陳祥磊，王益元，熊啟發(fā)，劉 舜，劉 單，鐘秋林，左亮周

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢，430064;2.北京賽思科系統(tǒng)工程有限責任公司，北京 100079)

1 概述

放射性氣溶膠監(jiān)測［1］設備是核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成設備。監(jiān)控核電站內部大氣環(huán)境中的放射性氣溶膠濃度，對于保證核電站工作人員安全，及時發(fā)現(xiàn)核電站反應堆運行事故，保障核電站正常運行具有重要意義。

核電站在正常運行，反應堆一回路邊界無泄漏時，內部大氣環(huán)境中的放射性氣溶膠是由氡釷及其衰變子體組成的天然放射性氣溶膠［2］，其包括兩大系列:鈾系衰變鏈下支(222Rn為衰變母體，主要衰變道如圖1所示)和釷系衰變鏈下支(220Rn為衰變母體，主要衰變道如圖2所示)［3］，包括多種α放射性氣溶膠(212Po，214Po，218Po［4］等)和 β 放射性氣溶膠。

核電站內部大氣環(huán)境中的天然放射性氣溶膠濃度取決于廠房內部材料，通常情況下濃度很低且處于平衡狀態(tài)。當核電站一回路承壓邊界完整性被破壞出現(xiàn)泄漏時，將導致人工放射性氣溶膠迅速釋放到核電站內部環(huán)境大氣中，造成大氣環(huán)境中的放射性氣溶膠濃度升高，威脅核電站工作人員的人身安全，人工放射性氣溶膠包括多種α放射性氣溶膠和β放射性氣溶膠。

核電站內部大氣環(huán)境中天然放射性氣溶膠總是存在的，測量人工放射性氣溶膠時需要將天然放射性氣溶膠剔除，因此消除天然放射性氣溶膠的影響在放射氣溶膠的測量中非常關鍵，同時也是技術難點。消除天然放射性氣溶膠影響的方法有多種。隨著測量技術的發(fā)展，其中能譜分析法，即基于α射線測量，利用天然放射性氣溶膠和人工放射性氣溶膠發(fā)射的α射線能量區(qū)間不同，通過測量兩能量區(qū)間的α射線得到天然放射性氣溶膠濃度，從而消除天然放射性氣溶膠影響的方法已在國際上成為一種主流的方法。

下面介紹利用SRIM模擬軟件模擬計算放射性氣溶膠探測器測量各種能量的α射線的物理過程，分析各種能量的α射線在進入探測裝置前的運動行為，為放射性氣溶膠探測裝置的設計提供理論指導。

2 模擬計算方法

SRIM軟件是一款模擬計算重帶電離子在靶材中能量損失和分布的模擬軟件。它采用Monte Carlo方法［5－6］，利用計算機模擬跟蹤大批入射粒子的運動，可得到粒子的位置、能量損失及次級粒子的各種參數(shù)信息。SRIM軟件能模擬計算特定的入射離子以特定的入射能量和入射角度入射到特定材料中的運動情況，是國際上廣泛使用的離子運動行為模擬軟件。

下面將主要對放射性氣溶膠測量中不同能量的α射線的下述物理參量進行模擬計算，假定探測器與過濾裝置間的準直結構能保證α粒子入射偏離垂直度不大于某給定值，且不考慮入射α射線垂直偏離度。

1)單能α射線在空氣中不同入射深度的能量變化趨勢;

2)單能α射線在空氣中不同入射深度的能量展寬變化趨勢;

3)單能線束α射線在空氣中不同入射深度的橫向位置發(fā)散趨勢;

4)空氣中不同入射深度的放射性氣溶膠α射線能譜分布。

模擬計算中涉及的放射性氣溶膠212Po，214Po，218Po屬于天然放射性氣溶膠中的主要α放射性核素。人工放射性氣溶膠種類較多，其發(fā)射的α射線能量較為集中，以具有代表性的235U(能量4.401 MeV，分支比56%)的α射線和239Pu(能量5.155 MeV，分支比73%)的α射線為例進行模擬計算［7］，參與模擬計算的氣溶膠發(fā)射的α射線能量如表1所示。

