CN115586562B - 放射性烟羽航空监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种放射性烟羽航空监测方法，没有放射性烟羽时对监测区进行航空监测获取航空伽玛能谱数据，将各测点根据所对应的地质单元进行分类，并计算每个地质单元的比值平均归一化因子。当出现放射性烟羽时，再次进行航空监测获取航空伽玛能谱数据，计算各测点放射性烟羽航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数，并计算二者比值，对计算得出的比值进行相对应地质单元的比值平均归一化因子修正。对修正后放射性烟羽量值进行网格化计算，得到探测区域内等间距的放射性烟羽量值，以此数据为基础，编制放射性烟羽量值等值线图，确定放射性烟羽量值的轮廓。本发明监测精度高、误差小，所得到的放射性烟羽轮廓准确性高。

Description

放射性烟羽航空监测方法
技术领域
本发明涉及一种放射性烟羽监测技术，具体地说是一种放射性烟羽航空监测方法。
背景技术
核能在能源生产中占有重要的地位，于此同时，核与辐射环境安全的管理任务也十分重要。因此，不断完善核事故应急救援体系、持续提升核事故应急救援技术能力是保障核能安全利用的关键。当核电厂核事故应急进入一级响应状态时，将会可能启动核应急航空监测，跟踪放射性烟羽，为核事故应急救援提供技术支持。
放射性烟羽航空监测是指以飞行器为平台，搭载伽玛探测器系统，此系统可以获取航空伽玛能谱数据，在空中进行的测量。获取的航空伽玛能谱数据同时记录空中放射性烟羽释放的伽玛射线和来自地表释放的伽玛射线。
现有的辐射环境航空监测技术手段是通过设置单一41Ar核素窗宽和计算41Ar窗数据，圈定出排放出放射性烟羽（人工核素41Ar）的漂流方向及其轮廓。
目前，对于实际测量的放射性烟羽航空监测数据是基于单一人工放射性核素烟羽量值计算，或直接采用（0.400~1.400）MeV和（1.400~3.000）MeV二个能窗的计数率计算比值，通过计算比值的大小判断放射性烟羽的强弱（周坚鑫等，航空伽马能谱测量在突发核事件中的应用.物探与化探.Vol.30,No.6,2006）。当核事故发生时，释放到大气中的放射性核素往往比较复杂（如137Cs、134Cs、 131I、133Xe等），如果当探测的放射性烟羽航空监测数据受到地表分布不均的天然放射性核素释放的γ射线影响时，确定放射性烟羽量值误差将变大。
当地表天然放射性核素分布不均匀时，现有技术无法准确确定放射性烟羽量值的范围。
发明内容
本发明的目的就是提供一种放射性烟羽航空监测方法，以解决当地表天然放射性核素分布不均匀时，现有技术无法准确确定放射性烟羽量值的范围的问题。
本发明是这样实现的：一种放射性烟羽航空监测方法，包括以下步骤。
a.在没有放射性烟羽时对监测区用伽玛探测器系统获取带坐标的航空伽玛能谱数据。
b.根据步骤a得到的航空伽玛能谱数据，计算各测点航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数，并计算二者比值。
c.根据步骤a得到的航空伽玛能谱数据，将监测区每个测点的航空伽玛能谱数据和监测区内的地质单元进行配准，每个测点航空伽玛能谱数据标注所在点位的地质单元信息，计算各个地质单元航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的平均值，并求取监测区内所有地质单元下航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的归一化因子。
d.用监测区内所有地质单元下航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的归一化因子除以每个地质单元航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的平均值，得到每个地质单元的比值平均归一化因子。
e.当出现放射性烟羽时，对监测区进行放射性烟羽监测，用伽玛探测器系统探测获取带坐标的航空伽玛能谱数据。
f.根据步骤e得到的航空伽玛能谱数据，计算各测点放射性烟羽航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数，并计算二者比值。
g.根据步骤f得到的各测点放射性烟羽航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数的比值，除以各测点对应的地质单元的比值平均归一化因子，得到放射性烟羽量值。
h.对放射性烟羽量值进行网格化，绘制等值线图，确定放射性烟羽的轮廓。
低能谱区总计数计算公式如下：
LETC i = S i,1 +  S i,2 +  S i,3 +……+  S i,l
