第 50 卷 第 1 期 原 子 能 科 学 技 术 Vol.50,No.1 016 年 1 月 AtomicEnergyScienceandTechnology Jan.016 用 于 放 射 性 废 物 测 量 的 新 型 分 段 γ 扫 描 算 法 研 究 程 毅 梅, 刘 大 鸣, 何 丽 霞, 柏 ( 中 国 原 子 能 科 学 研 究 院 放 射 化 学 研 究 所, 北 京 10413) 磊 摘 要 : 本 文 介 绍 了 一 种 新 的 分 段 γ 扫 描 算 法, 该 算 法 在 不 采 用 标 准 样 品 校 准 的 条 件 下 实 现 对 待 测 样 品 放 射 性 核 素 活 度 和 质 量 的 计 算, 省 略 了 蒙 特 卡 罗 模 拟 所 需 的 探 测 器 表 征 和 大 量 在 线 计 算 及 标 准 样 品 校 准 环 节, 降 低 了 测 量 时 对 实 验 条 件 的 要 求, 提 高 了 测 量 系 统 的 工 作 效 率 本 文 所 提 出 的 新 算 法 考 虑 了 相 邻 层 的 层 间 串 扰 问 题, 在 一 定 程 度 上 解 决 了 近 场 测 量 中 层 间 串 扰 带 来 的 问 题 与 蒙 特 卡 罗 模 拟 结 果 进 行 对 比 和 分 析 后 发 现 : 二 者 在 层 高 较 小 时 符 合 较 好 实 际 测 量 数 据 的 计 算 结 果 与 标 称 值 之 间 的 相 对 偏 差 小 于 10%, 从 而 有 效 验 证 了 该 算 法 的 可 行 性 关 键 词 : 分 段 γ 扫 描 ; 层 间 修 正 ; 蒙 特 卡 罗 模 拟 ; 表 征 中 图 分 类 号 :O57 文 献 标 志 码 :A 文 章 编 号 :10006931(016)01016407 狅 犻 :10.7538/yzk.016.50.01.0164 犛 狋 狌 狔 狅 狀 犖 犲 狑 犛 犲 犵 犿 犲 狀 狋 犲 犌 犪 犿 犿 犪 犛 犮 犪 狀 犻 狀 犵 犃 犾 犵 狅 狉 犻 狋 犺 犿 犳 狅 狉 犚 犪 犻 狅 犪 犮 狋 犻 狏 犲 犠 犪 狊 狋 犲 犕 犲 犪 狊 狌 狉 犲 犿 犲 狀 狋 CHENG Yimei,LIU Daming,HELixia,BAILei ( 犇 犲 狆 犪 狉 狋 犿 犲 狀 狋 狅 犳 犚 犪 犻 狅 犪 犮 狋 犻 狏 犲 犆 犺 犲 犿 犻 狊 狋 狉 狔, 犆 犺 犻 狀 犪 犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲 狅 犳 犃 狋 狅 犿 犻 犮 犈 狀 犲 狉 犵 狔, 犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 10413, 犆 犺 犻 狀 犪 ) 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 : A new algorithm forsegmented gammascanning (SGS)technique was described,bywhichtheactivityofradionuclideandthemassofnuclearmaterialinthose unknownsamplescanbedetermined withoutcalibrationbystandardsample.mean while,itbypassedthedetectorcalibrationandthemassiveonlinecalculationwhichare neededinthemontecarlosimulation,omitedthestandardscalibration,improvedthe eficiencyofthemeasurementsystem,andreducedtherequirementsforthe measure mentofwastedrumsaswel.accordingtothenewalgorithm describedinthispaper, thewedgecorrectionhasalsobeenconsidered,which,tosomeextent,cansolvethose