测年研究中仍颇具挑战。以凌家滩遗址出土陶器中提取的考古高温受热石英(约950℃)为例,探究此类石英的释光发光光谱特征与释光性质,旨在探讨不同波段的热释光信号在释光测年中的可行性。基于Ris?DA-20型释光测年仪器联用Andor光谱仪、电荷耦合器件(Charge-Coupled Device,CCD)相机的释光发光光谱平台,结合对不同波段敏感的光电倍增管与自定义滤光片组合,对比了热释光(Thermoluminescence,TL)、等温热释光(Isothermal Thermoluminescence,ITL)、光释光(Optically Stimulated Luminescence,OSL)测年方法在此类考古高温受热材料中的应用。光谱结果表明:考古高温受热石英具有显著的620 nm左右的红光热释光发光(Red TL),与375℃ TL峰紧密相关,且375℃ Red TL具有光不敏感特征。多波段热释光、多波段等温热释光、常规光释光测年结果均与已知的碳-14年龄在误差范围内一致,表明利用不同波段的释光信号开展考古高温受热材料年代学研究具有潜在的可行性。

基于氘氚关系的固体聚合物电解浓氚仪的标定

固体聚合物电解水(Solid Polymer Electrolyte,SPE)在低活度氚水浓集测量中具有无电解质添加、电流大、无限减容比、安全环保等优势。然而标定其氚的富集因子E_(t)时需采用高活度的氚水标样,这会造成系统的氚记忆效应。为了避免高活度氚水的污染,采用氘内标法对SPE浓氚装置进行标定。根据电解过程中氚分离系数(β)和氘分离系数(α)的强关联性,得到装置常数k值:α(β-1)/(β (α-1));从而基于氘富集因子E_(d),确定SPE电解浓氚仪的氚富集因子(E_(d))^(k)。实验结果表明:k值在同款电解槽间波动较小,均值为1.088 9,变异系数为0.89%;k值受电解初始水量影响小,对电极材料敏感。k值作为常数用于同类型电解槽的标定具有高准确性和精密度。

^(18)F气溶胶监测仪校准方法研究

压水堆冷却系统压力边界的泄漏会引发严重安全事故。冷却剂在反应堆高中子通量下会产生^(18)F,在泄漏后形成的放射性气溶胶可使用^(18)F气溶胶监测仪连续监测,以确认泄漏的位置与严重程度;监测仪测量结果的准确性关系到核电站的稳定运行,但目前尚缺乏可用的现场校准方案。本文对^(18)F气溶胶监测仪进行校准方法研究,使用放射性^(18)F标准滤膜源、22 Na及68 Ge/68 Ga标准点源对国内新设计的某型号^(18)F气溶胶监测仪进行计量校准,确定新测量方案下仪器的活度响应,研究不同校准方法对活度响应的影响。利用^(18)F标准滤膜源得到的活度响应的扩展不确定度为6.0%(k=2),满足监测仪校准的准确度要求。利用22 Na及68 Ge/68 Ga标准点源进行的校准研究还表明,正电子发射能谱对该监测仪活度响应的影响最大,应选取与^(18)F能谱接近的长寿命核素作为替代,现场校准推荐使用22 Na点源或标准滤膜源。

岩石表层释光暴露年龄及侵蚀速率的相关参数影响分析

近十年,岩石表层释光测年方法自提出以来发展迅速,表现出广泛的应用前景和潜力,但该方法相关的参数对暴露年龄和侵蚀速率结果的影响却鲜有研究。本文通过模拟光衰减系数μ、晒退速率σφ_(0)、环境剂量率D及特征饱和剂量D_(0)这些相关参数与半饱和深度(量化释光信号晒退深度的指标)之间的关系,分析研究了上述参数对暴露年龄和侵蚀速率的影响,以及在不同参数σφ_(0)及D_(0)下获得暴露年龄和侵蚀速率的极限。结果表明μ和σφ_(0)对释光信号晒退和侵蚀速率的影响非常显著,当增加相同的暴露时间或侵蚀速率时,μ值越小,对应半饱和深度变化的速率更大,而不同σφ_(0)值对应半饱和深度变化的速率相同。浅色透光性(μ值较小)岩石是较为理想的定年材料,野外作业中应优先采集。一般情况下,环境剂量率D和特征饱和剂量D_(0)的大小对暴露年龄和侵蚀速率的值基本不产生影响,故在实际应用中可忽略岩石表面和内部的D值差异。该方法测年范围为10^(-3)~10^(2)ka,获得侵蚀速率范围为10^(-2)~10^(3)mm·ka^(-1)。