表1 模擬計算的α射線能量數(shù)據(jù)表Tab.1 The data table of α radial energy

3 模擬計算與結果分析

以212Po發(fā)射的α射線(能量為8.785 MeV)為例，模擬單束α射線進入空氣中運動與空氣中原子相互作用時其沿運動方向的二維運動狀態(tài)如圖3所示。

由圖3可以看出，單束α射線進入空氣后，高能α粒子在運動過程中由于與空氣中的各種原子碰撞而不斷損失能量并改變運動方向，隨著入射深度的增加，其軸向發(fā)射度不斷增加，并向徑向范圍二維發(fā)散，徑向偏離最大達到幾厘米。同時粒子能量不斷減小，在空氣中幾厘米深度范圍內α粒子損失掉全部能量最終靜止下來，即放射性氣溶膠發(fā)射的高能α粒子在空氣中的射程為幾厘米。假定探測器探測截面足夠大，不考慮α粒子徑向偏移時探測器與樣品的距離對探測效率產生的影響，在此基礎上模擬計算多種放射性氣溶膠發(fā)射的α粒子在不同空氣層深度時的徑向偏移量，計算結果如圖4所示。

圖3 212Po發(fā)射的α射線在空氣中沿運動方向的二維運動狀態(tài)圖Fig.3 The planar distribution of α radial in air，which is emitted by212Po

圖4 不同能量的α粒子在不同空氣層深度的徑向偏移量Fig.4 The radial offset distribution of α radial with different energies in different air depth

計算中某個確定深度的偏移量是按照該空氣層深度中包容90%的α粒子的徑向圓周半徑描述的。從圖中可以看出，隨著入射深度的增加，α粒子的徑向偏移量逐漸增加，在國標規(guī)定的最大入射等效窗厚度內，偏移量小于0.3 mm，因此在設計氣溶膠探測器時，α粒子與空氣中原子的碰撞不會對氣溶膠探測造成明顯的影響，探測器尺寸設計時可以不考慮α粒子與空氣相互作用的影響。

固定能量的α粒子在空氣中不同深度處靜止的概率隨著入射深度的分布如圖5所示。

圖5 212Po發(fā)射的α射線在空氣中沿運動方向的一維沉積概率分布圖Fig.5 The one-dimensionality depositing distribution of α radial in air，which is emitted by212Po

α粒子質量較大，在空氣中運動時與空氣中各種原子相互作用損失能量較平均，其靜止深度較為集中，這種集中沉積特性使得探測器對α粒子的探測效率高，能量響應線性好，分辨率高。模擬計算了多種放射性氣溶膠發(fā)射的α粒子在空氣中的沉積概率隨入射深度的變化趨勢，結果如圖6所示。

圖6 氣溶膠發(fā)射的α射線沉積概率隨入射深度的變化趨勢Fig.6 The depositing distribution of α radial in air，which is emitted by aerosol

從圖中可以看出，高能α射線在1個非常集中的深度區(qū)間(毫米量級)發(fā)生沉積，235U核素發(fā)射的氣溶膠能量最低，其沉積深度最淺，沉積深度展寬最小;隨著發(fā)射的 α粒子能量增加，239Pu，218Po，214Po的沉積深度依次增大，沉積深度展寬依次變大;212Po發(fā)射的α粒子能量最大，其α粒子沉積最深，沉積深度展寬最大。計算得到的放射性氣溶膠發(fā)射的不同能量的α粒子平均沉積深度和深度展寬如表2所示。

表2 α粒子平均沉積深度和深度展寬Tab.2 The average depositing depth and depth diffusing of α radial

