陣列溴化鈰閃爍伽馬能譜水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)研制

陣列溴化鈰閃爍伽馬能譜水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)研制匯報(bào)人：2024年7月15日一.研究背景與意義二.水質(zhì)在線監(jiān)測物理原理三.陣列溴化鈰閃爍伽馬探測裝置設(shè)計(jì)四.

系統(tǒng)主要性能與初步試驗(yàn)

匯報(bào)主要內(nèi)容1.1核能與核技術(shù)應(yīng)用發(fā)展—監(jiān)管壓力劇增截至2022年6月，我國在運(yùn)核電機(jī)組54臺，在建核電機(jī)組23臺，預(yù)計(jì)2025年核電運(yùn)行裝機(jī)容量達(dá)7000萬千瓦左右。截至2022年底，中國在役民用研究堆（臨界裝置）18座、各類射線裝置約23萬臺、放射源15.7萬枚。據(jù)《中國核技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》一、研究背景與意義1.2現(xiàn)行監(jiān)測規(guī)定一、研究背景與意義GB6249-2011《核動力廠環(huán)境輻射防護(hù)規(guī)定》GB5749-2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》內(nèi)陸受納水體及核設(shè)施液態(tài)流出物的放射性監(jiān)測是核安全的重要內(nèi)容，相關(guān)部門也制定了一些監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)行規(guī)定

1.3亟需發(fā)展在線監(jiān)測技術(shù)一、研究背景與意義在線監(jiān)測技術(shù)起步于上世紀(jì)五十年代，主要用于核電站周圍海域的放射性監(jiān)測，按照監(jiān)測方式可大致分為浮標(biāo)式、游弋式和拖曳式三大類。名稱探測器晶體尺寸測量核素探測下限(Bq/L)測量時(shí)間MARNET海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)NaI(Tl)φ

3in×3in137Cs0.0193h海神監(jiān)測系統(tǒng)NaI(Tl)φ

7.62cm×7.62cm137Cs0.0181d“哨兵”系統(tǒng)NaI(Tl)φ

3in×3in137Cs0.00430d海水放射性檢測裝置(國產(chǎn))NaI(Tl)φ

4cm×4cm137Cs0.5866h包括德國MARNET海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、希臘海神監(jiān)測系統(tǒng)、俄羅斯REM-10水下伽馬能譜測量系統(tǒng)等，但它們的探測器均采用NaI(Tl)，僅在尺寸上稍有不同。據(jù)(Wedekindetal.,1999;Tsabarisetal.,2005;Osvathetal.,2005)1.3亟需發(fā)展在線監(jiān)測技術(shù)一、研究背景與意義隨著探測器技術(shù)的發(fā)展，各類具有更好能量分辨率、探測效率的探測器逐步應(yīng)用與水體放射性監(jiān)測系統(tǒng)中?；贕AGG(Ce,Mg)與CsI(Tl)閃爍晶體的水體總α/β測量系統(tǒng)基于平板塑料閃爍體和ZnS（Ag）涂層構(gòu)成自來水α、β測量裝置高純鍺探測器的水體在線伽馬能譜測量系統(tǒng)水中大面積ZnS(Ag)閃爍體總α在線監(jiān)測系統(tǒng)開展新型水質(zhì)放射性在線監(jiān)測系統(tǒng)研制，快速判斷水體中放射性核素的活度濃度是否超過放射性安全篩查閾值，對減少實(shí)驗(yàn)室分析壓力，形成優(yōu)勢互補(bǔ)，對提升水體放射性監(jiān)測保障能力具有重要意義。據(jù)(Bodewitsetal.,2016;呂汶輝等，2018，2020;朱珠，2020)二、水質(zhì)在線監(jiān)測物理原理放射性核素的活度濃度計(jì)算方法假設(shè)水質(zhì)放射性測量系統(tǒng)的有效探測的水體體積為V(L)，水體中放射性核素均勻分布，則水體中第i種放射性核素的活度濃度可表示為：水中總α、β活度濃度評估方法溶解在水中的放射性核素主要包括天然放射性核素40K、鈾系、釷系與錒鈾系，以及人工放射性核素131I、137Cs和60Co等，這些核素在發(fā)生α和β衰變過程中，一般會伴隨有γ衰變，因此可通過γ衰變的數(shù)量計(jì)算求得水體總α/β活度濃度：Ni(t):第i種放射性核素的特征伽馬射線凈峰面積；εγ：特征伽馬射線探測效率；Pγ：該核素釋放的特征伽馬射線分支比。cg：水中總α/β的活度濃度；Pi：第i種放射性核素釋放出α或β粒子的分支比。三、陣列溴化鈰閃爍伽馬探測裝置設(shè)計(jì)水質(zhì)在線伽馬能譜測量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)水質(zhì)在線伽馬能譜測量系統(tǒng)主要由陣列溴化鈰閃爍伽馬探測裝置、電子線路單元和測量軟件組成。陣列溴化鈰閃爍伽馬探測裝置由自動采集裝置、沉淀池、低本底鉛室、陣列溴化鈰閃爍伽馬能譜探測器和污染池組成，該裝置通過抽水泵將水體抽取到沉淀池內(nèi)，然后通過閥門和流量計(jì)將沉淀后的上層清液引入低本底鉛室，進(jìn)行伽馬能譜測；對未超過放射性核素活度濃度限制的測量水體，則打開清水閥門排回至原采樣水體，若測量過程中發(fā)現(xiàn)超過放射性核素活度濃度限制，則打開污水閥，將測量水體排放入污水池中留存。三、陣列溴化鈰閃爍伽馬探測裝置設(shè)計(jì)低本底鉛室和探測器排列低本底鉛室的主體結(jié)構(gòu)為外徑Φ720mm×875mm、內(nèi)徑500mm×600mm的圓柱體，外層包裹一層不銹鋼，中間層為10cm厚的鉛，內(nèi)層覆有2mm的無氧銅和超薄水膠層，測量室容積約為117L。采用3個(gè)Φ45mm×50mm的溴化鈰閃爍探測器以“品”字排列組成陣列伽馬射線探測器。三、陣列溴化鈰閃爍伽馬探測裝置設(shè)計(jì)電子線路單元(1)前置讀出電路基于電阻和開關(guān)場效應(yīng)管并聯(lián)雙反饋網(wǎng)絡(luò)的混合復(fù)位型前置讀出電路(2)高壓電源倍壓整流+羅耶諧振(3)多通道伽馬能譜數(shù)據(jù)采集器阻容反饋網(wǎng)絡(luò)為電路提供穩(wěn)定的直流與交流反饋路徑，保證電路具有穩(wěn)定的增益值，同時(shí)保證信號具有穩(wěn)定的時(shí)間常。開關(guān)反饋網(wǎng)絡(luò)為電路提供恒定的復(fù)位觸發(fā)電平，保證高計(jì)數(shù)率條件下電路能夠?qū)崿F(xiàn)自放電，恢復(fù)至正常工作狀態(tài)電路工作在自激振蕩狀態(tài)下時(shí)，能夠保證電路具有較低的開關(guān)噪聲和較低的功耗，同時(shí)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)更為簡單。可實(shí)現(xiàn)最多4路探測器信號的并行同步采集與處理，同時(shí)基于高精度時(shí)間信號實(shí)現(xiàn)不同通道的時(shí)間同步，最終以粒子數(shù)據(jù)的方式將探測信息發(fā)送至上位機(jī)。(4)241Am自動穩(wěn)譜利用241Am釋放的59.56keV特征伽馬射線作為參考峰，由于其能量低，不僅不影響低能段伽馬能譜數(shù)據(jù)，同時(shí)具有速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)硬件分辨率應(yīng)由于39μV，選取的ADC應(yīng)至少為16bit，譜線分辨率不低于65K。241Am自動穩(wěn)譜流程三、陣列溴化鈰閃爍伽馬探測裝置設(shè)計(jì)核素?cái)U(kuò)散分布狀態(tài)研究擴(kuò)散5min的濃度分布圖擴(kuò)散10min的濃度分布圖

