放射性氙高灵敏度现场快速自动化监测系统研制

放射性氙监测是禁核试核查现场视察和核设施安全监测的重要项目之一,能够快速准确地甄别违约核活动和预警识别核设施的泄漏。本文综合运用超低温动态吸附、中空纤维膜除杂和现场低本底测量等技术,研制了一套放射性氙高灵敏度现场快速自动化监测系统,用于放射性氙现场取样、分离和测量。测试结果表明,该系统在氡浓度为20 Bq/m^(3)、采样体积为2 m^(3)、分析周期不大于120 min时,氙回收率为79.9%,对^(133) Xe的最小可探测活度浓度(MDC)小于0.26 Bq/m^(3),测量结果的不确定度小于±12%。该系统具有灵敏度高、分析周期短、全流程自动化的特点,能够应用于核设施安全监测、现场视察放射性氙监测、核应急放射性气体监测等场合。

就地HPGeγ谱仪不同距离上的有效前面积和角响应刻度

用"Beck"公式计算就地γ谱仪探测效率时,所用参数主要有探测器有效前面积(EFA)和角响应。通过点源实验和ISOCS无源刻度软件计算获得一宽能HPGe探测器的EFA和角响应,并给出了其随探测距离的变化规律。结果表明,当测量对象与探测器间距离大于1 m时,可使用1 m时的刻度参数计算效率转换因子;当距离小于1 m时,应采用实际测量距离下的刻度参数计算或进行距离修正。

地形对车载就地HPGeγ谱仪测量结果的影响

本文简要描述了车载就地HPGeγ谱仪实际测量结果受几种地形影响的程度。以137Cs测量为例 ,通过Beck公式计算 ,经理论模型的近似估算 ,得出了现场几种不同地形影响下的比活度计算值与测量结果的相对偏差。结果表明 ,在本文给出的三种地形 (台阶、冲沟和山包 )条件下 ,假定137Cs在土壤中均匀分布 ,当测量高度为 4m时 ,地形对就地HPGeγ谱仪测量结果的影响小于 2 0 % ;随探测器距地面高度增加 。

几套就地HPGe γ谱仪系统的死时间修正

用强源干扰法实验研究了几套就地HPGeγ谱仪系统的死时间修正问题,得到了在不同百分死时间下的修正因子,拟合获得了修正函数,并与谱仪系统的自动修正结果进行了比较分析。结果显示:在实验所控制的死时间范围内,死时间与修正因子间呈线性关系;谱仪系统自动修正结果与实验修正值间的最大相对偏差小于4.4%。这说明,在1.13%～52.95%死时间范围内,这几套谱仪系统的死时间自动修正结果是准确的,也表明现代γ谱仪系统死时间修正技术是有效的,可应用于数据分析中。

就地γ谱仪测量某坑道内^(222)Rn-^(220)Rn子体剂量比

为了解某坑道内222Rn-220Rn子体α潜能浓度比及剂量比的变化,使用就地HPGeγ谱仪分别在坑道内密闭环境和通风两种状态下进行测量,使用相对效率法和α潜能浓度法对测量结果进行分析。结果表明:测量期间,密闭坑道内222Rn-220Rn子体α潜能浓度比平均为3.6,子体剂量比平均为10.8;通风8小时内,坑道中222Rn-220Rn子体α潜能浓度比平均为1.2,子体剂量比平均为3.6;通风约14小时后,坑道内222Rn-220Rn子体α潜能浓度比平均为0.2,子体剂量比平均为0.6,220Rn子体剂量占222Rn-220Rn子体总剂量份额的62%。使用就地HPGeγ谱仪可快速、连续得到坑道内222Rn-220Rn子体α潜能浓度比及剂量比,在未来的222Rn-220Rn剂量研究中有着广阔的应用前景。

一种γ能谱散射本底的自适应扣除方法

介绍了一种自适应的γ能谱散射本底扣除方法。该方法首先采用对称零面积寻峰方法对能谱寻峰并计算峰宽,然后采用SNIP方法进行散射本底的扣除,解决了峰宽对散射本底扣除的影响问题。为了验证方法的正确性,采用该方法对NaI(Tl)和HPGe探测器测得的典型γ能谱分别进行了本底扣除,并计算了γ特征峰的净峰面积,实验结果表明,该方法与Genie2000解谱结果的相对差异分别小于7%和2%。

