CN113466915A - 一种基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量系统及方法 - Google Patents

一种基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量系统及方法 Download PDF

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CN113466915A CN202110946420.9A CN202110946420A CN113466915A CN 113466915 A CN113466915 A CN 113466915A CN 202110946420 A CN202110946420 A CN 202110946420A CN 113466915 A CN113466915 A CN 113466915A
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张苏雅拉吐
王德鑫
黄美容
白力嘎
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Abstract

本发明公开一种基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量系统，包括：测量单元、模拟单元、对比分析单元、数据处理单元；测量单元用于对辐射源的能谱进行能谱测量实验，获得辐射源的真实能谱；模拟单元用于对能谱测量实验进行蒙特卡洛模拟，获得辐射源的模拟能谱，模拟单元还基于参数优化后的蒙特卡洛模拟实验在不同能量下对辐射源进行模拟，获得辐射源的连续能谱；对比分析单元用于对比并分析真实能谱和模拟能谱，并对蒙特卡洛模拟实验进行参数优化；数据处理单元用于根据连续能谱进行能谱剂量转换，基于能谱剂量转换获得辐射剂量率。本发明能够通过对辐射源的能谱测量，并结合蒙特卡洛模拟技术准确的得到能谱‑剂量转换函数，进而获得辐射剂量率。

Description

一种基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量系统及方法
技术领域
本发明涉及辐射场剂量率测量技术领域，特别涉及一种基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量系统及方法。
背景技术
高纯锗(HPGe)探测器是半导体探测器，因其高能量分辨率，广泛用于核物理实验、核技术应用、环境辐射防护以及食品安全等领域中的伽马(γ)射线能谱测量。伽马射线具有很强的穿透能力，人体或生物机体在高强度γ场工作或长时间被低剂量γ射线辐射有可能会导致生命体中的DNA发生变化，甚至有可能会导致癌变等不可修复的辐射损伤。目前，主要采用气体电离室、闪烁计数器和G-M计数管来测量现场环境中总的辐射剂量，但无法测定环境中具体存在哪些核素。
在当前常用的技术中，如果要测量环境中的辐射剂量及其能谱分布，主要利用HPGe探测器测量辐射场中的γ能谱，同时用其他剂量率仪器进行剂量测量，结合两者的监测结果估计辐射场中核素种类及其辐射贡献。但这种方法存在较为繁琐，且浪费资源的问题，甚至工作人员有受到辐射的风险。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量系统及方法，以解决现有技术中存在的技术问题，通过对辐射源的能谱测量，并结合蒙特卡洛模拟技术准确的得到能谱-剂量转换函数，进而获得辐射剂量率，降低了工作人员受到辐射的风险。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量系统，包括：测量单元、模拟单元、对比分析单元、数据处理单元；
所述测量单元、模拟单元、对比分析单元依次相连；所述测量单元还与所述对比分析单元相连；所述模拟单元还与所述数据处理单元相连；
所述测量单元用于对辐射源的能谱进行能谱测量实验，获得所述辐射源的真实能谱；
