寇子琦,李緒平,朱晨晨
(中核四○四有限公司第二分公司,甘肅 蘭州 732850)
溴化鑭探測器探測器是今年來研制成功的新型鹵化物閃爍體探測器,由LaBr3摻雜少量激活劑Ce3+(鈰)組成,與常用的NaI探測器相比較,該類型探測器有對γ射線更高的阻止本領;更快的閃爍時間,更高能量分辨率以及更穩(wěn)定的溫度特性[1-2]。與高純鍺探測器比較,分辨率較低,但是高純鍺探測器需要在低溫(77 k)下工作,需要用致冷設備對探頭降溫,而溴化鑭探測器可以在常溫下工作。因此,所以溴化鑭探測器有較好的環(huán)境適應性,更加適用于野外或室外工作。在放射性廢物分揀的過程中,由于放射性廢物堆積的所在的環(huán)境比較復雜,若用高純鍺探測器,需要不斷添加液氮,若用風致冷降溫,則由于儀器需要經(jīng)常搬動,冷卻器件容易損壞,從而造成工作不便。所以在對分辨率要求不高的前提下,用溴化鑭探測器,更容易適應工作現(xiàn)場,及時完成工作任務。
本文針對核電放射性廢物分揀的工作現(xiàn)場,對溴化鑭探測器對2 m3廢物鋼箱中的廢物包進行了無源效率刻度。γ輻射測量中,確定探測效率是關鍵技術,常用的刻度技術為有源刻度技術和無源刻度技術兩種。隨著計算機技術的不斷發(fā)展,無源效率刻技術因其具有方便、快捷等特點,在輻射測量領域得到了廣泛的應用,其準確性已經(jīng)得到科研工作者的廣泛驗證[3~6]。目前,國外開發(fā)的無源刻度軟件有Canberra 公司生產(chǎn)的實驗室無源效率刻度軟件LabSOC。在國內(nèi),開發(fā)的無源刻度軟件有Gammacalib,其核心算法的正確性已經(jīng)得到了200多塊不同能量和能量體源的實驗測量結果檢驗[7]。與有源刻度技術比較,無源刻度的優(yōu)點主要表現(xiàn)在:
(1)無源刻度技術具有很強的建模能力,可以針對不同屬性的放射源建立模型,計算簡便,快速省時;
(2)無需使用標準源進行效率刻度,無需管理和處置放射源,不需要辦理放射源許可證,為放射源的管理工作帶來簡便;
(3)實驗室不設置標準放射源,減小了污染實驗室和危害工作人員的可能性,無需擔心丟失放射源,增加核安全;
(4)減小開支,節(jié)省經(jīng)費。
本文針對核電廢物收集過程中所用的2 m3放射性廢物收集鋼箱,利用國產(chǎn)Gammacalib軟件,建立了測量距離分別為1 m3和2 m3的廢物鋼箱模型,分別進行了無源效率刻度,并根據(jù)刻度結果,對核電放射性廢物分揀后鋼箱廢物包的放射性進行了測量。
本次實驗采用北京中智核安科技有限公司生產(chǎn)用便攜式溴化鑭譜儀,其型號為Gemini-L-7575,探測器的主要性能指標如表1所示。
表1 探測器型號及主要指標Table 1 Types and Main Indicators of Detectors
利用溴化鑭探測器自帶的放射源la138的 37.26 keV和1435.795 keV進行能量刻度,對應的道址分別為28和2457,刻度時的譜圖如圖1所示。
圖1 能量刻度譜圖Fig.1 Energy scale spectrum
用UG NX4.0三維軟件,建立廢物包模型,如圖4所示,其中廢物包的尺寸為長×寬×高=2050 mm×1010 mm×1010 mm。
圖2 廢物包模型Fig.2 Waste bag model
由于廢物包的主要填充物為塑料,其化學組分為C2H6,密度設置為 0.15 g/cm3。設置探測器距離分別為1 m和2 m,其中當廢物的放射性較低時可用將探測器放置在1m處測量,當放射性較高時放置在2 m處測量。分別計算效率曲線(50~7000 keV),如圖3所示。
在實際應用過程中,由于廢物包用鋼箱承載,故需要考慮鋼箱對γ射線也具有衰減作用。根據(jù)蒙特卡羅模擬結果,對于3 mm厚的鋼板,對與200~1200 keV以上的γ射線,其衰減系數(shù)近似按照0.3~0.4估計[8-9],即對表3中的探測效率再除以0.3~0.4,作為放射性廢物包(包括鋼箱)的探測效率。
圖3 能量-效率刻度曲線Fig.3 Energy-efficiency calibration curve
根據(jù)現(xiàn)場實際,典型的溴化鑭探頭測量的廢物包譜圖如圖4所示。
圖4 實際廢物包的測量譜圖Fig.4 Measurement spectrum of actual waste bags
考慮鋼板的吸收,測量過程中所使用的各個核素及其效率因子如表2所示。
表2 主要核素的能量及探測效率*Table 2 Energy and detection efficiency of main nuclides
*:考慮鋼板的吸收。
放射性廢物放射性活度濃度的計算方法按照式1計算:
(1)
式中:A—— 廢物包放射性活度濃度
C——測量核素某一能量的凈計數(shù)率
η——對應能量效率
λ——對應能量分支比
W——廢物包重量
經(jīng)過現(xiàn)場實際測量,同時依據(jù)環(huán)保部發(fā)布《放射性廢物分類》( 2018年1月1日起施行)對廢物的類型進行分類,部分結果如表3所示。
表3 實際測量的部分數(shù)據(jù)Table 3 Partial data from actual measurements
由表3可以看出,該批次廢物中的主要核素主要為58Co、95Nb、60Co、154Eu等,廢物包主要為低放射性廢物。
通過本次研究,可以得到以下結論:
(1)可以用無源效率刻度的方法,實現(xiàn)放射性廢物包的效率刻度,簡化了工作流程,節(jié)約了時間及放射源管理成本;
(2)用溴化鑭探測器可以應用于對分辨率要求不高,但是工作條件復雜的工況,特別是廢物分揀的場所。