CN103064101B

CN103064101B - 一种用非对等标准样品刻度的伽马扫描测量方法

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Publication number: CN103064101B
Application number: CN201310002223.7A
Authority: CN
Inventors: 王仲奇; 邵婕文; 程毅梅; 柏磊; 宗波; 郜强; 王奕博; 甘霖
Original assignee: China Institute of Atomic of Energy
Current assignee: China Institute of Atomic of Energy
Priority date: 2013-01-04
Filing date: 2013-01-04
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2033-01-04
Also published as: CN103064101A

Abstract

本发明涉及一种用非对等标准样品刻度的伽玛扫描测量方法，包括以下步骤：（Ⅰ）对测量装置进行系统标定，包括建立测量装置的计算模型及建立采用非对等标准样品进行刻度的吸收校正因子k_μ、能量校正因子k_E；（Ⅱ）对测量装置进行刻度和对实际待测样品进行测量，具体包括：根据系统标定数据来确定非对等标准样品实际的线源刻度位置P_act/R_act，并将标准样品线源放在水介质中相应位置，通过测量建立非对等标准样品刻度核素的活度m_cal与计数率n_cal的关系n_cal＝km_cal，进而得到刻度因子k；以及，使用测量装置对待测样品进行测量，由m=n/k/k_μ·l/k_E得到待测样品中待测放射性核素的活度m。采用本发明提供的方法，只需要一种刻度样品即可不同核素活度的测量。

Description

一种用非对等标准样品刻度的伽马扫描测量方法

技术领域

本发明属于伽玛定量测量技术领域，具体涉及一种用非对等标准样品刻度的伽马扫描测量方法。

背景技术

伽玛定量测量技术是核科学与技术领域的重要技术，在许多方面有着广泛的应用前景。现有分析技术中，要得到测量对象中特定放射性物质的含量，通常需要使用标准样品对测量装置进行刻度，即通过对标准样品的测量，建立测量计数率与放射性物质的含量（放射性核素的活度）之间的对应关系。

标准样品刻度技术需要选用与待测样品几何形态、核素一致、介质相同但放射性物质含量可以不同的标准样品。这样对于一种测量对象，原则上就需要配置一套标准样品。在整个核材料循环中，需要利用SGS（分层伽马扫描）技术进行定量测量的对象种类繁多，同时标准样品的制作、成本、使用范围都存在很大的局限性，因此为诸多种类的测量对象配置相应的标准样品几乎是不可能的。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种用非对等标准样品刻度的伽玛扫描测量方法，该方法只需要一种标准样品对测量装置进行刻度，但适用于测量不同尺寸测量对象中不同放射性核素的活度。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种用非对等标准样品刻度的伽马扫描测量方法，包括以下步骤：

（Ⅰ）通过模拟计算确定非对等标准样品的刻度位置，包括：

（1.1）标定测量装置的计算模型

用放射性标准点源建立测量装置的计算模型，方法是：以已知活度的高、中、低能伽玛射线为放射性标准点源，利用测量装置测量其相应的计数率对于测量装置中敏感未知参数的依赖关系，通过对上述放射性标准点源的定位测量，得到测量装置的敏感未知参数的估计值，建立测量装置的计算模型；

（1.2）确定刻度核素在水介质中刻度位置，方法是：

a、根据步骤（1.1）得到的测量装置的计算模型，利用蒙特卡罗模拟方法分别计算测量装置对位于不同半径R的均匀水介质圆柱体内刻度核素特征能量E_cal伽玛射线的探测效率η(E_cal)；

b、利用所述测量装置的计算模型，利用蒙特卡罗模拟方法分别计算得到位于半径为R的均匀水介质圆柱体半径上不同位置P(P≤R)上半径为R′(R′≤R)）的标准样品刻度核素特征能量E_cal伽玛射线的探测效率η_P/R；

c、针对不同的测量对象半径R和标准样品半径R′，确定非对等刻度位置P，使得η(E_cal)=η_P/R；

（1.3）根据测量对象对介质进行修正，方法是：

利用所述测量装置的计算模型，计算得到所述测量装置的探测效率与测量对象中待测核素的伽玛射线的线衰减系μ_L的拟合函数关系η_R(μ_L)，确定不同线衰减系数的测量对象相对于水介质的吸收校正因子k_μ，其中

k_μ=η_R(μ_L)/η_R(μ_L(H₂O)) （1）；

式（1）中，μ_L(H₂O)为测量对象在水介质中的线衰减系数；

（1.4）根据测量对象对能量进行修正，方法是：

利用测量装置计算模型，计算得到测量装置对于测量对象中待测核素特征能量E_ana伽玛射线探测效率η(E_ana)与刻度核素特征能量E_cal伽玛射线的探测效率η(E_cal)之间的比值，称为能量校正因子k_E,

k_E=η(E_ana)/η(E_cal) （2）；

（Ⅱ）标准样品的刻度和实际待测样品的测量，包括：

（2.1）结合实际待测样品确定标准样品实际的非对等刻度位置

结合实际待测样品半径R_act和实际的标准样品的半径R′_act和刻度核素的特征伽玛射线能量E_cal，根据步骤（Ⅰ）的系统标定数据确定实际的非对等刻度位置P_act/R_act；

