CN106342213B - 分层分环式伽玛扫描测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于伽玛定量测量技术领域，具体涉及一种分层分环式伽玛扫描测量方法，包括以下测量过程：

Description

分层分环式伽玛扫描测量方法

技术领域

本发明属于伽玛定量测量技术领域，具体涉及一种分层分环式伽玛扫描测量方法。

背景技术

分层式伽玛扫描测量分析是核科学与技术领域中的重要技术，是为了解决测量对象中放射性物料含量定量测量而发展起来的综合技术，在许多方面有着广泛的应用前景。测量对象基体和放射性物料的均匀分布是分层式伽玛扫描测量分析原理的基础。在实际应用中，待测对象都具有一定的非均匀性。对测量和分析的研究表明，测量对象基体和放射性物料的非均匀性必然会给分层式伽玛扫描测量分析引入相应的误差。这种分析误差严重影响分层式伽玛扫描测量分析技术的应用。

现有技术中，分层伽玛扫描测量技术(Segmented Gamma Scanning，SGS)，是通过分层测量数据将样品重建为介质密度和放射性分布的一维图像，而层析伽玛扫描技术(Tomographic Gamma Scanning，TGS)则是三维扫描测量数据将样品重建为介质密度和放射性分布的三维图像。从样品的实际情况来分析，SGS对样品的描述与TGS技术相比更为粗粒化，因此，SGS技术的测量准确度劣于TGS技术。但是，SGS技术的测量效率要明显高于TGS技术，SGS技术的测量时间则是大大短于TGS技术。同时，TGS技术对测量平台和分析算法的要求更为复杂。因此，SGS应用仍然十分广泛，仍受到高度关注。这种情况下，研究开发一种既能够保持SGS简单快速的优势同时又兼具与TGS可比的测量准确度的改进技术，以提高非均匀被测样品测量准确度，具有一定的现实意义，这将大大提高伽玛扫描测量技术的应用成熟度，拓展其应用领域。

发明内容

(一)发明目的

本发明提供了一种既能解决SGS分析方法所存在的层内径向非均匀性问题，又比TGS技术简单的伽玛扫描测量方法。

(二)技术方案

本发明提供的分层分环式伽玛扫描测量方法，包括以下测量过程：

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.利用放射性透射源对测量对象的纵向分段分环进行旋转透射测量分析，根据比尔定律

I/I₀＝exp(-μL)

建立测量对象的分层分环自吸收校正计算模型。式中I/I₀为特征γ射线对测量对象的透射率，μ为特征γ射线在测量对象中的平均线衰减系数，L为射线通过测量对象的距离，当射线从测量对象对称轴同时为测量对象的直径。

c.通过纵向分层旋转自发射测量分析，得到高纯锗探测器对于测量对象中特征γ放射性射线的计数率；

按照事先确定分环间隔，将测量对象平移，分别重复b和c操作过程，得到分环的透射和自发射测量数据，构建关于各分环介质线吸收系数上三角线性代数方程组，采用线性代数中的直接求解方法求解此方程组就可以实现旋转测量中测量对象的介质分环分布重建；

在介质吸收校正上，根据得到的测量对象分环介质线吸收系数的分布，建立测量对象的分环蒙特卡罗效率计算与吸收校正模型，与自发射测量数据相结合，根据下式

$n=\frac{m}{M}{\mathrm{\λN}}_A{B}_r\mathrm{\η}$

即可得到经过有效准确的非均匀校正的分析结果。式中计数率n是对测量对象中放射性核素的特征γ射线的测量值，来自于实验，单位为s^-1；m为测量对象中放射性核素质量，单位为g；M为该放射性核素的摩尔质量，单位为g；λ为衰变常数，单位s^-1；N_A为阿佛伽德罗常数；B_r为该放射性核素发射该特征γ射线的发射率；η是探测器对于样品中该特征γ射线的探测效率，通过MCNP4C程序模拟计算得到。

所述的透射测量时探测器准直口采用小孔准直。

所述的自发射测量时探测器准直口采用扁平口准直。

(三)发明效果

根据SGS的旋转测量特性，旋转测量的测量对象中介质和放射性物料随半径变化的分布是影响SGS分析准确性的最关键因素。理论研究和测量实验表明，利用测量对象中介质和放射性物料随半径的分布，可以大幅提高分析准确度。对某一特定样品，利用测量对象中介质和放射性物料随半径的分布，可以将分析结果与样品标称值之间的相对偏差从40％下降至10％以内。同时，本发明所提供的技术方案在机械控制、数据获取以及数据分析等方面比TGS要求低，可以对基体和放射性物料非均匀分布的测量对象进行定量测量分析，其测量分析不确定度可以满足定量测量分析的要求。