problemscausedbywedgeinterruptioninnearfieldmeasurement.analyzingandcom paringthenewalgorithmresultswiththeresultsofmontecarlosimulation,it sfound thatthesetwomethodsmatchwel,especialywiththesmalsegment.meanwhile,the relativedeviationbetweenthemeasureddataoftestsamplesandnominalvaluesisbelow 10%,whichefectivelyverifiesthefeasibilityofthisalgorithm. 收 稿 日 期 :0140814; 修 回 日 期 :014116 作 者 简 介 : 程 毅 梅 (1984 ), 女, 四 川 遂 宁 人, 助 理 研 究 员, 硕 士 研 究 生, 从 事 核 保 障 技 术 研 究
第１期 程毅梅等 用于放射性废物测量的新型分段 γ 扫描算法研究 １６５ 犓犲 狉 狊 ｓ ｅｇｍｅｎ ｅｄ ｇｍｍｓ ｃ ｎｎ ｎｇ ｗｅｄｇｅｃ ｏ ｅ ｃ ｏｎ Ｍｏｎ ｅ Ｃ ｌ ｏｓ ｍｕ ｌ ｏｎ 狔狑狅 ｃｈ ｃ ｅ ｚ ｏｎ 核 材 料 在 生 产 加 工 过 程 中 会 产 生 一 定 量 的可回收废料 根据核材料衡算控制的要求 这 些废料要通 过 非 破 坏 性 分 析 ＮＤＡ 方 法 予 以 测定 此外 核 设 施 在 长 期 运 行 以 及 退 役 过 程 中 均 会 产 生 大 量 放 射 性 废 物 对 这 些 放 射 性 废 物进 行 分 类 和 处 理 已 成 为 一 项 非 常 重 要 的 任务 犆Ｔ 犆ＭＣＦＡＴＣＦＲＬ １ 与 发 射 特 定 射 线 核 素 的 质 量 犕 呈 犆Ｔ γ 正比 犆Ｔ 犓犕 ２ 其中 犓 为 校 准 系 数 通 常 采 用 标 准 样 品 校 准 确定 由于桶装放射性废物内部介质分布的复杂 分段 γ 扫 描 ＳＧＳ 技 术 是 一 种 重 要 的 ＮＤＡ 方 法 早 在 ２０ 世 纪 ６０ 年 代 由 美 国 Ｌｏ ｓ Ａｌ ｍｏｓ国家实验室研究开发 主要适用于中低 行 废 物 桶 测 量 的 特 点 建 立 一 套 可 不 使 用 标 准 密度放射 性 废 物 的 测 量 本 文 将 基 于 ＳＧＳ 技 样品校准的算法 从而放宽对测量条件的要求 术 相 关 原 理 建 立 一 套 可 不 采 用 标 准 样 品 校 准 降低由标准样品与待测放射性废物的差异所导 而对废物桶中放射性物质活度及质量进行计算 致的测量误差 简化测量程序 的新型 ＳＧＳ 算法 １ 算法原理 中国原子能科学研究院核保障技术重点实 验室研发的 ＳＧＳ 装置的测量原理如图 １ 所示 性 很 难 制 作 与 待 测 放 射 性 废 物 一 致 的 标 准 样 品用于测 量 系 统 校 准 结 合 应 用 ＳＧＳ 技 术 进 新算法的核心思想是以数值计算代替校准 测量 避免传统 ＳＧＳ 算法中的标准样品校准环 节 新算法采用了以下两 点假 设 １ 假设 模型 中所采用的准直器为黑体 即理想准直器 尾部 紧贴 探 测 器 计 算 模 型 如 图 ２ 所 示 ２ 假 设 样 品桶内每层的放射性活度分布以及介质分布 均匀 图 ２ 新算法的计算模型 图 １ ＳＧＳ 测量原理图 Ｆ １ Ｓｃｈｅｍ ｃｄ ｇ ｍｏ ｆｓｇｓｍｅ ｓｕ ｅｍｅｎ ｇ ＳＧＳ 技术 主 要 通 过 透 射 测 量 和 自 发 射 测 量 得 到 被 测 核 素 的 种 类 及 含 量 从 而 实 现 定 量 测量 其中 透 射 测 量 可 得 到 每 层 介 质 对 特 定 能量 γ 射线的透 射 率 从 而 计 算 出 每 层 介 质 的 线 吸 收 系 数 进 而 得 到 该 层 介 质 的 自 吸 收 修 正 因子 ＣＦＡＴ 自发射测量则可得到样品 γ 射线计 数率的测量值 犆Ｍ 通过对其进行 γ 射线吸收修 正和死时 间 修 正 修 正 因 子 ＣＦＲＬ 理 论 上 效 率 校 正 因 