TW200845041A - Apparatus of radioactivity measurements for radwaste drums and detecting method using the same - Google Patents

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200845041 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 , 本發明是有關於一種輻射偵測裝置與方法，尤其是指 一種將輻射偵檢器受放射性廢料游離輻射線撞擊感應產生 之電子脈衝不經整型，直接送入雜訊過濾鑑別電路轉變為 邏輯脈衝，再利用短週期之高頻精準時鐘脈衝，以簡單之 數位硬體進行即時時序記錄，再針對邏輯脈衝時序記錄與 (\ 脈寬分布等資料進行資訊分析的一種廢料桶輻射偵測裝置 及廢料桶之輻射偵測方法。 【先前技術】 隨著核能發電及人造放射性同位素於醫療、農業、與 工業的大量應用，放射性廢棄物之貯存與管理造成可觀的 環境與社會負擔。而放射性廢棄物最大宗者，即為核設施 除役所產生之廢棄物。由於在除役固體廢棄物中，無（或可 忽略微量）放射性者占有相當之比例常常達到百分之九 十，因此國際原子能總署（IAEA)建議應對除役廢棄物實施 偵測與篩選，並准許對可忽略放射性廢棄物以一般廢棄物 的方式處置、回收處理、或再使用’以節省社會公共成本 支出。 至於篩選標準，各國及國際輻射防護組織已有共識， 認為固體放射性廢棄物之輻射影響，倘每年小於0.01毫 西弗或集體劑量小於1人西弗者是可忽略的，得解除其管 制。國内方面，2004年12月行政院原子能委員會放射性 6 200845041 物料管理局公布“一定活度或比活度以下放射性廢棄物管 理辦法”參考國際原子能總署於2004年8月發行之解除管 制安全導則RS-G-1· 7，做為國内之廢棄物解除管制標準。 至目前為止，除役廢棄物實施放射性活度偵測與篩選 應用系統’有關放射性核種檢測分析所使用之裝備，其工 作原理，岣以偵檢器接受放射線撞擊，收集其能量吸收產 生之游離電荷後，轉為高度與能量相關之脈衝，再將脈衝 f 以主動濾波器整型為近似高斯分佈（Quasi-Gaussian

Shape)之外型後，抓取其峰值維持於一低漏電率之電容 上’或直接以高速類比/數位轉換器加以鑑別（Successive Approximation ADC)，或採用定電流釋放電荷再對釋放時 間作精準計時（Wilkinson ADC)測量脈衝峰值，最後統計輻 射脈衝高度分佈情形，進而判讀放射性同位素核種。 廢棄物放射性活度偵測與篩選系統設計，講求高能譜 解析度者’多採用液態氮冷卻之鍺偵檢器，電路設計方面， r 則需經精確校調之低雜訊前置放大器、整型放大器、高速 、類比/數位轉換器等高精密等級標準電子裝備模組，如 NIMCNuclear Instrumentation Module)或 CAMAC (C⑽puter Aut⑽atic Measurement and Control)規格產 品，不但成本驚人，其耐候性與持續工作能力差、電源要 求嚴酷、系統笨重、組裝麻煩、與不易保持良好狀況等特 性’使其應用領域局限於環境良好之實驗室以固定之高級 裝備使用。 實用上’因鍺偵檢器成本高、效率低與維護困難，不利 於多只大量與快速之場邊偵測篩選利用。且大多數場邊移 200845041 動使用情況下高能譜解析度非屬必要，因此較少採用，而 以能適應各種現場環境、室溫即可工作之碘化鈉^爍計數 器（Nal(Tl))或塑膠閃爍體（PVT)偵檢器較受廣泛利^ 此 類偵檢器因信號雜訊比較差，當多只併列使用時，若搭配 傳統上適用於鍺偵檢器高解析度要求之ΝΙΜ或^ΑΜΑ^ = 高精度、低雜訊脈衝處理與類比/數位轉換器電路儀哭二 計，既無必要，且成本昂貴，不但累贅耗電1阻礙= 與靈敏度要求高之場邊廢棄物活度偵測與篩選應用系 發展。 ’、、之 由於核設施除役所產生之廢棄物數量極為龐大，未經偵 測篩選热法離場，因此實務操作上，活度偵測與篩選裝置 以能移動應用、具備快速處理能力者為佳。本發明即為一 種精簡耐用、適合移動應用’對除役場所桶裝廢棄物依照 廢棄物解除管制標準’就地實施放射性核種辨識、活 測與篩選之高靈敏度能譜分析設計方法與裝置。 、 【發明内容】 本發明的主要目的是提供一種廢料桶輻射偵測裝 廢料桶之輻射偵測方法，應用微電腦控制器與高速數 體電路技術，將先前技狀類比純轉料輻射脈衝 能譜分析核，改為以全數位高糾料數之連續計丨 路陣列處理，達到低成本、低耗電之目的。 本發明的次要目的是提供一種廢料桶輕射偵測震 廢料桶之輕射偵測方法，其係純射彳貞檢器受放射心 游離輻射線撞擊感應產生之電子脈衝不文 200845041 雜訊過濾鑑別電路轉變為邏輯脈衝，再利用短週期之高頻 精準時鐘脈衝，以簡單之數位硬體進行即時時序記錄，達 到降低訊號處理電路之複雜度與提昇訊號處理速度之目 的。 本發明的另一目的是提供一種廢料桶輻射偵測裝置及 廢料桶之輻射偵測方法，其係具有可將邏輯脈衝時序記錄 與脈寬分布等資料，以多重資料歸納統計與交互驗證演 算，對受測廢料物質所含有之放射性特性，快速同步實現 放射性廢料桶表面輻射劑量率計算與核種活度成份辨識功 能。 