所述模拟单元用于对能谱测量实验进行蒙特卡洛模拟，获得所述辐射源的模拟能谱，所述模拟单元还基于参数优化后的蒙特卡洛模拟实验在不同能量下对所述辐射源进行模拟，获得所述辐射源的连续能谱；
所述对比分析单元用于对比并分析所述真实能谱和所述模拟能谱，并对所述蒙特卡洛模拟实验进行参数优化；
所述数据处理单元用于根据所述连续能谱进行能谱剂量转换，基于所述能谱剂量转换获得辐射剂量率。
优选地，所述测量单元包括供压模块、测量模块、放大模块；
所述供压模块、测量模块、放大模块依次相连；所述放大模块还与所述对比分析单元相连；
所述测量模块用于进行能谱测量实验；
所述供压模块用于为所述测量模块提供电压；
所述放大模块用于对所述测量模块测量到的结果进行放大处理。
优选地，所述测量模块包括HPULB4S铅室和高纯锗探测器；所述高纯锗探测器置于所述HPULB4S铅室中。
优选地，所述模拟单元包括第一模拟模块和第二模拟模块；所述测量模块、第一模拟模块、第二模拟模块依次相连；所述第二模拟模块还与所述数据处理单元相连；
所述第一模拟模块用于对能谱测量实验进行蒙特卡洛模拟，获得所述辐射源的模拟能谱；
所述第二模拟模块基于参数优化后的蒙特卡洛模拟实验在不同能量下对所述辐射源进行模拟，获得所述辐射源的连续能谱。
优选地，所述供压模块采用Ortec-659高压插件；所述放大模块采用Ortec672光谱放大器；所述Ortec-659高压插件通过所述高纯锗探测器与所述Ortec672光谱放大器相连。
优选地，所述对比分析单元包括储存模块、对比分析模块、参数优化模块；所述储存模块、对比分析模块、参数优化模块依次相连；所述储存模块还与所述Ortec672光谱放大器相连；所述参数优化模块还与所述数据处理单元相连；
所述储存模块用于储存所述真实能谱和所述模拟能谱；
所述对比分析模块用于对所述真实能谱和所述模拟能谱进行对比分析；
所述参数优化模块用于对所述蒙特卡洛模拟实验进行参数优化。
优选地，所述储存模块采用EASY-MCA-8K-CH脉冲高度分析器；所述EASY-MCA-8K-CH脉冲高度分析器与所述Ortec672光谱放大器相连。
优选地，所述数据处理单元包括转换模块；所述转换模块与所述第二模拟模块相连；
所述转换模块用于将所述辐射源的连续能谱转换为辐射剂量率。
一种基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量方法，包括以下步骤：
S1、对辐射源进行能谱测量实验，获得所述辐射源的真实能谱；
S2、利用蒙特卡洛模拟对所述能谱测量实验进行模拟，获得所述辐射源的模拟能谱；
S3、将所述真实能谱与所述模拟能谱进行对比，并基于对比结果对蒙特卡洛模拟实验进行参数优化；
S4、基于参数优化后的所述蒙特卡洛模拟实验在不同能量下对所述辐射源进行模拟，获得所述辐射源的连续能谱；
S5、对所述连续能谱进行能谱剂量转换，并基于所述能谱剂量转换的结果获得辐射剂量率。
优选地，所述辐射源采用标准γ源。
本发明公开了以下技术效果：
本发明仅采用一个高纯锗探测器就能完成对标准γ源的辐射能谱测量实验，大大便捷了辐射实验过程，而且在结合蒙特卡洛模拟技术后能够获得连续的能量谱，并对连续的能量谱进行准确的能谱-剂量转换，进而获得辐射剂量率，根据辐射剂量率不仅能够获得辐射源在环境中的核素及位置，而且大大降低了资源浪费情况以及工作人员在实验中受到辐射的风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的系统模块示意图；
图2为本发明实施例的硬件连接图；
图3为本发明实施例的方法流程图；
图4为本发明实施例的算法逻辑图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-2所示，本实施例提供一种基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量系统，包括：测量单元、模拟单元、对比分析单元、数据处理单元；测量单元、模拟单元、对比分析单元依次相连；测量单元还与对比分析单元相连；模拟单元还与数据处理单元相连。
