基于正比计数器的气态氚测量及标定方法研究

摘要

氚(3H)作为氢的一种放射性同位素，可自发衰变产生β射线，若大量吸入氚会对人体产生内照射危害，因此，在核电站周围、核动力运行堆以及相关核设施基地，都需要对环境大气中的氚样进行监测。近年来由于核技术产业的快速发展，尤其是人类开展氢弹等核武器试验以后，释放的氚量曾达到天然氚量的200倍，导致大气中氚浓度迅速升高。70年代后环境中的氚浓度有所下降，目前天然氚浓度约为1.4×10-3Bq/m3。气态氚浓度测量中由于缺少标准气态氚源，因此对测量结果的标定显得尤为重要。利用内充气正比计数器测量氚活度浓度是目前国际上公认的高精度β活度绝对测量方法，能够高效快捷准确地得到测量结果。但同时面临着正比计数器探测结果的标定和优化问题。
　　本文基于实验室自主研发的一套氚浓度测量装置，在大量实验数据的基础上分析了氚浓度测量的影响因素及标定方法，将蒙卡模拟结果与实验测量值相结合，对比研究氚浓度测量的影响因子。采用电离室校正和端效应、壁效应校正多种方法对测量结果进行了研究分析，提高了测量结果的准确度，为环境大气中氚浓度的测量提供一定的参考价值。
　　主要研究内容和结论如(下)(1)为了较好地研究电子在正比计数器中的电离过程及影响因子，采用蒙特卡罗方法模拟不同工作气体组成、不同工作气体压强、添加屏蔽体后正比计数器内计数率变化。模拟结果显示气体样品组分（P20、P15、P10、P5、纯氩）改变对计数率的影响较小;压强从100kPa下降到50kPa时，相对不确定度为1.12％，超过200kPa后壁效应影响值小于1％;探测系统添加反符合探测器—塑料闪烁体后，总计数减小了83.54％，大大降低系统本底。从而通过模拟结果进一步优化了测量系统。
　　(2)对正比计数器测量氚浓度进行实验研究。将自主设计研制的气态氚浓度测量仪抽真空之后，充入计数气体和工作气体进行测量。研究不同正比计数器的本底值、系统稳定性和高压坪曲线，以及不同浓度氚测量曲线，确定各支正比计数器的最佳工作条件。
　　(3)对实验结果进行分析，采用电离室探测器对测量结果进行标定，研究不同浓度的氚测量标定方法。同时采用内充气体积相减法进行氚浓度的绝对测量，高浓度氚样和低浓度氚样由长度补偿引入的不确定度分别为1.19％、0.65％。由压强与计数率的关系研究壁效应损失值，其相对不确定度为13.1％，远超模拟结果，此时的壁效应损失不能忽略。通过对端效应和壁效应影响的相关校正分析实现了对正比计数器氚测量的标定方法研究。
　　本文的主要创新点主要有:
　　(1)将蒙特卡罗模拟结果与实验结果相对照，共同分析氚浓度测量中壁效应的影响。在正比计数器外镶套反符合装置，通过模拟结果优化测量装置。
　　(2)在系统稳定性评价研究中增加了长时间测量对氚的β谱峰相对位置变化的影响。利用谱峰相对位置的变化与传统的三倍方差法结合共同评价氚测量系统稳定性。
　　(3)对未知浓度氚样测量时，考虑到正比计数器存在探测上限，首先采用电离室进行初步测量，对高浓度氚样需进行稀释后再用正比计数器进行精确测量。
　　(4)在标定方法研究中，优先采用电离室对测量结果进行标定，建立测量值与实验值的标准曲线。并通过长度补偿法消除端效应，工作气体压强变化与计数率之间的关系求得壁效应值，共同标定测量结果。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容

1．3．1 蒙特卡罗模拟正比计数器测氚

1．3．2 气态氚浓度测量系统

1．3．3 性能测试及氚浓度测量

1．3．4 标定方法研究

1．4 主要研究成果

第2章 氚浓度测量相关理论基础

2．1 氚的放射性

2．1．1 β射线与物质的相互作用

2．1．2 氚的半衰期

2．1．3 氚的最大能量和能谱分布

2．1．4 氚在物质中的射程

2．2 氚的测量方法

2．2．1 电离室

2．2．2 正比计数器

2．2．3 液体闪烁计数器

2．3 本底扣除系统-反符合探测器

2．3．1 反符合电路

2．3．2 反符合原理

2．4 蒙特卡罗模拟粒子输运

2．4．1 蒙特卡罗方法简介

2．4．2 蒙特卡罗方法解决粒子输运问题

第3章 正比计数器的蒙特卡罗模拟

3．1 不同工作气体模拟

3．2 不同压强模拟

3．3 反符合探测器屏蔽系统模拟

3．4 小结

第4章 正比计数器氚浓度测量

4．1 测量系统

4．2 基础性能测试

4．2．1 系统本底

4．2．2 系统稳定性

4．2．3 坪曲线特性

4．3 不同浓度氚样测量

4．4 小结

第5章 正比计数器氚测量方法标定

5．1 电离室表征正比计数器测量结果

5．2 相关参数校正分析

5．2．1 端效应分析

5．2．2 壁效应分析

5．3 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果