CN108919331A - 一种对放射性废物桶的双探测器螺旋伽玛扫描测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对放射性废物桶的双探测器螺旋伽玛扫描测量方法，利用双探测器对废物桶进行螺旋扫描，建立螺旋扫描过程中伽马计数率与桶内放射源活度的关系，利用探测效率等效得到两个探测器各自的等效环源，基于统计法建立数据库并根据测量情况获得该两个等效环源半径的差，反推该两个等效半径，实现准确效率刻度，最终计算出废物桶内放射源的活度。本发明对400L高密度低中水平放射性废物的较为准确的活度测量，解决SGS和ISGS技术对该类废物桶测量精度低，并解决了分段伽马扫描测量存在“死角”，ISGS点源假设不合理、迭代求解误差影响等效半径判断、非均匀介质情况下测量误差大问题，面对400L压缩废物和水泥固化废物的放射性核素测量将有很大应用前景。

Description

一种对放射性废物桶的双探测器螺旋伽玛扫描测量方法

技术领域

本发明涉及核废料处理领域，尤其涉及到一种利用双探测器对放射性废物桶的螺旋伽马扫描测量方法。

背景技术

随着核动力及核技术的发展，大量低中水平的放射性废物被产生，并被处理成固体桶装废物进行处置。根据我国相关法律和标准，这些废物在最终处置前，需要对废物桶的表面剂量、桶内的放射性核素及其活度进行测量，以满足安全操作和分类处置的要求。另外，随着国家对放射性废物提出减容的要求，废物将被压缩并采用大体积废物桶进行包装，如200L初装桶被压缩后再装入400L金属桶内。这使得废物桶具有高密度、大体积的特点，给废物的准确测量带来更大的困难。

对放射性废物桶进行测量，一般采用无损检测技术，即不破坏废物桶就能够实现废物桶内放射性核素活度的测量，其中包括分段伽玛扫描技术(SGS)和层析伽马扫描技术(TGS)。目前核动力厂普遍使用的是分段伽玛扫描技术及相应设备。SGS技术在1970s由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)提出，它假设废物桶内填充介质和放射性核素均匀分布，探测器沿废物桶高度方向固定若干测量位置对废物桶进行扫描，如附图1所示。该探测技术由于假设核素均匀分布，应用在核素不均匀分布的废物桶测量时，会造成很大的重建误差。

针对SGS存在的问题，为了提高其测量的准确性，双探测器分段γ扫描测量装置及其扫描方法(后简称ISGS)被提出。该方法基于SGS的分段扫描过程，另增加一个相对废物桶偏心放置的探测器，假定废物桶内放射源为一个环源，利用两个探测器的计数对比，重建出废物桶内各段层的等效环源及其半径。由于等效源的位置已知，因此可以准确刻度探测效率，相对SGS大大提高了测量精度。该方法在对200L金属桶低密度废物测量时，准确性较好，面对越来越普遍使用的400L高密度超压桶装废物，测量精度会大幅降低。主要原因有：(1)该方法将废物桶分为若干段层，各段层都存在等效环源，为解决串层影响需要采用迭代方法重建出各段层内等效环源的半径，才能最终建立相应的探测效率，重建整个废物桶放射性源的活度。随着桶内废物体积增大，密度升高，对射线的衰减增大，系数矩阵的扰动也随之变大，迭代重建各段层内等效环源半径的偏差也越大，迭代误差与不收敛会严重影响活度重建精度。(2)该方法基于的原理是按照活度分布将众多放射源等效为一个源，在废物桶均匀分布且匀速旋转的情况下假定为环源，这种假设在200L低密度桶内应用时具有一定合理性；但是在400L高密度桶内应用时，两个探测器各自实际的等效环源及其半径并不相同，因此点源假设不再合理，探测精度因此大幅降低。(3)同SGS方法一样，该方法采用分段扫描，探测器在竖直方向有若干固定位置，这造成段层中间区域与段层交界区域的测量效果不同，存在测量“死角”，是影响测量精度的潜在因素。