擴(kuò)散30min的濃度分布圖擴(kuò)散70min的濃度分布圖由于水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)對水樣的測量是通過采樣器將水樣抽入低本底測量鉛室內(nèi)部，在此過程中，由于水樣的運(yùn)移和擴(kuò)散，造成水體中的放射性核素分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致儀器譜發(fā)生變化，測量結(jié)果不確定度增大。使用Comsol軟件模擬核素在鉛室中的分布狀態(tài)，模擬中的擴(kuò)散過程選擇湍流模式（標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型）忽略邊界阻力、渦流和分子粘性等干擾因素由于5min時(shí)進(jìn)入鉛室的放射性核素的總量較少，因此放射性核素主要分布在入水口。由于鉛室內(nèi)壁的阻擋，靠近入水管道一側(cè)的鉛室內(nèi)壁附近放射性核素的濃度明顯高于鉛室其他位置。此時(shí)放射性核素在鉛室各位置的濃度均達(dá)到入水管道內(nèi)放射性核素的濃度的一半以上。當(dāng)擴(kuò)散時(shí)間達(dá)到70min時(shí)，鉛室內(nèi)放射性核素濃度與入水管道中的放射性核素的濃度基本一致。四、系統(tǒng)主要性能與初步試驗(yàn)最小可探測活度濃度核素能量/keV探測效率MDAC(Bq/L)1h3h6h9h12h131I364.491.45×10-30.05990.03380.02290.01880.0161137Cs661.661.18×10-30.05460.02970.02050.01660.014260Co1332.490.88×10-30.05790.03180.02150.01740.0142192Ir308.461.50×10-30.16920.09530.06550.05310.0458152Eu1408.010.86×10-30.40850.22310.15250.12310.1067系統(tǒng)穩(wěn)定性測試在未開啟穩(wěn)譜時(shí)，137Cs全能峰峰位隨溫度的變化發(fā)生了很大的漂移，基本趨勢為溫度升高，峰位向低能端漂移，當(dāng)測試溫度從0℃升高到50℃時(shí)，最大峰漂高達(dá)136道。開啟自動穩(wěn)譜功能后，在相同的測試溫度范圍內(nèi)譜漂小于平均峰位±1道。四、系統(tǒng)主要性能