錢 楠,顧衛(wèi)國,王 川,王德忠,*
(1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240;2.中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江海鹽 314300)
雙探測(cè)位置分段γ掃描系統(tǒng)研究
錢 楠1,顧衛(wèi)國1,王 川2,王德忠1,*
(1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240;2.中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江海鹽 314300)
本文以雙探測(cè)位置的分段γ掃描技術(shù)為基礎(chǔ),建立了環(huán)放射源探測(cè)效率的理論計(jì)算方法,其能根據(jù)放射源所處的實(shí)際位置實(shí)時(shí)計(jì)算出探測(cè)效率。在此基礎(chǔ)上研發(fā)了一套探測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)廢物桶的自動(dòng)化探測(cè)。使用該系統(tǒng)對(duì)單個(gè)及多個(gè)60Co和137Cs及聚氨酯和木頭組成的模擬桶進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量單個(gè)及多個(gè)放射源活度相對(duì)誤差平均值分別為10%和7.9%,優(yōu)于使用傳統(tǒng)分段γ掃描技術(shù)的探測(cè)結(jié)果,最后根據(jù)測(cè)量環(huán)境估算了探測(cè)系統(tǒng)的最小探測(cè)限。
分段γ掃描;放射性廢物;探測(cè)效率;等效環(huán)形放射源
隨著核電事業(yè)的發(fā)展,核電廠運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量放射性廢物。這些放射性廢物按其物理性狀分為氣載廢物、液體廢物和固體廢物3類。放射性廢物經(jīng)固化和減容后,存于水泥桶或金屬桶中[14]。這些放射性廢物桶在進(jìn)行運(yùn)輸和最終處置前,必須對(duì)其所含有的放射性物質(zhì)進(jìn)行甄別和測(cè)量,確定放射性物質(zhì)種類及活度。分段γ掃描技術(shù)為應(yīng)用最廣泛的廢物桶無損探測(cè)技術(shù)之一[56],使用該技術(shù)對(duì)放射性廢物桶測(cè)量時(shí),廢物桶被劃分為若干層,每層內(nèi)的填充物質(zhì)和放射性物質(zhì)都均勻分布。在測(cè)量時(shí),廢物桶勻速旋轉(zhuǎn)以使廢物桶內(nèi)填充物質(zhì)及放射性物質(zhì)分布接近其基本假設(shè),探測(cè)器位于每個(gè)測(cè)量層中心位置并對(duì)廢物桶進(jìn)行逐層測(cè)量。該技術(shù)測(cè)量時(shí)間短,但對(duì)于填充材料及放射性物質(zhì)分布不均勻的廢物桶的測(cè)量精度較差,這限制了其在核電廠中的應(yīng)用。在進(jìn)行分段γ掃描技術(shù)的自吸收修正時(shí),主要有3種方法得到探測(cè)器的探測(cè)效率:實(shí)驗(yàn)方法,蒙特卡羅方法及數(shù)值方法[7]。通過實(shí)驗(yàn)方法獲得探測(cè)效率有非常大的局限性;使用蒙特卡羅方法可計(jì)算任意尺寸、任意形狀和任意能量的放射源的探測(cè)效率,但使用蒙特卡羅方法計(jì)算一個(gè)廢物桶的探測(cè)效率所需的時(shí)間是數(shù)值方法的幾十倍甚至上百倍,若將其應(yīng)用于分段γ掃描技術(shù)中時(shí),無法實(shí)現(xiàn)探測(cè)效率的實(shí)時(shí)計(jì)算;數(shù)值方法可解決蒙特卡羅方法所不能解決的問題,它能實(shí)現(xiàn)計(jì)算任意尺寸、任意形狀和任意能量的放射源的探測(cè)效率。本文使用雙探測(cè)位置分段γ掃描技術(shù),通過對(duì)環(huán)放射源建立分析數(shù)值計(jì)算模型,實(shí)現(xiàn)環(huán)放射源的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)計(jì)算。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并制造使用單探測(cè)器的雙探測(cè)位置分段γ掃描技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。
圖1 雙探測(cè)位置的分段γ掃描技術(shù)原理Fig.1 Sketch of two-measurement position segmented gamma scanning
圖1為雙探測(cè)位置的分段γ掃描技術(shù)原理圖。分段γ掃描技術(shù)適用于每層內(nèi)的物質(zhì)及放射性核素分布均勻的廢物桶。但實(shí)際上,廢物桶內(nèi)的放射性核素多呈熱點(diǎn)分布[8]。當(dāng)使用分段γ掃描技術(shù)對(duì)廢物桶進(jìn)行測(cè)量時(shí),桶內(nèi)熱點(diǎn)也隨桶勻速旋轉(zhuǎn),該熱點(diǎn)可等效為一個(gè)環(huán)形放射源。若能確定等效環(huán)形放射源的半徑,即可準(zhǔn)確地得到其探測(cè)效率,進(jìn)而計(jì)算出放射源的活度。劉誠等[9]的研究結(jié)果表明,當(dāng)放射源在1層時(shí),若兩個(gè)探測(cè)位置選擇適當(dāng),兩處計(jì)數(shù)率之比與放射源半徑r的函數(shù)(F(r))為單調(diào)函數(shù)。