本發明的又一目的是提供一種廢料桶輻射偵測裝置及 廢料桶之輻射偵測方法，利用輻射偵測裝置完成背景量測 與資料更新、進行量測以及資料統計等步驟，達到檢測方 便、準確以及資訊整合的目的。 為了達到上述之目的，本發明提供一種廢料桶輻射偵 測裝置，其係應用於放射性廢料貯存場所管制，可即時測 量分析廢料桶内含加馬放射性物質，該廢料桶輻射偵測裝 置包括：至少一輻射偵檢器、一訊號處理單元、至少一計 時單元以及一控制單元。至少一輻射偵檢器，其係用於吸 收廢料桶所產生之放射粒子以產生至少一類比脈衝信號。 該訊號處理單元，其係與該至少一輻射偵檢器相耦接，該 訊號處理單元可以轉換該至少一類比脈衝信號以形成至少 一邏輯脈衝。該至少一計時單元，其係與該訊號處理單元 相耦接，該計時單元可接收該邏輯脈衝，以對該邏輯脈衝 進行脈衝信號發生次數、時間與脈衝寬窄計測，以形成一 9 200845041 日寸序紀錄資料。該控制單元，其係可擷取該時序紀錄資料 以進行演算分析。、 . 、，較仏的疋，该輪射偵檢器更包括有複數個垂直等距離 亚列之閃爍體。其中該閃爍體更連接有一光電倍增管。而 該閃爍體係為-蛾化鈉閃爍體輕射偵檢器。此外，該訊號 ”元更包括有：一高壓供應器，其係與該輻射偵檢器 乍，^連接，以提供該光電倍增管適當之電壓，使該光電 Γ ^增官將該⑽體所吸收放射線能量而產生之光脈衝轉換 ϋ比脈衝信號；以及—鑑別電路，其係可過濾該類比 脈衝信號之雜訊以轉換成該邏輯脈衝。 权仏的疋，該計時單元之構成更包括有精準時鐘， :’、u產生至^日t $里脈衝，以及一脈衝時序記錄器，並 括ΐ:;計數!、，其係可接收該邏輯脈衝以及該時 1 — a中忒计數益利用該邏輯脈衝作為閘控信號，以 及利用該時鐘脈衝作為計數信號源ϋ ，料：以及-緩衝_，其係與該計數2及= 早疋相輕接，該緩衝記憶體内可储存該時序紀錄資料。 達到上述之目的，本發明更提供—種廢料桶之幸5 二巧包括至少一蠢器、一訊號處理= 计日守早兀以及一控制單元；利用 偵 "之評估；感測有無廢_以，如果右 貝m動㈣廢料桶旋轉，該輻射驗 ，有 間’同步執行連續時序記錄資料之收集;以 10 200845041 重比對方法，扣除背景數值後得到有關廢料桶表面之一輻 射資料。 較佳的是，該輻射資料包括有輻射劑量率、射源之核 種、活度及分布位置最可能之評估。 較佳的是，該輻射偵測方法，其係更包括有：執行輻 射場強劑量率值、推估核種、可能位置顯示與警報以及將 該輻射場強劑量率值、推估核種、可能位置進行紀錄之步 驟。 較佳的是，該輻射偵測方法，其係更包括有將該輻射 資料進行紀錄之步驟。 較佳的是，該輻射偵測方法，其係更包括有將該輻射 資料建立資料庫與疑難計測資料之再處理之步驟。 較佳的是，該廢料輻射裝置更連接有一傳輸網路與其 他電腦進行資訊連接，以進行資訊傳輸與接收。 【實施方式】 為使貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有 更進一步的認知與瞭解，下文特將本發明之裝置的相關細 部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得審查委員可 以了解本發明之特點，詳細說明陳述如下： 本發明所提出之設計方法，主要是應用近代量產低成 本、低耗電之微電腦控制器與高速數位積體電路技術，將 先前技術之類比數位轉換式輻射脈衝信號能譜分析方法， 改為以全數位高頻時鐘計數之連續計時電路陣列處理。 200845041 不智明之設計重點如圖一所示，該圖係為本發明之廢 ，射偵測裝置較佳實施例示意圖。該廢料桶輻射偵測 置2，其係應用於放射性廢料貯存場所管制，可即時測 ΓΓ:廢料桶1内含加馬放射性物質，該廢料桶輻射偵測 I包括.至少一輕射偵檢态20、一訊號處理單元21、 檢i 2广1早& 22以及一控制單* 23。該至少-輻射偵 其係用於吸收放射粒子產生至少—類比脈衝信號 相』轉^理單元21 ’錢與駐少—姉彳貞檢器、20 =妾’該訊號處理料21可以轉換該至少―類比脈_ H以形成至卜邏輯脈衝51。在本實_中，該訊號 =凡21包括有二高壓供應器21〇以及—鎩別電路 名4至少一計時單元22，其係與該訊號處理單元21相 ,τ 51進行脈衝信號發生次數、時間與脈衝寬窄計測， 時序紀肺料。該㈣單元23 ,其係可#1“時序 以以進行演算分析。該控制單元23可為一電腦之運 輻射偵檢器20使用標準量產之2” χ2”碘化鈉閃 、’ 1表面10-20公分’ 3_5只垂直等距陣列方 有ΐ測量區域完全涵蓋放射性廢料桶1上下範圍： ;本發明之輻射偵檢器2〇其構造如圖二所示，人 量^增管2G2所構成，其工作原理在於吸收—顆 ，轉移為其共價鍵電子之動能，跳渡至蛇雜質造成之匕 12 200845041 高能受激態再回到穩態放射出短促之脈衝光子，當脈衝光 子被光電倍增管202之光陰極收集，經由光電效應打出約 107-101()顆光電子，再透過十數級，各級以高壓加速，撞擊 其次陽極產生二次電子之乘數放大效果，最後可將光電子 增加至106倍。此可觀而短促（約20-50nsec)之光電子電流 在外電路產生正比於輻射粒子被吸收能量大小之電壓脈 衝。