（2.2）采用标准样品进行刻度以确定刻度因子k

将标准样品放置在半径为R_act的水介质圆柱体中相应的非对等刻度位置P_act/R_act上，建立标准样品中刻度核素的活度m_cal与测量装置测得的位于非对等刻度位置P_act/R_act上标准样品刻度核素特征能量E_cal伽玛射线的计数率n_cal之间的关系：

n_cal=km_cal （3），

由式（3）得到刻度因子k；

（2.3）实际待测样品的测量

使用所述测量装置对实际待测样品进行测量，得到测量装置对于实际待测样品中待测放射性核素特征伽玛射线的计数率n，采用（2.2）中得到的刻度因子k并结合式（4）确定待测样品中待测放射性核素的活度m：

m=n/k/k_μ/k_E （4）。

进一步，步骤（Ⅲ）中，当待测核素与刻度核素一致时，k_E=1,式（4）简写为：

m=n/k/k_μ （5）。

进一步，步骤（1.1）中，样品线衰减系数μ_L通过透射测量得到，透射测量中用到的放射性透射源为⁷⁵Se、¹⁵²Eu、¹³³Ba或²²⁶Ra。

本发明提供的用非对等标准样品刻度的伽马扫描测量方法，可以实现利用一种几何形状、一种放射性核素标准样品对适用于不同几何形状、不同待分析放射性核素伽玛扫描测量装置进行放射性活度刻度。基于这种刻度方法，在伽玛扫描测量装置的应用现场，既可以沿用方便简单、定量测量领域中规范的活度刻度技术；又不需要根据被测对象的几何形状和待测放射性核素多样性建立相应的多系列标准样品，这样可以大大减少标准物质的使用，提高了伽玛扫描测量装置的适用范围。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述。

本发明提供了一种研发基地标定与应用现场刻度相结合、只需要一种标准样品、适用于不同核素含量测量伽玛扫描测量装置的刻度方法。

现以高纯锗探测器作为测量装置说明本发明的方法，该方法包括以下步骤：

a.用放射性标准点源建立高纯锗探测器的计算模型；将高纯锗探测器作为一个“黑箱”，利用探测器中未知参数不同取值对于高、中、低能放射性标准点源测量计数率的不同影响，根据高、中、低能放射性标准点源（可采用²⁴¹Am、¹³⁷Cs和⁶⁰Co组合，但不限于此）的测量计数率对探测器的未知参数给出适当的推测值，基于这些推测值建立高纯锗探测器的计算模型。

b.利用国际著名蒙特卡罗模拟计算程序MCNP4C分别计算高纯锗探测器对于不同半径为R的均匀水介质圆柱体中待测核素特征能量E_ana伽玛射线的探测效率η(E_ana)和刻度核素特征能量E_cal伽玛射线的探测效率η(E_cal)。

模拟计算采用通用的方法进行，即采用模拟计算程序MCNP4C模拟待测核素特征能量E_ana伽玛射线的发射和探测器的接收过程，并得到高纯锗探测器所探测到的粒子数，由探测到的粒子数与发射出的粒子总数之比得到探测效率η(E_cal)。

c.利用MCNP4C程序分别计算高纯锗探测器对于放置在上述半径为R的均匀水介质圆柱体中半径上不同位置P(P≤R)上的圆柱面刻度放射性核素特征伽玛射线的探测效率η_P/R。

d.对于各种半径为R的均匀水介质圆柱体和刻度核素特征能量伽玛射线，使得探测效率η_cal=η_P/R相等，由此确定刻度核素的线源刻度位置P/R，其中P表示半径为R圆柱体内刻度核素的线源所在的圆柱面的半径。

e.对半径R相同,线衰减系数μ_L不同的圆柱体，通过MCNP4C计算建立高纯锗探测器对于待测样品中放射性核素特征伽玛射线的探测效率η_cal与样品线衰减系数μ_L关系的拟合公式η_R(μ_L)，确定待测样品中不同线衰减系数的放射性核素特征伽玛射线相对于水介质的吸收校正因子k_μ，即

k_μ=η_R(μ_L)/η_R(μ_L(H₂O)) （1）。

f.对半径R相同,线衰减系数μ_L相同的圆柱体，通过MCNP4C计算确定高纯锗探测器对于标准样品中刻度放射性核素特征伽玛射线的探测效率η_cal与待待测样品中放射性核素特征伽玛射线的探测效率η_ana之间的比值，即能量校正因子k_E，

k_E=η_ana/η_cal （2）。

g.结合实际待测样品半径R_act和实际的标准样品半径R′_act（R′_act即本方法采用的标准样品的尺寸）以及刻度核素特征伽玛射线能量E_cal，根据上述标定数据确定实际的线源刻度位置P_act/R_act。