子 也 是 考 虑 因 素 之 一 但 本 文 不 对 此 讨论 即可得到修正后的总计数率 犆Ｔ １ Ｆ ２ Ｍｏｄｅ ｌｄｏｐ ｅｄ ｎｎｅｗ ｌ ｈｍ ｇ ｇｏ １ １ 探测器等效作用深度 ２ 计算 等效作用深度的计算基于等效点探测器的 概念 等效点探测器是假设在大体积锗探测器 内总可找到与用探测器对放射源进行测量时所 产生 的 总 体 平 均 响 应 相 当 的 １ 个 点 探 测 器 在 该点的探测效率与整个探测器的平均效率等 效 探测器端窗表面到该点的距离为等效作用 深度 探测器等 效 作 用 深 度 如 图 ３ 所 示 对 于 不同能量的 γ 射 线 其 在 晶 体 中 的 等 效 作 用 深 度不同 因此 本 文 将 射 线 从 样 品 到 探 测 器 的 距离定义为射线从样品到探测器等效作用深度
166 原 子 能 科 学 技 术 第 50 卷 点 的 距 离 图 3 探 测 器 等 效 作 用 深 度 示 意 图 Fig.3 Schematicdiagram forequivalentinteractiondepthindetector 根 据 平 方 反 比 法 则, 计 数 率 可 写 成 如 下 形 式 : 犆 狀 ( 犈 )= 犽 ( 犚 狀 + 狓 ) (3) 其 中 : 犆 狀 ( 犈 ) 为 在 距 探 测 器 表 面 犚 狀 处 对 能 量 犈 的 γ 射 线 测 得 的 计 数 率, 狀 =1, 对 应 于 图 3 中 点 源 位 置 1 ; 犽 为 待 定 常 数 ; 狓 为 等 效 作 用 深 度 由 式 (3) 可 得 到 等 效 作 用 深 度 为 : 狓 = ( 犚 1 槡 犆 1( 犈 )/ 犆 ( 犈 )- 犚 )/ (1- 槡 犆 1( 犈 )/ 犆 ( 犈 )) (4) 显 然, 狓 为 能 量 的 函 数, 能 量 越 高, 等 效 作 用 深 度 越 大 1 效 率 计 算 SGS 技 术 的 一 特 点 是 将 测 量 对 象 按 圆 柱 体 对 称 轴 进 行 分 段 测 量, 在 准 直 孔 确 定 的 情 况 下, 与 所 测 当 前 层 相 邻 的 层 对 测 量 所 得 计 数 率 的 贡 献 会 使 分 析 产 生 偏 差, 即 串 扰 问 [3] 题, 模 型 如 图 4 所 示 图 4 中 当 前 层 厚 度 与 准 直 孔 尺 寸 相 同, 在 实 际 计 算 中, 对 当 前 层 厚 度 的 选 择 应 有 所 控 制, 层 厚 小 于 准 直 孔 尺 寸 则 会 带 来 更 多 的 邻 近 层 串 扰, 从 而 为 计 算 过 程 带 来 更 大 的 误 差 累 积 ; 层 厚 大 于 准 直 张 角 范 围 则 会 使 当 前 层 出 现 盲 区, 即 存 在 无 法 被 探 测 器 探 测 到 的 区 域 由 于 存 在 层 间 串 扰, 针 对 每 层 犻 测 得 的 计 Fig.4 图 4 串 扰 模 型 Wedgeinterruptionmodel 数 率 犆 M, 犻 ( 犈 ) [4], 有 : 犆 M, 犻 ( 犈 )= 犆 T, 犻 ( 犈 )Ef 犻 ( 犈 )+ 犻 ± 犼 max 犆 T, 犼 ( 犻, 狕 ( max ) 犈 )Ef 犼 ( 犻, 狕 ( max ) 犈 )Rv 犼 ( 犻, 狕 (5) max ) 犼 = 犻 ±1 其 中 : 犻 和 犼 分 别 为 所 测 当 前 层 和 与 其 相 邻 的 邻 近 层 ; 犆 T, 犻 ( 犈 ) 和 犆 T, 犼 ( 犻, 狕 ( max ) 犈 ) 分 别 为 当 前 层 和 其 邻 近 层 经 修 正 后 的 总 计 数 率 ; 狕 max 为 探 测 器 所 能 探 测 到 的 桶 外 沿 狕 轴 最 大 坐 标, 它 决 定 了 对 当 前 层 测 量 产 生 影 响 的 邻 近 层 范 围 ;Ef 犻 ( 犈 ) 和 Ef 犼 ( 犻, 狕 ( max ) 犈 ) 分 别 为 当 前 层 和 邻 近 层 的 探 测 效 率 ;Rv 犼 ( 犻, 狕 为 邻 近 层 对 当 前 层 造 成 影 响 的 max ) 体 积 占 整 层 体 积 的 比 这 样, 式 (5) 中 的 等 式 右 边 第 