模擬計算單能α粒子在空氣中與各種元素原子的相互作用過程，大量單能α粒子在某個確定深度處的能量統(tǒng)計分布，如圖7所示。

圖7 入射到空氣中的單能α粒子在確定深度的典型能譜Fig.7 The typical energy spectrum of α radial with single energy in air

單能的α粒子在空氣中經(jīng)過一段時間與空氣中原子相互作用到達空氣層一定深度時，其能量呈集中分布，有一定的展寬，用Gaussian分布擬合單能α粒子在空氣中確定深度處的能譜可得到單能α粒子在確定空氣層深度的能量及其展寬大小。在此基礎上，可模擬計算放射性氣溶膠發(fā)射的多種不同能量的α射線在空氣中不同入射深度時其平均能量隨入射深度的變化趨勢，結果如圖8所示。

從圖中可看出，放射性氣溶膠發(fā)射的α射線在空氣中隨著入射深度的增加，其平均能量迅速減小。在確定深度處，發(fā)射的α射線的平均能量由大到小排列核素順序:212Po＞214Po＞218Po＞239Pu＞235U，虛線為國標中規(guī)定的氣溶膠探測器最大等效窗厚度1.55 cm，在此深度處，人工放射性氣溶膠235U的平均能量最小，為2.4 MeV左右;天然放射性氣溶膠212Po的平均能量最大，為7.7 MeV左右。當氣溶膠探測器入射等效窗厚度較小時，探測器探測到的α射線能量都較高，不會受到低能的β，γ射線干擾。

模擬計算放射性氣溶膠發(fā)射的多種不同能量的α射線在空氣中不同入射深度時其能量展寬隨入射深度的變化趨勢，如圖9所示。

從圖中可以看出，隨著入射深度的增加，α射線能量發(fā)散度增加，平均能量被不斷展寬，在國標規(guī)定的入射等效窗最大厚度以下，各種放射性氣溶膠發(fā)射的α粒子由于與空氣中原子相互作用而導致的能量展寬都小于80 keV，遠小于218Po，214Po和212Po發(fā)射的α粒子相互之間大于1 MeV的能量間隔。因此，空氣中α粒子由于與空氣相互作用造成的能量展寬，對氣溶膠能譜測量中天然放射性氣溶膠的精確分辨不會造成明顯的影響，不會降低天然放射性氣溶膠的測量精度。

圖10 1 cm空氣層厚度處的α射線能譜圖Fig.10 The energy spectrum of α radial in 1 cm air depth

在模擬計算了高能α粒子不同深度的平均能量和能量展寬的基礎上，得到滿足國標規(guī)定的最大等效窗厚度的1 cm空氣層厚度處的垂直入射的多種能量的α射線能譜圖(峰值歸一化)，如圖10所示。其中218Po，214Po和212Po的能譜峰值相互獨立，能譜展寬小，有效能譜范圍內(5～9 MeV)沒有其他粒子干擾，在氣溶膠測量時選用高分辨的α探測器進行探測并使用準直結構減少入射到探測器的α射線垂直偏離度時，就可以區(qū)分并準確測量出其放射性含量，包括待測大氣環(huán)境中的天然放射性氣溶膠含量和人工放射性氣溶膠含量。在測量人工放射性氣溶膠時，被測量的235U和239Pu在2.5～4.5 MeV左右的能量區(qū)域，由于有眾多的放射性氣溶膠發(fā)射的α射線相互干擾和疊加，形成準連續(xù)的α射線能譜，不能準確區(qū)分單一放射性核素，只能在其有效能量區(qū)間內測量計算多種人工α放射性氣溶膠總的放射性含量。利用測量得到的天然放射性氣溶膠含量，在低能端通過計算扣除天然放射性氣溶膠的β放射性影響，就可以得到人工β放射性氣溶膠含量。

