CN113534230A - 一种海水放射性核素活度的探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海水监测技术领域，涉及一种海水放射性核素活度的探测方法。该方法包括以下步骤：利用放射性核素探测器现场采集海水中放射性核素峰的能谱数据；遍历标定的放射性核素峰的信号值，找到对应的海水中放射性核素的峰范围；计算峰范围的净计数率；利用放射性核素能量与探测器探测效率的关系式获得现场放射性核素峰的探测效率；根据探测效率和净计数率获得现场放射性核素峰的活度值。本发明提供的海水放射性核素活度的探测方法，不受累积时间长度的限制，也不受海洋环境干扰的限制，能够快速准确的探测出海水放射性核素的活度值。

Description

一种海水放射性核素活度的探测方法

技术领域

本发明属于海水监测技术领域，涉及一种海水放射性核素活度的探测方法。

背景技术

在海洋放射性物质综合测量过程中，如果存在相应的放射性物质，在所对应的能量区间会出现相应的峰。现有的海水放射性环境监测方法通常是以假定海水中待测放射性物质所对应的监测信号是平稳的或是时不变的为前提，并不适用于复杂的海洋环境。

实际的海洋现场监测环境是复杂多变的，干扰因素很多。在实际作业过程中发现，海洋环境的变化对海洋物质的测量存在干扰，其现象是监测到的电压信号的幅度会出现无规律的变化，很难快速计算放射性核素活度的值。基于以上原因，实验室中常用的放射性物质活度的计算方法，不适用于现场监测。通常在放射性核素实时监测过程中，会出现很多的干扰数据引起的活度误差。因此，现场测量必须找到一种方法来准确判断放射性核素对应的峰的基础上，计算放射性核素的活度值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种海水放射性核素活度的探测方法，能够在测量放射性核素峰的基础上，实时探测放射性核素的活度，以达到提高放射性核素探测的效率和准确度的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种海水放射性核素活度的探测方法，包括以下步骤：

步骤1，利用放射性核素探测器现场采集海水中放射性核素峰的能谱数据；

步骤2，遍历标定的放射性核素峰的信号值，找到对应的海水中放射性核素的峰范围；

步骤3，计算峰范围的净计数率；

步骤4，利用放射性核素能量与探测器探测效率的关系式获得现场放射性核素峰的探测效率；

步骤5，根据探测效率和净计数率获得现场放射性核素峰的活度值。

上述方案中，放射性核素能量与探测器探测效率的关系式为：εE＝a*log(b*Pm)+ c*log(d*Pm)；其中Pm为放射性核素峰的能量，a、b、c、d为对应的效率刻度系数；εE为该放射性核素对应的探测效率。

上述方案中，步骤4中放射性核素能量与探测器探测效率的关系式，通过以下方法获得：

（1）在一定体积的储水罐中注入海水，放入标准放射源；

（2）放射性核素探测器测量出标准放射源的光电峰位，做出能量-幅度曲线；

（3）利用基于蒙特卡罗方法的MCNP程序进行数据分析；

（4）利用MCNP程序对封装材料及材料厚度进行模拟，计算探测器在测量时间为1小时的情况下，本底计数、探测效率和最小探测活度与封装材料的关系；

（5）根据公式计算探测效率：

其中，N为放射性全能峰净计数；V为计算核素探测效率时的海水体积，单位立方米；A为放射性核素的活度，单位Bq；t为测量时间，单位s；P _γ 为射线的发射概率；

（6）通过分析大量不同标准放射源与对应的探测效率，获得放射性核素能量与探测器探测效率的关系式。

上述方案中，放射性核素峰的活度值的计算方法为：活度值= 净计数率/(探测效率*衰减常数)；其中衰减常数根据放射性核素的不同，取值不同。

上述方案中，计算出的活度值*0.001，调整单位到Bq/L。

本发明提供的海水放射性核素活度的探测方法，采用搭载放射性核素探测器的海洋浮标现场采集放射性核素峰的能谱数据，对现场监测的放射性核素峰的范围进行准确判断，并计算峰范围所对应的净计数率，根据净计数率计算放射性核素所对应的活度，不受累积时间的限制，能够快速探测放射性核素的活度，排除海洋环境干扰带来的测量误差，提高现场实时探测放射性核素活度的准确度。

附图说明

图1为本发明实施例所公开的海水放射性核素活度的探测方法流程示意图；

图2为本发明实施例所公开的海水放射性核素在水面下4米检测放射性核素累积60分钟能谱图；

图3为本发明实施例所公开的放大海水放射性核素在水面下4米检测放射性核素累积60分钟能谱图；

图4为本发明实例所公开的累积时间60分钟放大海水放射性核素在水面下4米检测放射性核素累积60分钟能谱的峰范围。

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。

本发明提供了一种海水放射性核素活度的探测方法，按照如图1所示流程，具体步骤如下：

S101、采用搭载放射性核素探测器的海洋浮标现场采集海水中放射性核素的能谱曲线数据。

S102、遍历标定的放射性核素峰的信号值，找到现场对应的海水中放射性核素的峰范围。

现场放射性核素峰范围的寻找方法以申请人在发明专利2021102079323中公开的方法为例进行说明，具体步骤如下所述：

（1）遍历标定的放射性核素峰的信号值，将每个信号值进行放大处理：对标定的放射性核素峰的每个信号值乘以倍数b=t ₂ /t ₁ ，t ₁ 为实验室标定累积时间；t ₂ 为现场监测海水放射性核素的累积时间；