1 项 为 不 考 虑 邻 近 层 影 响 的 当 前 层 实 测 计 数 率, 第 项 则 为 所 有 与 当 前 层 相 邻 的 层 在 当 前 层 测 量 时 的 附 加 计 数 率 贡 献 探 测 效 率 Ef( 犈 ) 除 受 几 何 效 率 和 吸 收 修 正 影 响 外, 还 受 探 测 器 本 征 效 率 的 影 响, 因 此 很 难 通 过 计 算 直 接 得 到 引 入 探 测 器 对 每 层 中 心 点 的 探 测 效 率 Ef 0 ( 犈 ), 将 每 层 的 任 意 点 均 等 效 到 中 心 点, 这 样, 式 (5) 就 可 变 成 : 犆 M, 犻 ( 犈 )= 犆 T, 犻 ( 犈 )Ef 0 ( 犈 ) Ef 犻 ( 犈 ) Ef 0 ( 犈 ) + 犻 ± 犼 max 犆 T, 犼 ( 犻, 狕 ( max ) 犈 )Ef 0 ( 犈 ) Ef 犼 ( 犻, 狕 ( max ) 犈 ) 犼 = 犻 ±1 Ef 0 ( 犈 ) Rv 犼 ( 犻, 狕 max ) = 犆 0, 犻 ( 犈 ) ξ 犻 + 犻 ± 犼 max 犆 0, 犼 ( 犻, 狕 ( max ) 犈 ) ξ 犼 ( 犻, 狕 )Rv max 犼 ( 犻, 狕 (6) max ) 犼 = 犻 ±1 其 中 : 犆 0( 犈 )= 犆 T( 犈 )Ef 0 ( 犈 ), 为 每 层 等 效 到 中 心 点 后 的 总 计 数 率 ; ξ = Ef ( 犈 ) ξ s Ef 0 ( 犈 ) =ξl = ξl, 为 ξ 0 ξ s ξ 0 每 层 等 效 到 中 心 点 的 相 对 探 测 效 率, 其 中, ξ s 为 探 测 器 的 本 征 效 率, ξ l 为 除 去 本 征 效 率 外 整 层 的 探 测 效 率, ξ 0 为 层 中 心 的 探 测 效 率 这 样, 假 设 样 品 桶 分 为 狀 层, 由 式 (5) 可 得 到 效 率 方 程 : 烄 犆 M,1( 犈 ) 烌 烄 ξ 11 ξ 1Rv1 ξ 1 狀 Rv 1 狀 烌 犆 M,( 犈 ) ξ = 1Rv1 ξ ξ 狀 Rv 狀 烆 犆 M, 狀 ( 犈 ) 烎 烆 ξ 狀 1Rv 狀 1 ξ 狀 Rv 狀 ξ 烄 犆 0,1( 犈 ) 烌 犆 0,( 犈 ) 烆 犆 0, 狀 ( 犈 ) 烎 狀 狀 烎 (7)
第 1 期 程 毅 梅 等 : 用 于 放 射 性 废 物 测 量 的 新 型 分 段 γ 扫 描 算 法 研 究 167 对 于 上 面 的 矩 阵 方 程, 采 用 合 适 的 解 方 程 方 [5] 法, 如 高 斯 消 去 法 就 可 解 出 样 品 桶 各 层 等 效 到 中 心 点 后 的 总 计 数 率 犆 0, 犻 ( 犈 ) 然 后 利 用 探 测 器 对 桶 中 心 点 处 能 量 的 探 测 效 率 对 其 进 行 标 准 化 就 可 得 到 每 层 经 修 正 后 的 总 计 数 率 该 算 法 的 前 提 是 将 每 层 空 间 中 的 点 均 等 效 到 该 层 的 中 心 点 上, 由 于 探 测 器 表 面 是 一 圆 面, 而 准 直 在 圆 面 上 所 构 成 的 几 何 形 态 类 似 于 矩 形, 假 设 射 线 打 到 该 矩 形 面 上 的 任 意 位 置 均 是 等 效 的, 因 此, 将 该 几 何 形 态 简 化 为 矩 形 后, 就 可 得 到 探 测 器 对 于 层 中 心 点 ( 无 介 质 情 况 下 ) 的 效 率 为 : ξ 0 =Ω ( 犎 )AT( 狓, 狔, 狕 ) (8) 其 中 :AT( 狓, 狔, 狕 ) 为 自 衰 减 修 正 系 数, 无 介 质 时 其 为 1;Ω( 犎 ) 为 几 何 效 率,Ω( 狊 犎 )= = 4π 犎 Δ 4π, 狊 为 以 样 品 桶 中 心 到 探 测 器 空 间 距 离 为 半 径 所 张 立 体 角 对 应 的 矩 形 面 积, 犎 为 准 直 器 高 度,Δ 为 准 直 与 探 测 器 相 切 的 宽 度, 即 矩 形 的 长 边, 考 虑 到 射 线 与 探 测 器 表 面 的 接 触 情 况, 将 该 矩 形 面 积 近 似 为 立 体 角 对 应 的 探 测 器 反 