CN112649836A - 一种针对大放射性面源的单核素空气吸收剂量率测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对大型放射性面源的单核素空气吸收剂量率测量方法，首先建立特征γ射线感兴趣区域的G(E)函数的表达式；在各种单核素所覆盖的能量范围内，选择多个能量值E；针对每个能量值E的放射性点源，利用蒙特卡洛模拟生成该放射性点源与谱仪水平距离r为各种数值的能谱测量数据，并依据能谱测量数据获得各放射性点源的探测效率；将获得的数据代入G(E)函数表达式，针对不同的r计算出G(E)函数值，并取平均值，以均值作为能量值E对应的G(E)函数值；拟合能量值E和G(E)函数值的曲线，获得G(E)函数曲线。应用时，利用G(E)函数曲线计算单核素的空气吸收剂量率。本发明能够降低测量误差，而且计算量较小。
Description
技术领域
本发明涉及核辐射监测技术领域，尤其涉及一种针对大放射性面源的单核素空气吸收剂量率测量方法。
背景技术
目前计算空气中吸收剂量率主要采用的方法是能谱计量转化函数法，即“G(E)函数”法，且国际辐射防护委员会(ICRP)在53号报告中，也对该方法进行了介绍。G(E)函数法于1966年由日本原子能研究所的Moriuch等人提出。G(E)函数与Beck法不同，Beck法是通过对探测器几种修正因子的刻度，根据计数率与向剂量率的转化关系，计算得到剂量率值。而G(E)函数法是通过预先的实验刻度出G(E)的函数表达式，再根据此表达式，可以将测得的计数率谱转化为剂量率谱，从而得到总空气吸收剂量率的方法。
现有G(E)函数法较为详细的方案步骤请见参考书籍：贾平雁，程建平，冯天成等.就地γ谱仪测量原理及应用[M].北京：中国原子能出版社，2013,pp143-154.G(E)函数法的大致原理为：
在γ谱仪测量中，设一个能量为E0的γ光子入射到探测器，经过射线与物质的相互作用，产生一个幅度为E的脉冲。令相互作用的概率为f(E,E0)，显然，f(E,E0)是该探测器在能量为E0的γ光子入射作用下输出的幅度谱函数，又称单能光子的响应函数。该光子授予探测器的平均能量
可以表示为：
其中，当把探测器的位置处改为放置空气介质，则γ光子授予空气的平均能量
为：
其中，k为常数，(μen(E0)/ρ)aμen为空气介质对能量为E0的γ光子的质量衰减系数。
由于介质带来的差异并不是常数倍的关系，而是随能量变化的函数关系。因此在测量中，为了获得平坦的能量响应，采用对γ探测器的输出脉冲按幅度加权修正的方法，即在脉冲积分的过程中引入一个函数G(E)，使得
与
的比值为一个常数，则空气吸收γ剂量可以表示为：
其中，k1、k2为常数，D为空气中的吸收剂量。通过理论计算出D的值，并通过实验或仿真的手段对单能光子的响应函数进行计算，就可以得到G(E)函数的曲线。
“G(E)函数”法的适用性更广，但当监测对象为均匀分布的具有较大半径的放射性面源时，该方法适用性也为其带来了缺点：(1)利用传统“G(E)函数”法却忽略了角响应的影响，因此从面源不同位置入射的γ射线会由于角响应的原因引入误差并累积，进而带来较大的误差；(2)在实际应急监测中，只给出总吸收剂量率是不够的，为了帮助决策者做出正确判断，需要给出单核素的吸收剂量率值作为参考。为了求得关键核素的剂量率，求解较为复杂，工作量较大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种针对大放射性面源的单核素空气吸收剂量率测量方法，针对监测对象为均匀分布的具有较大半径的放射性面源的情况，能够降低传统方法的误差；在计算量不过大情况下，能够实现对单核素的空气吸收剂量率的测量。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种针对大型放射性面源的单核素空气吸收剂量率测量方法，该方法应用于将谱仪架设于探测中心距离地面h高度处进行测量的场景；包括：
步骤一、利用G(E)函数，建立空气吸收剂量率与能谱测量数据中单核素的感兴趣区域内净计数间的等式关系；将该等式关系与点源在谱仪探测中心位置的空气吸收剂量率的理论计算公式联立，获得特征γ射线感兴趣区域的G(E)函数的表达式：
其中，E为特征γ射线能量，G(EROI)为特征γ射线感兴趣区内的G(E)函数值；r表示点源与谱仪之间的距离，εE(r)为谱仪对距离为r的点源能量为E的特征γ射线的探测效率；ktran为将keV/s转化为nGy/h的转化因子；(μen/ρ)a为能量E的γ射线在空气中的质能吸收系数；
步骤二、在各种单核素所覆盖的能量范围内，选择多个能量值E；针对每个能量为E的特征γ射线，利用蒙特卡洛模拟进行建模计算得到不同水平距离r处的点源探测效率εE(r)，然后代入式(I)获得不同r处的G(E)函数值，再取平均值，将均值作为能量值E对应的G(E)函数值；
