用于确定沉积在海床中的放射性活动的方法和设备

摘要

本发明涉及一种用于在水介质底部中放射性活动测量的设备(1)，所述设备包括用于放射性探测器(2)的密封的箱体(20)，形成截锥的装置(4)，所述截锥包含允许待被所述放射性探测器(2)测量的辐射穿过的材料，所述截锥包括短基部(44)和长基部(42)，该长基部形成用于待被测量的辐射的入口面(42)，该锥体以密封的方式组装到所述箱体中，所述短基部(44)放置在探测器入口面的一侧，并且所述长基部(42)设计为朝向所述水介质放置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种设计为确定沉积在水介质中的底部沉积物的放射性活动的 方法和系统，例如在湖底、海床或者河床，也可以在河口水底或者一个核站点 的储存池中。

例如，要求确定沉积在诸如水介质中的底部沉积物的放射性活动，并确定 这些底部沉积物的伽马能谱。

背景技术

在重大核事故的情况下，放射性核素从反应堆中逸出，并结合“粘土”类 天然元件形成长期相对稳定的复合物。这种现象在铯134和铯137的情况下尤 为重要，根据事故情况，铯134和铯137通常是在事故发生后能保留几个月的 唯一显著的放射性元素。粘土颗粒通过风暴中的水自然逐渐流走，因此集中在 湖泊、河流和河口的沉积区，携带污染水的废水也流入其中。

在超过几米的深度和/或在浑浊的水里，这种污染很难，甚至不可能采用常 规手段测量，例如利用在其中一端装有伽马探测器的杆的手段。

在做这种测量时，出现几个技术问题。

第一个问题是在超过5米(最深达1000米)的深度进行测量。因此，为了 有临界值和与具有满意统计精度的现实计数次数(每测量点百秒量级)相配的 探测范围，尝试限制由于探针和探测器间的水厚度而产生的衰减。

另一个问题是能够在没有沉积物干扰下相对于底部放置探针，以避免与产 生寄生虫计数的水中悬浮沉积物相关的测量误差。

另一个问题是能够保证测量点位置的精确性和再现性，优先在最近处，以 便待处理的表面能够被定位，并且底部沉积物的变化能够被检测。

因此，需要一种新设备和新的测量方法去确定或评估沉积在水介质中底部 沉积物的放射性活动。

本发明的另一个目的是探测发射无线电元件的任何伽马。

优选地，这样一种设备和方法能够解决上述所有或一些问题。

发明内容

首先，本发明涉及一种用于在海床中进行放射性活动测量的设备，包括用 于放射性探测器的密封的箱体，形成诸如截锥的容积的装置，该截锥包含允许 被所述放射性探测器测量的辐射穿过的材料，所述容积为待测量的辐射提供一 入口面，该容积或截锥以密封的方式组装到所述箱体中。

在截锥的情况下，所述截锥包括短基部和长基部，所述长基部形成所述待 测量的辐射的所述入口面。所述短基部放置在探测器入口面的一侧，并且长基 部设计为朝向海床放置。

优选地，所述探测器入口面位于所述截锥的容积的外侧，与所述短基部在 同一侧或者在所述短基部的上方。

所述探测器可以垂直或水平安装。

待被测量的辐射可穿过的所述材料可以是气体(比如空气)或者是一种截 留该气体的低密度的固体材料。例如，可以是聚氨酯泡沫。

优选地，所述辐射入口面(例如所述截锥的长基部)是封闭的，例如通过 板封闭，所述板也可以例如是包括限定穿过所述板的开口或中心区域的类型； 例如，这些装置包括设置为大致垂直于所述长基部或所述入口面的管状部分， 或者所述区域被设置为大致垂直于所述长基部或所述入口面的管状部分限定， 肋条呈放射状延伸至与管状部分和所述板连接，或与所述长基部连接。