（2）遍历放射性核素能谱的通道，遍历范围从第0通道到第（1023－n）通道，n为标定的放射性核素峰范围内的通道个数，即实验室计算得到的核素峰范围的通道个数；由于共有1024个通道， 分别为第0，1，2，3，4，…，1023通道，那么如果是峰，最大开始位置就是第1023-n通道，所以遍历范围为：第0通道到第（1023－n）通道；

（3）计算放射性核素所有通道的信号值与标定的放射性核素峰对应通道的信号值的距离并记录；距离d的计算公式如下；

，i=0,1,2，……，1023-n；

其中，

为实时现场监测放射性核素从遍历的通道i到（i+n-1）区间内每个通道对应的信号值，b _k 为已经标定放射性核素峰第k个通道的信号值，k=1, 2，3……，n；a _i 与b _k 一一对应；n为标定的放射性核素峰范围内的通道个数；

（4）查找距离最小值所对应的通道，如果d _min /t ₂ ＜R， R为阈值，则该距离最小值对应的通道为左边界x _l ；

（5）计算放射性核素峰的右边界：X _r =X _l +n；

（6）左边界通道X _l 和右边界通道X _r 之间的范围即为该放射性核素峰的范围。

其中，阈值R的确定方法为：取两个已知放射性核素，用一个放射性核素做标定，计算另一个放射性核素峰范围与标定的放射性核素峰范围最小距离值的上下5%。

在本实施实例中，实时监测海水放射性核素的数据为累积1个小时的数据，系统的累积时间就为60分钟，寻找到的放射性核素峰范围的通道为654～790；能谱图如图2 所示，图3为放大的能谱数据图，图4为放射性核素K40的峰范围。

S103、计算峰范围的净计数，计算方法以申请人在发明专利2021102081183中公开的方法为例进行说明，具体步骤如下：

（1）对所寻找到的放射性核素的峰，建立高斯拟合函数；

Y _i ＝Y _max ×exp[－(X _i －X _max ) ²/S ]；

其中，Y _max 为峰的信号值，X _max 为峰的通道值，S/2为拟合半高宽的平方值，X _i 为拟合曲线的通道值，Y _i 为拟合曲线通道值X _i 对应的信号值；

（2）计算峰的信号值Y _max ，左、右边界的信号值Y _l 、Y _r ；

（3）根据左、右边界对应的两个点，建立本底数据直线函数：

Y＝k*x＋b；

其中，k＝（Y _r －Y _l ）/（X _r - X _l ）；b＝Y _l －k* X _l ；

（4）遍历n次，获得随机点（x， y），x∈（X _l， X _r ）， y∈（Y _min， Y _max ），Y _min 为Y _l 、Y _r 两者中的较小值；

（5）统计落入本底数据直线与高斯拟合曲线包围范围内的点（x，y）的计数sum；对于点（x，y），另X _i =x，若满足Y＜y＜Y _i ，则sum=sum+1；

（6）海水放射性核素净计数=sum×（X _r - X _l ）×（Y _max - Y _min ）/n。

在本实施实例中，对寻找到的放射性核素峰的范围654～790计算所得到的峰范围净计数为6486。

计算放射性核素的净计数率：将计算得到的净计数除以该放射性核素能谱数据曲线所累积的时间，时间单位为秒，得到该放射性核素峰的净计数率。

在本实施实例中，累积时间为一个小时，对应是3600秒，所以净计数率为6486/3600 = 1.801667。

S104、放射性核素峰的探测效率计算方法为：εE＝a*log(b*Pm)+c*log(d*Pm)；其中Pm为放射性核素峰的能量，a、b、c、d为对应的效率刻度系数；εE为该放射性核素对应的探测效率。

本实施例中，探测效率的计算公式，通过以下方式得出：

（1） 在3米*3米*3米的立方体储水罐中进行试验，注入海水，放入标准放射源；

（2）测量出他们的光电峰位，做出能量-幅度曲线；

（3）利用美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LosAlamos National Laboratory)开发的基于蒙特卡罗方法的用于计算三维复杂几何结构中的中子、光子、电子或者耦合中子/光子/电子输运问题的通用软件包MCNP(Monte Carlo N Particle Transport Code)，进行数据分析；