测量单元用于对辐射源的能谱进行能谱测量实验，获得辐射源的真实能谱；模拟单元用于对能谱测量实验进行蒙特卡洛模拟，获得辐射源的模拟能谱，模拟单元还基于参数优化后的蒙特卡洛模拟实验在不同能量下对辐射源进行模拟，获得辐射源的连续能谱；对比分析单元用于对比并分析所述真实能谱和所述模拟能谱，并对蒙特卡洛模拟实验进行参数优化；数据处理单元用于根据连续能谱进行能谱剂量转换，基于能谱剂量转换获得辐射剂量率。
其中，测量单元包括供压模块、测量模块、放大模块；测量模块包括HPULB4S铅室和高纯锗探测器；高纯锗探测器置于HPULB4S铅室中；供压模块采用Ortec-659高压插件；放大模块采用Ortec672光谱放大器；Ortec-659高压插件通过高纯锗探测器与Ortec672光谱放大器相连；供压模块、测量模块、放大模块依次相连；放大模块还与对比分析单元相连；测量模块用于进行能谱测量实验；供压模块用于为测量模块提供电压；放大模块用于对测量模块测量到的结果进行放大处理。
模拟单元包括第一模拟模块和第二模拟模块；测量模块、第一模拟模块、第二模拟模块依次相连；第二模拟模块还与数据处理单元相连；第一模拟模块用于对能谱测量实验进行蒙特卡洛模拟，获得所述辐射源的模拟能谱；第二模拟模块基于参数优化后的蒙特卡洛模拟实验在不同能量下对所述辐射源进行模拟，获得所述辐射源的连续能谱。
对比分析单元包括储存模块、对比分析模块、参数优化模块；储存模块采用EASY-MCA-8K-CH脉冲高度分析器；EASY-MCA-8K-CH脉冲高度分析器与Ortec672光谱放大器相连；储存模块、对比分析模块、参数优化模块依次相连；储存模块还与Ortec672光谱放大器相连；参数优化模块还与数据处理单元相连；储存模块用于储存真实能谱和模拟能谱；对比分析模块用于对真实能谱和模拟能谱进行对比分析；参数优化模块用于对蒙特卡洛模拟实验进行参数优化。
数据处理单元包括转换模块；转换模块与所述第二模拟模块相连；转换模块用于将辐射源的连续能谱转换为辐射剂量率；数据处理单元为计算机。
该系统硬件的具体运行为：将高纯锗探测器置于型号为HPULB4S的铅室内进行实验，由Ortec-659高压插件为探测器提供3500V的负高压；探测器探测到的信号，首先进入到Ortec672主放中对波形进行整形放大，再进入到EASY-MCA-8K-CH脉冲高度分析器中进行记录，最后通过计算机对实验数据进行分析处理。
参照图3-4所示，本实施例提供一种基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量方法，包括以下步骤：
S1、对辐射源进行能谱测量实验，获得辐射源的真实能谱。其中，辐射源采用标准γ源。
S2、利用蒙特卡洛模拟对能谱测量实验进行模拟，获得辐射源的模拟能谱。
在实验过程中，采用GEANT4程序进行能谱测量实验的模拟，GEANT4程序具有可视化、粒子追踪及处理复杂几何体等优点，是欧洲核子中心开发的公开的免费软件。在进行GEANT4模拟的过程中首先要确定以下三个量：分别是晶体的尺寸、死层的厚度和晶体到探测窗之间的距离。其中最为重要的是死层的厚度，因为死层厚度会随着时间的推移而改变。
S3、将真实能谱与模拟能谱进行对比，并基于对比结果对蒙特卡洛模拟实验进行参数优化。
利用GEANT4可调节HPGe探测器死层厚度，通过能量展开和实验数据对比获得精确的γ光响应函数，进而获得模拟实验中的标准γ源能谱。但由于HPGe探测器在使用过程中,锗晶体外层的死层中Li离子的漂移会导致死层厚度增长,使探测器对γ射线的衰减增大,并减小了探测器的有效体积,这些效果都会造成实际测量的探测效率与模拟计算得到的结果出现偏差。因此在进行实验时，HPGe探测器外的死层厚度需要利用GEANT4模拟不同死层厚度计算出的γ能谱和探测效率与实验测量的真实γ能谱和探测效率进行比较分析，当两者符合较好时死层厚度就是HPGe探测器实际死层厚度，完成模拟实验的参数优化。
