海水放射性傳感器溫度漂移校正方法研究

石巖 張穎穎 吳丙偉 馮現(xiàn)東 王奕斐 畢海杰

摘 要：基于NaI（ Tl） 閃爍晶體探測方法研制而成的海水放射性傳感器是目前國內(nèi)外開展海洋放射性核素原位自動監(jiān)測的主要技術(shù)手段，但海水放射性傳感器在海上長期連續(xù)運行時，測量得到的海水伽馬能譜數(shù)據(jù)會受到環(huán)境溫度影響而發(fā)生漂移。開展環(huán)境溫度梯度變化條件下的海水放射性傳感器測量實驗，分析海水放射性傳感器測量得到的伽馬能譜數(shù)據(jù)隨環(huán)境溫度變化而發(fā)生的漂移規(guī)律，通過將峰位道址漂移表達為溫度的二次函數(shù)關(guān)系，進而提出了基于環(huán)境溫度變化的伽馬能譜漂移校正方法。經(jīng)實驗室空氣環(huán)境和水體環(huán)境實驗驗證，空氣環(huán)境校正后峰位道址漂移不超過±2 道，水體環(huán)境校正后峰位道址漂移不超過±3 道，可以滿足海水放射性傳感器連續(xù)測量伽馬能譜的溫度漂移校正需求。

關(guān)鍵詞：海水放射性傳感器;溫度漂移;能譜校正

中圖分類號：TL817;X834 文獻標識碼：A

隨著核科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，核能在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。核能在使用過程中會排放廢氣、廢水和廢物等污染物，極端情況下會發(fā)生核事故向環(huán)境中釋放人工放射性核素。鑒于海洋核污染事故對海洋環(huán)境的影響，開展海洋放射性環(huán)境監(jiān)測受到國際社會高度關(guān)注?；贜aI（Tl） 閃爍晶體探測方法研制而成的海水放射性傳感器因為具備自動、連續(xù)觀測的優(yōu)點，成為目前海洋放射性環(huán)境原位自動監(jiān)測的主要技術(shù)手段[1] 。

海水放射性傳感器主要由NaI（Tl）閃爍晶體、光電倍增管、前置放大器、數(shù)字脈沖多道分析器、控制模塊、電源模塊和接口模塊組成。當海水中的伽馬射線照射到海水放射性傳感器時，NaI（Tl）閃爍晶體會發(fā)出熒光，光電倍增管收集熒光并轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，通過前置放大和整形，然后進入數(shù)字脈沖多道分析器進行分析從而產(chǎn)生伽馬能譜數(shù)據(jù)[2-3] 。

海水放射性傳感器在海上長期連續(xù)運行時環(huán)境溫度會發(fā)生變化，而海水放射性傳感器內(nèi)部NaI（Tl）閃爍晶體[4] 、光電倍增管和其他電子元器件均具有溫度效應(yīng)[5-7] 。所以，測量得到的伽馬能譜會受到溫度變化的影響而發(fā)生漂移[8] ，進而對伽馬能譜解析以實現(xiàn)海水中多種放射性核素的自動甄別與定量檢測帶來困難甚至導(dǎo)致錯誤[9] 。因此，對海水放射性傳感器長期連續(xù)測量得到的伽馬能譜數(shù)據(jù)實施溫度漂移校正十分重要[10-11] 。

傳統(tǒng)NaI（Tl）晶體放射性傳感器用于陸地放射性環(huán)境測量時，采用的伽馬能譜溫度漂移校正方法主要分為兩類，第一類是在傳感器內(nèi)部增加參比標準源測量等模塊，通過調(diào)整傳感器的高壓或增益等硬件參數(shù)設(shè)置實現(xiàn)伽馬能譜溫度漂移校正，通常會增加測量系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的復(fù)雜性[12-14] ;第二類是對測量得到的伽馬能譜數(shù)據(jù)進行算法校正，無需改變傳感器的硬件設(shè)計和結(jié)構(gòu)，無需引入?yún)⒈葮藴试矗瑧?yīng)用方便靈活[15-17] 。海水放射性傳感器實際工作場合為海上長期自動化監(jiān)測平臺，所以第二類漂移校正方法更加適合海水放射性傳感器長期原位運行的要求。