通過兩處計(jì)數(shù)率比值及F(r)函數(shù)可求得該環(huán)放射源的等效半徑r′,進(jìn)而計(jì)算出該放射源的探測(cè)效率;再根據(jù)式(1),計(jì)算出該層的放射性核素總活度。其中:C為探測(cè)器測(cè)到的計(jì)數(shù)率;I0為層內(nèi)對(duì)應(yīng)的放射性核素總活度;α為該能量射線對(duì)應(yīng)的分支比;E(r′)為等效半徑為r′的環(huán)放射源對(duì)探測(cè)器的全能峰探測(cè)效率。
圖2為探測(cè)效率數(shù)值計(jì)算方法的計(jì)算模型。該模型主要由準(zhǔn)直器、探測(cè)器、鋼桶及桶內(nèi)填充物質(zhì)組成。放射源位于桶內(nèi)的C處。O、A及B分別表示廢物桶的中心、廢物桶中心在探測(cè)器軸線上的投影及放射源在探測(cè)器軸線上的投影;acol為準(zhǔn)直器窗口寬度;rd為探測(cè)器半徑;lcol為準(zhǔn)直器長度;d0為廢物桶中心至探測(cè)器表面的距離;dx為放射源至探測(cè)器表面的距離;dy為放射源至探測(cè)器軸線的距離;dn為放射源至探測(cè)器表面中心點(diǎn)的距離;rs為放射源至桶中心的距離;l為射線束在物質(zhì)內(nèi)的平均徑跡長度;下角p和w分別表示桶內(nèi)的填充材料和桶壁。
圖2 探測(cè)效率數(shù)值計(jì)算方法的計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of numerical method for detection efficiency
計(jì)算放射源位于C處的探測(cè)效率時(shí),首先計(jì)算放射源位于A處的探測(cè)效率,再將放射源位于A處的探測(cè)效率轉(zhuǎn)化為放射源位于B處的探測(cè)效率,最后將放射源位于B處的探測(cè)效率轉(zhuǎn)化為目標(biāo)位置的探測(cè)效率。A處的探測(cè)效率可通過數(shù)值計(jì)算或蒙特卡羅方法獲得。當(dāng)dx遠(yuǎn)大于rd時(shí),可推出其探測(cè)效率ε與d2x呈反比。因此,A、B兩點(diǎn)的探測(cè)效率有如下關(guān)系:
當(dāng)放射源位于B、C兩處時(shí),放射源距探測(cè)器表面距離相同,則這兩個(gè)位置探測(cè)效率的差別主要由射線束照射到的探測(cè)器有效面積和探測(cè)器的本征效率不同引起的,兩者之間的關(guān)系可表示為:
其中:Cor為探測(cè)器吸收率修正因子;Sdn為射線束照射至探測(cè)器端面的有效面積;Sdet為探測(cè)器端面面積。
點(diǎn)放射源的探測(cè)效率ε(dn)可由式(4)[10]計(jì)算得到:
其中:μ為質(zhì)量吸收系數(shù);ρ為物質(zhì)密度。
在測(cè)量過程中放射源隨廢物桶旋轉(zhuǎn),因此點(diǎn)放射源等效于環(huán)放射源。環(huán)放射源的探測(cè)效率計(jì)算公式可通過對(duì)點(diǎn)放射源的探測(cè)效率函數(shù)進(jìn)行環(huán)積分推導(dǎo)出:
其中,Cir為環(huán)放射源的曲線函數(shù)。由于積分函數(shù)較復(fù)雜,通常將整個(gè)環(huán)放射源離散為許多點(diǎn)放射源,這些點(diǎn)放射源的探測(cè)效率的平均值即為該環(huán)放射源的探測(cè)效率。式(5)可寫為:
2.1 有效探測(cè)區(qū)域
根據(jù)放射源與探測(cè)器的位置關(guān)系,有效探測(cè)區(qū)域分為圖3所示的幾種形式(陰影部分表示有效探測(cè)區(qū)域,線框代表射線束在探測(cè)器表面形成的投影,圓代表探測(cè)器晶體),其中:δ為相交區(qū)域弓形部分所對(duì)應(yīng)的圓周角;g為相交區(qū)域弓形部分所對(duì)應(yīng)的弦;a、b分別為探測(cè)器與放射源投影面的交點(diǎn)。根據(jù)各有效探測(cè)區(qū)域的不同形狀,可分解為圓、弓形(對(duì)應(yīng)面積為S1與S2)、三角形的組合。各有效探測(cè)區(qū)域面積的計(jì)算公式為:
圖3 方準(zhǔn)直孔準(zhǔn)直的探測(cè)器有效照射面Fig.3 Active detector surface illuminated by collimation with square window
2.2 探測(cè)器吸收率修正因子
放射源在不同位置發(fā)射出的射線束在探測(cè)器晶體內(nèi)的平均徑跡長度不同,導(dǎo)致不同位置的放射源到達(dá)探測(cè)器的射線束被探測(cè)器晶體吸收的概率不同。式(6)中的ε(d0)包含了A處的探測(cè)器吸收率。因此,在計(jì)算圓周上離散點(diǎn)的探測(cè)效率時(shí)需對(duì)各位置的探測(cè)器吸收率進(jìn)行修正,此修正系數(shù)即為Cor。探測(cè)器吸收率根據(jù)比爾定律及點(diǎn)放射源的射線束在晶體內(nèi)平均徑跡長度計(jì)算得到。首先在探測(cè)器表面布置n0個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn),判斷哪些點(diǎn)在探測(cè)器的有效照射區(qū)域內(nèi),然后計(jì)算出各基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的探測(cè)器徑跡長度,計(jì)算其平均徑跡長度li(rs),則Cor可表示為:
2.3 模擬計(jì)算結(jié)果
根據(jù)式(6)~(8)對(duì)半徑為0、5、10、15、20、25cm的環(huán)放射源進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并將其計(jì)算結(jié)果與MCNP計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較(圖4)。相對(duì)誤差最大為3%,最小為0.1%。因此,使用該數(shù)值方法計(jì)算所得的探測(cè)效率精度可達(dá)到分段γ掃描技術(shù)的要求。
圖4 環(huán)放射源探測(cè)效率數(shù)值計(jì)算及MCNP計(jì)算結(jié)果Fig.4 Detection efficiencies of circle source calculated by numerical method and MCNP
使用雙探測(cè)位置的分段γ掃描技術(shù)對(duì)廢物桶進(jìn)行探測(cè)時(shí),廢物桶需勻速旋轉(zhuǎn),使桶內(nèi)放射性物質(zhì)近似于環(huán)放射源。選定勻速旋轉(zhuǎn)速度時(shí)需考慮廢物桶旋轉(zhuǎn)不滿整數(shù)圈時(shí)帶來的測(cè)量誤差。本工作中廢物桶旋轉(zhuǎn)速度為14r/min。在此速度下,當(dāng)測(cè)量時(shí)間最小為150s時(shí),因廢物桶旋轉(zhuǎn)不滿整數(shù)圈所產(chǎn)生的測(cè)量相對(duì)誤差將小于3%。此誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很小。此外,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還需實(shí)現(xiàn)外放射源與探測(cè)器同時(shí)升降。
整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(圖5)分為機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng),廢物桶的重量上限為500kg,既可通過電腦遠(yuǎn)程控制,也可通過操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制。通過控制系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行實(shí)現(xiàn)廢物桶的勻速旋轉(zhuǎn)及探測(cè)器和放射源的精確定位,移動(dòng)部件的定位精度達(dá)到1mm/m,旋轉(zhuǎn)部件的定位精度達(dá)到1°/r。
圖5 雙探測(cè)位置的分段γ掃描技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Detector system of two-measurement position segmented gamma scanning
3.1 機(jī)械系統(tǒng)
雙探測(cè)位置的分段γ掃描機(jī)械系統(tǒng)由基座、放射源升降臺(tái)、探測(cè)器升降臺(tái)和廢物桶旋轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成?;鶠檎麄€(gè)設(shè)備提供統(tǒng)一的基準(zhǔn)面,方便設(shè)備搬運(yùn)及水平定位。放射源升降臺(tái)和探測(cè)器升降臺(tái)基本結(jié)構(gòu)一致,均使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)升降臺(tái)升降。探測(cè)器升降臺(tái)有一可移動(dòng)平臺(tái),可根據(jù)不同探測(cè)器及準(zhǔn)直器尺寸調(diào)整探測(cè)器與廢物桶的距離,使探測(cè)器的測(cè)量效果最佳。廢物桶旋轉(zhuǎn)臺(tái)由廢物桶旋轉(zhuǎn)部件和移動(dòng)部件組成。旋轉(zhuǎn)部件同樣使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),并通過減速器增加伺服電機(jī)扭矩。在旋轉(zhuǎn)部件頂部有一卡盤,能將廢物桶定位于旋轉(zhuǎn)部件中心,減小廢物桶偏心對(duì)實(shí)驗(yàn)帶來的誤差。旋轉(zhuǎn)部件整體坐落于旋轉(zhuǎn)臺(tái)移動(dòng)部件上,由該移動(dòng)部件的伺服電機(jī)對(duì)其進(jìn)行定位。