S4、基于参数优化后的蒙特卡洛模拟实验在不同能量下对辐射源进行模拟，获得辐射源的连续能谱。
S5、对连续能谱进行能谱剂量转换，并基于能谱剂量转换的结果获得辐射剂量率。
S5.1、HPGe探测器能谱-剂量转换G函数：
首先，空气吸收剂量D表示为：
Figure BDA0003216854410000091
式中：k为常数，N(E)是探测器测得的γ能谱，G(E)是能谱-剂量转换权重函数，Emin和Emax为能谱积分时的阈值范围。
G(E)函数具体为：
Figure BDA0003216854410000092
式中，kmax为G(E)函数的阶数，Ak是待定的系数，结合空气吸收剂量D通过最小二乘法可求解系数Ak，并得到G函数。
然后，假设HPGe探测器使用的多道分析器的能宽为ΔE，道数为I，入射的γ射线能量为Ej，结合上述公式，实验上利用多道计算出的空气吸收剂量D(Ej)可表示为：
Figure BDA0003216854410000093
式中,Imax是多道分析器最大的道址。在模拟时不考虑自吸收的条件下，标准源对应的空气吸收剂量率可表示为：
Figure BDA0003216854410000094
式中，λ为常数项，λ＝1.6021×10-7；A为标准源的活度；ηi是能量为Ej的γ射线分支比；Ej标准源的γ射线能量；(μem(Ej)/ρ)为相对于能量为Ej时的入射γ射线在空气中的质能吸收系数；d＝d1+d2/2，d1为点源到探测器表面的距离，d2为探测器的厚度。
最后，利用最小二乘法求解Ak系数时，不同的kmax对计算的结果影响也是很大，通过计算kmax＝6～10对应的平均相对误差0.53％以内，因此最终选取kmax＝10。
S5.2、用HPGe结合G函数法测量辐射剂量率：利用GEANT4计算的光响应函数和G函数公式，可以从HPGe实验能谱上计算出相应的剂量。从能谱上确定出某个核素种类并对应剂量就可以算出该核素对总剂量的贡献。
该方法的逻辑流程为：首先由高纯锗探测器对标准γ源的能谱进行测量，之后利用Geant4模拟软件对整个实验系统进行详细的蒙特卡洛模拟，通过模拟计算出的γ能谱与实验能谱进行比较，分析两者是否符合较好。如果差异较大，从Geant4程序上对实验的参数进行一些优化，例如四层厚度、晶体尺寸、标准源距离探测器的位置或者其他参数等。待模拟结果与实验结果符合较好后，模拟高纯锗探测器测量不同能量的标准源，通过Geant4可以获得连续的γ能谱，依此可以构建能谱-剂量转换G函数。利用最小二乘法将G函数中的相关系数解出，至此G函数构建成功，可以利用G函数将不同测量样品的γ能谱转换成剂量。
本发明公开了以下技术效果：
本发明仅采用一个高纯锗探测器就能完成对标准γ源的辐射能谱测量实验，大大便捷了辐射实验过程，而且在结合蒙特卡洛模拟技术后能够获得连续的能量谱，并对连续的能量谱进行准确的能谱-剂量转换，进而获得辐射剂量率，根据辐射剂量率不仅能够获得辐射源在环境中的核素及位置，而且大大降低了资源浪费情况以及工作人员在实验中受到辐射的风险。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量系统，其特征在于，包括：测量单元、模拟单元、对比分析单元、数据处理单元；
所述测量单元、模拟单元、对比分析单元依次相连；所述测量单元还与所述对比分析单元相连；所述模拟单元还与所述数据处理单元相连；
所述测量单元用于对辐射源的能谱进行能谱测量实验，获得所述辐射源的真实能谱；
所述模拟单元用于对能谱测量实验进行蒙特卡洛模拟，获得所述辐射源的模拟能谱，所述模拟单元还基于参数优化后的蒙特卡洛模拟实验在不同能量下对所述辐射源进行模拟，获得所述辐射源的连续能谱；
所述对比分析单元用于对比并分析所述真实能谱和所述模拟能谱，并对所述蒙特卡洛模拟实验进行参数优化；
所述数据处理单元用于根据所述连续能谱进行能谱剂量转换，基于所述能谱剂量转换获得辐射剂量率。
2.根据权利要求1所述的基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量系统，其特征在于，所述测量单元包括供压模块、测量模块、放大模块；
