水体放射性连续监测系统设计与仿真
2020-03-16
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第37卷第2期 核电子学与探测技术 Vo1.37 No.2 2017年2月 Nuclear Electronics&Detection Technology Feb. 2017 水体放射性连续监测系统设计与仿真 赵奎,张庆贤,石丛,徐阳,张建,彭毅,葛良全 (成都理工大学核技术与自动化工程学院,成都610059) 摘要:论文设计了内陆水体中放射性核素连续在线监测系统,并采用蒙特卡罗方法对系统参数进 行了优化。论文通过计算” I、” cs、∞co在不同水体厚度下探测灵敏度,结合系统造价,确定了系统最 优化探测体积,并依据四川省水体中天然放射性核素浓度,计算了”‘I、”’cs、柏co的判断限、探测限和定 量限,该结果为内陆水体中放射性核素连续在线监测系统构建提供了技术参考和依据。 关键词:水体放射性;灵敏度;检出限 中图分类号:TL 8 文献标志码:A 文章编号:0258-0934(2017)02-0129-05 随着我国核技术的发展、矿业开采的增加, 和有效探测距离,通过以上研究表明,NaI(T1) 对我国内陆水体中放射性核素监测的应用需求 探测器能够胜任水体放射性监测需求,探测效 剧增。我国目前对水体中放射性监测主要采用 率较高,而且价格低廉。C.Tsabaris等 71开发 现场采样和实验室 能谱分析…,但是由于采 了名为“KATERINA”的检测系统,采用3”×3” 样的不确定性和分析周期长等因素 J,无法对 的NaI(TI)探测器对海洋放射性核素进行监 水体的放射性核素水平进行实时监测和评价。 测。Ch.Wedekind等 使用新建成的固定网 曾志等 研制了基于NaI(T1)探测器的原位现 络监测系统对海水的 总计数和 能谱进行 场海水放射性监测装置,并根据海水本底谱确 综合监测并得到应用。以上系统都是基于无限 定装置对海水中埒 Cs的最小探测活度约为 大体积海水进行测量,而对江河等内陆水体放 580Bq/m 。潘孝兵等 模拟了NaI(TI)探测器 射性监测情况需要重新设计。本文针对内陆水 对海水中B’Cs.131I的比计数率响应情况,并确 体中放射性核素监测需求,设计满足内陆水体 定了不同尺寸的NaI(T1)探测器最大比计数率 放射性核素监测系统,并采用蒙特卡罗方法模 和有效探测距离。杨立涛等 建立了海洋-y 拟计算系统的灵敏度、检出限等重要参数,为今 谱连续监测的测量模型,采用蒙特卡罗方法模 后内陆水体放射性核素监测系统的构建提供技 拟计算不同能量 射线在海水中的衰减系数 术参数与依据。 1系统设计及模型 收稿日期:2016一l1—24 内陆水体放射性连续监测系统设计如图1 基金项目:本研究得到四川省科技计划项目 (a)所示,系统由探测器、屏蔽体、能谱处理电 (2015GZ0272)资助、国家自然科学基金资助项目 路和数据处理与存储基站组成。能谱处理电路 (41474159)。 作者简介:赵奎(1992一),男,硕士研究生。通信作 封装在探测器内部,形成一体化高密封探测器。 者:张庆贤,副教授,主要从事核辐射测量、辐射防护 由探测器输出的数字化^y能谱,由线缆传输到 和核技术应用等方面的教学科研工作。Email:shi- 数据处理与存储基站,进行数据分析、存储并通 neeore@163.03,0111。 过网络上传到监管处。为了降低能谱本底,探 129 测器的外部建立了铅屏蔽体,水体流经屏蔽体 过程中被监测。 c== = ’ 水流方向 Na【探测器 图1(a)系统基本构架(b)系统模型 目前常用 能谱探测器主要有NaI(,I1)、 LaBr (Ce)、高纯锗(HPGe)。LaBr3(Ce)能量 分辨率好,但h和Ac的同位素具有放射性,增 加了仪器自身本底,不利于低活度放射性水平 分析,且成本较高。HPGe探测器虽然能量分 是核燃料的裂变产物;印Co是一种常见并得到 广泛应用放射源,本文针对这三种核素优化监 测系统的灵敏度、检出限指标。系统整体模型 及参数如图l(b)所示。 2.I探测灵敏度 MCNP软件模拟三种核素的能谱如图2所 示,” I.137Cs是只发出一种主要^y射线核素,其 中a为n I的 射线能谱,选定特征峰能量区 间:0.317—0.393 MeV。b为” Cs的^y射线 谱,选定特征峰能量区间:0.597—0.720 MeV。 c为印Co的^y射线谱,发出两种能量的 射线, 但由于射线能量在1.33 MeV时的 发射几率 为99.98%,射线能量在1.17 MeV时的 发射 辨率高,但价格昂贵,而且在使用过程中需要制 冷,在实际使用中很受限制。NaI(1'1)探测器能 量分辨率约为7.5%左右,高效率的大晶体已 经在航空 能谱测量中广泛使用成本较低,适 合大批量安装需求。本系统设计采用4×4× l6英寸的NaI(1'1)探测器,半高宽与 射线能 量之间的关系如下: FWHM:口+b 0.0528.0。 (1) 其中E为光子能量,a,b,C值分别取0, 几率仅为0.02%。根据表达式可知检出限与 发射几率成反比,根据表达式估算各能量 射 线对应的检出限,优先选择检出限较小的,因此 2系统参数优化 ”’Cs是核燃料裂变过程中产生的主要裂 在1.33MeV和1.17 MeV中,选择1.33 MeV作 为印Co的首选监测 射线,选定特征峰能量区 间:I.25—1.40 MeV。 (b) H,,蜊 变产物,是环境质量评估的重要核素之一; I :臌 ~B ,(c) N, 删 黛;ccE 嚣・~ 墼… 霹: ct 蠢 e a 黧・ 聪§ a 迪・一 锝I : “ 婚 a j}\ 。艄 \—^j . 鞲c ∞ 爨: 图2 ” I,137Cs、∞Co的特征峰能量区间 系统对不同核素的探测灵敏度8计算可表 示为: = 其中探测灵敏度 单位为cps/(Bq/L),表 征单位活度核素在特定条件下产生的 计数 率; 是由MCNP蒙特卡罗模拟软件计算得到 的粒子对系统计数的贡献率;V是探测水体体 ! (2) l3O 积;A为比活度活度,单位Bq/L;P为核素伽玛 射线发射几率。探测灵敏度随着V的增大而 增大,但水对伽玛射线有自屏蔽作用,而随着探 测水体厚度的改变,探测灵敏度将达到饱和。 蒙特卡罗模拟结果得到探测灵敏度如图3所 示。模拟结果表明随着水体厚度的增加,探测 灵敏度逐渐增大,当水体厚度D到达某一厚度 后,灵敏度渐渐趋于定值,并不再随厚度的增加 而改变。而在内陆水体放射性监测系统中,由 铅构成屏蔽体,减少天然本底对 射线的影 响。因此水体厚度决定了铅体的几何尺寸.也 由此决定了系统的造价。结合探测灵敏度和系 统造价,取最大探测灵敏度的90%处为水体厚 度,本设计中选取水体厚度D为32 cm,在此条 件下计算得到探测灵敏度如表1所示。 一C8 ・ ~Co ^ U 、’ 0 l0 2O 30 40 50 60 水休厚度D/ore 图3灵敏度与水体厚度关系曲线 表1水体厚度D为32em时系统探测灵敏度 人工放射性核素 。’‘I 3’C8 6。Co 灵敏度cp (Bq/L) 2.59 2.25 2.20 2.2检出限 由于水体中天然放射性核素存在,因此在 探测人工放射性核素时形成干扰,降低了系统 检出限。天然放射性核素∞K,238u( Ra)衰变 系、 衰变系在系统中产生的 能谱在人工 放射性核素特征峰区形成的散射本底计数率可 表示为: 日本底=nk+ +n 。 =A ×V× ×P +A豫×V× 丁7.×P +A砌×V×8Ra×P砌 (3) 其中B为散射本底计数率(eps),当选取 的水体厚度为32 cm,水体体积V=202.18 L, 查表[9 计算可知P =0.1067,Pn=2.2625, P舭=1.9977(达到衰变平衡时放出的光子 数),占是由MCNP模拟得到,A为放射性比活 度。 对于" I、 ’cs、印c0,其特征峰区散射本底 计算公式如下: B,奉雇=0.o764 A +1.6191A +2.2932 A (4) Bc,本底=0.0569 AK+0.8938A +1.4172A胁 (5) Bco本底=0.0461 A +0.1385An+0.3587A ̄ (6) 根据四川省水体放射性浓度范围¨。 选取 K的活度为1.84 Bq/L,Ra的活度为0.058 Bq/ L,rI1h的活度为0.023 Bq/L模拟得到的天然本 底谱如图4所示。 棚K+轴 a+mrh(24h) 40oO ^ 墅3000 \ 20o0 | l00O l . 处 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 能盘/MeV 图4水体中天然 能谱模拟图 根据文献【】¨定义的判断限Lc、探测限LD 和定量限L0,其计算公式如式(7): Lc=2.33 (7) LD=2.71+4.65 (8) Lo=50×(1+ (1+0.08N)) (9) 其中N为本底计数,N=B×t,B为散射本 底计数率,由式(4)、式(5)、式(6)计算获得,t 为探测时间,系统探测时间为24h。根据天然 放射性核素在人工放射性核素峰区内的计数N 计算出L 和 的计数值。如表2所示。 表2不同核素的L 、LD和 值 元素 测量时间 判断限Lc探测限LD定量限Lo 131I 24h 381.83 764.73 2368.08 mC8 24h 311.94 625.25 1944.0o 60Co 24h 225.92 453.58 l422.15 选取定量限 作为可以准确的确认的最 小放射性[1¨,检出限A。.mi。计算定义为 A q'li im—— t 50 x(1+ ̄/ ( 1"… +0.08N))£一(10)一 lu, 其中 为探测灵敏度,单位cps/(Bq/L);JIv 为本底计数,£为测量时间,单位s。假设系统 l3l 连续测量时间为24小时,则根据式(10)得到 系统检出限如表3。 表3系统比活度检出限(测量时间24小时) 元素 检出限Ah 。(Bq/L)‘ 。1 0.Ol1 ’ Cs 0.010 ∞Co 0.016 被50cm厚的土壤包裹,土壤中天然放射性核 素比活度为伽K是525.2 Bq/kg、 。Ra是36 Bq/kg,232Th是45.7Bq/kg 12j。图5为不同厚 度屏蔽体下模拟得到∞K、 Ra、 Th的能谱, 从图上可以看出随着厚度的增加,∞K、 Ra、 3屏蔽体厚度对检出限的影响 在实际测量中,探测系统周边可能存在土 Th的特征峰和散射本底都降低。图6为在不 同的屏蔽厚度下,系统检出限的变化规律。当 屏蔽体Pb厚度达到10 am的时候,系统检出限 接近理想值,因此选定系统屏蔽体厚度为l0 am0 壤或者水底沉积物,其中含有天然放射性核素。 在系统用Pb作为屏蔽体,降低本底计数,提高 放射性核素检出限。屏蔽体厚度影响放射性核 素检出限,也关系到系统成本。