3.2 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)如圖6所示。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種運(yùn)行模式,其運(yùn)行指令分別由服務(wù)器和控制柜發(fā)出。探測(cè)系統(tǒng)主要運(yùn)行于自動(dòng)控制模式,手動(dòng)模式主要用于探測(cè)系統(tǒng)的調(diào)試。服務(wù)器和控制柜發(fā)出的指令均通過PLC實(shí)現(xiàn),再由PLC向伺服器發(fā)出運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)伺服器完成運(yùn)行任務(wù)后,伺服器返回完成信號(hào)至PLC,最后由PLC返回完成信號(hào)至服務(wù)器和控制柜,探測(cè)器的運(yùn)行則完全由服務(wù)器控制。當(dāng)探測(cè)器及廢物桶移動(dòng)至指定位置后,服務(wù)器調(diào)用探測(cè)器控制軟件向多道分析器發(fā)出探測(cè)指令,并實(shí)時(shí)采集探測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)探測(cè)器完成測(cè)量任務(wù)后,服務(wù)器自動(dòng)對(duì)所測(cè)得的譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并保存處理結(jié)果,之后向PLC發(fā)出運(yùn)行指令,將探測(cè)器及廢物桶移動(dòng)到指定位置后再次發(fā)出探測(cè)指令,如此循環(huán)直至完成全部測(cè)量任務(wù)。通過該控制系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)放射性廢物桶的自動(dòng)探測(cè),探測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析,使得操作人員遠(yuǎn)離放射性物質(zhì),減少人與放射性物質(zhì)接觸時(shí)間,降低工作人員的照射劑量,提高了安全性。
4.1 實(shí)驗(yàn)工況
實(shí)驗(yàn)中使用的填充材料為直徑56cm、高10cm的聚氨酯和高密度板圓柱體,填充材料的密度分別為0.3g/cm3和0.7g/cm3。在圓柱體中央有寬2cm、深7cm的槽道。實(shí)驗(yàn)時(shí),放射源置于槽道內(nèi)不同位置,即可模擬放射源在廢物桶內(nèi)任意位置的情況。采用137Cs和60Co模擬桶內(nèi)的放射源,所使用的探測(cè)器為HPGe探測(cè)器,探測(cè)器表面距廢物桶中心53cm。探測(cè)器前置有一鉛準(zhǔn)直器,準(zhǔn)直器長15cm,準(zhǔn)直孔截面為6cm×6cm的正方形,準(zhǔn)直孔距桶壁面10cm。測(cè)量時(shí),探測(cè)器測(cè)量位置為正對(duì)桶中心及偏離桶中心17.5cm。采用該位置時(shí)F(r)函數(shù)具有足夠理想的單調(diào)性。
4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
將放射源放置于距桶中心0、12、24cm處,使用該系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量。各位置重建出的放射源活度列于表1。使用分段γ掃描技術(shù)分析的樣品活度最大相對(duì)誤差為126%,平均相對(duì)誤差為39%。使用雙探測(cè)位置的分段γ掃描技術(shù)分析的樣品活度最大相對(duì)誤差為17.6%,平均相對(duì)誤差為10%,均明顯優(yōu)于分段γ掃描技術(shù)的結(jié)果。
當(dāng)有多個(gè)放射源時(shí),各位置重建出的放射源活度列于表2。使用分段γ掃描技術(shù)分析的樣品活度最大相對(duì)誤差為81.2%,平均相對(duì)誤差為33.5%。而使用雙探測(cè)位置的分段γ掃描技術(shù)分析的樣品活度最大相對(duì)誤差為23.6%,平均相對(duì)誤差為7.9%,均明顯優(yōu)于分段γ掃描技術(shù)的結(jié)果。同時(shí)可看出,當(dāng)放射源分布情況越接近理論假設(shè)情況時(shí),所得放射源活度誤差越小。
4.3 探測(cè)下限
圖6 控制系統(tǒng)原理圖Fig.6 Sketch of control system
表1 樣品測(cè)量活度Table 1 Measurement activity of sample
表2 多個(gè)放射源時(shí)樣品測(cè)量活度Table 2 Measurement activities of multiple samples
由于統(tǒng)計(jì)漲落的原因,當(dāng)全能峰凈計(jì)數(shù)很小時(shí),被測(cè)樣品有無放射性很難判定。選取凈計(jì)數(shù)Lc作為判斷限,其表示沒有放射性被誤判為具有放射性的臨界點(diǎn),計(jì)算公式為:
其中:K與發(fā)生錯(cuò)誤的概率有關(guān);Nb為測(cè)量時(shí)本底計(jì)數(shù)。
由于全能峰計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)漲落有可能使測(cè)到的凈計(jì)數(shù)小于判斷限Lc,以至于發(fā)生放射性漏記。放射性漏計(jì)限值LD可通過式(10)計(jì)算:被探測(cè)對(duì)象比活度下限ID可通過式(11)
計(jì)算得到:
其中:p為射線能量對(duì)應(yīng)的分支比;t為探測(cè)時(shí)間;Ef為射線對(duì)應(yīng)的探測(cè)效率。
