11放射性废物桶探测技术

1、核电厂中低放射性废物桶探测技术核电厂中低放射性废物桶探测技术 上海交通大学 张继革 2015年6月1日 2/75 2013-5-22 课程内容课程内容 放射性废物的基础知识 放射性核素测量仪器 中低放射性废物桶测量与重建 3/75 2013-5-22 放射性废物放射性废物 核工业的大力发展将会产生大量的放射性废物， 影响到环境安全、人类健康和核工业的可持续发 展。 放射性废物是指含有放射性物质或被放射性物质 所污染，其活度或活度浓度大于规定的清洁解控 水平，并且所引起的照射未被排除的废弃物。 4/75 2013-5-22 放射性废物分类 放射性废物的许多性质，都可以作为分类的依据，例如： (1

2、)按废物的物理、化学形态分类： 气载废物，如：通风排气、工艺废气等； 液体废物，如：放射性废水、含氚废水、有机废液等； 固体废物，如：可燃性废物、不可燃性废物，可压缩废 物、不可压缩废物，干固体废物、湿固体废物等。 (2)按放射性水平分类： 低放废物； 中放废物； 高放废物等。 (3)按辐射类型分类： /放射性废物； 废物等。 5/75 2013-5-22 我国放射性废物分类 按物理状态分为气载、液体和固体三类废物： 气载放射性废物根据放射性浓度分为低放、中放两级； 液体放射性废物根据放射性浓度分为低放、中放和高放三级； 固体放射性废物分为低放、中放、高放和废物。 6/75 2013-5-22

3、 放射性废物管理放射性废物管理 放射性废物中的核素一般有裂变产物、锕系核素、活化产 物多种，化学组分多为强酸、高盐、混合有机物等成份。 放射性废物的危害作用不能通过化学、物理或生物的方法 消除。只能通过自身衰变或核反应擅变来降低其放射性水 平，最后达到无害化。 放射性废物处置的基本方法可概括为两类： 分散稀释：放射性废气和废液经过净化处理后，以气载 或液体流出物排放到大气或水体中属于“分散稀释”。 浓集隔离：放射性废物经过固化、整备，把放射性核素 浓集在同化体中，实行近地表处置或深地质处置，就属 于“浓集隔离”。 7/75 2013-5-22 放射性废物管理放射性废物管理 放射性废物管理是包括

4、废物的产生、预处理、处理、整备、 运输、贮存和处置在内的所有的行政和技术活动。 8/75 2013-5-22 核电站废放射性物处理系统核电站废放射性物处理系统 放射性废气：工艺废气 和排风系统； 放射性废液：系统、管 道阀门泄露，设备疏水 ，离子交换再生液，地 面冲洗水，去污废液； 固体废物：蒸发浓缩废 液，废树脂，废过滤芯 ，高校过滤器芯，废设 备部件，劳保用品。 分类收集、处理和贮存分类收集、处理和贮存：废气废气和和废液废液达标排放；达标排放；固体废物固体废物减容、包装后临时减容、包装后临时 库内存放不超过库内存放不超过5年，送往低中放废物处置场进行处置年，送往低中放废物处置场进行处置。

5、9/75 2013-5-22 核电站放射性固体废物核电站放射性固体废物 分为：干固体废物、湿固体废物 干固体废物 包括：废活性炭、石墨、吸附剂、废高效过滤器芯、废设备、部件、工具、 劳保用品、擦试材料、铺垫或覆盖用的塑料，堆内测量部件等； 分为可压实废物和不可压实废物，可燃废物和不可燃废物。 湿固体废物 包括：泥浆、浓缩废液、废树脂和废过滤器芯； 浓缩废液：硝酸钠、硼酸或硼酸盐，通常进行水泥固化； 废树脂：主要核素Cs-137、Cs-134、Co-60、Co-58，废树脂比活度很高、有 机物、降解产生燃爆性气体、不易焚烧、难直接处置。不破坏树脂有机结构 处理方法：压实、装桶、低温固化；破坏树脂

6、有机结构处理方法：分解、降 解、高温固化；水泥固化体：树脂溶胀龟裂和破碎，要限制废树脂包容量。 废过滤器芯：通过铅屏蔽转运容器装入混凝土容器中，注入水泥砂浆固定， 装在200L金属桶中。 10/75 2013-5-22 核电站固体废物包装核电站固体废物包装 钢桶：200L、400L 混凝土容器：自屏蔽效能好，抗腐蚀作用强，废物包装率低 A型包装：渗水试验、负载试验、贯穿试验和1.2m自由坠落 试验； B型包装：增加高温燃烧试验、9m坠落试验和水浸试验； 11/75 2013-5-22 秦山一期放射性废物产量秦山一期放射性废物产量 秦山一期年发电量与固体废物年产量 12/75 2013-5-22