高能谱区总计数的计算公式如下：
HETC i = S i,l+1 +  S i, l+2 +  S i, l+3 +……+  S i,l+h
式中， l为测点航空伽玛能谱数据在低能谱区能量窗宽内能谱道数； LETC i 为第i测点在低能谱区能量窗宽内各道记录的计数的总和； S i,1 、 S i,2 、 S i,3 …… S i,l 为第i测点航空伽玛能谱数据在第1道、第2道、第3道……第 l道内的各道计数； HETC i 为第 i测点在高能谱区能量窗宽内各道记录的计数的总和； S i,l+1 、 S i, l+2 、 S i, l+3 …… S i,l+h 为第 i测点航空伽玛能谱数据在第 l+1道、第 l+2道、第 l+3道……第 l+h道内的各道计数； l+h为低能谱区能量窗宽和高能谱区能量窗宽内道数总个数。
某一地质单元航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的平均值计算公式如下：
GR code =（ R 1 +  R 2 +  R 3 +……+ R N ）/ N
式中， GR code 为某一地质单元低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的平均值， R 1、 R 2、 R 3 …… R N 分别为出现在此地质单元中各个测点航空伽玛能谱数据低能谱区总计数和高能谱区总计数的比值，N为测点出现在此地质单元中的个数。
监测区内所有地质单元下航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的归一化因子计算公式如下：
A GR =（ GR 1 × N 1 +  GR 2 × N 2  + GR 3 × N 3 ……+ GR ncode × N ncode ）/（ N 1 +  N 2  +  N  3 ……+  N ncode ）
式中， A GR 为监测区内所有地质单元下航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的归一化因子， N 1 为航空伽玛能谱数据在地质单元1中出现的测点个数， N 2 为航空伽玛能谱数据在地质单元2中出现的测点个数， N 3 为航空伽玛能谱数据在地质单元3中出现的测点个数…… N ncode 为航空伽玛能谱数据在地质单元 ncode中出现的测点个数。
采用飞行器搭载多道航空伽玛能谱仪系统，探测器为碘化钠晶体探测器，在监测区设定测量高度进行扫面飞行监测，获取此区域带有坐标信息的航空伽玛能谱数据。
设置低能谱区能量窗宽范围为0.020~1.400MeV和高能谱区能量窗宽范围为1.400~2.800MeV。
本发明在没有放射性烟羽时对监测区进行航空监测获取航空伽玛能谱数据，将各测点根据所对应的地质单元进行分类，并计算每个地质单元的比值平均归一化因子以备后续使用。当出现放射性烟羽时，再次进行航空监测获取航空伽玛能谱数据，计算各测点放射性烟羽航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数，并计算二者比值，对计算得出的比值进行相对应地质单元的比值平均归一化因子修正，经过修正后，得到的放射性烟羽量值不受天然放射性核素分布不均匀的影响，从而减少误差提高监测精度。对修正后放射性烟羽量值进行网格化计算，得到探测区域内等间距的放射性烟羽量值，以此数据为基础，采用等值图绘制软件，编制射性烟羽量值等值线图，以此为依据确定放射性烟羽量值的轮廓，所得到的轮廓准确性高。
本发明通过使用有放射性烟羽前后进行的两次航空监测数据，结合航空监测区域的地质单元数据，通过对航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数进行分类分析，得到放射性烟羽的分布范围，提高放射性烟羽数据的监测精度。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明主要包括以下步骤。
a.在没有放射性烟羽时对监测区用伽玛探测器系统获取带坐标的航空伽玛能谱数据。
b.根据步骤a得到的航空伽玛能谱数据，计算各测点航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数，并计算二者比值。
c.根据步骤a得到的航空伽玛能谱数据，将监测区每个测点的航空伽玛能谱数据和监测区内的地质单元进行配准，每个测点航空伽玛能谱数据标注所在点位的地质单元信息，计算各个地质单元航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的平均值，并求取监测区内所有地质单元下航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的归一化因子。