针对上述SGS和其改进技术存在的问题，需要进一步提出更为合理的测量方法，满足大体积、高密度压缩废物桶或水泥固化桶的放射性活度测量的要求。

发明内容

针对现有技术缺陷，以及目前核电厂普遍使用的400L压缩废物和水泥固化废物桶的放射性测量需求，本发明提出一种对放射性废物桶的双探测器螺旋伽玛扫描测量方法。其主要原理为：利用双探测器对废物桶进行螺旋扫描，建立螺旋扫描过程中伽马计数率与桶内放射源活度的关系，利用探测效率等效得到两个探测器各自的等效环源，基于统计法建立数据库并根据测量情况获得该两个等效环源半径差，反推该两个等效半径，实现准确效率刻度，并最终计算出废物桶内放射源的活度。

本发明是根据以下技术方案实现的：

一种对放射性废物桶的双探测器螺旋伽玛扫描测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：高纯锗探测器1及其准直器2从废物桶3底部某一设定高度开始对废物桶按照路径4实施螺旋扫描，至废物桶顶部某一设定高度结束扫描；螺旋扫描通过由废物桶3匀速旋转，探测器1及其准直器2匀速缓慢上升来实现；设有I个相同核素随机分布于废物桶内，依次标号为1、2、…、i、…、I，I为大于1的整数，核素衰变时发出某一能量的射线，发射概率即分支比为α；由于废物桶为缓慢上升，桶内点源沿桶轴心线旋转一周后，忽略探测器高度变化，点源为一个环源，半径为r，相对探测器的高度Δh；对于第i个环源，探测器的计数率为：

式中，A_i为第i个源的放射性活度，H为废物桶有效容积即包含放射性废物容积的高度，e为第i个源的近似环源对某一位置探测器的探测效率，探测器对所有放射源的计数率是所有单源计数率之和：

探测效率e是关于放射源所在位置半径r和与探测器相对高度Δh的连续函数，由相关效率刻度软件获得，探测器沿废物桶高度方向扫描的总探测效率是对e沿高度h的积分：

对于源处于废物桶底部和顶部的情况，探测器仅有一半的测量行程，即Δh<0或Δh>0；此时，参照探测效率e的分布特征，对探测起始与终了位置进行修改，设定探测器起始测量高度在废物桶底部下方，高度H₁，终止高度为废物桶顶部上方，高度H₂，即在一定程度上保证对分布在端部的放射源实施完整测量；因此，一个探测器螺旋扫描后的计数率表述为：

步骤2：螺旋扫描过程由两个探测器实施，位置A的探测器正对废物桶中心，位置B的探测器在水平面内沿y方向偏心Δy，在A位置完成测量后，返回B位置再实施测量，这两个探测器螺旋扫描后计数率为：

其中，E_Ai和E_Bi分别为第i个放射源对位于A和B处探测器的探测效率；由于E与源位置半径r_i相关，且随半径r单调递增，式5近似为：

其中：

该等效效率是以所有I个环源活度为权重，对各源探测效率的加权平均值；由于探测效率曲线的单调性，该加权平均值会与某一半径r下的环源探测效率相等，该半径r为等效半径；探测器A和B的等效环源半径在多点源情况下不同，偏心位置探测器B的等效半径大，即r_A≤r_B；

步骤3：对于A、B处的两个探测器，令等效半径差Δr＝r_B-r_A，式6为：

等效半径差Δr同废物桶密度、源的个数、放射源的种类有关，利用统计方法建立Δr数据库，根据测得的介质密度、核素类型等插值确定Δr，在实际测量时，对于水泥固化桶，核素分布偏向均匀，相当于点源数量偏多，Δr采用最大值；对于压缩桶，核素个数有限、分布未知，Δr采用平均值；

将式7两式相除，得：

绘制相对探测效率随半径r分布曲线，该曲线同半径r单调递增，因此根据计数率比值反推半径r，最后计算出废物桶内I个源的总活度：

至此完成对放射性废物桶的双探测器螺旋伽玛扫描测量。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明对废物桶扫描时，采用废物桶匀速旋转、探测器匀速缓慢上升的螺旋扫描方法。由于探测器上升速度较慢，废物桶内不同高度的放射源均能在探测器上升过程中有效进入探测器准直范围，排除了分段扫描时存在于段层交界处的探测“死角”，能提高测量结果的准确性。同时，螺旋扫描的效果相当于把废物桶内所有放射源投影在一个面上，探测器在该平面内旋转扫描，省去了ISGS技术采用迭代方法分别求解各段层内等效环源半径的过程，避免了环源串层影响、迭代误差对重建精度的影响，尤其是迭代无法收敛时出现不可预知的重建结果。