7、 大亚湾放射性废物产量大亚湾放射性废物产量 大亚湾年发电量与固体废物年产量 13/75 2013-5-22 核电站放射性废物产量 100万千瓦的核电站 70100m3 中低水平放射性废物 25 t 高水平放射性废物 14/75 2013-5-22 我国的放射性废物量估计我国的放射性废物量估计 我国的核工业已有50余年的发展历史，积累了数万立方米的 低、中放废物，主要来自核反应堆、核武器制造厂、教学、 科研、工业、农业等部门。 根据 2005 年数据，我国中低放固体废物的量粗略估计为： 核技术应用约 8000 立方米，研究开发约 4200 立方米，军 品遗留约 32000立方米，核电站约 300

8、0 立方米。 据测算，一个 100 万千瓦级的核电站，每年产生的中低放废 物大概为70-100 立方米。根据核电中长期发展规划（ 2011-2020 年） ，到2020 年我国在运核电装机容量达到 5800 万千瓦，在建3000 万千瓦，那么全国核电站一年产生 的中低放废物将达到5800 立方米。 15/75 2013-5-22 放射性废物检测放射性废物检测 低、中水平放射性废物包的检测可归纳为三个方 面的内容： 一是废物产生单位对废物包产生过程的质量控制； 二是监管单位对废物包特性实施的抽样检查； 三是处置接收单位对送往处置场废物包的质量验收。 在对废物进行处置之前，必须对其进行准确鉴别 与

9、测量，获得废物中所含核素及其核素的量，为 其暂存、运输和最终处置的方案的制定提供科学 依据。 16/75 2013-5-22 放射性废物检测的相关规定和标准放射性废物检测的相关规定和标准 GB14500-2002放射性废物管理规定规定了对不同种类的放 射性废物的不同处理和处置方式。 GB11928-1989 低、中水平放射性固体废物暂时贮存规定 中要求入库废物应尽可能根据废物的放射性比活度、 半衰期、 毒性及废物处理的要求进行分类， 分别入库贮存； GB11806-2004 放射性物质安全运输规程中规定了放射性核 素的基本限值和货包内容物限值； GB16933-1997 放射性废物近地表处置的

10、废物接收准则中规 定了废物包装体中废物的放射性比活度的限值，且主管部门或处 置场营运单位可授权某个有资格的部门或单位对废物包装体进行 破坏性或非破坏性抽检，抽检项目可包括总 - 和总 放射性活 度、主要放射性核素及其比活度等等。 17/75 2013-5-22 中国放射性废物处置场中国放射性废物处置场 现有中低放处置场 西北处置场 (甘肃省玉门) 南方处置场(广东省北龙) 规划中的处置场 西北 南部 东部 北部 东北部 18/75 2013-5-22 目 录 放射性核素测量仪器放射性核素测量仪器 19/75 2013-5-22 核辐射转变为电信号的过程核辐射转变为电信号的过程 利用核辐射在气体

11、、液体或固体中引起的电离效 应、发光现象、物理或化学变化进行核辐射探测 的元器件称为核辐射探测器 核辐射进入探测器灵敏体积后与探测介质相互作 用，探测器输出能够直接或间接的反映核辐射种 类、强度、能量或核寿命等的信息 常用的有三大类：气体探测器、半导体探测器和 闪烁探测器 这三类探测器都是把核辐射转变成为电信号，再 由电信号处理设备进行分析和处理 20/75 2013-5-22 探测器种类探测器种类 气体探测器： 电离室：脉冲电离室、电流电离室、累计电离室； 正比计数器、G-M计数管； 闪烁探测器： NaI（Tl）单晶谱仪；BGO（锗酸铋）探测器 半导体探测器： 金硅面垒半导体探测器、高纯锗（

12、HPGe)探测器、锂 漂移硅探测器； 其它探测器：原子核乳胶、固体径迹探测器、气泡室、 火花放电室、多丝正比室、切伦科夫计数器、热释光探 测器 21/75 2013-5-22 辐射探测器介绍辐射探测器介绍 气体探测器 气体探测器是一个内部充有特定气体、两电极间（高压极和收集 极）加有电场的小室形探测器。 利用收集辐射在气体中产生的电离电荷来探测辐射。 闪烁体探测器 闪烁探测器是利用某些物质在核辐射作用下会发光的特性探测核 辐射的，这些物质称为荧光物质或闪烁体。 光电器件（常用光电器件为光电倍增管，射线强时用光电管）将 微弱的闪烁光转变为光电子，光电子经多次倍增放大后，输出一 个电脉冲。 半导体