再根據電壓脈衝之形狀、大小及發生頻次，對游離輻 射場之輻射線種類與強度進行計算與辨識。典型輻射偵檢 器包括尺寸為直徑卜3吋對背景輻射反應效率超過50cpm 之閃爍體債檢器，搭配之光電倍增管為日本濱松 (Hamamatsu)株式會社出品型號R268或同等級之產品。 為考量廢料桶裝填不均勻問題與達成4ττ總活度測量 要求，於測量時，必須讓廢料桶1等速旋轉。輻射偵檢器 20以高壓供應器210提供工作電壓後，因吸收放射線粒子 能量而產生高度為Vp之類比脈衝信號50，先經設定低限 為Vth之鑑別電路211轉換為含有輻射粒子能量吸收與閃 爍發光事件特性寬度為W之邏輯脈衝51。隨後再將邏輯脈 衝51送到該計時單元2 2，該計時單元2 2包括有一脈衝時 序記錄器220及一精準時鐘221，該脈衝時序記錄器220 接收該精準時鐘221產生之一時鐘脈衝52，並採用緩衝半 週期（Buffered Semi-Period)連續記錄法做時序記錄。 在使用相同之偵檢器/電路陣列下，以該控制單元23 進行時序記錄資料擷取與演算分析處理。在本實施例中， 該訊號處理單元21連接有複數個輻射偵檢器20，透過該 複數個輻射偵檢器20同時計時與連續記錄之解讀，可以得 200845041 職數的價檢器輻射脈衝時間符合性（c〇incidence)、間 距、與寬度之資m。透過該控制單元23之資料處理與演算 步Ί就可獲得廢棄物活度偵測結果與實施筛選作業。 …請_參閱圖-以及圖二所示，該訊號處理單元21將 德射偵檢器、20所產生之輻射粒子類比脈衝5〇信號自背 景好雜訊抽離出來進行分析；其中，光電倍增管2〇2搭 配之信號處理電路將光電倍增管2〇2因接受塑膠閃爍體 (' 2 G1吸收游離輻射粒子能量產生之光脈衝所產生之類比脈 衝51化唬放大與定型。然後，該訊號處理單元μ之鑑別 電路211先使用設定低限為Vth將超過nh、高度為π之 顯比脈衝k號轉換為含有輪射粒子能量吸收與閃爍發光事 件4寸性、覓度為Tw之邏輯脈衝51。設定低限為v让之作 用為在背景雜訊中將信號脈衝抽離。 因Vp與Tw存在特定之依存關係，利用其原理，對於 邏輯脈衝51可以用時序記錄器電路加以處理。使用數位示 ^ 波器同時量測記錄低限鑑別電路輸入端之定型光電倍增管 、類比電壓脈衝信號波形與輸出邏輯信號寬度。對於類比電 脈衝彳&號波形，可以透過數值分析獲得以下列擬人八

式： 口 A 叩) = "y2) (i) Τ\ ~~ Τ2 其中，v(t)是指類比脈衝50信號隨時間t變化之波形函 數，出現在等式右側之V〇、ri、r2等符號均為擬合參數。 如圖二所示，該圖為將Nal(Tl)閃爍體與光電倍增管輸出所 產出之類比電壓脈衝信號使用擬合公式（1)代入適當參數 14 200845041 =异出來之波形（粗黑實線）與實際以數位示波器所測量 .細小黑點）比較。在證明公式⑴對不同振幅之 -形完全符合後，可以使用此公式加上擬合參數 ☆ 、下頒比私壓脈衝咼度（Vp )對鑑別器輸出邏輯脈衝 覓度（Tw)之數學關係，如以下公式··

Vp =v〇x eT^/r +7, (2) 其中<出現在等式右側u、Vi、r等符號均為擬合參數。 Γ金請=閱圖四所示，該圖為使用擬合公式（2)代入適當參 i 請計异出來之類比電壓脈衝高度對鑑別器輸出邏輯脈衝 見度之轉換特性（粗黑實線）與實際以數位示波器所測量出 來之轉換特性（細小黑點）比較，可以證明彼此間存在固定 之對數函數關係。圖一中之精準時鐘產生之精準高頻時鐘 脈衝來測量邏輯脈衝寬度。若高頻時鐘之週期是Tclk，則利 用公式（2)做脈衝高度換算時，如公式（3)所示，會發現使 用脈衝寬度測量換算脈衝高度時，僅有由時鐘之週期㈤ 與波型時間常數(Γ)相關之固定之相對精確度，盥使 ‘統類比/數位轉換之絕對精確度（例如不論脈衝高度大小如 何’ -律是ΙπιΌ大不相同。此種特性與大部份室溫 閃爍體/光，倍增管賴轉析度特性頗為相符。 dJp _ dTxv 該脈衝時序記錄器之設計原理係採取緩衝半週 時序記錄法解讀脈高鏗別電路轉換輸出之邏輯脈衝信號。、 如圖五Α以及圖五Β所#，該脈衝時序記錄器22〇包括有」雔 向閘控時鐘脈衝計數器22G1以及—緩衝記憶體㈣。該= 200845041 向閘控時鐘脈衝計數器2201，其係可接收圖-中之該邏輯 脈衝51以及該時鐘脈衝52，利用該邏輯脈衝51作為閘控信 號:以及利用該時鐘脈衝Μ作為計數信麟輸入，以完^ 4日守序紀錄資料。該緩衝記憶體22〇2與該雙向閘控時鐘脈 衝什數為2201以及該控制單元23相耦接，談緩衝記憶體 2202内可儲存該時序紀錄資料。 、丘 精準時鐘221以穩定之高頻（例·· 80MHz )精準時鐘脈衝 52做為錢向閘控時鐘脈衝計數器2謝計數信號源輪入， 將輻射偵測信號處理電路產出之邏輯脈衝5丨做為閘控信號 輸入同對所有陣列NaI (T1)閃爍體光電倍增管啟動時距 "十數，每半週期將計數值依序存入預設之緩衝記憶體2202 之内’下半週期將計數器歸零再重新計數並將結果儲存， το成一定時間或相當數目邏輯脈衝信號記錄後，再將結果 送入控制單元23做資料運算分析。 