较佳地，所述截锥的角度在15°和75°之间，比如60°。

该箱体可以沿大致垂直于所述截锥的旋转轴线的轴线延伸，。

本发明还涉及一种用于在水介质底部进行放射性活动测量的系统，所述系 统包括：

-将浸入所述水介质中的框架；

-如上所述的测量设备。

有利地，所述系统配备有照亮所述水介质和所述水介质底部的装置。

较佳地，所述框架包括穿孔的侧壁。其可包括将所述系统定位在所述水介 质底部的装置。

所述框架可包括相对于所述框架可移除地固定所述测量设备的装置。

提供评估所述框架相对于海床的位置的装置，例如声波定位仪。

可提供产生海床的放射性活动地图的装置。

至少一个摄像机可用于拍摄水介质和水介质底部。

所述框架可包括相对于所述框架移动所述测量设备的装置。

这样一种系统可能与遥控车有关，或者可包括遥控车，以使在水介质中的 所述框架和检测装置能够移动。该遥控车也可以本身包括照亮装置和/或至少一 个摄像机。

本发明还涉及一种在水介质底部测量放射性活动的方法，该方法包括：

-在水介质中引入一个如上所述的设备或系统，

-采用测量设备测量放射性活动，所述截锥的所述长基部被带至接近水介 质的底部。

所述方法还可包括产生水介质底部的放射性活动地图。

引入所述系统，以使所述截锥的所述长基部被带至距水介质底部少于1米。

所述水介质的底部可以位于深度5-100米之间，或者超过100米。

所述水介质可以是湖，海或河，或河口，或核站点的储存池，或沉积物滞 留区。

附图说明

图1A和图1B概略地示出了根据本发明的测量系统；

图2示出了数据接收系统和采用根据本发明的设备处理测量数据的装置；

图3为采用根据本发明的设备获取的地图的示例；

图4A和图4B概略地示出了配置有气缸(图4A)或者空气锥(图4B)的 被引入水介质中的探针；

图5A和图5B示出了用于根据本发明的系统的框架的实施例；

图6A和图6B分别示出了根据本发明的测量设备的透视图和剖视图；

图7示出了用于根据本发明的设备中的截锥的长基部；

图8A和图8B示出了固定在遥控潜艇上的根据本发明的系统的不同视图。

具体实施方式

图1A和图1B概略地示出了用于水介质101的床或者底部103中放射性活 动测量的系统。

该系统包括带有靠近床103的放射性活动测量探针1的底架或框架12。

该测量设备1包括放射性探测器2，放射性探测器2与容积4相关联，容 积4充满诸如空气的气体，气体将消除水介质101中与水存在相关的大部分的 衰减。可以使用除空气之外的气体。作为一个变量，优选地，可以采用一种表 观密度小于0.1g/cm³的低密度固体材料，比如含有截留的空气或气体的聚氨酯 泡沫。

选择所述容积4的尺寸，为给定类型的探测器2(例如设置有3英寸的晶 体)给出合理的探测范围。优选地，该容积是短基部和长基部之间的截锥形， 短基部朝向探测器2，长基部设计成朝向床103的表面。

优选地，在截锥的情况下，锥体的短基部的尺寸被优选地计算为使得整个 探测器2正对源(indirectviewofthesource)。探测器的入口面能看到整个源或 者整个由锥体的长基部限定出的区域。

探测器入口面可位于截锥的容积的外部，在其短基部的一侧，或者在其短 基部的上方。

探测器和锥体短基部间的距离(例如探测器入口面和所述短基部间的距离) 可从几毫米(例如5毫米或10毫米)变化到几厘米(例如5厘米或8厘米)； 该距离将随所选择装备的作用和探测器位置的选择(竖直或水平)变化而发生 改变。

参照下图5A，图6A和图6B，描述了水平安装的示例。在水平类型的安 装中，探测器沿垂直或大致垂直于锥体(或包含待被探测器测量的辐射所穿过 的材料的容积)轴线的轴线延伸，即在工作位置上垂直或大致垂直。

参照下图4B或上图1A和图1B，描述了竖直安装的示例，在竖直类型的 安装中，探测器和锥体(或包含待被探测器测量的辐射所穿过的材料的容积) 位于相同的轴线(在工作位置上竖直)上或沿相同的轴线延伸。

探测器2是伽马辐射(例如奈，锗或LaBr)探测器。探测器的尺寸可从几 毫米(例如CZT的情况下)变化为3英寸。探测器是直圆柱体的情况下，其直 径等于其高度，例如也是3英寸。