本方法中认为标准样品的尺寸是确定的，可以看作是不能修改的参数，即标准样品半径R′_act是已知的。

h.将线状非对等标准样品作为放射性源放置在半径为R_act的水介质圆柱体中相应的非对等刻度位置P_act/R_act上，通过测量建立标准样品放射性活度与探测器计数率之间的刻度关系：

n_cal=km_cal （3），

由式（3）得到刻度因子k。

i.对实际待测样品进行测量，采用下式（4）确定实际待测样品中放射性核素的活度：

m=n/k/k_μ/k_E （4）。

测量时，只需将实际待测样品（含有已知或未知放射性核素）放置在升降旋转平台上经过分段旋转透射测量和分段旋转自发射测量两个过程，得到样品线衰减系数μ_L以及探测计数率n，通过测量装置内置的计算软件（即根据本发明的方法设计安装的计算软件）即可分析出测量对象中放射性物质含量。

利用高纯锗探测器，选择已知²³⁵U含量的半径为47.5mm的硝酸铀酰溶液样品作为实际待测样品进行探测测量，将⁷⁵Se线源放置水介质圆柱体中P/R=0.74处进行非对等刻度，由式（4）得到的²³⁵U含量的分析值与标称值的相对偏差在5%之内，满足非破坏性定量分析的要求。

本发明针对测量对象的不同直径可以选用相应的升降旋转平台。适用范围涵盖了核材料循环各个环节中核废料和放射性废物的非破坏性定量检测。

上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims

1.一种用非对等标准样品刻度的伽玛扫描测量方法，包括：

(Ⅰ)通过模拟计算确定非对等标准样品的刻度位置，包括：

(1.1)标定测量装置的计算模型

(1.2)确定刻度核素在水介质中刻度位置，方法是：

a、根据步骤(1.1)得到的测量装置的计算模型，利用蒙特卡罗模拟方法分别计算测量装置对位于不同半径R的均匀水介质圆柱体内刻度核素特征能量E_cal伽玛射线的探测效率η(E_cal)；

b、利用所述测量装置的计算模型，利用蒙特卡罗模拟方法分别计算得到位于半径为R的均匀水介质圆柱体半径上不同位置P上半径为R′的标准样品刻度核素特征能量E_cal伽玛射线的探测效率η_P/R，其中P≤R，R′≤R；

c、针对不同的测量对象半径R和标准样品半径R′，确定非对等刻度位置P，使得η(E_cal)＝η_P/R；

(1.3)根据测量对象对介质进行修正，方法是：

k_μ＝η_R(μ_L)/η_R(μ_L(H₂O)) (1)；

式(1)中，μ_L(H₂O)为测量对象在水介质中的线衰减系数；

(1.4)根据测量对象对能量进行修正，方法是：

k_E＝η(E_ana)/η(E_cal) (2)；

(Ⅱ)标准样品的刻度和实际待测样品的测量，包括：

(2.1)结合实际待测样品确定标准样品实际的非对等刻度位置

结合实际待测样品半径R_act和实际的标准样品的半径R′_act和刻度核素的特征伽玛射线能量E_cal，根据步骤(Ⅰ)的系统标定数据确定实际的非对等刻度位置P_act/R_act；

(2.2)采用标准样品进行刻度以确定刻度因子k

n_cal＝km_cal (3)，

由式(3)得到刻度因子k；

(2.3)实际待测样品的测量

使用所述测量装置对实际待测样品进行测量，得到测量装置对于实际待测样品中待测放射性核素特征伽玛射线的计数率n，采用(2.2)中得到的刻度因子k并结合式(4)确定待测样品中待测放射性核素的活度m：

m＝n/k/k_μ/k_E (4)。

2.根据权利要求1所述的一种用非对等标准样品刻度的伽玛扫描测量方法，其特征在于，步骤(2.3)中，当待测放射性核素与刻度放射性核素一致时，k_E＝1,式(4)简写为：

m＝n/k/k_μ (5)。

3.根据权利要求1所述的一种用非对等标准样品刻度的伽玛扫描测量方法，其特征在于，步骤(1.1)中，样品线衰减系数μ_L通过透射测量得到，透射测量中用到的放射性透射源为⁷⁵Se、¹⁵²Eu、¹³³Ba或²²⁶Ra。