d.用监测区内所有地质单元下航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的归一化因子除以每个地质单元航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的平均值，得到每个地质单元的比值平均归一化因子。
e.当出现放射性烟羽时，对监测区进行放射性烟羽监测，用伽玛探测器系统探测获取带坐标的航空伽玛能谱数据。
f.根据步骤e得到的航空伽玛能谱数据，计算各测点放射性烟羽航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数，并计算二者比值。
g.根据步骤f得到的各测点放射性烟羽航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数的比值，除以各测点对应的地质单元的比值平均归一化因子，得到放射性烟羽量值。
h.对放射性烟羽量值进行网格化，绘制等值线图，确定放射性烟羽的轮廓。
其中监测区为核设施应急计划区，当核设施应急计划区内的核设施出现事故时会向空中释放放射性烟羽，启动核应急航空监测，跟踪并确定放射性烟羽范围，为核事故应急救援提供技术支持。
本发明的具体步骤如下。
在没有放射性烟羽时用伽玛探测器系统在空中探测获取航空伽玛能谱数据。在核设施释放放射性烟羽之前，采用飞行器搭载伽玛探测器系统，即搭载多道航空伽玛能谱仪系统，探测器为碘化钠晶体探测器，在核设施应急计划区一定测量高度进行扫面飞行监测，获取此区域带有坐标信息的航空伽玛能谱数据。
计算各点没有放射性烟羽时航空伽玛能谱低能谱区总计数 LETC i 和高能谱区总计数 HETC i ，并计算二者比值 R i 。首先设置低能谱区能量窗宽（0.020~1.400）MeV范围和高能谱区能量窗宽（1.400~2.800）MeV范围，之后，对监测的每个测点航空伽玛能谱数据，分别进行低能谱区和高能谱区总计数累加计算，并计算低能谱区和高能谱区总计数的比值。
低能谱区总计数计算公式如下：
LETC i = S i,1 +  S i,2 +  S i,3 +……+  S i,l
高能谱区总计数的计算公式如下：
HETC i = S i,l+1 +  S i, l+2 +  S i, l+3 +……+  S i,l+h
式中， l为测点航空伽玛能谱数据在低能谱区能量窗宽内能谱道数； LETC i 为第i测点在低能谱区能量窗宽内各道记录的计数的总和； S i,1 、 S i,2 、 S i,3 …… S i,l 为第i测点航空伽玛能谱数据在第1道、第2道、第3道……第 l道内的各道计数； HETC i 为第 i测点在高能谱区能量窗宽内各道记录的计数的总和； S i,l+1 、 S i, l+2 、 S i, l+3 …… S i,l+h 为第 i测点航空伽玛能谱数据在第 l+1道、第 l+2道、第 l+3道……第 l+h道内的各道计数； l+h为低能谱区能量窗宽和高能谱区能量窗宽内道数总个数。
低能谱区和高能谱区总计数的比值计算公式如下：
R i =  LETC i / HETC i
式中， R i 为航空伽玛能谱低能谱区总计数 LETC i 和高能谱区总计数 HETC i 的比值。
计算各个不同地质单元下航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值 R i 的平均值 GR code 。首先将监测的每个测点航空伽玛能谱数据和核设施应急计划区内的地质单元进行配准，即每个测点航空伽玛能谱数据标注所在点位的地质单元信息。之后，以地质单元为分类，分别进行不同地质单元下比值 R i 的平均值 GR code 的统计， code代表地质单元编号。
某一地质单元航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的平均值计算公式如下：
GR code =（ R 1 +  R 2 +  R 3 +……+ R N ）/ N
式中， GR code 为某一地质单元低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的平均值， R 1、 R 2、 R 3 …… R N 分别为出现在此地质单元中各个测点航空伽玛能谱数据低能谱区总计数和高能谱区总计数的比值，N为测点出现在此地质单元中的个数。
监测区内各个地质单元下航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的归一化因子 A GR 的计算公式如下：
