水体α/β放射性在线探测技术研究

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随着核事业的迅速发展,核技术在各行各业都得到了广泛应用,包括能源、医疗、工业等。核能是一种清洁高效的能源,核电站的建设速度在持续加快,核电站的持续发展能较大程度地改善能源的短缺危机。在医疗行业中核技术也得到了广泛应用,放射性治疗就是利用核素衰变时产生的电离辐射来治疗癌症。工业中的无损探伤等技术也可利用X/γ射线来进行实现。虽然核技术能给我们带来极大的便利,但是也可能会给环境中的空气、水和生物等带来放射性污染,使从事相关工作的工作人员和公众受到辐射带来的伤害。所以需要对环境进行放射性监测,来评估放射性污染带来的危害。本文通过对水体α/β放射性监测方法进行研究,针对部分闪烁体探测器具有甄别α/β射线的能力,扣除γ射线本底并分别得到α、β两种射线能谱的问题,在探测器结构设计、探测器前端电子学设计、反符合算法、脉冲甄别算法、α/β能谱获取和放射性最小可探测活度计算等方面开展了一系列研究工作,研制出一套用于水体α/β放射性在线测量的探测器样机。主要工作有:1.设计水体α/β放射性在线测量探测器结构,采用主探测器-反符合探测器-主探测器三层晶体结构方案,结合石英玻璃与光纤实现光传输到光电器件。调研闪烁体探测器,选择合适的闪烁晶体材料作为主探测器用于探测α/β射线;为进一步降低γ射线本底,提出反符合方式,选择合适的闪烁晶体材料作为反符合探测器用于探测γ射线。采用理论计算与蒙特卡罗模拟相结合的方式计算主探测器与反符合探测器的厚度,并根据主探测器和反符合探测器的物理特性选择光电器件、光纤、反射材料;2.设计探测器前端电子学电路,包括信号读出电路、前置放大器电路和比较器电路。采用电流灵敏前置放大器将光电器件输出的信号进行放大后再输入多道脉冲幅度甄别器进行后续处理;采用比较器电路结合算法实现了脉冲堆积甄别及反符合测量;3.采用反符合算法去除主探测器中的γ射线本底。γ射线的穿透能力较强,同一个γ光子可能会同时与主探测器和反符合探测器发生康普顿效应和电子对效应(高能γ光子)沉积能量,采集主探测器输出信号的能量信息与时间信息,以及反符合探测器输出信号的时间信息,若两个探测器输出信号的时间信息在一定阈值范围内同时出现,则判断该信号为γ信号,进行扣除,达到降低本底的目的;4.采用脉冲幅度甄别和脉冲波形甄别相结合的方式对α/β脉冲进行甄别。本论文采用的脉冲波形甄别算法包括基于时域的上升时间法、余弦相似度法和基于频域的频率脉冲梯度法,分别测试三种算法的甄别效果并计算甄别品质因子。通过对三种脉冲波形甄别算法的比较,得出上升时间法的甄别品质因子更高,甄别效果更好,达到了甄别α/β粒子的目的;5.基于以上工作,本文研制了水体α/β放射性在线测量探测器样机,并搭建了实验平台。通过α源(239Pu)和β源(204Tl、63Ni)的实验室测量,实现了α/β粒子甄别,并获得了α/β能谱,验证了方法的正确性。本文工作为水体α/β放射性的在线实时测量提供了技术基础,在水体监测方面具有重大应用价值,研制了功能样机,为未来推广提供了工程手段。
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