本文通過開展海水放射性傳感器的溫度實驗，研究和分析環(huán)境溫度導(dǎo)致的伽馬能譜漂移規(guī)律，通過建立峰位道址漂移對溫度的響應(yīng)模型，從而建立伽馬能譜漂移校正方法，實現(xiàn)海水放射性傳感器的溫度漂移校正，并進一步通過實驗考察和評估校正方法的有效性和可執(zhí)行性。

1 實驗設(shè)計

1. 1 實驗裝置與方式

實驗所使用的海水放射性傳感器基于NaI（Tl） 閃爍晶體探測方法研制而成，工作溫度為-5～50 ℃ ，形成的伽馬能譜道數(shù)為1 024 道。為了實時準確地監(jiān)測海水放射性傳感器測量環(huán)境的溫度變化，在海水放射性傳感器內(nèi)部安裝溫度測量模塊，溫度測量模塊以緊貼NaI（Tl）閃爍晶體的方式固定。因為海水放射性傳感器能量刻度時的溫度環(huán)境是25 ℃ ，所以將伽馬能譜溫度漂移校正的參考溫度設(shè)置為25 ℃ ，此溫度下的伽馬能譜作為參考伽馬能譜，特征峰作為參考特征峰，峰位道址作為參考峰位道址。

溫度實驗分別利用高低溫實驗箱和水浴式高低溫實驗箱兩種實驗裝置，開展空氣環(huán)境和水體環(huán)境兩種不同介質(zhì)的實驗，具體實驗指標列于表1。由于海水放射性傳感器外殼及自身發(fā)熱等因素影響導(dǎo)致其內(nèi)外環(huán)境溫度存在差異，為了保證海水放射性傳感器充分感應(yīng)環(huán)境的溫度變化[18] ，到達每一個溫度點后，穩(wěn)定時間大于1 h 后再進行伽馬能譜測量，單次伽馬能譜的測量時間為1 h。

伽馬能譜發(fā)生溫度漂移是海水放射性傳感器內(nèi)部所有功能模塊整體溫度效應(yīng)的結(jié)果。進行溫度實驗時，需要將海水放射性傳感器整體放入溫度實驗裝置內(nèi)[19] 。為了保證實驗時海水放射性傳感器的相對位置不發(fā)生改變，在高低溫實驗箱進行實驗時，使用扎帶綁定的方式將海水放射性傳感器固定在高低溫實驗箱內(nèi)部;在水浴式高低溫實驗箱進行實驗時，使用鋼架配重的方式將海水放射性傳感器固定在水浴式高低溫實驗箱內(nèi)部。

1. 2 伽馬能譜漂移規(guī)律實驗

自然環(huán)境當中廣泛分布著放射性物質(zhì)，其中40 K（1 461 keV）和208 Tl（2 614 keV）能夠在伽馬能譜中產(chǎn)生較為明顯的天然特征峰[20] ，所以，在高低溫實驗箱中進行溫度實驗時，設(shè)計使用40 K（1 461 keV）和208 Tl（2 614 keV） 兩個天然特征峰來觀察和研究溫度對峰位道址的影響。在- 5 ～50 ℃ 溫度變化范圍內(nèi)設(shè)置溫度變化梯度為5 ℃ 。

考慮實驗數(shù)據(jù)的有效性和可重復(fù)性，每個溫度點40 K（1 461 keV）和208 Tl（2 614 keV）的峰位道址取各自多次實驗的平均值，即平均峰位道址。高低溫實驗箱溫度從50 ℃ 降至-5 ℃ 為降溫過程，從-5 ℃ 升至50 ℃ 為升溫過程。每次實驗將降溫過程和升溫過程視為一個測量循環(huán)周期，以研究和分析峰位道址漂移規(guī)律在不同溫度變化過程中的情況，從而更準確地建立伽馬能譜溫度漂移校正方法。

1. 3 校正方法驗證實驗

建立伽馬能譜溫度漂移校正方法后，先使用高低溫實驗箱進行空氣環(huán)境的校正方法驗證實驗，以初步評估所建立的校正方法的有效性和準確性?？諝猸h(huán)境驗證實驗所使用的漂移伽馬能譜數(shù)據(jù)獲取方式與1. 1 節(jié)相同。