所述供压模块、测量模块、放大模块依次相连；所述放大模块还与所述对比分析单元相连；
所述测量模块用于进行能谱测量实验；
所述供压模块用于为所述测量模块提供电压；
所述放大模块用于对所述测量模块测量到的结果进行放大处理。
3.根据权利要求2所述的基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量系统，其特征在于，所述测量模块包括HPULB4S铅室和高纯锗探测器；所述高纯锗探测器置于所述HPULB4S铅室中。
4.根据权利要求3所述的基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量系统，其特征在于，所述模拟单元包括第一模拟模块和第二模拟模块；所述测量模块、第一模拟模块、第二模拟模块依次相连；所述第二模拟模块还与所述数据处理单元相连；
所述第一模拟模块用于对能谱测量实验进行蒙特卡洛模拟，获得所述辐射源的模拟能谱；
所述第二模拟模块基于参数优化后的蒙特卡洛模拟实验在不同能量下对所述辐射源进行模拟，获得所述辐射源的连续能谱。
5.根据权利要求3所述的基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量系统，其特征在于，所述供压模块采用Ortec-659高压插件；所述放大模块采用Ortec672光谱放大器；所述Ortec-659高压插件通过所述高纯锗探测器与所述Ortec672光谱放大器相连。
6.根据权利要求5所述的基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量系统，其特征在于，所述对比分析单元包括储存模块、对比分析模块、参数优化模块；所述储存模块、对比分析模块、参数优化模块依次相连；所述储存模块还与所述Ortec672光谱放大器相连；所述参数优化模块还与所述数据处理单元相连；
所述储存模块用于储存所述真实能谱和所述模拟能谱；
所述对比分析模块用于对所述真实能谱和所述模拟能谱进行对比分析；
所述参数优化模块用于对所述蒙特卡洛模拟实验进行参数优化。
7.根据权利要求6所述的基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量系统，其特征在于，所述储存模块采用EASY-MCA-8K-CH脉冲高度分析器；所述EASY-MCA-8K-CH脉冲高度分析器与所述Ortec672光谱放大器相连。
8.根据权利要求4所述的基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量系统，其特征在于，所述数据处理单元包括转换模块；所述转换模块与所述第二模拟模块相连；
所述转换模块用于将所述辐射源的连续能谱转换为辐射剂量率。
9.一种基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对辐射源进行能谱测量实验，获得所述辐射源的真实能谱；
S2、利用蒙特卡洛模拟对所述能谱测量实验进行模拟，获得所述辐射源的模拟能谱；
S3、将所述真实能谱与所述模拟能谱进行对比，并基于对比结果对蒙特卡洛模拟实验进行参数优化；
S4、基于参数优化后的所述蒙特卡洛模拟实验在不同能量下对所述辐射源进行模拟，获得所述辐射源的连续能谱；
S5、对所述连续能谱进行能谱剂量转换，并基于所述能谱剂量转换的结果获得辐射剂量率。
10.根据权利要求9所述的一种基于高纯锗探测器的辐射剂量率测量方法，其特征在于，所述辐射源采用标准γ源。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112882082A (zh) * 2021-01-12 2021-06-01 中国人民解放军海军工程大学 基于脉冲形状甄别的中子-γ周围剂量当量率仪

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