一套用于现场视察的车载NaI(Tl)_γ谱仪系统的研制

研制了移动式车载NaI(Tl)γ谱仪扫描测量系统,主要用于快速甄别地面及空气中的人工放射性异常。系统主要由大体积NaI(Tl)探测器阵列、数字多道、GPS、电子学柜及越野车组成。系统研制中,以MC计算和实验数据为依据,选择订制了满足需要的探测器;以40K 1 461 keV能峰为稳定参考峰,实时校准峰位,解决了系统谱漂移问题;用抽样率转换方法实现了两个探测器能谱的合成;采用基于噪声调整的奇异值分解法(NASVD)实现能谱降噪、本底剥离与放射性异常甄别;采用实时读取与删除多道数据、在计算机缓存中处理数据后再备份的方法,实现了对不允许测量核素的能窗屏蔽功能;基于C#编写测控软件,实现了谱获取、储存与处理、扫描轨迹记录与显示等功能。系统适用于禁核试核查现场视察与大区域放射性污染场址污染治理,还可应用于一般环境放射性调查及核应急等工作。

ISOCS在铀同位素丰度比测量中的应用

本文介绍了应用就地计数系统(ISOCS)测量235U和238U丰度比的方法。该方法使用基于蒙特卡罗原理的无源效率刻度软件对235U和238U子体234mPa进行效率刻度,采用平衡铀测定方法计算出235U和238U的原子比。使用该方法对某一铀样品进行了分析,其测量结果与质谱法测量结果的相对偏差为2.2%。

便携式HPGeγ谱仪能谱剂量转换函数计算

便携式γ谱仪是测量环境γ辐射的有效设备,除了用于定性或定量分析放射性核素外,也可以用于空气γ吸收剂量率测量。如果要求精确测量,需要使用能谱剂量转换函数,即G(E)函数进行能谱处理。首先使用6种标准点源刻度了一台HPGeγ谱仪对各种能量γ射线的能谱响应,然后使用最小二乘法计算了其G(E)函数,并分析了G(E)函数的特点。最后,根据电离室的空气γ吸收剂量率测量结果检验了计算结果的正确性。

就地γ谱仪峰谷比法测量^(137)Cs深度分布

研究就地γ谱仪测量地表层137Cs深度分布的峰谷比法,建立了就地γ能谱峰谷比数值计算公式和实验剥谱方法。理论计算表明,峰谷比随137Cs张弛深度的变化十分灵敏,土壤密度误差对峰谷比有一定影响,但变化不大时,对峰谷比法结果影响可忽略。野外验证实验显示,峰谷比法相对于样品实验室分析结果的最大相对偏差为31%,表明峰谷比法是可行的,所建立数值计算公式、实验剥谱方法是正确的。

核素深度分布就地测量中病态线性方程组的迭代解法

在就地γ谱仪地面放射性核素深度分布测量研究中遇到了病态线性方程组的求解问题,方程组系数矩阵条件数达3×108。此方程组的求解特殊性在于:一是病态性十分严重,二是保证方程组解的非负性才符合实际。尝试多种解法不奏效的情况下,借助于行列均衡化处理技术、最大似然法非线性方程组建立和相应的EM迭代法,求解获得了满意结果。

长方体废物箱测量中探测效率刻度的抽样算法

建立了一种蒙特卡罗积分算法和以BECK公式为基础的数值计算方法相结合的抽样算法,该算法用于长方体废物箱测量中探测效率的刻度。该算法用实验测得的探测器角响应函数和有效前面积作为探测器的响应参数,用线衰减系数表征γ射线穿透介质的衰减属性,并根据BECK公式建立被积函数的表达式。在样品的几何空间内均匀抽样,并计算得到射线的衰减路径后,用蒙特卡罗积分算法计算得到探测器对长方体废物箱的活度浓度转换系数。在相同测量条件下,使用本抽样算法和基于BECK公式的数值计算方法分别计算了探测器对样品的活度浓度转换系数。结果表明,两种方法在±2.01%的相对误差范围内相符,说明所建立的抽样算法是正确的。该算法原理简单、计算速度快,且能够被用于复杂几何情况下探测效率的计算。

就地γ能谱中天然核素峰谷比随砂土容重的变化

对就地γ能谱中天然核素峰谷比与砂土容重的关系进行了理论推导、MC计算及实验研究。结果表明,对半空间无限大体源,峰谷比是一常数,不随砂土容重而改变;对有限体积体源,峰谷比将随砂土容重的增大而减小,体源尺度越小,这种变化越灵敏,但总体变化幅度不大。对半空间无限大均匀体源的就地γ谱仪测量工作,由于源的纵向厚度无法人为控制,且即便在探测器视野减小的情况下,峰谷比随源容重的变化幅度也很小,因此通过通常的峰谷比方法测量砂土容重不可行。研究也表明,对半空间无限大均匀体源,就地γ能谱中同一天然核素两不同能量γ射线计数率比值,亦不随砂土容重的变化而改变。研究结论修正了"利用天然核素的就地γ能谱峰谷比可确定土壤密度"的结论;同时揭示,"利用航空γ能谱全谱信息,…也能完成…地层密度的测定"的可行性,尚应进一步探究;也发现,利用峰谷比原理,应用铅准直器屏蔽探测视野,可测量确定一堵孤立物体(如墙壁)的质量厚度,厚度越小灵敏度越高。