假設輻射事件所產生之脈衝為負向邏輯設計，則圖五 中緩衝記憶體記錄扣除啟動後第一筆錯誤記錄不計，第 二、五、八· ··筆資料即為以時鐘量得之邏輯脈衝信號寬 度，而二加三、四加五、七加八· ··筆資料之和則是連續輻 射事件之間距。而比較所有閃爍體輻射偵檢器每一負向邏 輯之始點日可序即成為兩輕射事件符合性（c〇incidence)之 判斷依據。對於某些具有雙光子同時放射之裂變特性放射 性核種’如c〇-60每—次裂變放射兩顆1.17MeV及1.33MeV 月匕里之7粒子’利用輪射事件符合性（C〇incidence)測量技 術’可以在輕射偵檢器絕對效率不明情況下，獲得較其他 技術更為精確之活度計測結果。因此，由緩衝半週期連續 200845041 時序記錄所得之資料，可以得到輕射事件之間距（或計數 . 率）、信號寬度、與事件符合等特性數據。以下各節，將八 - 別討論如何運用以上資料，提昇閃爍體輕射舰器之功能刀。 ^由緩衝半週期連續時序記錄法，除了得到可推算出脈 ，高度之脈衝寬度分佈特性以外，亦可以同時得到二鄰邏 輯輪射脈衝事件之間距統計資料。不論使用何種備檢器， 對Ik機型態之輻射事件脈衝均可按照波松分布理論 C ^㈣卿Dlstributlon) ’採用以下之擬合公式⑷來推曾 里測到之輪射事件平均間距·· }dt -t / (t (4) (t)dt e其中，Mt)是間距介於七和枓^之間輻射脈衝數目， <= 是輕射事件平均間距，其倒數即是量到之脈衝計數率。 t所示為使⑽衝半職連續時序記錄法獲得之輻射脈 統計分佈特性。由圖上可以看到不論輻射事件間距 ^^量為刪筆或5_筆，都與使用公式⑷波松分布理 二目田勿σ。圖六所不為以輕射偵檢器實驗所得韓射事件 均本數量增加而變化之情況，圖中每一實驗點 沾不°Β ，、1%之精確度範圍。發現獲得足夠精確（例1%) 的輪射事件平觸輯需要之樣本數量僅需麵筆，自此 乂上即^加樣本數量，亦無益於精確度之改善。 81二、四及公式⑵可知，邏輯脈衝寬度與輻射偵檢 種❹比脈衝高度具有—定之數學關係。由於類比脈 =射文射線粒子能量相關，因此亦可推論邏輯脈衝寬 j刀布特性亦可獲得放射線粒子能量分布特性資料。圖 圖十即為以本發明之裝置，以80MHz時鐘脈衝 200845041 (Tcik=12.5nsec)測量鎖一三三（Ba_133)、絶一三七 (Cs-137)、鈷六十（Co-60)以及銪一五二（Eu-152)等人造 放射性核種，經由2吋直徑x2吋厚圓柱體Nal(Tl)閃爍體輻 射偵檢器測量一定時間，所得到之脈衝寬度分布結果。在 這些圖中，X轴數字（以下稱為控道編號j，Channel Number) 代表邏輯脈衝之寬度，例如20表示脈衝寬度為20xTc：ik，即 是250nsec，依此類推。Y軸數字（以下稱為控道之計數值 yj，Channel Counts)則代表對應控道編號j之邏輯脈衝寬 度出現之次數。為提高脈寬分布解析能力，在轉換類比為 邏輯脈衝時，採用兩組不同設定低限之脈高鑑別電路，產 生兩組不同之脈衝：使用較小低限電壓設定者為低能脈衝 (LoE)，較高設定者為高能脈衝（HiE)。兩組脈衝同時產 生且同步實施時序記錄，因此每一圖均有高低能量兩種寬 度分布結果。 與傳統之類比脈高解析式能譜分析儀相同，不同核種 之脈寬分布呈現不同尖峰特性，每一尖峰均代表特定核種 之專有衰變放射線。可以透過不同之標準射源校正程序， 利用尖峰特性之計算分析，發展出放射性核種自動辨識與 活度運算功能，成為實用之放射性監測系統。利用圖一之 裝置，本發明如何以閃爍體輻射偵檢器光電倍增管測出之 計數率、脈寬分布、與事件符合特性等統計資料對於受測 放射性廢料桶挾帶之加馬射線能量與表面劑量率進行評 估，在以下段落分別說明之。 為能由如圖七至圖十所觀察到之脈寬分布尖峰位置、 形狀及大小特性加以解析，並與其放射光子能量及活度對 200845041 照，以求取放射性核種自動鱼 一套尖修演算步驟，詳述如下，#度運异功能，發展出 步驟一、數據平滑處理·· 為了建立後續的尖峰搜尋與管八 … 用平滑方式來處理測量到之脈 二二A : Y必須先使 曲線。廷裡所使用的平滑方于心 簡單之移動平均法或是加權平不論是 y田^ 取小平方誤差法可以考到h 利用放射性衰變曲線之特性來 心^， 為具有簡單指數衰減（simple 處;也就是將其視 曲線以減少因平滑處 =的特性 誤差法平滑公式如下··成之以。所使用的最小平方 y卜12yj+丨 35 (5) 其中j代表控道編號，yj代表控 值儒經過前後五點平滑處理過之扁= 十’圖上散佈之實心點為由時序記錄器所旦至 布數據，而其連續實線即是由此公 里之脈見分 參考圖九銘六十(c。，)之低能分布特性了若 滑處理，數據將會過於雜亂而難以解析。η數據平 步驟二、自動尖峰位置搜尋·· 所用之自動尖峰搜尋方法為二次微半 用能譜二次微分後的值作判斷1存在極大的負 示該區域可能有尖峰出現。二次負數，則表 可蔣吉妗别ΑΑ此旦1 刀&取大優點為：（1) 了將直_景計數去除’⑵使得類似高心 200845041 更尖銳化，易於數學處理。本專利所使用之峰值搜尋法即 為二次微分法，由於該能譜為數位化能譜，因此在這裡稱 之為二次差分法。