框架12可具有装置16、18，该装置16、18特别地包括可以是诸如电动的 或液压的至少一个马达16，和可升降设备1的装置18，设备1使形成测量设备 1的组件靠近床103的表面。

框架12可固定在现成的遥控潜艇13上(对遥控潜艇的补充结合图8A-8B 在后面进行描述)，也叫遥控车(ROV)，就如那些由ECAHYTEC公司销售的 遥控车。

包括ROV和框架的组件也可配备有通过管15连接到测量装备1上以使诸 如液氮的冷却液循环的装置14，如当探测器2由锗构成时，冷却液设计为冷却 探测器2。作为一个变体，锗探测器可以配备有电动恒温器。如图1A和图1B 所示，这些装置14可以放置在罩盖11上，罩盖11包含该系统的其余部分。

包括ROV和框架的组件是平衡的，以使优选地该组件的表观重量在水介 质中几乎等于零。

马达装备在ROV上，以使设备可以被定位在其介质中。这些马达在图8A 和图8B中被表示为标记137和139。

框架可安装有衬垫(在图5A和5B标记为129a至129d)，从而能够在可能 的情况下根据沉积物的密度放置在底部上。优选地，装置(在图5A和图5B中 标记为109a至109d)用于调整这些衬垫的高度。

测量设备1包括锥体或截锥，优选地为金属，设计作为所需深度的函数以 对抗压力。有关此锥体(即优选截锥体)的信息在上面已经给出。在介质被开 采的一侧(海床)封闭截锥的该椎体的长(或大)基部或者平潭底部42a可以 通过肋条420至427加固，所述肋条420至427垂直于其表面放置，并成放射 状延伸至与中央管状部分46和板42a连接，以限制阻碍伽马辐射检测的金属厚 度。

肋条的厚度、形状、位置和数量可确定为水施加在锥体上的压力的函数， 由此可作为所需的深度的函数。

例如，6毫米的钢板可以代替通常需要的12毫米，足以达到约800米的深 度。

例如，100米的深度，压力的增加需要钢板的底部厚度增加大约6毫米； 这样的厚度将会使来自¹³⁷Cs的伽马辐射衰减大约一半(约50％的损失)，而如 果使用肋条，检测丢失将不到5％。

框架还可以装有诸如声纳和/或照明装置和/或摄像机的装置，用于定位和/ 或检测和/或显示水介质和床103。

因此，如果有可能的话，根据可视性，采用声纳和/或摄像机装置可辅助朝 向底部的过程。

一般来说，可能：

-要么把测量设备1(例如采用驱动器)带到距床所需要的距离上，，

-要么把具有携带有框架12的ROV13的测量设备1带到距床所需要的距 离上，框架放置在距待测量的沉积物几厘米处。

以下所描述的组件(ROV，框架和探测器装置)可以下降到很深，例如1 至100米之间，或者甚至超过100米，并且可以稳定在距水底部几厘米处。

在附图8A和8B所示的实施例中，ROV13配备有支撑测量设备1的用螺 栓固定的框架12。

此组件可与定位在空间中以评估系统在水中时的位置的装置有关。

因此，其可包括一个水下定位系统，例如，大角度超短基线(USBL)类系 统，该系统可以与GPS耦合来进行地缘定位测量。如图2所示，这样一个定位 系统当下降到水介质中时可包括被放置在框架12上的转发器30。该转发器与 放置在表面(例如，船上或者地上)的收发器32收发通信。此收发器将向数据 接收、处理和储存的装置34发射定位数据和/或采用探测器设备2测量的数据。 优选地，这些设备34将是微型计算机或便捷式计算机。这些设备34可连接到 定位装置(比如GPS或指南针或位移传感器)，以识别探测器系统12、2、4在 水介质中时的位置。

反过来，这些装置34可连接到装置36，或与装置36通信，所述装置36 也可以是微型计算机或便捷式计算机类，并且这些装置34将能够向所述装置 36发射诸如定位数据和/或测量数据。这些装置34、36将能够产生介质的数据 表格和数据图，识别被污染的区域。

然后，可处理不同测量点的值。例如可以转化到地图上。可(例如通过装 置36)产生并记录一个标注有日期、位置(优选地，有例如用1米量级的精度)、 深度和被测量沉积物的放射性活动的文件(比如Excel文件)。