核子钟技术研究动态

原子核跃迁的新型时钟——核子钟具有重要的研究价值,其原理是利用原子核跃迁产生的电磁波频率对时间进行精确计量。目前,最有希望用于核子钟的原子核被认为是^(229)Th核的第一激发态^(229m)Th。如何将^(229)Th核激发至第一激发态与获得第一激发态^(229m)Th的参数是目前的研究重点。最新激发态能量的测量数据为E_(is)=8.28±0.17 eV,对应于直接光激发^(229)Th至^(229m)Th所需的光波长为149.7±3.1 nm。这对激发态的直接激光激发提供了数据参考。除直接激光激发外,电子桥激发也是一种值得考虑的间接激发方式。同时,介绍了核子钟技术的一些潜在应用,如秒的新定义、研究基本常数的时间变化和暗物质探测等。

金刚石探测器脉冲响应特性实验研究

脉冲辐射场具有瞬时剂量率高、持续时间短的特性,传统核辐射探测器在脉冲辐射场中存在信号堆叠、离子复合、死时间等问题,难以实现对脉冲辐射剂量的准确测量。金刚石探测器具有禁带宽度大、载流子迁移率高、抗辐照能力强、时间响应快等优点,本研究利用毫秒级与纳秒级脉冲X射线参考辐射场、高剂量率γ照射装置对TW60019型单晶金刚石探测器开展脉冲辐射场响应特性测试。结果表明,金刚石探测器的单脉冲响应随脉冲剂量的增大而减小,探测器收集效率随单脉冲剂量的增大而减小。基于该实验现象,分析了人工合成金刚石薄膜中的杂质与缺陷对探测器收集效率的影响规律,讨论了在金刚石探测器信号收集过程中后端电子学系统对收集效率的影响,验证了金刚石探测器能够满足快响应、高瞬时剂量率的脉冲辐射测量要求,为后续进一步实现脉冲辐射剂量实时监测,解决医疗诊断、工业探伤等领域中广泛存在的脉冲辐射剂量监测技术需求提供了基础。

基于中红外腔衰荡光谱的CO_(2)检测系统研制

^(14)C是核反应放射性流出物中最受关注的放射性核素之一,核设施产生的^(14)C主要与CO_(2)标记,因此对^(14)CO_(2)气体进行在线检测具有重要意义。本研究采用腔衰荡光谱技术(CRDS),以CO_(2)为研究对象,选取^(14)CO_(2)吸收谱线的中心波长2 209.11 cm^(-1)附近检测^(14)CO_(2)的吸收光谱。采用中红外波段量子级联激光器、光学谐振腔、合理的光路设计和气体管路设计,研制基于中红外腔衰荡光谱的CO_(2)检测系统。并采用研制的系统检测不同浓度的CO_(2)(0.5%~1.3%)进行验证。结果表明,待测气体浓度与衰荡时间的倒数之间呈线性相关,证实研制的中红外腔衰荡光谱系统可行。该系统成功实现了对不同浓度CO_(2)气体在中红外波段下的精准测量,使用中红外腔衰荡技术测量得到^(14)CO_(2)的吸收光谱。为未来激光光谱快速原位检测^(14)CO_(2)研究提供了重要的技术支持。

数字符合法测量放射源活度实验设备的研制

针对符合法测量放射源活度实验设备稳定性差、参数配置复杂、测量误差较大的问题,研制了一款采用数字符合测量技术的实验设备。该实验设备包含符合探测器、数字脉冲处理器(DPP)、数字符合测量软件三部分,能实现原始能谱、符合能谱测量等功能,可用于^(60)Co放射源活度测量的实验教学。实验结果表明,该设备具有性能稳定、测量准确、操作高效的优点。

质子束水量热计中量热芯的超纯水制备与预辐照

针对质子束的水吸收剂量绝对测量中化学热缺陷的修正问题,本研究基于热敏电阻研制水量热计,并进行气体饱和超纯水系统的设计。通过向量热芯内的超纯水充入高纯气体形成饱和状态,最大程度减少辐射化学反应的产额。在量热芯封装后通过预辐照,使量热芯超纯水中O2充分发生辐解反应,使量热芯内水环境达到无热损的稳定状态,成功研制了稳定的零热损水量热计,减少了量热芯热损对水吸收剂量绝对测量结果的影响,可为后续水吸收剂量的绝对测量提供技术支持。

模拟临界照射装置特性参数测量研究

为解决核临界事故γ辐射报警系统的校准难题,需要建立模拟临界辐射场,可以使用脉冲X射线照射装置和脉冲γ射线照射装置模拟临界条件,建立辐射场之前,需对模拟临界照射装置进行性能测试。本研究以更为复杂的模拟临界X射线照射装置为例,结合ISO/TS18090-1国际标准要求,对模拟临界X射线照射装置的剂量率范围、管电压及相对标准偏差、时间特性、泄漏辐射、辐射场均匀性和重复性进行了测试。得到结果如下:剂量率上限为188 Gy/h;管电压范围为40~150 kV,相对标准偏差在0.35%以内;曝光时间范围为1 ms~10 s,相对上升下降时长小于曝光时间的0.15%;1m处的辐射野直径为5.25 cm,除照射野外的不同位置处泄漏辐射均小于0.01%;曝光时长大于1 ms的累计剂量相对标准差小于1%,结果表明该模拟临界X射线照射装置性能稳定,此项研究结果可为后续模拟临界X射线辐射场的建立提供支撑。