以下為二次差分法之公式 能譜一次差分公式：yY = ysi - ysi-i 能譜二次差分公式·· yY’ = ysj’ - ysj-i’ 依上一步驟得到一連續平滑曲線後，將此能譜曲線作 一次與二次差分。由於二次差分結果出現最低負值的話， 表示能譜曲線有可能在此範圍含有一能峰。且二次差分值 越負，則能峰越陡。因此將二次差分值由低而高排列，以 便於作下一步的運算分析。為了確定此二次差分最低處確 實出現能峰，將其前後區段（±5範圍）之一次差分值一併作 比較，以確定能譜在此位置上確實出現能峰。由於能峰的 左半部為一向上斜坡，因此在一次差分上會出現正值，能 峰越陡，一次差分正值越高。能峰的右半部為一向下斜坡， 因此在一次差分上則會出現負值，能峰越陡，一次差分值 越低（負）。 根據以上的特性，將一次差分值作排序，排序方式為 由高而低，其最高值與最低值都會利用來輔助判斷負值二 次差分尖峰的真偽。由於高低能範圍僅有256控道，考慮每 一能譜尖峰至少佔有約10控道，根據經驗法則取能譜上二 次差分最低負值的前二十名作為尖峰判斷標的，再以能譜 中一次差分最低與最高值的前二十名，來篩選與確認能譜 尖蜂位置。 步驟三、尖峰全寬半高值（F丽M)計算： 在搜尋到尖峰位置後，為了更進一步確定此尖峰為 20 200845041 •真，需要尋找能譜上此一尖峰之左右控道半高點是否存 在，如果於尖峰所在控道±10之範圍内無法尋得左右半高點 ‘ 控道位置，則判定該尖峰不符合能峰形狀，必須加以剔除。 '如果左半高值與右半高值皆能找到的話，就可以確定此尖 岭為真。以圖九之C〇-60能譜為例，在低能段由於康普吞光 子分布的關係，會造成上一自動搜尋步驟上的判斷錯誤， 從而產生出許多偽尖峰。在經過半高點控道篩選步驟後， 低能段的偽尖峰由於無法找到，因此全部被剔除。至於高 ^ 能段的結果也僅保留60C〇的兩個真實尖峰。在確定尖峰左 右半高點控道位置存在後，可以計算二者之控道位置距 離，此距離於能譜分析學名稱全寬半高值（Full Width Half Maximum，FWHM)，為能譜尖峰解析度之衡量指標，可以應 用於下一步驟尖峰淨計數率之計算。 步驟四、尖峰有效範圍（Region of Interests，R0I) 計算： 為計算能譜尖峰淨計數率以做為系統碘化鈉偵檢器活 I 度偵測效率校準之基礎，在選出尖峰與計算全寬半高後， 會更進一步計算每個尖峰的R0I。由於依放射線粒子隨機性 偵測理論，能譜尖峰形狀大致遵守高斯分布模型，因此若 以99. 9%信賴區間來定義尖峰有效範圍，不會超過尖峰位置 向左右各散開1. 5倍之FWHM。於散開1. 5倍之FW匪範圍内沿 尖峰位置向左右尋找，若存有最低點（峰谷），則以左右峰 谷之範圍做為尖峰有效範圍。若不存有峰谷，則以左右1.5 倍之FWHM做為尖峰有效範圍。 步驟五、尖峰淨計數率與活度效率因數計算： 200845041 旦由於能譜尖峰分布通常為一獨立的全能尖峰架接在背 . 景或康譜吞連續區之上，因此必須利用R〇I來計算出尖峰值 ^淨計，率。在咖左右邊界拉一直線，以其下方的梯形面 積代表背景值，因此能峰於R〇I範圍内的總面積扣除背景值 後即可獲得尖峰值的淨計數值。淨計數值除以量測 後便可得到尖峰淨計數率。 」舌度效率因數之物理意義為碘化鈉偵檢器對放射性核 ('種高能粒子發射之收集百分比。例如c〇6〇活度為收，^ 表：秒―:"蛻變，每一次则放射出i•刪與 乂 、…各一顆加馬粒子，二能量加馬粒子之產率（Yield) 刀別為1 〇〇%。若造成偵檢器能譜1. 17MeV尖蜂淨計數率為 〇因則該尖峰之活度效率因數為1〇%。在進行活度效率 乂工作時，將測量之標準射源緊貼礙化納賴 :譜=量測:讓其此時若總活— σ以大峰尹计數率除以一半總活度而獲得其尖峰之 特有活度效率因數。 步驟六、尖峰能量校正與核種識別： 在核㈣彳貞測領域’任何放射性核種均可由其 盆ί放射粒子之種類加以識別’典型範例表如表二所示。 Ϊ來來代表放射性核種之蜆變特性，以能量及產 m⑵可知脈寬與粒子能量 每-控道編二，現直線相關J生’因此於脈寬能譜圖上， 定」、、、〜J均對應一能量值E’其對應關係可以由;P 以^準射源之各種特性尖峰位置後，依下列公式⑹ 以取小平方法擬合取得。其中，A為擬合所得之斜率26，） 22 200845041 B為擬合所得之截距參數： ln(E)= Axj + B (6) 表二所示即為本發明廢料桶活度偵測系統所使用之碘 _ 化鈉偵檢器以各種標準射源能譜（圖七至圖十）為例，依照 前述演算步驟所獲得之校正結果。圖十一為高低能段使用 公式（6)對上述標準射源能譜量測結果擬合後之比較。當以 該碘化鈉偵檢器進行廢料桶活度偵測時，在能譜取得以 ^ 後，便可依步驟一〜四搜尋尖峰與進行淨計數率計算。對尖 ( 峰位置可以利用校正所得之擬合參數按公式（6)回推其尖 峰能量，再根據尖峰能量查表一以辨別可能之核種。實務 上，通常對廢料桶所可能含有之放射性核種均已限縮至十 數種或更少，而且絕大比例可有如表二所示之完整參數提 供換算，因此系統操作正確度足以滿足法規要求。 表一、放射性核種蛻變特性與光子種類典型範例表 核種 半衰期 光子能量 (keV) 光子產率 (%) Co-57 271.77 天 122 85.5 136.5 10.7 Co-60 5.271 年 1332.5 99.98 1173.2 99.9 Ba-133 10·54 年 34 123 81 34 356 80 Cs-137 30.0 年 30 7 662 85 Eu-152 13.33 年 45 75 122 28 344 27 779 13 23 200845041