A GR =（ GR 1 × N 1 +  GR 2 × N 2  + GR 3 × N 3 ……+ GR ncode × N ncode ）/（ N 1 +  N 2  +  N  3 ……+  N ncode ）
式中， A GR 为监测区内所有地质单元下航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的归一化因子， N 1 为航空伽玛能谱数据在地质单元1中出现的测点个数， N 2 为航空伽玛能谱数据在地质单元2中出现的测点个数， N 3 为航空伽玛能谱数据在地质单元3中出现的测点个数…… N ncode 为航空伽玛能谱数据在地质单元 ncode中出现的测点个数。
之后计算每个地质单元的比值平均归一化因子 FGR code 。
FGR code =  A GR /  GR code
式中， FGR code 为没有放射性烟羽监测时地质单元code中比值平均归一化因子。
在有放射性烟羽时，用伽玛探测器系统在空中探测获取航空伽玛能谱数据。按照前述公式分别计算第 i测点的 LETC i  和 HETC i 。
然后计算放射性烟羽监测时航空伽玛能谱数据低能谱区总计数和高能谱区总计数比值 RoP i 。
RoP i =  LETC i  /  HETC i
式中，  RoP i 为放射性烟羽监测时第 i测点所在地质单元为 code中的伽玛能谱数据低能谱区总计数和高能谱区总计数比值。
对计算得出的比值 RoP i 进行不同地质单元比值归一化因子修正，得到不受天然放射性核素分布不均匀影响的放射性烟羽量值 P i 。
P i = RoP i / FGR code
式中，  P i 为放射性烟羽监测时第i测点的比值 RoP i 、所属地质单元为code、经过地质单元归一化因子 FGR code 修正后放射性烟羽的量值。
对修正后放射性烟羽量值进行网格化计算，得到探测区域内等间距的放射性烟羽量值，以此数据为基础，采用等值图绘制软件，编制射性烟羽量值等值线图，以此为依据确定放射性烟羽量值的轮廓。
同时，通过实验对本发明的方法进行验证，验证方法如下：在没有人工放射性核素的不同航空放射性模型下以及有人工放射性核素时分别获取航空伽玛能谱数据。采用航空伽玛能谱仪系统配备体积为50.3L 的碘化钠晶体探测器，碘化钠晶体探测器中心点位于航空放射性模型地面中心点上方70cm左右，在5个航空放射性模型上分别进行5min的测量，每秒钟均记录256道航空伽玛能谱数据。这5个航空放射性模型分别是本底模型、K（钾）模型、Th（钍）模型、U（铀）模型、M（混合）模型，不同的模型K、Th、U含量各不相同，且没有人工放射性核素存在。本底模型上钾铀钍含量最低，K模型上K含量最高、Th模型上Th含量最高、U模型上U含量最高、M模型上均有一定含量的钾铀钍核素。另外，在本底模型表面中心位置分别放置Cs源和Th源后，采用航空伽玛能谱仪系统分别测量120s，每秒钟均记录256道航空伽玛能谱数据。之后，对这些测量得到的航空伽玛能谱数据进行分析，计算 LETC、HETC、R、FGR以及 P等，得到表1。
备注： LETC为伽玛能谱数据能量窗宽（0.020~1.400）MeV内各道记录的计数的总和； HETC为伽玛能谱数据能量窗宽（1.400~2.800）MeV内各道记录的计数的总和； R为伽玛能谱低能谱区总计数 LETC和高能谱区总计数 HETC的比值； FGR为没有人工放射性核素不同模型下比值平均归一化因子； P为有人工放射性核素时经过归一化修正后放射性烟羽的量值。
从表1中可知，当只有天然核素时，P值基本为一个定值，大小为19.31，当在本底模型上放置Cs源时，P值变大，由此可知，基于本发明的方法，可以通过P的值来识别是否有人工放射性核素存在。
本发明在没有放射性烟羽时对监测区进行航空监测获取航空伽玛能谱数据，将各测点根据所对应的地质单元进行分类，并计算每个地质单元的比值平均归一化因子以备后续使用。当出现放射性烟羽时，再次进行航空监测获取航空伽玛能谱数据，计算各测点放射性烟羽航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数，并计算二者比值，对计算得出的比值进行相对应地质单元的比值平均归一化因子修正，经过修正后，得到的放射性烟羽量值不受天然放射性核素分布不均匀的影响，从而减少误差提高监测精度。对修正后放射性烟羽量值进行网格化计算，得到探测区域内等间距的放射性烟羽量值，以此数据为基础，采用等值图绘制软件，编制放射性烟羽量值等值线图，以此为依据确定放射性烟羽量值的轮廓，所得到的轮廓准确性高。

Claims (3)

1.一种放射性烟羽航空监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.在没有放射性烟羽时对监测区用伽玛探测器系统获取带坐标的航空伽玛能谱数据；