应 截 面 1) 当 前 层 效 率 计 算 当 前 层 中 任 意 点 犘 的 几 何 效 率 为 : 狊 ( 犎 - 犔 ) 犛 cosα Ω = = 4π 犺 4π 犺 (9) 槡 1+ 其 中 : 狊 ( 犎 - 犔 ) 为 反 应 截 面, 为 探 测 器 可 见 部 分 犎 - 犔 的 函 数, 犔 为 对 于 采 样 点 而 言 的 探 测 器 不 可 见 部 分 ; 犺 为 采 样 点 到 探 测 器 的 空 间 距 离 ; 犛 为 探 测 器 可 见 部 分 面 积, 犛 =( 犎 - 犔 )Δ; =( 狕 + 犔 /)/,(1+ ) - 1 为 纵 切 面 上 采 样 点 到 探 测 器 连 线 与 样 品 桶 中 心 到 探 测 器 连 线 夹 角 的 余 弦 ;α 为 横 截 面 上 采 样 点 到 探 测 器 连 线 与 样 品 桶 中 心 到 探 测 器 连 线 的 夹 角 考 虑 介 质 对 当 前 层 中 任 意 点 的 衰 减 为 e - μρ 犻 狋, 任 意 点 等 效 到 层 中 心 点 犆 的 总 效 率 为 : ξ 犘 犆 = ξ 犘 ξ 0 cosα = 犳 犺 槡 1+ e- μρ 犻 狋 (10) 其 中 : 犛 犳 = 犎 Δ = 犎 - 犔, 为 探 测 器 可 见 部 分 面 积 犎 占 整 个 准 直 孔 围 成 的 探 测 器 总 面 积 的 比 例 ; ρ 犻 为 犻 层 密 度 ; 狋 为 采 样 点 在 样 品 桶 内 所 经 过 的 空 间 路 径 长 度 对 于 整 个 犻 层, 等 效 后 的 效 率 因 子 应 在 整 个 犻 层 的 体 积 范 围 犞 内 进 行 积 分 求 平 均 : 犞 ξ 犻 = ξl, 犻 = ξ 0 犳 cosα/ 槡 1+ 犺 exp(-μρ 犻 狋 )d 狓 d 狔 d 狕 犞 (11) ) 邻 近 层 效 率 计 算 对 邻 近 层 中 任 意 点 而 言, 将 其 修 正 到 当 前 层 中 心 点 上 的 效 率 的 表 达 式 与 式 (10) 相 同 此 外, 对 于 邻 近 层, 积 分 只 需 在 会 对 当 前 层 产 生 贡 献 的 体 积 犞 上 进 行 即 可 在 该 体 积 上 求 平 均, 就 可 得 到 邻 近 层 等 效 后 的 效 率 : 犞 ξ 犼 ( 犻, 狕 max ) = 犳 cosα/ 槡 1+ 犺 exp(-μρ 犻 狋 )d 狓 d 狔 d 狕 犞 (1) 对 于 邻 近 层 而 言, 还 需 考 虑 1 个 体 积 比 例 因 子, 即 Rv 犼 ( 犻, 狕, 因 max ) Rv 犼 ( 犻, 狕 )= 犞 / 犞, 于 是 : max ξ 犼 ( 犻, 狕 max ) Rv 犼 ( 犻, 狕 犞 13 犼 ( 犻, 狕 max ) max ) =ξ1, Rv 犼 ( 犻, 狕 ξ 0 max ) = 犳 cosα/ 槡 1+ 犺 exp(-μρ 犻 狋 )d 狓 d 狔 d 狕 质 量 计 算 犞 (13) 得 到 每 层 经 修 正 后 的 总 计 数 率 后, 可 通 过 对 各 层 进 行 求 和 得 到 整 个 桶 中 放 射 性 核 素 的 质 量 : seg seg 犕 = 犕 犻 = 犻 =1 犻 =1 犜 1/ 犆 T, 犻 ( 犈 ) BR( 犈 )Ef 0, 犻 ( 犈 ) 犃 (14) ln 6.0 10 3 其 中 :BR( 犈 ) 为 该 能 量 γ 射 线 发 射 率 ;Ef 0, 犻 ( 犈 ) 为 探 测 器 对 每 层 中 心 点 的 绝 对 探 测 效 率, 在 确 定 所 测 射 线 能 量 后 探 测 器 对 各 层 中 心 点 的 绝 对 探 测 效 率 是 一 致 的 ; 犜 1/ 为 感 兴 趣 放 射 性 核 素 的 半 衰 期 ; 犃 为 感 兴 趣 放 射 性 核 素 的 相 对 原 子 质 量 ;seg 为 分 层 数 算 法 验 证 1 蒙 特 卡 罗 [6] 模 拟 验 证 蒙 特 卡 罗 模 拟 计 算 时 采 用 0L 标 准 废 物
