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。

放射性氙同位素取样装置的建立及其效率标定

为了在常温至低温条件下进行大气中氙同位素取样,研制了一套稀有气体取样实验装置(ExperimentalSamplerforRareGases,RSRG),并以129Xe为分析对象,利用感应耦合等离子体质谱仪进行了取样效率标定。实验结果表明,在采用再生吸附剂条件下,ESRG装置对大气本底水平浓度氙同位素的取样效率可达40%。

我国禁核试核素核查技术发展与展望

自1996年签署《全面禁止核试验条约》(CTBT)以来,我国在禁核试核查监测技术方面取得重要进展。作为唯一能够提供核爆炸定性证据的技术手段,核素核查技术研究经过二十年的发展,建立了满足台站和现场核素监测要求的取样与测量技术手段和禁核试北京放射性核素实验室,拥有了能够有效履行条约义务、保障我国国土和环境安全的技术能力,在周边各类核事件、核事故等应急监测中发挥了重要作用。本文简要回顾我国禁核试核素核查技术的发展历程、重要成果和技术现状,分析后续核素核查和监测技术发展的主要方向。

测量环境中痕量放射性氙的能谱符合法

研究了一种可同时测量环境大气中痕量放射性氙的新方法 :β γ能谱符合法。利用不同能量窗域的 β射线脉冲或内转换电子作为门控信号 ,和与之相应的γ射线能谱或特征X射线能谱相符合 ,可同时高灵敏度地测量环境大气中133Xe、133Xem 和135Xe等氙核的放射性活度。测量本底较常规方法降低了 3～ 4个量级。

放射性氙的探测效率的MC模拟方法

为了满足放射性氙的现场快速测量需求,本文采用基于体素填充的蒙特卡罗方法实现了复杂几何形状的一体化吸附/测量源盒内部的吸附柱中放射性氙同位素的探测效率校准。验证实验结果表明,ULB HPGe探测器对氙同位素探测效率的计算值与实验值的相对偏差小于±8%,说明本文所建立的方法是可行的。

β-γ符合系统β探测器能量和能量分辨率刻度

β-γ符合测量技术是一种高灵敏度氙同位素活度测量方法,β探测器能量和能量分辨率刻度是β-γ符合法准确测量氙同位素活度的关键。针对缺少能覆盖氙同位素β射线能区发射单能电子的气体核素问题,利用^(137)Cs康普顿电子对β-γ符合系统β探测器能量和能量分辨率进行刻度,并通过^(131m)Xe 129.4 keV内转换电子验证了刻度的准确性。根据刻度结果及氙同位素β-γ符合关系,实现了氙同位素β射线能窗准确划分,为氙同位素活度准确测量奠定了基础。

国内外放射性惰性气体氙的来源及排放水平分析

放射性氙同位素活度浓度作为判断核爆炸的重要标志,准确评估其来源和活度对禁核试具有重要意义。核爆炸时,最主要关注的4种放射性氙同位素分别为^(131m)Xe、^(133)Xe、^(133m)Xe、135 Xe,然而在核电站下风向及医用同位素生产设施环境中也经常能探测到放射性氙气体。因此对核爆炸和民用来源的放射性氙加以区分是核爆炸监测中的重要问题之一。本文对放射性氙的来源及排放水平的相关研究进行了搜集、整理和规律统计分析,总结归纳了放射性氙监测技术及核爆炸判断分析技术,旨在为核爆炸判断提供理论参考。

放射性氙叠层闪烁探测器的设计与初步实验

放射性氙的4种同位素131 Xem、133 Xe、133 Xem和135 Xe是地下核试验最重要的示踪气体,是目前CTBTO全球监测系统监测的主要核素。本文设计并研制了一种针对低水平放射性氙测量的叠层闪烁探测器,可实现放射性氙4种同位素的β-γ符合测量,简化了探测器结构。利用MCNP5工具包模拟了两种结构的探测器,获得了β闪烁层的最佳厚度,1.5mm厚塑料闪烁体BC404几乎完全屏蔽4种氙同位素的β信号,135 Xe的910keV特征β射线仅0.8%沉积在γ闪烁层CsI(Tl)中,而对133 Xe的81keV特征γ射线吸收低于6.5%;观察到明显的氙气样品自吸收效应,氙气气压由0.1 MPa增加到0.25 MPa时,氙气对133 Xe的346keVβ射线吸收增加45.6%。基于模拟结构设计,研制了用于放射性氙测量的叠层闪烁探测器,初步实验结果表明叠层闪烁探测器能有效抑制本底计数,抑制因子约96.4±1.0。

氙同位素β-γ符合谱解谱中气体本底扣除方法改进

β-γ符合测量是全面禁止核试验条约(Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty,CTBT)放射性核素核查惰性气体氙活度检测的一种重要技术手段。为消除“记忆效应”对样品测量的干扰,β-γ符合能谱的解谱算法——符合净计数计算法(Net Count Calculation Method,NCC)系统性扣除由“记忆效应”产生的气体本底计数,但对于残留氙同位素少的气体本底,由于统计涨落,计算得到的气体本底净计数可能出现负值,从而导致氙同位素活度计算错误,甚至出现误识别。针对符合净计数计算法中系统性扣除气体本底存在的问题,提出了扣除气体本底的判断条件并对符合净计数计算法进行了改进,能够将131Xem、133Xem、133Xe和135Xe等4种氙同位素的误识别数目分别减少63%、68%、72%和26%,并提高放射性活度浓度计算的准确性。

用内充气正比计数管准确测量^(131)Xe^m活度浓度

^(131)Xe^m、^(133)Xe^m、^(133)Xe和^(135)Xe是全面禁止核试验条约(Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty,CTBT)监测地下核试验最重要的核素。氙同位素活度通常采用HPGeγ能谱法和β-γ符合法等相对方法测量,准确刻度测量系统的探测效率是氙同位素活度准确测量的关键。本文介绍了用内充气正比计数管系统通过长度补偿法准确测量^(131)Xe^m活度浓度的方法,^(131)Xe^m活度浓度测量结果为(1.75±0.01)Bq·mL^(–1),为相对测量系统的探测效率刻度提供了活度标准。