假设监测系统 什’; 赌: 0 B垮 : ! :嚣参 鼙 ∞ 0 S : :} : 2, , 0 0{ : :S : :' 3 蹬 0 0’ ; :s : j§ 能最/MeV 能it/MeV 能量/MeV 图5不同屏蔽体厚度K、Ra、Th能谱 “ Cs 薹 灞 0 襄“ 0耋 屏蔽体厚度/era 屏蔽体厚度/ i Cm 王=增 图6不同屏蔽体厚度的检出限 4结论 本文对内陆水体放射性连续监测系统进行 了设计,并采用MCNP蒙特卡罗程序对系统参 数进行了模拟仿真。根据模拟仿真结果,由灵 敏度确定水体厚度为32 cm;侣 I",137Cs.60Co在 四川天然水体放射性核素背景下其系统检出限 为0.Oll Bq/L、0.010 Bq/L、0.016 Bq/L。同时 参考。 参考文献: [1]苏健,马豪等.我国沿海核电站海洋放射性就地伽 玛能谱测量研究[J].辐射防护.2013,第33卷 (6):329—333. [2]Tsabaris.An autonomous in situ detection system for radioactivity measurements in the marine environment 论文还模拟屏蔽体(Pb)厚度对系统检出限的 影响,确定在10 am铅屏蔽下,其系统检出限接 [J].Apphed Radiation and Isotopes.2008,Vo1.66: 1419—1426. [3]曾志,苏健等.海水放射性监测装置研制及初步测 试结果[J].辐射防护.2013年】月,第33卷(1): 46—53. 近理想值。在实际测量时,探测系统中还有探 测器自身本底、宇宙射线、屏蔽体Pb中的放射 性核素等影响,系统比活度检出限要比模拟值 偏大。论文设计和模拟得到的系统参数,为内 陆水体放射性监测系统的构建提供技术参数和 1 32 [4]潘孝兵等.NaI(11)就地探测器测量海水中” cs 与 I的蒙特卡罗模拟研究[J].现代应用物理. 2014年9月,第5卷(3):177—181. [5]杨立涛等.海洋 谱连续监测方法模拟[J].核技 术.2016.39(3). 1999 Vo1.50:733—741. [9]张庆贤.航空 能谱特征和仪器谱解析方法研究 [D].成都:成都理工大学.2010. [1O]张铁柱,谭涪江等.四川省水体中天然放射性核素 浓度调查[J].辐射防护.1992(4):304—310. [11]陈伯显等.核辐射物理及探测学[M].北京:清华 大学工程物理系.2004年2月修改版. [6]Vlastou.Monte Carlo simulaiton ofY—ray spectra from natural radionuclides recorded by a NaI detector in the marine en ̄ronment[J].Applied Radiation and Iso- topes.2006 Vo1.64:116—123. [7]Tsabaris.On line gamma—ray sectprometry at open sea[J].Applied Radiation and Isotopes.2005 Vo1. 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The Design and Simulation of Online Continuous Water Radioactivity Monitoring System ZHAO Kui,ZHANG Qin—xian,SHI Cong,XU Yang,ZHANG ji—an,PENG Yi,GE Liang—quan (The CoUege of Nuclear Technology and Automation Engineering of Chengdu University of Technology,Chengdu 610059) Abstract:This paper designs an online continuous water radioactivity monitoring system and takes Monte Carlo simulation results to optimize design of the system parameters.This paper calculates the sensitivity coefficients of‘31I、。 Cs、60Co under diferent water thicknesses and determines the optimal system volume in consideration of cost.According to Sichuan province natural radionuclide concentration,this paper obtains the decision thresholds.detect limits and quantiifcation limits of‘ I、‘”Cs、60 Co.These results will provide technical refer. ence for constructing an online continuous water radioactivity monitoring system. Key words:the water radioactivity;sensitiviyt;decision limit l33