然后，通过软件(例如“Kartotrack”的类型)处理包含在这个文件里的值， 利用“克里格”法则(通过计算一个随机变量的数学期望，使用内插的实验变 差函数和建模进行区域化变量的空间内插)来制作出水床的放射性地图。

因此，有可能进行测量和制作河口，或核站点上的储存池，或河，或沉积 物滞留区(如水坝或者水闸等)的地图。

然后，此信息可以用于区分污染区域和非污染区域。因此，例如可移除活 性沉积物，或向地面已知未被污染的水介质中泵入水(用于喷洒到火上)。

因此，可制作出提供有关水介质底部信息的地图，以评估此水介质底部的 活动。

图3示出了获得的地图的示例。在该地图中较浅的区域活性较低，较深的 区域活性较高。

现在我们用一个简单的配置给出几个圆形的信号计算(真正的测量值)/ 噪音(周围沉积物引起的背景噪音)的示例，展示使用空气锥的优势。

做以下计算假定：

把密度为1.1g/cm³的诸如沙(二氧化硅)的沉积物作为测量源。

此源10厘米厚。

为测量选择的探测器可以为例如3″(高)x3″(直径)(76mmx76mm)的 气缸。

考虑大约0.1c.s^-1/γ.s^-1的内在效应是一个相当重要的假设。

被考虑的放射性同位素是¹³⁷Cs。源每单位体积的活性大约10Bq/cm³。

我们将考虑浸入的探测器和空气气缸的下底部和床之间的水厚度(X)。床 被污染的厚度超过10厘米，并可作为无限表面。

示例1：

图4A示出了该示例。探测器由15″(约38.1厘米)高的空气气缸延伸。 在这个配置中，目标支撑面是45平方厘米。

如果计算位于探测器入口面中心的点M处的影响，发现从探测器下面看到 的45平方厘米的源输出高于由水减弱的周围沉积物输出信号的3至4倍的信号。 因此，信噪比相对小。对于给定测量距离的信号的值和检测限之间的比较表明， 在均匀的地面污染的情况下使用空气气缸进行测量不是很有用。

示例2：

重复上述计算，但是在探测器下面插入空气锥4代替示例1中的气缸。该 示例2如图4B所示。锥体角度是60度。与之前的情况相比，在等同情况下， 锥体入口面，换言之也就是其基部，在“瞄准”的情况下乘以一个大约100的 因子。

然后，信噪比在30至40间变化。因此，由插入准直器或锥体4获得的测 量可被看做是给出了一个非常好的放置在瞄准锥的突起的地面部分的活性的评 估，剩余被污染的地面对测量没有非常大的影响。不管实际上遇到的配置，无 限源假设都保证了这一结论将是有效的。

在这种情况下，表示为每单位体积的活性的检测范围介于沉积在截锥的0.2 至0.3Bq/cm³之间，以上限定了截锥的基部面积，在平均环境污染10Bq/cm³以 内。

图5A和图5B示出了框架12的示例实施例。

在图5A中，框架配备有包括探测器2和观察锥4的探测器组件。图5B单 独示出了框架，没有探测装置。

在这两个附图中，标记120表示了管状框架，所述管状框架从上面看具有 大致矩形的形状，但是管状框架的大侧的端部是弯曲的，以至于在设备的水平 位置上的小侧在大于管的限定的大侧的部分的高度上。优选地，该管状框架沿 着其两个大侧，具有穿孔的侧壁121、121a，所述穿孔的侧壁121、121a通过 交叉片123、123a和杆124、124a的装置相互之间固定在位置上。有利地，交 叉片可以用于保持测量装置本身就位。因此，图5A示出了包含探测器2的箱 体瞄准一个交叉片123，在所述交叉片123的内部有一半圆形开口115以容纳 它。其被保持在通过法兰119与该交叉片接触的适当位置，其本身限定了一个 半圆形开口，并通过适当的螺纹装置117、117′保持在与交叉片123接触的固 定位置上就位。该箱体的一个端部可以与交叉片123a接触固定。管状框架的小 侧120可配备有装置125、125a，所述装置125、125a形成对一个或几个装置 126、126a(比如一个或几个摄像机和/或一个或几个聚光灯)的支撑。用于放 置框架的遥控车可配备有连接电缆，该连接电缆尤其给这些设备126、126a供 应电，并交换从探测器2和其他设备中输出的数据，装置34(见图2)位于表 面上。框架组件支撑在站台129a-129d上,以便该框架可被放置在水平表面上。 每个站台，优选地在高度上可调节，可通过形成减震器的装置109a-109d连接 到管状框架120上，以能够在被带入与水平面接触的位置上时使整个系统的阻 尼稳定。