168 原 子 能 科 学 技 术 第 50 卷 桶 几 何 尺 寸, 令 桶 中 心 到 探 测 器 表 面 的 距 离 为 68cm, 设 准 直 孔 高 cm 深 0cm, 探 测 器 表 面 到 晶 体 有 效 部 分 的 距 离 为 0.36cm( 包 括 铝 壳 厚 度 0.15cm, 铝 壳 内 表 面 到 晶 体 的 距 离 0.15cm, 晶 体 外 死 层 厚 度 0.06cm) 在 该 验 证 实 验 中, 介 质 分 别 采 用 密 度 为 1.0g/cm 3 的 水 0.97 g/cm 3 的 聚 乙 烯 和 0.53g/cm 3 的 聚 乙 烯 颗 粒 计 算 中, 层 高 取 ~8cm, 其 中,cm 为 准 直 孔 的 高 度,8cm 则 为 探 测 器 能 探 测 到 样 品 桶 的 最 大 高 度 针 对 以 上 介 质 和 分 层 范 围, 由 于 第 邻 近 层 对 于 当 前 层 的 贡 献 普 遍 小 于 10%, 因 此, 主 要 对 第 1 邻 近 层 对 当 前 层 的 影 响 进 行 了 对 比 研 究 模 拟 计 算 采 用 的 模 型 如 图 5 所 示 图 5 蒙 特 卡 罗 模 拟 计 算 模 型 Fig.5 ModelforMonteCarlosimulationcalculation 对 于 第 1 邻 近 层 对 当 前 层 的 贡 献, 蒙 特 卡 罗 模 拟 (MC) 数 据 与 计 算 数 据 的 对 比 如 图 6 所 示 从 以 上 结 果 可 看 到, 在 相 同 的 计 算 模 型 中, 计 算 结 果 与 蒙 特 卡 罗 模 拟 的 结 果 在 扫 描 层 高 较 小 的 情 况 下 符 合 较 好, 当 层 高 4.5cm 时, 相 对 偏 差 均 小 于 10%, 说 明 该 方 法 具 有 一 定 的 可 靠 性 对 于 4.5cm 以 上 的 层 高 而 言, 随 着 层 高 增 大, 模 拟 数 据 与 计 算 数 据 之 间 的 相 对 偏 差 均 逐 渐 变 大, 且 个 别 层 高 处 出 现 了 凹 陷 现 象, 造 成 这 种 现 象 的 主 要 原 因 如 下 : 1) 图 6 的 第 1 邻 近 层 对 当 前 层 的 贡 献 中, 层 高 4~5cm 处 存 在 舒 缓 的 拐 点, 拐 点 后 的 第 1 邻 近 层 贡 献 减 少 ; ) 由 于 拐 点 后 第 1 邻 近 层 的 贡 献 减 少, 使 得 计 算 值 与 模 拟 值 的 绝 对 计 数 值 均 很 低, 从 而 形 成 了 数 学 意 义 上 的 两 个 小 数 ; 3) 基 于 原 因 1, 从 图 6 可 看 出, 尽 管 拐 点 后 不 同 层 高 处 两 组 数 据 符 合 较 好, 但 由 于 计 数 绝 对 值 很 小, 会 产 生 相 对 偏 差 较 大 或 较 小 的 情 况 某 些 层 高 处 出 现 的 相 对 偏 差 较 小 的 情 况 即 属 于 此 类 实 验 验 证 根 据 实 验 室 现 有 条 件, 针 对 标 准 废 物 桶 内 不 同 放 射 源 ( 铀 金 属 片 含 铀 纤 维 ) 与 介 质 ( 聚 乙 烯 切 片 聚 乙 烯 颗 粒 金 属 ), 组 合 了 7 组 测 量 对 象 ( 表 1) 进 行 实 验 图 6 计 算 数 据 与 蒙 特 卡 罗 模 拟 数 据 比 较 Fig.6 Comparisonofcalculationresultand MonteCarlosimulationresult
第 1 期 程 毅 梅 等 : 用 于 放 射 性 废 物 测 量 的 新 型 分 段 γ 扫 描 算 法 研 究 169 表 1 测 量 对 象 犜 犪 犫 犾 犲 1 犕 犲 犪 狊 狌 狉 犲 狊 犪 犿 狆 犾 犲 序 号 源 描 述 介 质 每 层 测 量 时 间 /s 1 铀 金 属 片.65g(0.65g(10 块 )) 聚 乙 烯 切 片 ( 约 0.1g/cm 3 ) 100 含 铀 纤 维 1) 5g 聚 乙 烯 切 片 ( 约 0.1g/cm 3 ) 100 3 铀 金 属 片.65g(0.65g(10 块 )) 聚 乙 烯 颗 粒 ( 约 0.5g/cm 3 ) 100 4 铀 金 属 片.65g(0.65g(10 块 )) 金 属 ) ( 