為了更好地模擬海水放射性傳感器在水體環(huán)境中的工作狀態(tài)，將校正方法寫入海水放射性傳感器的數(shù)據(jù)處理程序后，在水浴式高低溫實驗箱中進行海水放射性傳感器水體環(huán)境溫度實驗，以驗證校正方法能否在水體環(huán)境中對伽馬能譜溫度漂移進行有效校正。使用水浴式高低溫實驗箱進行驗證實驗時，在0～50 ℃ 溫度變化范圍內(nèi)設(shè)置溫度變化梯度為5 ℃ 。水浴式高低溫實驗箱溫度從50 ℃ 降至0 ℃ 為降溫過程，從0 ℃ 升至50 ℃ 為升溫過程。每次實驗將降溫過程和升溫過程視為一個測量循環(huán)周期，進行重復(fù)多次實驗，以充分驗證校正方法的有效性和準確性。

2 溫度漂移規(guī)律與校正方法

2. 1 溫度漂移規(guī)律

將海水放射性傳感器放入高低溫實驗箱內(nèi)，然后將高低溫實驗箱的溫度升至50 ℃ ，以5 ℃ 為溫度變化梯度開始降溫實驗，當溫度降至- 5 ℃時，以相同溫度變化梯度開始升溫實驗，直至溫度到達50 ℃ 結(jié)束實驗。多次測量循環(huán)周期實驗中，得到降溫過程和升溫過程的典型伽馬能譜漂移情況，如圖1 和圖2 所示。

從圖1 和圖2 可以看出，不論是降溫過程還是升溫過程，伽馬能譜均會隨著溫度的變化發(fā)生漂移。在-5 ～ 50 ℃ 溫度變化范圍內(nèi)，不同溫度的伽馬能譜與參考伽馬能譜相比，都發(fā)生了非常明顯的漂移。通過放大40 K（1 461 keV）和208 Tl（2 614keV）特征峰分析可知，漂移后的伽馬能譜由于特征峰道址區(qū)間發(fā)生了較大的偏移，將會給核素甄別工作帶來困難，并且可能會干涉其他放射性核素特征峰道址區(qū)間，對伽馬能譜解析造成不利影響，引起核素識別的誤判[21-22] 。

在分析伽馬能譜溫度漂移規(guī)律的基礎(chǔ)上，進一步對峰位道址漂移規(guī)律進行研究。圖3 和圖4分別為降溫過程和升溫過程40 K （ 1 461 keV）和208 Tl（2 614 keV）峰位道址隨溫度的變化情況。

從圖3 和圖4 可以看出，峰位道址隨溫度的漂移并非是簡單的線性關(guān)系。分析發(fā)現(xiàn)，不論是在降溫過程還是升溫過程中，15 ℃ 都是峰位道址隨溫度變化的拐點，即在15 ℃ 之前，峰位道址隨溫度的上升而增大;在15 ℃ 之后，峰位道址隨溫度的上升而減小。

通過對比分析降溫過程和升溫過程的峰位道址隨溫度的變化情況，發(fā)現(xiàn)在不同溫度變化過程中，相同核素峰位道址與溫度的定量關(guān)系具有極大的相似性。但海水放射性傳感器在實際工作處于某一溫度時，并不能確定此溫度是處于降溫過程還是升溫過程。因此，對于不同溫度變化過程中相同核素的峰位道址定量關(guān)系，可以取降溫過程和升溫過程的平均值，以提高校正模型的準確性。在相同溫度變化過程中，不同核素峰位道址漂移情況也具有極大的相似性。為了探究不同核素峰位道址隨溫度漂移情況之間的聯(lián)系，進而研究溫度變化對整個伽馬能譜范圍內(nèi)的影響，對不同溫度點40 K（1 461 keV）和208 Tl（2 614 keV）峰位道址進行歸一化處理，結(jié)果如圖5 所示。

3 方法驗證與討論

3. 1 空氣環(huán)境方法驗證

使用高低溫實驗箱重新進行多次測量循環(huán)周期的溫度實驗，獲取發(fā)生溫度漂移的伽馬能譜。按照2. 2 節(jié)提出的校正方法對漂移伽馬能譜進行校正。校正后，降溫過程和升溫過程的典型伽馬能譜如圖6 和圖7 所示。

從圖6 和圖7 可以看出，不同溫度的伽馬能譜重合在一起，整個伽馬能譜范圍均得到了有效校正，溫度變化對伽馬能譜的影響基本消除。通過放大的40 K （ 1 461 keV）、214 Bi （ 1 729、1 764、2 118、2 204 keV）和208 Tl（2 614 keV） 特征峰可以看出，對于伽馬能譜解析重要的道址區(qū)間，特征峰重合性較好，這給伽馬能譜的合成帶來的極大的便利性，從而使海上長期測量的伽馬能譜合成分析更加準確[23-24] 。在伽馬能譜的低能段，不同溫度的208 Tl（583 keV） 和214 Bi（609、885、960、1 120keV）特征峰也不再受溫度變化的影響。

