海水原位γ能谱快速检测方法初步研究

摘要

为贯彻落实海洋强国战略部署，提升我国海洋环境安全保障能力，围绕“沿海核电安全”的科学发展目标，针对沿海核电站邻近海域可能发生的放射性泄漏事件，建立核电站在正常和事故情况下液态排放物的监测方法和自动监测系统，以及开展应急响应、快速跟踪监测的研究。而当前我国的海洋γ放射性监测方式是现场采样和实验室γ能谱分析的方式，无法对海洋放射性环境进行实时在线的监测和预警。水下原位γ能谱分析的方法已经在国外被广泛用来监测海洋中的γ放射性核素。本论文基于国家重点研发计划重点专项子课题“主要放射性核素现场快速检测设备研究”展开。目前使用的水下原位γ能谱仪基本是基于碘化钠探测器的，具有能量分辨率不足的缺陷。近年来，新型溴化镧探测器以其优异的能量分辨率而具有在很多场合代替传统的碘化钠探测器的可能，但溴化镧自身含有放射性。高纯锗也是近年发展起来的测量能量范围宽，分辨率高的探测器，但在使用时需要液氮制冷或电制冷，并且针对高纯锗探测器前端精密电子学和后续数字化处理等相关技术方法的研究，国内的研究水平还远远落后于国外先进技术。所以文章选用溴化镧探测器作为主探测器。
　　本研究通过符合测量来降低溴化镧自身放射性影响。并通过研制前端快电子学电路和后续脉冲成形、基线恢复、重叠脉冲分离和谱线处理等数字处理方法，最终实现基于溴化镧探测谱仪的数字化多道能谱处理系统。海水中放射性检测，除了自身单元仪器结构和性能指标的影响，系统还会受到的工作环境本底、康普顿散射和宇宙射线的干扰，影响测量的精确度。在海水原位γ能谱测量的过程中，会受到较强的康普顿闪射影响，即使是单能的γ射线，测量到的能谱也会变成一个很分散很宽的能谱。针对该情况本课题拟采用数字多道脉冲幅度反符合处理方法，抑制康普顿坪台，降低系统积分本底，提升系统峰康比，进而提高系统的综合技术指标。本文采用的反符合模型是外面用Φ130×400mm的井形塑料闪烁体探测谱仪作为符合探测谱仪，主探测器采用Φ75×75mm溴化镧。主要工作原理是塑料闪烁体上的脉冲信号先进行符合处理再与溴化镧探测器中的信号进行反符合处理，由于塑料闪烁体只做γ计数而不能做能谱分析，所以只有当溴化镧探测器采集到信号而塑料闪烁体符合后无脉冲信号输出时，FPGA中才会对主探测器中的信号进行记录，并进行后续的脉冲成谱。通过实验分析可知，测量时间、探测距离以及核素γ射线发射概率会直接影响探测器测量结果。通过实验发现，将双符合谱仪放置在合适的测量位置可减小本底计数，从而降低最小可探测活度;γ射线能量、探测器晶体类型及体积会影响探测效率和本底计数，从而对最小可探测活度产生影响。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 课题背景与意义

1．2 国内外对海水中γ放射性核素测量研究现状

1．2．1 国外海水γ放射性检测研究

1．2．2 国内海水γ放射性检测研究

1．3 任务来源与研究内容

1．4 论文结构安排

第2章 海水原位γ能谱测量原理及探测器

2．1 海水中放射性核素

2．1．1 天然放射性核素

2．1．2 人工放射性核素

2．2 γ射线与物质相互作用原理

2．2．1 光电效应

2．2．2 康普顿效应

2．2．3 电子对效应

2．2．4 三种效应比较

2．3 符合反符合测量原理

2．4．1 探测器对比

2．4．2 实测探测脉冲信号

2．5 本章小结

第3章 双符合探测系统

3．1．2 塑料闪烁谱仪

3．1．3 光电倍增管

3．2 塑料-溴化镧符合测量原理

3．3 硬件设计

3．3．1 光电倍增管分压电路设计

3．3．2 塑料闪烁体放大电路设计

3．3．3 溴化镧放大电路设计

3．4 数字电路

3．5 本章小结

第4章 低本底γ能谱测量的应用

4．1 不同尺寸溴化镧探测器测试

4．1．1 φ75×75mm溴化镧探测器性能测试

4．1．2 φ20×20mm溴化镧探测器性能测试

4．1．3 能量和道址线性关系测试

4．1．4 发光衰减时间

4．2 塑料闪烁探测器

4．3 双符合系统测量结果

4．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间获得学术成果