本发明对等效环源及等效半径的定义与ISGS不同，本方法的定义更为合理，与之相关的测量方法精度更高。ISGS是依据废物桶各段层内放射源的分布，将放射源近似为一个点源，匀速旋转时近似为一个环源，因此与探测器及所在位置无关，所有情况下均为一个等效半径。本发明是按照探测效率在以放射源活度为权重，加权平均后获得的等效探测效率及对应的等效半径，同介质密度、源的类型和数量、探测器位置均有关系，尤其是高密度大体积废物桶，两个探测器的等效半径差异比较明显。通过统计的方法建立等效半径差的数据库，依据实际测量的密度、核素、废物桶类型，对数据库插值求得等效半径差，并代入计算等效半径，该过程有效解决了ISGS技术存在的问题，因此放射源活度测量误差大大降低。

本发明的测量方法受填充介质不均匀分布影响程度较小。对于实际介质不均匀分布会对环源等效半径的判断造成误差，尤其是ISGS需要对各段层迭代求解等效半径，这对介质不均匀分布的敏感性高。本发明是采用螺旋扫描的方法，获得的是整个废物桶伽马射线的计数，局部介质不均匀性被平均，并且没有迭代计算对误差的放大，对介质均匀分布的敏感性低于ISGS方法。对均匀性较好的400L水泥固化桶、轻质材料压缩而成的压缩桶，在没有大量金属块的情况下，本发明提出的方法具有较好的适用性。

本发明提出的伽玛扫描方法能够实现对400L压缩废物桶、水泥固化桶进行放射性活度较为准确的测量，如表2数据所示，测量精度高于SGS和ISGS方法，将具有非常大的应用前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1分段伽马扫描示意图；

图2螺旋伽马扫描示意图；

图3环源探测效率e随与探测器相对高度Δh的分布；

图4两个探测位置的水平面布置示意图；

图5典型核素环源探测效率E随环源半径r的分布；

图6探测器在A、B位置的等效半径差产生示意图；

图7典型核素环源对A、B探测效率E比值随环源半径r的分布。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

首先对本发明出现的技术术语进行了定义，其中：

低中放废物桶：低中水平放射性废物桶，核电厂目前普遍使用的200L或400L金属桶，桶内包装的放射性核素活度浓度按照国家标准分类处于低、中水平。

伽玛扫描方法：利用伽玛谱仪围绕废物桶进行扫描，根据扫描测得的信号幅度解谱获得伽马射线能量，识别核素种类，再根据信号计数率重建放射性活度的方法。

分段扫描：在沿废物桶高度方向，将废物桶分为若干段层，探测器依次正对各段层进行伽马射线的扫描。扫描中，废物桶匀速旋转，探测器固定在某一高度；扫描结束后，探测器更改高度，对准另一个段层，再次重复扫描。

螺旋扫描：将探测器从相对废物桶某一高度开始，匀速环绕废物桶进行不间断的伽马射线扫描，该过程中探测器匀速上升。相对废物桶，探测器的轨迹线为一环绕废物桶的螺旋线。

探测效率：伽玛谱仪测得的某核素衰变发出的某一能量伽玛射线的全能峰计数率与单位时间发出该能量射线总数之比。

等效环源：废物桶内不同径向位置的放射源等效为一个环源，在被探测器旋转扫描后，两者的伽马光子计数率相等，该环源为这些放射源的等效环源。

本发明是一种用于对低中水平放射性废物桶进行测量的伽玛扫描方法，能够实现对介质分布相对均匀的放射性废物桶，如轻质介质压缩桶、水泥固化桶的放射性核素及其活度测量，尤其对大体积、高密度废物桶能实现比现有技术更为准确地测量。包括如下步骤：