（4）利用MCNP5程序对封装材料及材料厚度进行模拟，计算探测器在测量时间为1小时的情况下，本底计数、探测效率和最小探测活度与封装材料的关系；

（5）NaI晶体与光电倍增管邻接的是光学玻璃（SiO₂）2mm厚，晶体的最外层为4mm的聚乙烯材料的外壳，探测器的密度为3.67g/cm³.这些参数输入到mcnp软件中；

（6）在MCNP5中配置栅元卡、曲面卡、数据卡；

（7）根据公式计算探测效率：

；

N为放射性全能峰净计数；V为计算核素探测效率时的海水体积，单位立方米；A为放射性核素的活度，单位Bq；t为测量时间，单位s；P _γ 为射线的发射概率；

（8）通过分析大量不同标准放射源与对应的探测效率，获得放射性核素能量与探测器探测效率的关系式。

探测效率Detector efficiency是核辐射测量技术专用术语之一。指在一定探测条件下测到的电离辐射粒子数，与在同一时间间隔内由辐射源发射出的该种粒子总数的比值。

探测效率依赖于：

(1)探测器的类型(GM，NaI闪烁体，塑料闪烁体，正比计数管)；

(2)探测器尺寸和外形(面积和体积越大，敏感度越高)；

(3)探测器与放射性物质的距离；

(4)放射性同位素和放射源的类型(a,b,r,以及他们的能量)；

(5)散射对探测器的影响(表面越厚，散射越大)；

(6)辐射到达探测器之前的吸收过程(被空气或探测器外壳)。

探测效率的系数确定方法：

随着时间和环境的不同，探测器会有变化， 所以在每次现场测量的时候，都需要提前对系数进行校准。也就是用标准源，和采集的数据，计算得到净计数率，得到探测效率，多组测量的结果，得到多个探测效率和标准源的能量值， 通过拟合，得到该核素的对应的系数a，b，c，d的值。其中，a的取值范围为：0.0005 ～ 0.001 ；b的取值范围为：0.00002～0.0003；c的取值范围为：-1800 ～ -1600 ；d的取值范围为：-0.01 ～-0.007。

在本实施实例中，以放射性核素K40为例，放射性核素K40对应的能量为1460，所以Pm为1460；a，b，c，d为对应的探测效率，本实例中a：0.000634；b：0.000021；c：-1747.237653；d：-0.009657，根据公式计算得到探测效率为 0.001969。

S105、放射性核素峰的活度值的计算方法为：活度值= 净计数率/(探测效率*衰减常数)；其中衰减常数根据放射性核素的不同，取值不同。

在本实施实例中，放射性核素K40的衰减常数为0.11；探测效率*衰减常数为0.001969*0.11 = 0.000217；活度值= 1.801667/0.000217 = 8317.239443。

S106、将计算得到的活度值调整单位到Bq/L：活度值Bq/L= 活度值*0.001。

在本实施实例计算的活度值为Bq/立方米，为符合放射性检测标准单位，需要进行单位换算，8317.239443 * 0.001 = 8.317Bq/L。

Claims (4)

1.一种海水放射性核素活度的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，利用放射性核素探测器现场采集海水中放射性核素峰的能谱数据；

步骤2，遍历标定的放射性核素峰的信号值，找到对应的海水中放射性核素的峰范围；

步骤3，计算峰范围的净计数率；

步骤4，利用放射性核素能量与探测器探测效率的关系式获得现场放射性核素峰的探测效率；

步骤5，根据探测效率和净计数率获得现场放射性核素峰的活度值。

2.根据权利要求1所述的海水放射性核素活度的探测方法，其特征在于，放射性核素能量与探测器探测效率的关系式为：εE＝a*log(b*Pm)+c*log(d*Pm)；其中Pm为放射性核素峰的能量，a、b、c、d为对应的效率刻度系数；εE为该放射性核素对应的探测效率。

3.根据权利要求2所述的海水放射性核素活度的探测方法，其特征在于，放射性核素峰的活度值的计算公式为：活度值= 净计数率/(探测效率*衰减常数)。

4.根据权利要求1-3任一项所述的海水放射性核素活度的探测方法，其特征在于，步骤4中放射性核素能量与探测器探测效率的关系式，通过以下方法获得：

（1）在一定体积的储水罐中注入海水，放入标准放射源；

（2）用放射性核素探测器测量出标准放射源的光电峰位，做出能量-幅度曲线；

（3）利用基于蒙特卡罗方法的MCNP程序进行数据分析；

（4）利用MCNP程序对封装材料及材料厚度进行模拟，计算探测器在测量时间为1小时的情况下，本底计数、探测效率和最小探测活度与封装材料的关系；

（5）根据公式计算探测效率：

N为放射性全能峰净计数；V为计算核素探测效率时的海水体积，单位立方米；A为放射性核素的活度，单位Bq；t为测量时间，单位s；P _γ 为射线的发射概率；

（6）通过分析大量不同标准放射源与对应的探测效率，获得放射性核素能量与探测器探测效率的关系式。

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