為了更好地分析校正方法在空氣環(huán)境中的校正效果，表2 給出了降溫過程和升溫過程校正后典型的40 K（2 614 keV）和208 Tl（2 614 keV）峰位道址隨溫度的變化情況。從表2 中可以看出，峰位道址隨溫度的漂移已經(jīng)基本消除，校正后，不同溫度的峰位道址在參考峰位道址附近浮動，浮動最大道數(shù)不超過±2 道。

3. 2 水體環(huán)境方法驗證

將研究建立的伽馬能譜溫度漂移校正方法寫入海水放射性傳感器的數(shù)據(jù)處理程序后，為了更好地模擬海水放射性傳感器實際使用時海水的工作環(huán)境，使用水浴式高低溫實驗箱進行了水體環(huán)境的校正方法驗證。首先將水浴式高低溫實驗箱升溫至50 ℃ ，然后以5 ℃ 為溫度變化梯度開始降溫實驗，降至0 ℃ 時開始升溫實驗，當溫度到達50 ℃ 時結(jié)束實驗。

多次測量循環(huán)的驗證實驗中，典型的降溫過程和升溫過程伽馬能譜隨溫度漂移情況如圖8 和圖9 所示。

從圖8 和圖9 可以非常明顯地看出，校正后不同溫度的伽馬能譜重合在一起，整個伽馬能譜范圍均得到了有效校正。通過觀察放大的40 K（1 461 keV）、214 Bi（1 729、1 764、2 118、2 204 keV）和208 Tl（2 614 keV）特征峰，發(fā)現(xiàn)對于伽馬能譜解析重要的道址區(qū)間，不同溫度的伽馬能譜重合性較好。在伽馬能譜的低能段， 不同溫度的208 Tl（583 keV）和214 Bi（609、885、960、1 120 keV） 特征峰也同樣不再受溫度變化的影響。相比高低溫實驗箱的伽馬能譜數(shù)據(jù)，伽馬能譜計數(shù)變小的原因主要是水體對外界輻射環(huán)境具有一定的屏蔽作用。

水體環(huán)境伽馬能譜溫度漂移校正后，降溫過程和升溫過程典型的40 K（1 461 keV）和208 Tl（2 614keV）峰位道址隨溫度的變化情況列于表2?？梢钥闯?，峰位道址隨溫度的波動已經(jīng)基本消除，校正后，不同溫度的峰位道址在參考峰位道址上下浮動，浮動最大道數(shù)不超過±3 道。

4 結(jié)論

本文針對基于NaI（Tl）閃爍晶體探測方法研制而成的海水放射性傳感器，通過實驗分析方法對伽馬能譜的溫度漂移現(xiàn)象和峰位道址隨溫度的漂移規(guī)律進行了定性和定量的研究。研究發(fā)現(xiàn)，海水放射性傳感器在-5 ～ 50 ℃ 的工作溫度范圍內(nèi)，峰位道址的漂移情況為溫度的二次函數(shù)，漂移方向的溫度拐點為15 ℃ 。即當環(huán)境溫度低于15 ℃ 時，峰位道址隨溫度的升高而增大;當環(huán)境溫度高于15 ℃ 時，峰位道址隨溫度的升高而減小。研究提出的基于環(huán)境溫度變化的伽馬能譜溫度漂移校正方法確定算法參數(shù)值后，實際工作過程中無需使用參比標準源，僅需獲取測量環(huán)境的溫度值就能對整個伽馬能譜范圍進行有效校正。

通 過實驗室空氣環(huán)境和水體環(huán)境的實驗驗證，使用校正方法后不同溫度條件下的伽馬能譜以及特征峰的重合性較好，且峰位道址基本不隨溫度的變化發(fā)生漂移。空氣環(huán)境中峰位道址最大漂移道數(shù)為±2 道，水體環(huán)境中峰位道址最大漂移道數(shù)為±3 道。校正方法不局限于NaI（Tl）海水放射性傳感器，其他晶體類型和應(yīng)用環(huán)境的放射性傳感器也可使用，校正方法具有普適性。

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