步骤1：采用螺旋扫描的方法对废物桶进行测量，如附图2所示，高纯锗探测器1及其准直器2从废物桶3底部某一设定高度开始对废物桶按照路径4实施扫描，至废物桶顶部某一设定高度结束扫描。该扫描过程可以由废物桶3匀速旋转，探测器1及其准直器2匀速缓慢上升来实现。设有I个相同核素随机分布于废物桶内，依次标号为1、2、…、i、…、I，核素衰变时发出某一能量的射线，发射概率即分支比为α。在测量时，通常设置废物桶转速n为每分钟4转，探测器及其准直器上升速度每分钟2cm，即废物桶旋转一圈探测器上升仅0.5cm，因此桶内点源沿桶轴心线旋转一周后，可忽略探测器上升高度，点源被近似为一个环源，半径为r，相对探测器的高度Δh。对于第i个半径为r，相对高度为Δh的环源，探测器的计数率为：

式中，A_i为第i个源的放射性活度，α为分支比，H为废物桶有效容积即包含放射性废物容积的高度，e为第i个源的近似环源对某一位置探测器的探测效率。探测器对所有I个放射源的计数率是所有单源计数率之和：

探测效率e是关于放射源所在位置半径r和与探测器相对高度Δh的连续函数，可以由相关效率刻度软件获得。正常情况下探测器沿废物桶高度方向扫描的总探测效率是对e沿高度h的积分：

对于源处于废物桶底部和顶部的情况，探测器仅有一半的测量行程，即Δh<0或Δh>0。此时，参照附图探测效率e的分布特征，对探测起始与终了位置进行修改，设定探测器起始测量高度在废物桶底部下方10cm，终止高度为废物桶顶部上方10cm，即一定程度上保证对分布在端部的放射源实施完整测量。因此，一个探测器螺旋扫描后的计数率可以表述为：

可见，探测器对废物桶螺旋扫描后对某一能量伽马光子的最终计数率是各个存在于桶内的放射源的活度、某能量伽马射线的分支比、环源探测效率的乘积。

步骤2：上述螺旋扫描过程由两个探测器实施，两个探测器的布置如图4所示，位置A的探测器正对废物桶中心，位置B的探测器在水平面内沿y方向偏心Δy。该过程也可以采用一个探测器，在A位置完成测量后，返回B位置再实施测量。此时，两个探测器获得的计数率为：

其中，E_Ai和E_Bi分别为第i个放射源对位于A和B探测的探测效率。与该效率相关的是源所在的径向位置，即位置半径r_i。由附图5可知，相对A、B位置的探测器，源的探测效率E随半径r单调递增，因此式5可近似为：

其中：

该等效效率是以所有I个环源活度为权重，对各源探测效率的加权平均值；由于探测效率曲线的单调性，该加权平均值会与某一半径r下的环源探测效率相等，该半径r为等效半径。探测器A和B的等效环源半径在多点源情况下会不相同，偏心位置探测器B的等效半径较大，即r_A≤r_B。等效半径的微小差异，可能会导致探测效率成倍数的变化，造成活度误差很大。

步骤3：依据统计方法，确定环源位置并计算放射源活度。对于A、B两个探测器，令等效半径差Δr＝r_B-r_A，则式6为：

等效半径差Δr同废物桶密度、源的个数、放射源的种类均有关系，利用统计方法建立Δr数据库，表1给出了废物桶填充介质密度为1.5和2.5g/cc时三个典型核素(Ba-133、Cs-137和Co-60)在不同源数量时等效半径偏差Δr。总体讲，源的数量增加到一定程度，该偏差不再继续增加，最大达到约2cm。由于无法获知实际源的个数，在实际测量时，对于水泥固化桶，核素分布倾向均匀化，相当于点源数量偏多，Δr采用最大值；对于压缩桶，核素个数有限、分布未知，Δr采用平均值。将Δr按照核素能量、介质密度做成数据库，实际测量根据介质密度、核素种类，插值获得Δr。

表1.A、B两个位置等效环源半径偏差Δr统计值(单位：cm)

将式7两式相除，得：

在确定等效半径差Δr后，可绘制随半径r分布曲线。该曲线由附图7可知，同半径r单调递增，因此可根据计数率比值反推获得半径r。最后计算出废物桶内I个源的总活度为：

利用本申请的方法对于400L金属桶进行了测量及活度计算。废物桶半径35cm，有效容积高度100cm，废物桶内介质密度为1.5g/cc和2.5g/cc，选择了典型核素Cs-137和Co-60进行了测量，每种核素随机分布在废物桶内7个位置，模拟了100个废物桶的测量，对测量结果进行了统计。在结果分析时，由于重建活度A与实际源的活度A_real的比值会大于1或小于1，为避免比值相乘抵消，定义重建误差Δ为：