连接板135a-135d可固定在侧壁的上部，以便上部元件(比如ROV)能够 如后面(参照图8A和图8B)描述的那样固定。

图6A和图6B是透视图和纵向剖视图，分别示出了包括箱体20的组件， 所述箱体20将包含探测器本身。该箱体是圆柱形或者是大致圆柱形的形状；其 也包括侧开口20′，所述侧开口20′将能使探测器的敏感区获取待被测量的辐 射。

箱体20与截锥40在其端部相关联，对于要被测量的放射物，截锥40将被 用作准直器。该截锥具有长(或大)基部42和短(或小)基部44(在图6B中 短基部用虚线标出)。长基部被板42a密封，在下面的具体实施例中有详细的描 述。短基部打开以便通过箱体的侧开口20′与箱体20的内部通信。侧开口20′ 的直径大致等于短基部44的直径。

如上面所述，优选地，计算截锥的短基部的尺寸以便整个探测器正对源。

上面也给出了能在探测器和锥体的短基部之间选择的有关距离的信息，该 信息尤其适用在该实施例上。

探测器2可通过其一个可移除端22插入箱体20中，然后该端关闭，并用 装置23、23a、27和27a(比如拉伸闩锁型闭门器)保持该位置，标记24代表 了电连接装置，将探测器连接到数据接收、储存和处理装置(例如位于表面上 或者船上)。

优选地，箱体20和锥体40在区域200里互相焊接，所述区域200在空间 上被截锥40和箱体20的交叉部限定，以使由短基部44形成的开口与箱体的侧 开口20′连通。可能提供连接杆41以加强组件，并连接箱体20的其它端和锥 体40的底部或的中间部分。

形成箱体20和锥体40的组件被密封，密封件被提供为诸如双O型环。

可以看到箱体20和探测器2的纵向轴线DD′大致垂直于截锥的旋转轴线 CC′。

探测器的形状可类似直圆柱体。无论如何，优选地，探测器完全被截锥的 延伸部分所包围(尤其在延伸到截锥的锥体部分)；尤其根据示例实施例，平行 于短基部44的探测器面和垂直于短基部的面都包含在延伸到锥体的部分中。

在图6B和图7的下面部分中能看到关闭截锥40的长基部42的板42a。锥 体被焊接到该板上，并作为一个为其设计的深度的函数对其施加压力。该板是 圆形的形状，并装备有肋条，如已经在上面描述过，肋条加固板42a耐压力， 并保持其厚度为与所取得的测量相配的值。优选地，锥体由不锈钢制成。板42a 也可以装备有形成水传感器的装置48。安装为大致垂直于长基部的气缸或管状 部分46通过在给定的点上限制焊接点的数量使组件变硬。

根据一个示例实施例，箱体20的直径大约是8.5厘米，长度大约是50厘 米，而长基部42的直径是约38厘米，短基部44的直径是约10厘米，并且该 长基部和轴线DD′间的距离是约34厘米。

图8A和图8B示出了包括ROV和框架的组件的示例实施例。ROV13包括 侧壁131、131a，所述侧壁131、131a具有与已经描述过的框架的壁121、121a 大致相同的形状。特别地，穿孔优选地形成在壁131、131a中。

上部部分被盖子11覆盖，且可包含照明装置132、133、电动和/或液压的 马达16，和一个或几个马达137、139。

ROV13可通过上面已经提到的连接板135a至135d连接到下框架12上。 这些板首先被固定到下框架的侧壁上，并其次被固定到ROV的侧壁上。

根据一个优选的实施例，因为朝向海床，根据本发明的设备能被用于各向 异性的检测。在这种情况中，没有围绕外围或者整个装置的整个外围做检测， 或者没有沿着不朝向海床的方向做检测。