CN110727011B - 基于固态点源模拟短寿命气态源的符合探测效率刻度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于固态点源模拟短寿命气态源的符合探测效率刻度方法，包括以下步骤：步骤A，确定代替气体源的固态标准点源，该固态标准点源发出的射线与所述气体源发出的射线性质相同；步骤B，将取样容器划分为若干个小体积元；步骤C，依次将固态标准点源放在各小体积元的中心，并计算固态标准点源在每个小体积元处时的符合探测效率；步骤D，对各小体积元处的符合探测效率进行加权求和，得到整个取样容器的符合探测效率。本发明为符合监测系统(监测仪)生产厂家或用户单位提供一种新的对短寿命气体核素进行符合探测效率刻度的方法，成本低，操作简单。

Description

基于固态点源模拟短寿命气态源的符合探测效率刻度方法

技术领域

本发明属于核工业技术领域，特别涉及一种基于固态点源模拟短寿命气态源的符合探测效率刻度方法。

背景技术

随着核技术和核能应用的快速发展，人们的生活得到了极大的便利；但是，由于核技术和核能涉及放射性物质或各类射线装置，如核电作为一种清洁能源，但仍然存在核泄漏的可能性；医用放射性诊断技术为病人疾病诊断提供了可靠的依据，诊断设备同样存在射线泄漏污染环境、造成人员伤亡的可能。为了更好地利用好核技术和核能并使其处于可控制状态，我们需要有各种不同功能的仪器设备对核技术应用装置、核反应堆进行不间断的监控，如核电站一回路压力边界泄漏监测系统、剂量监测仪等。由于放射性场所泄漏量一般较小，实际监测要求监测仪表灵敏度高、探测下限较低。仪器的探测下限L_D由下式确定：

上式中，N_b为本底计数，t_b为本底测量时间，ε为探测效率，V为样品体积，η为与被测量射线的分支比和核素衰变常数有关的常量。从上式可知，降低仪器自身的本底计数和提高监测仪器对监测核素的探测效率都可以有效地降低测量仪器的探测下限。

一般来说，监测系统探测效率的提高具有相当的难度，但可以通过对探测取样装置进行屏蔽或采取其它方式以降低本底来达到降低探测下限的目的。对于监测每次衰变同时发射2个及以上射线的核素且不适宜对测量系统进行屏蔽的情况，采用符合法测量是降低整个测量系统本底的有效手段之一。

基于符合法的测量系统监测结果的准确性与测量系统各部分的性能有关，其中测量取样系统的探测效率的准确性是关键的因素。通常，在测量之前需要对测量取样系统进行符合效率的刻度，以确定系统对某种放射性物质测量效率的大小，因此符合探测效率刻度方法选择和实施是监测系统的关键技术。

目前，探测取样系统探测效率的刻度方法主要有：有源刻度法和基于蒙特卡罗方法(MC)的无源法。

(一)有源刻度法

有源刻度法是指通过对已知放射性的活度、能量、分支比的标准点源(或面源、体源)的测量来得到在某特定条件下取样测量系统对特征能量射线的探测效率。

有源效率刻度方法流程示意图如图1所示。

(二)MC刻度法

MC刻度法是指通过MC软件方法模拟射线在取样探测系统中的活动过程，从而得出探测系统对特征能量射线的探测效率。

MC刻度方法流程示意图如图2所示。

上述两种方法的缺点如下：

1、有源效率刻度方法利用的是相对测量法进行效率刻度，对硬件设备工作条件的同一性要求比较高；对于短寿命的气态核素由于其半衰期短、不利于保存，利用气态标准源来刻度符合测量系统的探测效率成本较高、复杂，不能随时随地进行刻度。

2、MC刻度方法是通过建立与刻度系统完全相同的模型来进行计算，从而获得系统的符合探测效率。往往实际生产中标称性能相同的一批次的产品的实际性能参数也存在着一定的差异，如果用其中一个产品的模拟结果代替其它产品则会产生一定误差；另外，对于使用中某些性能参数发生变化(但是无法量化变化量)的设备无法进行模拟计算；且模拟计算结果都需要利用实验来进行验证。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中短寿命气态核素监测系统或监测仪符合探测效率刻度成本高、复杂的问题，提供一种基于固态点源模拟短寿命气态源的符合探测效率刻度方法，成本低，操作简单。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于固态点源模拟短寿命气态源的符合探测效率刻度方法，其特点是包括以下步骤：

步骤A，确定代替气体源的固态标准点源，该固态标准点源发出的射线与所述气体源发出的射线性质相同；

步骤B，将取样容器划分为若干个小体积元；

步骤C，依次将固态标准点源放在各小体积元的中心，并计算固态标准点源在每个小体积元处时的符合探测效率；

步骤D，对各小体积元处的符合探测效率进行加权求和，得到整个取样容器的符合探测效率。

作为一种优选方式，所述步骤C中，

固态标准点源在第i个小体积元处时的符合探测效率ε_i为：

其中，n_rc为在没有放射源的情况下，探测系统正常工作时测量探测器本身以及环境所产生射线形成的偶然符合计数，n_ic为固态标准点源放在第i个小体积元的中心处后，在探测系统正常工作时取样容器内两个探测器形成的信号符合，A为固态标准点源的活度。