b.根据步骤a得到的航空伽玛能谱数据，计算各测点航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数，并计算二者比值；
低能谱区总计数计算公式如下：
LETC i =S i,1 + S i,2 + S i,3 +……+ S i,l
高能谱区总计数的计算公式如下：
HETC i =S i,l+1 + S i, l+2 + S i, l+3 +……+ S i,l+h
式中，l为测点航空伽玛能谱数据在低能谱区能量窗宽内能谱道数；LETC i 为第i测点在低能谱区能量窗宽内各道记录的计数的总和；S i,1 、S i,2 、S i,3 ……S i,l 为第i测点航空伽玛能谱数据在第1道、第2道、第3道……第l道内的各道计数；HETC i 为第i测点在高能谱区能量窗宽内各道记录的计数的总和；S i,l+1 、S i, l+2 、S i, l+3 ……S i,l+h 为第i测点航空伽玛能谱数据在第l+1道、第l+2道、第l+3道……第l+h道内的各道计数；l+h为低能谱区能量窗宽和高能谱区能量窗宽内道数总个数；
c.根据步骤a得到的航空伽玛能谱数据，将监测区每个测点的航空伽玛能谱数据和监测区内的地质单元进行配准，每个测点航空伽玛能谱数据标注所在点位的地质单元信息，计算各个地质单元航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的平均值，并求取监测区内所有地质单元下航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的归一化因子；
某一地质单元航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的平均值计算公式如下：
GR code =（R 1 + R 2 + R 3 +……+R N ）/N
式中，GR code 为某一地质单元低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的平均值，R 1、 R 2、 R 3 ……R N 分别为出现在此地质单元中各个测点航空伽玛能谱数据低能谱区总计数和高能谱区总计数的比值，N为测点出现在此地质单元中的个数；
监测区内所有地质单元下航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的归一化因子计算公式如下：
A GR =（GR 1 ×N 1 + GR 2 ×N 2  +GR 3 ×N 3 ……+GR ncode ×N ncode ）/（N 1 + N 2  + N  3 ……+ N ncode ）
式中，A GR 为监测区内所有地质单元下航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的归一化因子，N 1 为航空伽玛能谱数据在地质单元1中出现的测点个数，N 2 为航空伽玛能谱数据在地质单元2中出现的测点个数，N 3 为航空伽玛能谱数据在地质单元3中出现的测点个数……N ncode 为航空伽玛能谱数据在地质单元ncode中出现的测点个数；
d.用监测区内所有地质单元下航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的归一化因子除以每个地质单元航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数比值的平均值，得到每个地质单元的比值平均归一化因子；
e.当出现放射性烟羽时，对监测区进行放射性烟羽监测，用伽玛探测器系统探测获取带坐标的航空伽玛能谱数据；
f.根据步骤e得到的航空伽玛能谱数据，计算各测点放射性烟羽航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数，并计算二者比值；
g.根据步骤f得到的各测点放射性烟羽航空伽玛能谱低能谱区总计数和高能谱区总计数的比值，除以各测点对应的地质单元的比值平均归一化因子，得到放射性烟羽量值；
h.对放射性烟羽量值进行网格化，绘制等值线图，确定放射性烟羽的轮廓。
2.根据权利要求1所述的放射性烟羽航空监测方法，其特征在于，在步骤a或e中，采用飞行器搭载多道航空伽玛能谱仪系统，探测器为碘化钠晶体探测器，在监测区设定测量高度进行扫面飞行监测，获取此区域带有坐标信息的航空伽玛能谱数据。
3.根据权利要求1所述的放射性烟羽航空监测方法，其特征在于，设置低能谱区能量窗宽范围为0.020~1.400MeV和高能谱区能量窗宽范围为1.400~2.800MeV。
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