附图说明

图1测量示意图

1透射源；2透射源准直器；3当前测量分环；4探测器准直器；5探测器；6透射射线；7最后待测分环；8样品桶平移方向。

图2分层分环示意图

9中心样品；10偏心样品；11极偏心样品。

图3实验样品旋转测量中介质密度的真实分布

图4样品铀溶液中心摆放各层透射率分布

图5样品铀溶液偏心摆放各层透射率分布

图6样品铀溶液极偏心摆放各层透射率分布

图7样品铀溶液中心摆放各层分环线性吸收系数重建分布

图8样品铀溶液偏心摆放各层分环线性吸收系数重建分布

图9样品铀溶液极偏心摆放各层分环线性吸收系数重建分布

图10样品铀溶液中心摆放各层透射率分布

图11样品铀溶液偏心摆放各层透射率分布

图12样品铀溶液极偏心摆放各层透射率分布

图13样品铀溶液中心摆放各层分环线性吸收系数重建分布

图14样品铀溶液偏心摆放各层分环线性吸收系数重建分布

图15样品铀溶液极偏心摆放各层分环线性吸收系数重建分布

图16介质分环模型中各环对于各次透射测量探测器的探测效率

图17各次透射测量中待测放射性核素计数率分布

图18来自透射测量实验的各分环待测放射性核素分布

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

实施例1

本发明提供的分层分环式伽玛扫描测量方法，包括以下测量过程：

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.利用放射性透射源对测量对象的纵向分段分环进行旋转透射测量分析，根据比尔定律

I/I₀＝exp(-μL)

建立测量对象的分层分环自吸收校正计算模型。式中I/I₀为特征γ射线对测量对象的透射率，μ为特征γ射线在测量对象中的平均线衰减系数，L为射线通过测量对象的距离，当射线从测量对象对称轴同时为测量对象的直径。

c.通过纵向分层旋转自发射测量分析，得到高纯锗探测器对于测量对象中特征_γ放射性射线的计数率；

按照事先确定分环间隔，将测量对象平移，分别重复b和c操作过程，得到分环的透射和自发射测量数据，构建关于各分环介质线吸收系数上三角线性代数方程组，采用线性代数中的直接求解方法求解此方程组就可以实现旋转测量中测量对象的介质分环分布重建；

在介质吸收校正上，根据得到的测量对象分环介质线吸收系数的分布，建立测量对象的分环蒙特卡罗效率计算与吸收校正模型，与自发射测量数据相结合，根据下式

$n=\frac{m}{M}{\mathrm{\λN}}_A{B}_r\mathrm{\η}$

即可得到经过有效准确的非均匀校正的分析结果。式中计数率n是对测量对象中放射性核素的特征γ射线的测量值，来自于实验，单位为s^-1；m为测量对象中放射性核素质量，单位为g；M为该放射性核素的摩尔质量，单位为g；λ为衰变常数，单位s^-1；N_A为阿佛伽德罗常数；B_r为该放射性核素发射该特征γ射线的发射率；η是探测器对于样品中该特征γ射线的探测效率，通过MCNP4C程序模拟计算得到。

所述的透射测量时探测器准直口采用小孔准直。

所述的自发射测量时探测器准直口采用扁平口准直。

如图1所示，本发明提供的实验材料：硝酸铀酰溶液，高密度聚乙烯颗粒，不锈钢空桶。其中硝酸铀酰溶液储存在一个外径9.63cm，高21.10cm，壁厚0.30cm的聚乙烯容器内，铀溶液的液面高度为13.00cm。不锈钢空桶的外径为15.00cm，高为30.00cm，壁厚为0.04cm。厚度2.00cm，直径30cm的塑料圆盘。

分析的感兴趣核素是铀溶液中所含的²³⁵U，选用的分析特征能峰为185.72keV。为此，选取¹⁵²Eu作为透射源，关注其121.78keV，244.67keV，344.30keV，778.90keV，964.00keV五条特征能峰。

如图2所示，实验中铀溶液样品的摆放位置分为三种，中心摆放、偏心摆放和极偏心摆放。

中心摆放：铀溶液容器摆放在圆盘的中心位置；

偏心摆放：铀溶液容器的轴心摆放在距离圆盘中心4.8cm的位置上，此时铀溶液外壁恰好位于圆盘中心处；

极偏心摆放：铀溶液容器的轴心在圆盘径向距圆盘边缘4.8cm的位置上，此时铀溶液外壁恰好与圆盘边缘相切。

实验过程中的三个样品都是轴向分层为4层，每层高5.00cm；

图3中给出的是样品中真实的介质密度分布情况，除了第一层由于没有铀溶液存在为空腔外。图4、图5和图6分别给出铀溶液处于中心、偏心和极偏心位置时，透射源¹⁵²Eu核素244keV特征γ射线在样品径向分为5环时的各个测量位置的透射率。图7、图8和图9分别为铀溶液处于中心、偏心和极偏心位置时，各环线性吸收系数重建分布。图中所示第一层由于没有铀溶液存在为空腔。以下是样品分为5环时，三种样品的实验数据。