约 0.5g/cm 3 ) 100 5 含 铀 纤 维 1) 5g 金 属 ) ( 约 0.5g/cm 3 ) 100 6 铀 金 属 片.65g(0.65g(10 块 ))+ 含 铀 纤 维 1) 5g 聚 乙 烯 切 片 ( 约 0.1g/cm 3 ) 600 7 铀 金 属 片.65g(0.65g(10 块 ))+ 含 铀 纤 维 1) 5g 聚 乙 烯 颗 粒 ( 约 0.5g/cm 3 ) 600 注 :1) 在 纤 维 上 洒 满 金 属 铀 粉 末, 然 后 将 这 种 纤 维 密 封 在 塑 胶 袋 中, 其 体 积 近 似 于 1 个 足 球 大 小 ) 金 属 块 随 意 放 置 在 样 品 桶 内 实 验 采 用 DSPEC Plus 谱 仪,HPGe 探 测 器, 深 10.8cm 高 5.7cm 的 准 直 器, 升 降 及 旋 转 平 台 和 00L 标 准 废 物 桶 实 验 时 桶 中 心 与 探 测 器 表 面 距 离 为 53.8cm, 测 量 层 高 选 择 与 准 直 器 高 度 一 致 的 5.7cm 放 射 源 在 介 质 中 任 意 放 置 1) 透 射 测 量 由 于 透 射 源 所 发 出 的 γ 射 线 能 量 必 须 穿 过 整 个 测 量 对 象, 因 此 所 选 择 的 透 射 源 需 具 有 足 够 高 能 量 的 射 线 ; 同 时 为 避 免 由 于 核 素 半 衰 期 过 短 而 导 致 透 射 源 的 频 繁 更 换, 透 射 源 的 半 衰 [7] 期 也 是 选 择 的 因 素 之 一 基 于 以 上 原 则, 实 验 选 择 的 透 射 源 为 133 Ba 实 验 中, 透 射 测 量 与 自 发 射 测 量 同 时 进 行 透 射 测 量 中, 由 于 介 质 均 已 知, 通 过 参 考 峰 356keV 的 透 射 率, 查 表 得 到 该 能 量 射 线 在 [8] 不 同 介 质 下 的 质 量 衰 减 系 数, 就 可 分 别 得 到 不 同 介 质 的 密 度 ; 再 查 表 得 到 所 需 能 量 (185.7keV) 在 不 同 介 质 中 的 质 量 衰 减 系 数, 即 得 到 该 能 量 射 线 在 不 同 介 质 中 的 线 衰 减 系 数 在 实 际 工 作 中, 由 于 测 量 桶 内 的 介 质 未 知, 因 此, 需 进 行 多 能 量 的 透 射 测 量, 然 后 对 透 射 率 进 行 拟 合 插 值, 从 而 得 到 特 定 能 量 射 线 在 样 品 桶 介 质 内 的 线 衰 减 系 数 ) 测 量 结 果 及 分 析 对 实 验 得 到 的 自 发 射 数 据, 结 合 本 文 提 出 的 算 法 进 行 处 理 后, 得 到 的 测 量 结 果 列 于 表 由 以 上 结 果 可 看 到, 对 受 实 验 条 件 限 制 而 测 量 时 间 较 短 的 前 5 组 实 验, 测 量 结 果 振 荡 相 对 较 大 ; 后 两 组 实 验 在 测 量 时 间 充 分 的 情 况 下, 测 量 结 果 与 标 称 值 的 相 对 偏 差 均 在 10% 以 内 造 成 这 些 现 象 的 主 要 原 因 如 下 表 测 量 结 果 犜 犪 犫 犾 犲 犕 犲 犪 狊 狌 狉 犲 狉 犲 狊 狌 犾 狋 序 号 质 量 标 称 值 /g 质 量 测 量 值 /g 相 对 偏 差 /% 1.65 1.57-40.75 5.00 4.93-1.40 3.65.91 9.80 4.65.1-16.60 5 5.00 6.66 33.0 6 1.65 11.34-10.36 7 1.65 1.75 0.79 (1) 较 短 的 测 量 时 间 使 γ 谱 全 能 峰 的 净 计 数 不 足, 从 而 导 致 测 量 的 统 计 误 差 较 大, 尤 其 是 对 于 前 6 组 实 验, 实 验 统 计 误 差 均 大 于 1%, 从 而 在 矩 阵 求 解 过 程 中 形 成 误 差 累 积, 影 响 测 量 结 果 () 所 采 用 介 质 与 放 射 源 的 组 成 问 题 如 对 第 1 组 实 验, 放 置 在 介 质 中 的 铀 金 属 片 密 度 较 大, 而 周 围 介 质 密 度 较 小 ; 而 另 一 组 偏 差 较 大 的 实 验, 则 是 由 于 样 品 结 构 中 采 用 了 块 状 的 金 属 介 质, 使 桶 内 有 较 大 空 腔, 这 使 得 样 品 中 介 质 密 度 分 布 均 匀 性 不 佳 3 结 论 本 文 结 合 桶 装 放 射 性 废 物 的 特 点, 基 于 SGS 技 术 相 关 原 理, 建 立 了 可 不 采 用 标 准 样 品