步骤三、利用步骤二获得的多组能量值E及其G(E)函数值，进行曲线拟合，获得G(E)函数曲线；
步骤四、应用时，利用能谱实测数据获得待求单核素的感兴趣区净计数，根据感兴趣区的道址所对应的能量E从G(E)函数曲线中获取G(E)函数值，待求核素的感兴趣区净计数与感兴趣区对应能量G(E)函数值的乘积之和即为此单核素的空气吸收剂量率。
有益效果：
(1)本发明对传统的G(E)函数法进行改进，建立空气吸收剂量率与能谱数据中单核素的感兴趣区内净计数间的等式关系，推导G(E)函数的表达式；便于实现单核素的吸收剂量率测量。
(2)对于不同能量的γ射线，将不同水平距离处的G(E)函数值的平均值作为该能量γ射线对应的G(E)函数值，以降低剂量率测量过程中的角响应带来的误差。
附图说明
图1为探测模型示意图；
图2为本发明测量方法流程图；
图3为本发明实例中的G(E)函数曲线拟合结果。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种针对大型放射性面源的单核素空气吸收剂量率测量方法，该方法对处于面源不同位置的点源进行测量，获得剂量率，只针对感兴趣区内的净计数而非全谱的计数，建立与剂量率间的等式关系，计算出不同位置处的G(E)函数值，再对求解出的不同位置处的G(E)函数值求平均，以降低角响应带来的误差。则在实际应用中，即可直接利用全能峰净计数与相应G(E)函数的乘积作为单核素的剂量率值。
下面首先对本发明重要改进点G(E)函数表达式的构建进行推导。
首先将谱仪架设于谱仪探测中心距离地面h高度处，监测对象可视为均匀分布的大放射性面源，示意图见图1。本发明实施例中以h＝1m为例。
本发明会采用蒙特卡洛法模拟生成一些单能光子响应函数能谱数据，基于能谱数据计算相关参数，代入改进的G(E)函数表达式即可获得G(E)函数值。因此，采用蒙特卡洛模拟是一个基本手段，监测对象可以近似视为均匀分布的大面源是一个基本条件。下面推导也是以监测对象可以近似视为均匀分布的大面源为前提进行的推导。具体为：
利用蒙特卡洛法模拟谱仪对放射性面源探测的实验，以谱仪中心在地面的投影点为圆心，半径R所围成的平面区域作为均匀分布的放射性面源。本发明实施例中取R＝8m。
首先利用吸收剂量率建立理论值与G(E)函数计算值之间的等式关系，见公式(4)。下式中等号右边为现有计算点源空气吸收剂量率理论值的表达式；等号左边为本发明新构建的剂量率理论值表达式。将两个表达式联立即可得到公式(4)。
其中，n(EROI)——特征γ射线感兴趣区内的净计数率；
G(EROI)——特征γ射线感兴趣区内的G(E)函数值；
ktran——转化因子，将keV/s转化为nGy/h，值为1.6×10-7×3600；
E——特征γ射线能量，keV；
(μen/ρ)a——能量为E的γ射线在空气中的质能吸收系数，m2/kg；
A——标准放射性点源的活度，Bq；
Pr——放射性核素能量为E的特征γ射线的发射率；
r——点源与谱仪之间的距离，m。
选取具有不同能量特征γ射线的放射性核素，参见下表1中的各放射性核素与能量E的对应关系。本发明想要获得各种能量E与G(E)函数值的关系从而拟合G(E)函数曲线，因此在能量范围为122keV至2754keV的区间内选取了多种能量E。
根据探测效率和活度的关系(5)：
其中，εE(r)——谱仪对水平距离为r、特征γ射线能量为E的点源探测效率；
n(EROI)——特征γ射线在感兴趣区内的净计数率，cps；
A——标准放射性点源的活度，Bq；
Pr——该核素能量为E的特征γ射线的发射率；
将(5)式带入(4)式中，可以得到，
该公式(6)就是本发明改进的G(E)函数表达式。式中的εE(r)可以通过能谱测量数据计算得到，其他数据均为已知。
利用上述公式(6)就可以计算不同能量E的G(E)函数值，然后将E与G(E)函数值通过最小二乘拟合即可得到G(E)函数的表达式和曲线。
下面对本发明单核素空气吸收剂量率测量方法实现过程进行详细描述。
步骤一、将谱仪架设于探测中心距离地面h＝1m高度处。作为监测对象的放射源可视为均匀分布的大放射性面源。探测模型示意图见图1。
针对表1中选取的每种γ射线的能量执行步骤二和三。
步骤二、利用蒙特卡洛模拟生成放射性点源与谱仪探测器水平距离为0m、1m、2m、3m、4m、5m、6m时的能谱测量数据，并依据能谱测量数据获得各放射性点源的探测效率εE(r)。r＝0、1、2、3、4、5、6。
通过蒙特卡洛进行建模计算得到对于不同位置r处的不同能量γ射线的探测效率及相对不确定度见表1。
表1不同能量特征γ射线的探测效率(相对不确定度)随水平距离的变化
步骤三、将步骤二获得的数据代入利用式(6)，得到不同r处的G(E)函数值，将不同r处的G(E)函数值取平均值，得到能量为E的特征γ射线对应的G(E)函数值。