放射性同位素分离在线检测软件设计与实现

核素分离是放射性同位素制备的关键技术之一,其中快速准确地判断目标核素的分离情况对同位素分离十分重要。本研究针对放射性同位素分离典型过程,基于闪烁体探测器设计和开发了一款放射性同位素分离在线检测软件,用于测量分离过程中管路内流动的放射性情况,包括计数率、放射性核素组成。测量信号传输至分离装置控制系统,进行分析、处理、显示。核素判别中利用序贯贝叶斯核素识别算法,并基于遗传算法优化卡尔曼滤波器,实现更优的参数估计,准确快速地判别混合物中特定放射性核素,提高核素分离过程的效率和准确性。该软件基于串口通信实现设备与系统之间的数据传输,实现了数据采集、实时测量、可视化显示、γ能谱绘制、γ能谱分析、系统设置、流程控制、核素识别等功能,软件界面简洁,经实验测试,运行稳定,人机交互友好,具有较好的实用性和可维护性,可为放射性同位素分离制备在线检测提供技术参考。

基于CUDA的航空γ能谱数据小波降噪并行加速算法

航空γ能谱数据体量巨大,使用中央处理器(Central Processing Unit,CPU)进行数据后处理时计算效率低。提出了一种基于通用并行计算架构CUDA(Compute Unified Device Architecture)的图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)并行方案,对航空γ能谱数据小波降噪处理过程进行并行加速优化。首先测试不同block尺寸对计算时间的影响,寻找处理航空γ能谱数据的最佳block尺寸;其次分别使用GPU计算不同数据体量和同一数据体量下不同小波基函数相较于CPU处理航空γ能谱数据的加速比;最后通过对实测航空γ能谱数据添加白噪声,计算降噪后数据信噪比,优选出适用于GPU并行加速计算的阈值降噪方法。计算结果表明:航空γ能谱数据降噪最佳block二维尺寸在64×64到128×128之间;数据降噪总时间加速比达100倍以上的小波基函数占80%,加速比达90倍以上的小波基函数占91%,其中coif5小波基函数可达353倍,阈值降噪函数加速比可接近570倍。不同降噪函数处理航空γ能谱数据的结果表明,所有函数在低信噪比条件下降噪效果不足,而在高信噪比下则会出现过度降噪,采用硬阈值的coif5、软阈值的coif1和改进阈值的bior3.7小波基函数可得到显著的降噪效果。

蒙卡方法对新型移动式低能X射线剂量特性研究

目前新型可移动式低能光子放射治疗设备INTRABEAM的应用越来越广泛。针对该设备产生的X射线剂量特性研究甚少,为准确掌握其在组织内的剂量分布带来一定挑战。针对INTRABEAM系统产生的X射线在空气和水中的剂量学特征进行研究。利用MCNP6中增加的原子弛豫过程,对产生的光子能谱、百分深度剂量曲线和近距离治疗剂量参数(二维各向异性函数和径向剂量分布)进行计算研究。结果表明,模拟得到的空气中注量谱有精细的电子跃迁特征峰,在空气中30 cm处平均能量为20.0 keV,产生百分剂量深度接近x-3变化趋势;二维各向异性函数由Be管壁靠近Ni管壁中变化趋势出现转折,径向剂量函数在小于10 mm处出现陡降,而后变化相对缓慢。利用蒙卡方法计算的TG-43文件中必要数据为临床剂量计算使用的治疗计划系统提供参考方法和数据,便于在术中放射治疗进行有效剂量计算。

BaF_(2)纳米复合闪烁体的闪烁特性研究

为研究基于BaF_(2)无机纳米颗粒复合闪烁体的闪烁特性,将粒径约为20 nm的BaF_(2)无机纳米颗粒与塑料闪烁体结合,制作了不同质量分数的BaF_(2)纳米复合闪烁体。通过闪烁光谱测量系统、时间关联单光子计数系统、基于钴源的γ射线辐照系统,实验测量了BaF_(2)纳米复合闪烁体在低能X射线和γ射线(1.25 MeV)辐射下的闪烁效率、闪烁光谱和发光衰减时间。实验结果表明,在低能X射线和γ射线激发下,基于BaF_(2)纳米颗粒的复合闪烁体可以将发光效率分别提升83.1倍和16.4倍;同时由于BaF_(2)无机纳米颗粒的尺寸效应有效地压制了其慢衰减时间的发光成分(来源于自陷态激子效应),从而使得该BaF_(2)纳米复合闪烁体具有与塑料闪烁体相近的闪烁光谱,快衰减时间约为2 ns。