964 15 1112 14 1408 21 364.5 81.2 637 7.27 M31 8.04 天 284.3 6 80.2 2.6 722.9 1.8 29-34 4.9 Mn-54 312.2 天 834.8 99.98 Am-241 432.7 年 59.5 35.7 12-21 39.5 1099 56.5 Fe-59 44.5 天 1291 43.2 192.3 3.1 表二、 *廢料桶偵檢器能譜與核種校正結果一覽表 偵檢器 序號 工作電壓 時鐘頻率 LoE HiE 校正曰期 2x2峨化鈉 SAG552 820V 80MHz 25mV 540mV 06/03/08 校正核種 (活度） 光子 能量/產率 keV(%) 低能段尖峰 (控道編號） 高能段尖峰 (控道編號） 尖峰 淨計數率 (cps) 效率因素 (淨計數率/活度） Ba-133 (5870Bq) 34(123%) 74 * 1294 0.22 81(34%) 123 * 501 0.086 356(80%) 201 氺 1481 0.252 Cs-137 (9915Bq) 30(7%) 75 氺 662(85%) 232 氺 1148 0.116 47 1197 0.121 45(75%) 85 * 1275 0.161 122(28%) 142 氺 575 0.072 Eu-152 (7895Bq) 344(27%) 197 * 333 0.042 779(13%) * 58 77 0.01 964(15%) * 71 126 0.016 1112(14%) * 78 92 0.012 1408(21%) 氺 91 46 0.006 24 200845041

Co-60 (158Bq) 1173(100%) 氺 80 5.5 0.035 1332(100%) * 87 4.12 0.026 低能段 能量◊控迢 換算係數 A斜率值 0.0186 B截距值 2.15 低能段 能量 <> 控這 換算係數 A斜率值 氺 0.0176 B截距值 氺 5.65 使用碘化鈉閃爍體量測廢料桶表面等效劑量率時，受 到碘化鈉閃爍體高密度與高原子序之影響，其對越低能量 光子之吸收效率與人體組織差異越大，因此除非具有自動 修正能力，通常不能應用於等效劑量率之量測。傳統之廢 料桶測量系統均將活度量測與表面等效劑量率量測分開， 改用不同種類之偵檢器執行。用於表面等效劑量率測量之 偵檢器，大多由接近人體組織之低密度、低原子序之材質 構成，如充氣式之游離腔、蓋格管或矽二極管等。改採用 這些低偵測效率偵檢器作表面等效劑量率測量最重要之缺 點為不但增加系統硬體與步驟複雜度，而且精準度會大幅 降低，提高了廢料桶測量之作業成本。 本發明採用能譜與劑量率一次量測之方法解決光子能 量對等效劑量率測量效率之影響問題。其主要之工作原理 在於依碘化鈉閃爍體之平均吸收能量變化採用不同之效率 係數，自動修正碘化鈉閃爍體對人體組織之吸收效率差 異。此處基於運算便利，以平均控道編號(脈寬）<j〉來代表 平均吸收能量，其計算公式為： 25 (7) 256200845041 <j>- 公式（7)中，j代表控道編號，yj代表脈寬能譜中對應 控道編號j所測量之計數次數。採用不同能量之射源校正方 式求得效率係數對光子能量之變化特性，圖十二為校正所 得出之效率係數對平均控道編號(脈寬）結果。 f

本發明對於廢料桶偵檢系統之陣列蛾化納光電倍增管 脈衝信號，除了透過個別計數率與脈寬能譜來測量廢^桶 表面劑量率、加馬輻射核種與活度外，還可以利用廢料桶 疋速旋轉後，各個偵檢器彼此時序分佈統計特性尋求辨識 廢料桶内含放射性物體位置之可能性。圖十三所示為三口 碘化鈉偵檢器垂直等距並列測量廢料桶之布置圖，基於^ 料摘之圓柱對稱形狀，此圖採用原點位於廢料桶底部中^ 之圓柱座標糸統。假設有一局部汙染射源位於（r，①，Z ) 而三只碘化鈉偵檢器2〇所在位置分別為（R Z

Οι X α)、及（R，0，5d)，以標準之55加侖廢料桶〗 杈廢料桶1以等角速度ω進行旋轉運動9〇，干二2而圓 ，成為。，一，小而對三只 ^之劑量率或同一尖峰淨計數率時間變、^时所產 广⑴。在不寺慮廢料本身對放射線之1別為 下’於單—只之熱點位置推估計算步驟如下：讀因素 ⑴.由距離平方反比關係，以最大值 方程式求出局部汗染射源之％座標仏下聯立 (8) 200845041