170 原 子 能 科 学 技 术 第 50 卷 校 准 而 对 废 物 桶 中 放 射 性 物 质 活 度 及 质 量 进 行 计 算 的 新 型 SGS 算 法 该 算 法 引 入 了 探 测 器 等 效 作 用 深 度 的 概 念, 并 基 于 这 个 概 念 通 过 效 率 的 数 值 计 算 实 现 了 待 测 样 品 放 射 性 核 素 活 度 和 质 量 的 计 算, 从 而 省 略 了 标 准 样 品 校 准 环 节, 有 效 降 低 了 标 准 样 品 与 待 测 样 品 之 间 的 差 异 性 对 测 量 结 果 的 影 响 ; 同 时 通 过 对 γ 射 线 层 间 串 扰 修 正 的 考 虑, 在 一 定 程 度 上 降 低 了 层 间 串 扰 对 测 量 结 果 的 影 响 在 与 蒙 特 卡 罗 模 拟 计 算 进 行 对 比 时 发 现, 计 算 结 果 与 模 拟 计 算 结 果 符 合 较 好 同 时 通 过 实 验 测 量 发 现, 对 于 介 质 和 放 射 性 分 布 均 匀 性 较 好 的 样 品, 在 保 证 足 够 测 量 时 间 后 经 该 算 法 测 量 得 到 的 放 射 性 核 素 质 量 与 标 称 值 之 间 的 偏 差 在 桶 装 放 射 性 废 物 SGS 测 量 的 可 接 受 范 围 内, 能 满 足 测 量 要 求, 因 此 该 算 法 可 作 为 介 质 和 放 射 性 分 布 均 匀 性 较 好 的 桶 装 放 射 性 废 物 SGS 测 量 算 法 的 一 种 选 择 参 考 文 献 : [1] PARKERJL.Theuseofcalibrationstandards andthecorrectionforsampleselfatenuationin gammaraynondestructiveassay,la10045[r]. USA:LosAlamosNationalLaboratory,1986. [] NOTEA A.TheGe(Li)spectrometerasapoint detector[j].nuclearinstrumentsand Methods, 1971,91:513515. [3] 郜 强, 王 仲 奇, 王 奕 博, 等. 分 层 γ 扫 描 层 间 串 扰 影 响 研 究 [J]. 原 子 能 科 学 技 术,011,45(): 1116. GAO Qiang,WANGZhongqi,WANG Yibo,et al.wedgedisturbingefectofsegmentedgamma scanner[j].atomicenergyscienceandtechnol ogy,011,45():1116(inchinese). [4] 程 毅 梅. 放 射 性 废 物 测 量 中 γ 射 线 衰 减 修 正 方 法 研 究 [D]. 北 京 : 中 国 原 子 能 科 学 研 究 院,010. [5] 李 庆 扬, 王 能 超, 易 大 义. 数 值 分 析 [M].4 版. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社, 施 普 林 格 出 版 社,006. [6] 许 淑 艳. 蒙 特 卡 罗 方 法 在 实 验 核 物 理 中 的 应 用 [M]. 北 京 : 原 子 能 出 版 社,006. [7] 王 奕 博. 分 段 γ 扫 描 系 统 无 源 刻 度 技 术 研 究 [D]. 北 京 : 中 国 原 子 能 科 学 研 究 院,009. [8] 汲 长 松. 核 辐 射 探 测 器 及 其 实 验 技 术 手 册 [M]. 版. 北 京 : 原 子 能 出 版 社,007.