探測(cè)器距桶中心53cm,放射源位于桶中心位置,所處的實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)放射性本底基本為零。置信概率為95%,測(cè)量時(shí)間為300s時(shí),通過式(11)可得到60Co和137Cs的探測(cè)下限分別為2.41Bq/kg和3.71Bq/kg。
本文建立了環(huán)放射源的探測(cè)效率理論計(jì)算模型,并將其用于分段γ掃描技術(shù)探測(cè)效率的實(shí)時(shí)計(jì)算,設(shè)計(jì)并制造了適用于雙探測(cè)位置的分段γ掃描技術(shù)的探測(cè)系統(tǒng),通過機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的組合實(shí)現(xiàn)了桶裝放射性廢物的自動(dòng)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理。探測(cè)系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作又可近距離手動(dòng)調(diào)試。移動(dòng)部件的定位精度達(dá)1mm/m,旋轉(zhuǎn)部件的精度達(dá)1°/r。為驗(yàn)證系統(tǒng)的性能,使用聚氨酯板和高密度板制作了模擬廢物桶,并將單個(gè)60Co及137Cs放射源放置在模擬廢物桶中不同位置進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量平均相對(duì)誤差達(dá)10%。并對(duì)有多個(gè)放射源的情況進(jìn)行了測(cè)量,其平均相對(duì)誤差為7.9%。該測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果優(yōu)于分段γ掃描系統(tǒng)的結(jié)果。通過計(jì)算得到在無本底的情況下,該系統(tǒng)測(cè)量60Co和137Cs的探測(cè)下限分別為2.41Bq/kg和3.71Bq/kg。
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Research of Two-measurement Position Segmented Gamma Scanning System
QIAN Nan1,GU Wei-guo1,WANG Chuan2,WANG De-zhong1,*
(1.School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.Nuclear Power Operations Management Co.,Ltd.,Haiyan314300,China)
Based on the two-measurement position segmented gamma scanning,the efficiency calculation method of the circular radioactivity source was deduced.According to the source position,its detection efficiency could be calculated in time by this method.A new detection system was built on this basis,which could automatically detect the waste drums.This system was used to measure the simulated waste drums,which was composed of single and multiple60Co and137Cs in polyurethane and wood.The average relative errors of single source and multiple sources are 10%and 7.9%,respectively.The result was better than that measured by the traditional segmented gamma scanning.At last the minimum detection limit of the system was estimated according to the measurement environment.
segmented gamma scanning;radioactive waste;detection efficiency;equivalent circle radioactive source
TL816
:A
:1000-6931(2015)01-0147-07
10.7538/yzk.2015.49.01.0147
2013-11-13;
2014-02-28
博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20120073130009);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11175118);上海交通大學(xué)青年教師科研起步基金資助項(xiàng)目(13X100040089)
錢 楠(1985—),男,江蘇武進(jìn)人,博士研究生,核能科學(xué)與工程專業(yè)
*通信作者:王德忠,E-mail:dzwang@sjtu.edu.cn