4 結語

模擬計算結果表明，放射性氣溶膠發(fā)射的不同能量α射線在空氣中運動時與空氣中原子相互作用，能量迅速衰減，能量范圍被展寬，垂直于入射方向的徑向擴散范圍變大。

典型的放射性氣溶膠發(fā)射的α粒子在空氣中射程在幾厘米左右，其沉積深度集中在毫米量級的范圍內。α粒子與空氣原子的相互作用在徑向造成的位置擴散在毫米的量級，在放射性氣溶膠測量時，由于探測器與氣溶膠過濾裝置間不可忽略的空氣層厚度，α粒子的能量衰減是必須要重點考慮的因素，準確估計測量位置處衰減后的α粒子能量，對于數(shù)據(jù)分析和判斷具有重要意義。α射線的能量展寬也是需要考慮的重要方面，要保證多種天然α放射性核素的準確分辨和剝離，要實現(xiàn)人工α放射性核素的準確提取，就必須詳細地分析空氣層對放射性氣溶膠發(fā)射的單能α放射性核素的能量展寬效應，包括α粒子與原子相互作用造成的能量展寬和α粒子非垂直入射、被探測前運動路程加大造成的能量展寬。前者通過模擬計算表明1 cm的空氣層厚度對α粒子造成的能量展寬在0～80 keV之間;后者可以通過特殊的準直結構設計對入射α粒子進行篩選，消除偏離垂直方向大角度入射α粒子的影響。放射性氣溶膠發(fā)射的α粒子在進入探測器前在空氣中與原子相互作用而偏離入射方向，造成一定的徑向展寬。模擬計算結果表明，大部分的α粒子徑向偏離度在0.5 mm以內，在探測器尺寸設計時可以不考慮α粒子與原子作用造成的徑向偏離度的影響。

［1］凌球，郭蘭英，李東馀.核電站輻射測量技術［M］.北京:原子能出版社，2001.121 －124，160 －162.LING Qiu， GUO Lan-ying， LI Dong-yu. Radiation measurement technique of nuclear power plant［M］Beijing:Atomic Energy Press，2001.121 －124，160 －162.

［2］宋秒發(fā)，強亦忠.核環(huán)境學基礎［M］.北京:原子能出版社，2006.18 －19.SONG Miao-fa，QIANG Yi-zhong.Base of the subject of nuclear environment［M］.Beijing:Atomic Energy Press，2006.18 －19.

［3］程業(yè)勛，王南萍，侯勝利.核輻射場與放射性勘查［M］.北京:地質出版社，2008.CHENG Ye-xun，WANG Nan-ping，HOU Sheng-li.Nuclear radiation field and radiactive reconnaissance［M］.Beijing:Geological Publishing House，2008.

［4］強亦忠.常用核輻射數(shù)據(jù)手冊［M］.北京:原子能出版社，1990.303 －306.QIANG Yi-zhong.Common nuclear radiation data notebook［M］.Beijing:Atomic Energy Press，1990.303 －306.

［5］付廣智，何彬，章喜喜，黃佳.BF3中子探測器陣列探測效率的蒙特卡羅計算［J］.核電子學與探測技術，2006，26(1):65－67.FU Guang-zhi，HEBin，ZHANG Xi-xi，HUANG Jia.Detector efficiency computed with monte carlo method of the BF_3 neutron detector array［J］.Nuclear Electronics ＆Detection Technology，2006，26(1):65 －67.

［6］李婧，張江，葛良全，周偉，鐘丁生.蒙特卡羅模擬NaI探測天然γ能譜的軟件設計方法及應用［J］.核電子學與探測技術，2005，25(4):423 －425.LI Jing，ZHANG Jiang，GELiang-quan，ZHOU Wei，ZHONG Ding-sheng.The method and application of Monte Carlo software in simulating the measurement of natural γ energy spectrum by NaI detector［J］.Nuclear Electronics ＆Detection Technology，2005，25(4):423 －425.