本步骤依据表1中蒙特卡洛模拟计算的探测效率εE(r)。利用公式(6)计算其G(E)函数值。得到结果见表2。
表2不同能量不同水平位置G(E)函数的计算结果
对于同一能量的γ射线，将其在不同位置处求得的G(E)函数值求平均，得到平均G(E)函数值，见表3。
表3各能量特征γ射线的平均G(E)函数值
步骤四、拟合能量值E和G(E)函数值的曲线，获得G(E)函数曲线。
本步骤中，利用公式(7)对各能量特征γ射线的平均G(E)函数值在能量范围为122keV至2754keV的区间内进行最小二乘拟合：
G(E)＝p1E2+p2E+p3 (7)
其中E为特征γ射线能量，p1，p2，p3为常数。获得G(E)函数曲线，得到系数p1＝9.946e-07，p2＝0.002466，p3＝-0.4024。拟合的回归系数R2＝0.9996，说明拟合效果较好。拟合结果见图3。
步骤五、基于G(E)函数曲线计算单核素的空气吸收剂量率。
本步骤利用能谱实测数据获得待求单核素的感兴趣区净计数，根据感兴趣区的道址所对应的能量E从G(E)函数曲线中获取G(E)函数值，待求核素的感兴趣区净计数与感兴趣区对应能量G(E)函数值的乘积之和即为此单核素的空气吸收剂量率。
本实例中G(E)函数曲线仅针对于122keV至2754keV之间的能量区间具有较好的准确性。根据G(E)函数的值，即可利用公式(8)，计算得到单核素的剂量率。
其中，
——单核素的空气吸收剂量率，nGy/h；
a——感兴趣区左端对应的道址；
b——感兴趣区右端对应的道址；
n(Ei)——感兴趣区第i道所对应能量γ射线的计数率，cps；(该数据来自于能谱测量数据)
G(Ei)——感兴趣区第i道所对应能量γ射线的G(E)函数值。
实验验证：得到利用三种方法的计算结果与理论剂量率的结果对比见表4。
表4三种剂量率测量方法与理论剂量率结果对比
可以看出，对于137Cs和60Co，改进后的空气吸收剂量率与真实值的相对误差在9％以内，而传统方法的相对误差最大可达23.8％。说明针对监测对象可视为均匀分布的大面源时，改进后的空气吸收剂量率计算方法降低了实验误差。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种针对大型放射性面源的单核素空气吸收剂量率测量方法，该方法应用于将谱仪架设于探测中心距离地面h高度处进行测量的场景；其特征在于，包括：
步骤一、利用G(E)函数，建立空气吸收剂量率与能谱测量数据中单核素的感兴趣区域内净计数间的等式关系；将该等式关系与点源在谱仪探测中心位置的空气吸收剂量率的理论计算公式联立，获得特征γ射线感兴趣区域的G(E)函数的表达式；
步骤二、在各种单核素所覆盖的能量范围内，选择多个能量值E；针对每个能量为E的特征γ射线，计算得到不同水平距离r处的点源探测效率εE(r)，然后代入式(I)获得不同r处的G(E)函数值，利用不同r处的G(E)函数值计算能量值E对应的G(E)函数值；
步骤三、利用步骤二获得的多组能量值E及其G(E)函数值，进行曲线拟合，获得G(E)函数曲线；
步骤四、应用时，利用能谱实测数据获得待求单核素的感兴趣区净计数，根据感兴趣区的道址所对应的能量E从G(E)函数曲线中获取G(E)函数值，待求核素的感兴趣区净计数与感兴趣区对应能量G(E)函数值的乘积之和即为此单核素的空气吸收剂量率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特征γ射线感兴趣区域的G(E)函数的表达式为：
其中，E为特征γ射线能量，G(EROI)为特征γ射线感兴趣区内的G(E)函数值；r表示点源与谱仪之间的距离，εE(r)为谱仪对距离为r的点源能量为E的特征γ射线的探测效率；ktran为将keV/s转化为nGy/h的转化因子；(μen/ρ)a为能量E的γ射线在空气中的质能吸收系数。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二所述计算得到不同水平距离r处的点源探测效率εE(r)为：利用蒙特卡洛模拟进行建模，计算得到不同水平距离r处的点源探测效率εE(r)。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二所述利用不同r处的G(E)函数值计算能量值E对应的G(E)函数值为：对不同r处的G(E)函数值取平均值，将均值作为能量值E对应的G(E)函数值。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，r取0m、1m、2m、3m、4m、5m、6m。
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