Δ＝Max(A,A_real)/Min(A,A_real) (10)

Max、Min即求两个比较数据的较大值和较小值。N次测量的几何平均误差定义为：

表2列出了SGS、ISGS和本发明提供方法在废物桶内含多个放射源情况下对活度测量结果的对比。本发明提供的方法对400L高密度桶放射性核素活度测量的精度高于SGS和ISGS。如在介质密度为1.5g/cc时，两个核素重建的平均误差分别为：10％、5％，小于SGS的23％、14％；如在介质密度为2.5g/cc时，平均误差分别为：29％、15％，小于SGS的46％、30％；更好于ISGS技术。

表3.典型核素重建结果对比

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (1)

1.一种对放射性废物桶的双探测器螺旋伽玛扫描测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：高纯锗探测器1及其准直器2从废物桶底部某一设定高度开始对废物桶3按照路径4实施螺旋扫描，至废物桶顶部某一设定高度结束扫描；螺旋扫描通过由废物桶3匀速旋转，探测器1及其准直器2匀速缓慢上升来实现；设有I个相同核素随机分布于废物桶内，依次标号为1、2、…、i、…、I，I为大于1的整数，核素衰变时发出某一能量的射线，发射概率即分支比为α；由于废物桶为缓慢上升，桶内点源沿桶轴心线旋转一周后，忽略探测器高度变化，点源为一个环源，半径为r，相对探测器的高度Δh；对于第i个环源，探测器的计数率为：

式中，A_i为第i个源的放射性活度，H为废物桶有效容积即包含放射性废物容积的高度，e为第i个源的近似环源对某一位置探测器的探测效率，探测器对所有放射源的计数率是所有单源计数率之和：

探测效率e是关于放射源所在位置半径r和与探测器相对高度Δh的连续函数，由相关效率刻度软件获得，探测器沿废物桶高度方向扫描的总探测效率是对e沿高度h的积分：

对于源处于废物桶底部和顶部的情况，探测器仅有一半的测量行程，即Δh<0或Δh>0；此时，参照探测效率e的分布特征，对探测起始与终了位置进行修改，设定探测器起始测量高度在废物桶底部下方，高度H₁，终止高度为废物桶顶部上方，高度H₂，即保证对分布在端部的放射源实施完整测量；因此，一个探测器螺旋扫描后的计数率表述为：

步骤2：螺旋扫描过程由两个探测器实施，位置A的探测器正对废物桶中心，位置B的探测器在水平面内沿y方向偏心Δy，在A位置完成测量后，返回B位置再实施测量，这两个探测器螺旋扫描后计数率为：

其中，E_Ai和E_Bi分别为第i个放射源对位于A和B处探测器的探测效率；由于E与源位置半径r_i相关，且随半径r单调递增，式5近似为：

其中：

该等效效率是以所有I个环源活度为权重，对各源探测效率的加权平均值；由于探测效率曲线的单调性，该加权平均值会与某一半径r下的环源探测效率相等，该半径r为等效半径；探测器A和B的等效环源半径在多点源情况下不同，偏心位置探测器B的等效半径大，即r_A≤r_B；

步骤3：对于A、B处的两个探测器，令等效半径差Δr＝r_B-r_A，式6为：

等效半径差Δr同废物桶密度、源的个数、放射源的种类有关，利用统计方法建立Δr数据库，根据测得的介质密度、核素类型等插值确定Δr，在实际测量时，对于水泥固化桶，核素分布偏向均匀，相当于点源数量偏多，Δr采用最大值；对于压缩桶，核素个数有限、分布未知，Δr采用平均值；

将式7两式相除，得：

绘制相对探测效率随半径r分布曲线，该曲线同半径r单调递增，因此根据计数率比值反推半径r，最后计算出废物桶内I个源的总活度：

至此完成对放射性废物桶的双探测器螺旋伽玛扫描测量。