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3 MAX --Z)2 (R - r)2+(5d-z)2 :ig^lH3d - z)2 (R - r)2 +(d - z)2 (9) (2)·由旋轉開始起算，每一 36〇。旋轉週期為T，不論 D1 D3(t) ’大致均應在同一時間Tmax出現最大值。 由二者之比值即可判斷局部汙染射源之φ座標： Φ = 360X(1 — " a、 T ； (10) (3).右出現多點污染情況，每一週期D1D3Q)應會呈 見夕處峰值，以上公式可以用各個Di〜⑽（t)同步蜂 值麵⑴〜D3MAX(j)，TMAX(j)}代入公式⑻—（1〇) 計算求出各個污染點之座標（r(j)，φ〇·)，z (j)) 即可。 欲設計製造可實施加馬輪射劑量率、核種辨識、活度 ，士 异之完整放射性廢料桶债檢系統，本發明之實施 括：，至少—組如圖十三所述之以多只峨化鈉偵檢器 亚列設計’每只偵檢器光電倍增管配用如圖一所 :測信號處理加上類比轉邏輯脈衝信號轉換電 預^、⑷Γ數須能與光電倍增管及塑膠閃燦體匹配，對 與度與能量範圍’執行有效之吸收 當之帝5二且内含光電倍增管電壓供應元件提供適 :所二放射線能量之吸收與信號轉換；-套如圖 將幸期連續時序記錄電子裝置，其功能在於 計數值依序存stir啟動時距計數，每半週期將 κ—賴體之内’下半週期將計數 200845041 器歸零再重新計 ，一 面，則必須包含定^存；在廢料桶承栽璣構方 及廢料_局部污位=轉功能以供k %活度剛量 料運算、按鍵輪人、、t ^判讀；最後需要〜具包括資 式電腦與周邊硬員二數據通訊、干擾過遽之内建矛: 邏輯脈衝信號記錄空’在完成一定時間或相當數目王 得上下峨化鈉伯卜/再/結果讀入做資料分折運算，求 佈、與時序變化；^先，倍增管之間之計數率、脈寬八 校正所得到之各預先以不同人工射源在不同位： 等對照表，按法規、核種、效率因素、劑量率換算 劑量率與其内人1要求’順序筛選推估出受測麼料摘表面 請參·十叫敎種類、活度及位置。 法流程示;15!。# ’ 5細係為本發明之廢料桶之輻射谓測方 以步驟40提供°1料桶之輕射細方法包括有下列步驟··首先 係包括至少廢料桶輕射制裝置（如圖一所示），其 單元以及—押侦檢器、一訊號處理單元、至少-計時 常，系統備^ 啟動高壓與電路完成自測，確認正 入摘檢器校正^入須檢器校正播案’設定工作參數。輸 據界面依陳^ 設定工作參數係由操作者透過電腦數 寬分佈輻㈣ 表。、全此 犯里杉種、效率因素、劑量率換算等對照 帝敗"τ:數值如附表二所示，均為輻射偵檢器與信號處理 电 以離線狀況下，用指定之標準輻射校測統計後，由 站電腦演算獲得。此外，輻射防護之管制參數如核種、 4度與劑量率預警及警報限值等等。上述參數於確認無誤 < ，存入非揮發性之資料記憶體之中。接著程式啟動由電 28 200845041 =行透過數位與類比轉換界面完成偵檢器工作信 連續時序記錄資料之收集。 軲’同步進入 接著進行步驟4卜利用_射賴 陆 =二:入背景量測週期’同步連續_陣列 下Γ到有關輸射 之汁估。接下來，以步驟42穿旦取』月匕 C： 器建立時序與脈寬能譜，更新背景率1週期處對應偵檢 種鑑識與活度計算資料。然後以步‘3感。峰，量、核 載八’如果有’則進行步驟44，啟動^廢^抖桶桶 輻射偵檢器在該廢料桶旋轉期 二雨疋轉，該 輯脈衝。_以步驟4 5判斷是否 f j錄偵檢器邏 果是，則進行步驟46;反之，則回測週期。如 期連 令電腦應用時序記錄資料組執行受利廢料=後’即可命 其内污染射源之種類、活度及位置，等二：制量率與 以查表及多重比對方法，扣除背 /、；·，業。然後， 劑量率、核種活度與位置鑑識資料，最後::异受測廢料桶 =一=資料。該輻射資料包括 之核種、活度及分布位置最可能之評估。羊射源 在該步驟4"，當所計測輻 可仏亚完成確認後，程式即可命 =里f貝科被確認 制作業之要求，執行輕射場強劍量率值^貝^射防護管 了此位置顯，設計上切做特定㈣存^之度功 200845041 能。此外為配合輻射偵測系統出入物件資料庫之建立與疑 難計測貧料之再處理’電腦必須能執行與他種電腦主機數 據連線與資料傳錄等功能。之後再根據步驟47判斷是否要 繼續量測，如果是的話，則回到步驟48，切入背景測量工 作模式。 唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以 之限制本發明範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之 均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離 f 本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀 況0 綜合上述，本發明提供改善既有傳統類比數位轉換技 術電子設計高複雜度與反應遲緩之缺點以及具有檢測方 便、準確以及資訊整合的優點，可以滿足業界之需求，進 而提高該產業之競爭力以及帶動週遭產業之發展，誠已符 合發明專利法所規定申請發明所需具備之要件，故爰依法 呈提發明專利之申請，謹請貴審查委員允撥時間惠予審 視，並賜準專利為禱。 30 200845041 【圖式簡單說明】 圖一係為本發明之廢料桶輻射偵測裝置較佳實施例示 意圖。 圖二係為本發明之輻射偵檢器示意圖。 圖二係為將閃爍體光電倍增管輸出經附圖丨電路所產出 之類比電壓脈衝信號使用擬合公式（1)代入適當 參數所計算出來之波形（粗,t實線）與實際以數位 示波器所測量出來之波形（細小黑點）比較圖。 