图10、图11和图12分别给出铀溶液处于中心、偏心和极偏心位置时，透射源¹⁵²Eu核素244keV特征γ射线在各个测量位置的透射率。图13、图14和图15分别为铀溶液处于中心、偏心和极偏心位置时，线性吸收系数重建分布。图中所示第一层由于没有铀溶液存在为空腔。

试验结果表明：根据各环透射测量数据重建得到的各环线性吸收系数与样品的真实情况从分布函数的形状以及具体数值上是基本吻合的。

放射性核素分环模型的建立

利用样品线性吸收系数的透射测量重建方法，可以得到非均匀样品分环模型中的线性吸收系数，建立相应的介质分环模型。实际上利用分次透射测量数据中伴随得到的待测放射性核素特征γ射线的计数率，可以得到非均匀样品各分环内待测放射性核素的大致分布。

在通过分环透射测量，建立了非均匀样品的介质分环模型的基础上，采用下列方法可以得到各分环待测放射性核素的含量。考虑到由于透射源通常很强，造成待测放射性核素计数率的失真较大，则至少可以得到各分环待测放射性核素的大致分布：

Ax＝B (16)

其中，A为在介质分环模型下，探测器各次测量时，所有环对于探测器的探测效率，x为各环待测放射性核素含量，B为各次测量时，待测放射性核素计数率。这里没有考虑临近层对当前层的影响。

图16给出了采用第二组透射测量实验中铀溶液样品中心放置在聚乙烯颗粒中实验建立的介质分环模型，透过MCNP程序计算得到的各环对于各次透射测量探测器的探测效率。利用公式

可以根据非常光滑的待测放射性核素计数率分布(见图17)：

计算得到各环的待测放射性核素分布，可以看出图18给出各分环待测放射性核素分布尽管存在很大的震荡，但还是能够分辨出非均匀样品中待测放射性核素的大致分布和边界。

对基于效率刻度的SGS分析方法来说，对分析准确度影响比较大的一个因素就是被测样品中放射性活度的分布情况。如果能够给出样品中放射性的分布，那么就可以根据这个分布来对效率矩阵进行不均匀性校正。其实，对于SGS方法来说，当能够将样品中放射性分布的径向外边界确定时，这种SGS分析方法的分析准确性就已经能大大提高了。

自吸收校正

对于自吸收校正的实验验证采用偏平准直口将探测器定位于样品中心位置进行分层自发射测量，得到分层186keV自发射计数率。分层厚度为2.5cm，共分8层。

利用透射测量得到的各分层各分环介质对于186keVγ射线的线吸收系数建立的样品介质分环模型，利用透射伴生的186keV计数率根据公式(16)和(17)得到的²³⁵U分布边缘(图18)，建立测量样品的完全分环模型，在介质吸收校正上，根据得到的测量对象分环介质线吸收系数的分布，建立测量对象的分环蒙特卡罗效率计算与吸收校正模型，与自发射测量数据相结合，根据下式

$n=\frac{m}{M}{\mathrm{\λN}}_A{B}_r\mathrm{\η}$

即可得到经过有效准确的非均匀校正的分析结果。

Claims (3)

1.分层分环式伽玛扫描测量方法，包括以下测量过程：

a.用放射性标准点源建立高纯锗探测器的计算模型；

b.通过对测量对象的纵向分层旋转透射测量分析，建立测量对象计算模型；

c.通过纵向分层旋转自发射测量分析，得到高纯锗探测器对于测量对象中特征γ放射性射线的计数率；

其特征在于：将测量对象平移，分别重复b和c操作过程，得到分环的透射和自发射测量数据，构建关于各分环介质线吸收系数上三角线性代数方程组，采用线性代数中的直接求解方法求解此方程组就可以实现旋转测量中测量对象的介质分环分布重建；

在介质吸收校正上，根据得到的测量对象分环介质线吸收系数的分布，建立测量对象的分环蒙特卡罗效率计算与吸收校正模型，与自发射测量数据相结合，即可得到经过有效准确的非均匀校正的分析结果。

2.根据权利要求1所述的分层分环式伽玛扫描测量方法，其特征在于：所述的透射测量时探测器准直口采用小孔准直。

3.根据权利要求1所述的分层分环式伽玛扫描测量方法，其特征在于：所述的自发射测量时探测器准直口采用扁平口准直。