就地HPGe γ谱仪“比值法”核素深度分布测量

建立了就地HPGeγ谱仪对地表层土壤中152Eu深度分布直接测量的"比值法"技术。实验结果表明,放射性污染场8个实验点152Eu深度分布均近似呈指数函数形式,"比值法"现场测量结果相对于采样-实验室γ谱仪分析结果的最大偏差为-33.8%。这说明,就地HPGeγ谱仪"比值法"152Eu深度分布测量技术是可行的。

就地计数系统小推车车体屏蔽修正

介绍了应用^152Eu面源对就地计数系统（ISOCS）小推车车体屏蔽修正的实验方法和计算方法。BE5030型HPGe探测器配带50mm-90°、50mm-30°或50mm-180°铅准直器，端面向下，垂直地面测量，探测器距地面58．2cm。得到了该测量条件下关注能量γ射线的小推车屏蔽修正因子。并通过最小二乘拟合得到屏蔽因子与γ射线能量的关系式，用以内插获得122～1408keV范围内任意γ射线的小推车车体屏蔽修正因子。

ISOCS无源刻度软件在准直器屏蔽厚度设计中的应用

准直器设计不仅需要考虑准直器的空间分辨率、灵敏度等因素,而且需要考虑准直器屏蔽厚度对"阴影区"的影响。建立了一种准直器屏蔽厚度的优化设计方法,该方法使用ISOCS无源刻度软件计算了探测器在佩带张角30,°屏蔽厚度分别为5、10、15 cm的准直器的角响应曲线和对无穷大面源在不同角度范围内计数率贡献的百分比。结果表明,当准直器屏蔽厚度为5 cm时,方位角90°处γ射线仍然对探测器存在计数率贡献;准直器屏蔽厚度为15 cm时,探测器视野范围可得到有效控制。该方法不仅可以为准直器屏蔽厚度设计提供依据,同时可以作为准直器探测器的效率刻度和不确定度评定的参考。

就地HPGeγ谱仪测量隧道空气中氡平衡因子技术研究

对就地HPGeγ谱仪测量隧道空气中氡平衡因子的方法进行了研究。就地HPGeγ谱仪可直接测量隧道中214Pb(或214Bi)的特征γ射线,其计数来自于空气与岩石中214Pb(或214Bi)的贡献。利用214Pb(或214Bi)不同能量特征γ射线的计数率及其效率转换因子建立方程组,并采用期望最大(EM)算法对方程组进行求解,得到空气中214Pb(或214Bi)的活度浓度。218Po无法通过就地HPGeγ谱仪直接测量,但可通过214Pb的活度浓度计算得出。在一常年封闭的隧道中连续测量24 h,按不同时长获取8个能谱,分别计算出不同时段空气中214Pb和214Bi的活度浓度,由此计算出218Po的活度浓度,并得到隧道空气中氡平衡因子。通过对测量结果的验证认为该方法是可行的。

受放射性微粒污染的地表砂土中放射性核素活度的就地测量

本文简要介绍一种对放射性微粒污染的地表砂土中放射性核素活度的就地测量方法。在实验测量中,所关注的测量区域是半径为r的圆形地面,污染层厚度为l,探测器置于圆心上方h高度处。测量中使用了"取样扣除"技术,即先在现场用就地HPGeγ谱仪直接测量,然后刮去污染层,回填与刮出土壤同质量的不含人工核素的"空白砂土",再测量一次。将两次测得的净计数率相减后计算出污染层土壤中被测核素的比活度;同时取污染砂土样品送实验室分析测量。当r取0.80m,l为0.02m,h为0.50m时,对污染核素137Cs,在9个实验点上的就地测量结果与样品实验室分析结果相比,最大偏差为37%。

^(152)Eu点源掩埋深度与活度的就地测量

针对某地被掩埋的152Eu放射性点源,设计了一种利用152Eu的344.3和1 408 keV全能峰计数率比值就地测量152Eu点源掩埋深度和活度的方法。该方法克服了掩埋介质对测量的影响,使用就地HPGeγ谱仪进行2次测量可测量点源的掩埋深度和活度。用一152Eu标准点源进行实验研究,结果显示,测得的掩埋深度、活度的最大相对偏差分别小于9.5%、4.5%。

就地HPGeγ谱仪偏差的实验验证

在某放射性污染场选取一块地势平坦区域,就地HPGeγ谱仪现场测量,并采样进行实验室γ谱仪分析。两种结果比较,验证了就地HPGeγ谱仪测量结果偏差。实验表明,相对于样品的实验室分析结果,就地HPGeγ谱仪对^(241)Am、^(137)Cs、^(60)Co、^(152)Eu、^(155)Eu的测量结果偏差分别为-22%、-2%、8%、-20%、11%。