圖四係為使用擬合公式（2)代入適當參數所計算出來之 類比電壓脈衝高度對鑑別器輸出邏輯電壓脈衝寬 度之轉換特性（粗黑實線）與實際以數位示波器所 測量出來之轉換特性（細小黑點）比較圖。 圖五A與圖五B係為脈衝時序記錄器方塊示意圖。 圖六係為以曰閃爍體實驗所得輻射事件平均間距值隨樣 本數量增加而趨於穩定值變化之曲線圖。 圖七係為測量鋇一三三(Ba_133)人造放射性核種得到 之脈衝寬度分布圖。 圖八係為本發明測量铯一三七（Cs—137)人造放射性核 種得到之脈衝寬度分布圖。 人 圖九係為本發明測量鈷六十(Co-60)人造放射性核種得 到之脈衝寬度分布圖。 圖十係為本發明測量銪一五二（Eu_152)等人造放射性 核種所得到之脈衝寬度分布圖。 圖十一係為利用高低能段脈寬頻譜使用公式（6)對圖 200845041 7-10各種標準射源能譜量測結果擬合後之曲線 圖。 圖十二係為利用Am-241、Co-57、Cs-137與Co-60等標準 射源校正所得出之效率係數對平均控道編號 (脈寬）結果曲線圖。 圖十二係為置測廢料桶時廢料桶與輕射偵檢為之相對 座標位置布置圖。 圖十四係為本發明之廢料桶之輻射偵測方法流程圖。 【主要元件符號說明】 1 -廢料桶 2 -廢料桶輪射偵測裝置 20-輻射偵檢器 20卜閃爍體 202-光電倍增管 2卜訊號處理單元 210-高壓供應器 21卜鑑別電路 22-計時單元 2 2 0 -脈衝時序記錄器 2201- 雙向閘控時鐘脈衝計數器 2202- 緩衝記憶體 221-精準時鐘 23-控制單元 32 200845041 5 0 -類比脈衝 51 -邏輯脈衝 52-時鐘脈衝 90-旋轉運動 4-廢料桶之輻射偵測方法 4 0〜4 8 -流程

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Claims (1)

1. 200845041 十、申請專利範圍： .I -日種廢料_射偵測裝置，其係應用於放射性廢料貯存 . 3昜所管制’可即時測量分析廢料桶内含加馬放射性物 質’該廢料桶輻射偵測裝置包括： 至少一輻射偵檢器’其係用於吸收廢料桶所產生之放射 粒子以產生至少一類比脈衝信號； 號處理單元，其係與該至少—㈣偵檢器相輕接， c 5亥訊號處理單元可以轉換該至少一類比脈衝信號以 形成至少一邏輯脈衝； 至時單元，其係與該訊號處理單元相耦接，該計 時，7G可接收該邏輯脈衝，以對該邏輯脈衝進行脈衝 k唬發生次數、時間與脈衝寬窄計測，以形成一時序 紀錄資料；以及 一控制單元，其係可擷取該時序紀錄資料以進行演算分 析。 ’、 2.如申請專利範圍第i項所述之廢料桶輕射偵測裝置，其 中該輕射债檢器更包括有複數個垂直等距離之閃 爍體。 申明專利範圍第2項所述之廢料桶輻射偵測裝置，其 中該閃爍體更連接有一光電倍增管。 4·如申請專利範圍第3項所述之廢料桶輻射偵測褒置，其 中该sfL號處理單元更包括有·· 回C ί、應為，其係與該輻射偵檢器作電性連接，以提 供e亥光電倍增管適當之電壓，使該光電倍增管將該閃 34 200845041 ㈣而產生之蝴 脈i係可過濾該類比脈衝信號之雜訊以轉# 5. 第2項所述之廢料桶輻射偵測裝置，其 木版係為—碘化鈉閃爍體輻射偵檢器。 Γ • 範圍第1項所述之廢料桶_貞測裝置，其 亥汁忪早凡之構成更包括有·· 一精準時鐘’其係可產生至少一時鐘脈衝；以及 一脈衝時序記錄器，其係更包括有： 。十數為，其係可接收該邏輯脈衝以及該時鐘脈衝， 其中該計數器利用該邏輯脈衝作為閛控信號，以及 利用該時鐘脈衝作為計數信號源輸入，以完° 序紀錄資料；以及几成5亥日守 —緩衝記憶體，其係與該計數器以及該控制單元相輕 ，接，該緩衝記憶體内可儲存該時序紀錄資料。 '一種廢料桶之輻射偵測方法，其係包括有下列步驟： 提供—廢料桶輻射偵測裝置，其係包括至少一輻射偵檢 态、一讯號處理單元、至少一計時單元以及—控制 元； 工 利用該輻射偵檢器進入背景連續時序記錄資料之收 集，以得到有關背景輻射之種類及位置之最可能之 估； 匕6f 感測有無廢料桶載入，如果有則啟動受測廢料桶旋轉， 35 200845041 該輻射偵檢器在該廢料桶旋轉期間，同步勃^ l订連纟買時 序記錄資料之收集；以及 以查表及多重比對方法，扣除背景數值後得到有關 桶表面之一輻射資料。 a " 8·如申請專利範圍第7項所述之廢料桶之輻射偵測方去， 其中該輻射資料包括有輻射劑量率、射源之核種、活声 及分布位置最可能之評估。’又 f 9·如申請專利範圍第7項所述之廢料桶之輻射偵測方法， 其係更包括有執行輻射場強劑量率值、推估核種、可二 位置顯示與警報之一步驟。 月匕 10·、，申請專利範圍帛9項所述之廢料桶之輕射 …其係更包括有將該輻射場強劑量率值、推估枝種 可能位置進行紀錄之步驟。 推估核種、 戈申σ月專利範圍第7項 之 法，1俜#分杠女孚竹拥之輻射偵測方 ^ /、更匕括有將該輻射資料進行紀錄之步驟。 Ζ·如申請專利節 法，其係更包括=二所述之廢料桶之輻射偵測方 資料之再處理之步驟 請建立貧料庫與疑難計測 13·如申請專利範圍 法，其中該廢料:射壯:員所述之廢料桶之輻射偵測方 腦進行資訊田射衣置更連接有一傳輸網路與其他電 、 ’以進行資訊傳輸與接收。 36