作为一种优选方式，所述步骤D中，

固态标准点源在第i个小体积元处的符合探测效率在整个测量系统中占有的权重因子为：

其中，S_i为第i个小体积元的体积，S为取样容器的容积；

整个取样容器的符合探测效率为：

其中，m为小体积元的总数。

与现有技术相比，本发明为符合监测系统(监测仪)生产厂家或用户单位提供一种新的对短寿命气体核素进行符合探测效率刻度的方法，成本低，操作简单。

附图说明

图1为有源效率刻度流程示意图。

图2为MC刻度方法流程示意图。

图3为符合测量取样容器示意图。

图4为图3的俯视图。

图5为取样容器坐标定义示意图。

图6为本发明方法流程示意图。

图7为取样容器体积元划分示意图(俯视图)。

图8为符合测量系统框图。

具体实施方式

监测系统通过分析放射性场气态介质或其它介质中某种特定核素的含量，判断是否发生泄漏及泄漏量的大小。有些场所不适宜将测量仪器放置在现场，为了得到合适的样品需要对放射性场所进行取样，将放射性介质抽取到取样容器，然后再对样品进行分析。技术原理的说明以压水堆一回路¹³N监测系统为例进行说明(其它短寿命核素刻度方法类似)：

反应堆冷却剂H₂O中¹³N来源于如下核反应：堆芯裂变中子与水中氢核发生弹性散射产生反冲质子，大于一定能量(E＝5.555MeV)的反冲质子与水中的¹⁶O发生核反应产生¹³N，即

¹³N为β⁺放射性核素，β⁺半衰期为9.96min。β⁺粒子与物质相互作用发生正电子湮没效应，发射两个能量均为0.511Mev的光子，且两个光子向相反方向运动。如果一回路发生泄漏，¹³N将均匀的分布在安全壳内空气中，监测系统将安全壳内气体抽入取样探测容器，测量取样气体中能量为0.511MeV的γ射线计数率，就可以得到取样空气中¹³N的放射性活度，再经过用专门计算方法确定的泄漏率传输系数的换算，就可以求出反应堆一回路压力边界的水的泄漏率。

¹³N核素发生β⁺衰变湮灭后产生两个能量均为0.511MeV且方向相反的γ光子，这是一个符合事件。因此，可以利用符合探测装置对这些符合事件进行探测，符合测量取样容器如图3、4所示。

取样容器内部有2个圆柱空腔用于放置探测器，每个圆柱空腔内直径为90mm，不锈钢厚度为(1±0.1)mm(实验过程中可以忽略壁厚影响)，圆柱空腔高度为(83±0.5)mm，取样容器总高度为(85±0.5)mm。利用抽气泵将取样气体抽入取样容器中，安装在取样容器内的探测器对气体进行测量，通过后面数据处理单元对测量数据进行相应的处理，进而可以得到一回路的泄漏率。

基于符合法的多探测器监测系统测量的准确性与整个系统各部分的性能相关，系统每个部分都要进行相应的性能测试或标定，其中取样探测容器的探测效率的刻度就是重要的技术之一。由于监测系统测量的源项为短寿命的气体核素，短寿命气体标准源的获取和保存都不容易，利用气体标准源对取样探测容器进行效率刻度比较困难。鉴于上述原因，我们提出了利用性质和短寿命气体源相同的长寿命固态点源模拟气态标准源对监测系统取样探测容器进行探测效率刻度的方法。

以下介绍点源模拟法的原理：

点源模拟法就是将要进行探测效率刻度的取样容器划分为多个小体积元，将固态点源放在每个小体积元的中心，计算点源在不同体积元的全能峰探测效率，然后对每个体积元进行加权处理即得到整个取样探测容器的全能峰探测效率。

理论上，首先对取样容器定义坐标系，如图5所示，z轴是取样容器的轴线，y轴，x轴为与轴线相交的穿过对边圆心的两直角坐标系。柱坐标系r是固态点源离取样容器的轴线z的距离，θ是r与y轴的夹角。

在任意一点(r，θ，z)放置一个标准源，记录单个探测器和符合装置的计数，则该点的真符合计数率n_co为：

其中，n₁、n₂为单个探测器记录的计数率，n₁₂是符合装置的计数率、τ为符合分辨时间；当所选点源活度为A时，则点源位于此位置时的探测效率为：

该平面的符合探测效率为：

ε(r，θ，z)＝∫∫ε(r，θ)drdθ

公式中的ε(r，θ)为与r、θ相关的函数，则取样容器的符合探测效率为：

本发明基于固态点源模拟短寿命气态源的符合探测效率刻度方法流程如图6所示。

1)固态标准点源的选择

确定代替气体源的固态标准点源，该固态标准点源发出的射线与所述气体源发出的射线性质相同，且所述固态标准点源比较容易获取。

2)将取样容器划分为若干个小体积元

实际进行效率刻度时，首先对取样容器进行区域划分。先将容器均分为4个部分(以直径为300mm的取样容器为例进行说明，其它体积的容器可以按照相同的规则进行)，如图7所示，靠近周围两个圆形的斜线为经过正中圆心的切线，不规则部分的部分取点尽量取中心点，均分的四个部分中，每部分区域径向划分为5个等面积的圆扇，然后取径向r＝80mm，115mm画圆弧，区域内划分为15个部分，测量的时候取中心点，剩下的3个部分也按照如此步骤划分区域，每个平面共可取68个点；纵向上分7个平面，容器总高80，依次测量2mm，13.33mm，20mm，40mm，60mm，67.77mm，80mm各个高度的平面实验点(图7中，小圆圈所在的位置代表实际刻度时固体点源所处的位置)。

3)测量

符合测量系统由探测器、信号处理电路、数据获取电路3部分组成，符合测量系统框图如图8所示。符合测量系统具体包括有Na(Tl)闪烁体探测器、NIM机箱、1500V高压模块、放大器、单道、符合(反符合)模块、定标器。

两个NaI(TI)探测器分别用来探测由正电子湮没产生的两个0.511MeV的γ光子，输出电信号；放大器对探测器输出信号进一步整形放大，达到后续电路处理的要求；放大器输出信号输入单道，单道主要用来选择对符合有用的信号，同时将放大器输出的正弦波转换成方波，提高后续符合电路的符合效率；单道输出的信号输入符合电路，符合电路对一次湮没产生的信号进行符合，输出真、偶符合计数；3个定标器同时记录2个单道和符合电路的输出信号，定标器的计数用来计算整个符合系统的探测效率。效率刻度时将符合测量系统各部分调试至正常的工作状态，进行符合本底和有源时符合计数的测量。

a、本底测量

探测系统正常工作，在没有放射源的情况下测量探测器本身以及环境所产生射线形成的偶然符合计数n_rc。

b、符合计数测量

将模拟用固态标准点源放置于划分的小体积元中心处，在探测系统正常工作的情况下记录两个探测器形成的符合信号n_ic。固态标准点源放置于每个小体积元处时操作相同。

4)数据处理

a、点源在任意体积元处时系统的探测效率

假设固态标准点源的活度为A，则当固态标准点源位于第i个小体积元处时系统的探测效率为：

固态标准点源位于第i个小体积元处时系统的探测效率在整个测量系统中占有的权重因子为：

其中，S_i为第i个小体积元的体积，S为取样容器的容积。

b、取样探测容器的效率

固态标准点源位于每个小体积元处时，测量系统的探测效率不一样，每个小体积元在整个取样容器中所占权重也不一样；每个小体积元处的探测效率与体积权重因子的乘积表示该点处探测效率在整个取样探测容器探测效率占的份额，将所有小体积元的份额累加就得到了整个取样容器的效率，即：

其中，m为小体积元的总数。

通过上述方法，得到了用固态点源模拟气态源对取样探测容器进行探测效率刻度值。

本发明中，为了使模拟刻度效率值更接近用气态标准源刻度的值，在对取样容器进行体积元划分时，应该将每一个体积元的体积划分得较小。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于固态点源模拟短寿命气态源的符合探测效率刻度方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，确定代替气体源的固态标准点源，该固态标准点源发出的射线与所述气体源发出的射线性质相同；

步骤B，将取样容器划分为若干个小体积元；

步骤C，依次将固态标准点源放在各小体积元的中心，并计算固态标准点源在每个小体积元处时的符合探测效率；

步骤D，对各小体积元处的符合探测效率进行加权求和，得到整个取样容器的符合探测效率；

所述步骤D中，

固态标准点源在第i个小体积元处的符合探测效率在整个测量系统中占有的权重因子为：

其中，S_i为第i个小体积元的体积，S为取样容器的容积；

整个取样容器的符合探测效率为：

其中，m为小体积元的总数，ε_i为固态标准点源在第i个小体积元处时的符合探测效率。

2.如权利要求1所述的基于固态点源模拟短寿命气态源的符合探测效率刻度方法，其特征在于，所述步骤C中，

固态标准点源在第i个小体积元处时的符合探测效率ε_i为：

其中，n_rc为在没有放射源的情况下，探测系统正常工作时测量探测器本身以及环境所产生射线形成的偶然符合计数，n_ic为固态标准点源放在第i个小体积元的中心处后，在探测系统正常工作时取样容器内两个探测器形成的信号符合，A为固态标准点源的活度。

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