13、探测器 20世纪60年代以后迅速发展起来的一种新型核辐射探测器，以 半导体材料为探测介质。 半导体探测器的工作原理和气体电离室的十分相似，故又称固体 电离室。 22/75 2013-5-22 半导体探测器与电离室比较半导体探测器与电离室比较 半导体探测器的工作原理类似于电离室，但它比电离室 有一些明显的优点： 半导体的密度比气体密度大许多（三个数量级），半导体探测器和 电离室输出同样大小脉冲时，半导体探测器体积可小很多； 半导体的平均电离能（约3eV）比气体的平均电离能（约30eV）小 一个数量级，带电粒子在半导体探测器内损失同样的能量产生的电 子-空穴对要多得多，电子-空穴对的统计涨落小得多

14、，半导体探测 器的能量分辨率要好得多； 主要缺点： 对辐射损伤较灵敏，受强辐照后性能变差； 常用的锗探测器，需要在低温（液氮）条件下工作，甚至要求在低 温下保存，使用不便。 23/75 2013-5-22 高纯锗（高纯锗（HPGe)探测器探测器 高纯锗探测器是在20世纪70年代研制出来的一种新型半 导体探测器； 本质上也是PN结型半导体探测器； 高纯锗杂质浓度可以降低到（1091010）原子/cm3，相应 的电阻率很高，使偏压不到1000V时耗尽深度就可以达到 10mm，所以可获得较大的灵敏体积； 24/75 2013-5-22 高纯锗（高纯锗（HPGe)探测器探测器 平面型高纯锗探测器灵敏区

15、厚度一般在510mm，可以 用于测量E220MeV的粒子，E60MeV的质子， E10MeV的电子和能量E 300keV的低能X和射线。 同轴型HPGe探测器灵敏区体积可达约400cm3，用于 E10MeV的射线能量测量。 （1）一般平面型 （2）沟槽式平面型 （3）P型同轴型 （4）N型同轴型 25/75 2013-5-22 废物桶内放射性核素的特点废物桶内放射性核素的特点 废物桶内主要存在的核素： 0.30.5MeV： Cr-51（0.32MeV） 0.51.0MeV： Sb-122（0.5639MeV） Sb-124（0.6027MeV） Cs-137（0.6617MeV） Zr-95（

16、0.7242MeV） Nb-95（0.7653MeV） Co-58（0.8108MeV） Mn-54（0.8348MeV） 1.02.0MeV： Co-60（1.1732MeV，1.3325MeV） Eu-152（1.408MeV） 26/75 2013-5-22 全能峰全能峰 ：入射：入射射线的能量全部损失在探测器灵敏体积射线的能量全部损失在探测器灵敏体积 内时，探测器输出的脉冲形成的谱峰为全能峰。内时，探测器输出的脉冲形成的谱峰为全能峰。 全能峰全能峰 27/75 2013-5-22 能量刻度能量刻度 能量刻度就是确定谱仪测得的谱峰值所对应的 射线的能量。 能量刻度的方法是在一定试验条件下

17、，利用几个 已知能量的放射源，测出对应能量的全能峰峰 位 (一般为道址)，得出一组数据。然后用作图法 或数据拟合法做出全能峰位置与射线能量的关 系曲线。 28/75 2013-5-22 能谱定量分析能谱定量分析 目标：找出被测样品所发射的射线能量，从而 确定样品中含有什么核素及其活度。 步骤：谱光滑，寻峰，划分峰区，重峰分解，计 算峰面积，核素识别，射线发射率或核素含量 的计算等 29/75 2013-5-22 探测效率探测效率 探测效率 用全能峰面积求射线辐射量，必须先进行效率刻度 。 可采用实验方法结合蒙特卡罗计算方法进行效率刻度。 s n N 记录的脉冲数 放射源发出的粒子数 30/75

18、 2013-5-22 目 录 中低放射性废物桶测量与重建中低放射性废物桶测量与重建 31/75 2013-5-22 放射性废物桶测量对象放射性废物桶测量对象 放射性废物桶从结构上讲由桶壳、填充 物质、放射性核素组成。 相关国家标准规定，在废物桶处置前需 要测量：放射性核素的含量，包括核素 种类和比活度，以及表面辐射水平。 桶内物质，包括废物桶的壳体会对射线 产生衰减，需要获得桶内物质的密度以 及对射线产生的衰减系数。 中低放废物桶特点：非均匀、大体积。 32/75 2013-5-22 3232 中低放废物活度测量方法中低放废物活度测量方法 中低放废物中低放废物 活度测量方法活度测量方法 破坏性

19、取样分析法破坏性取样分析法 无损检测法无损检测法 中子分析法中子分析法 射线分析法射线分析法 量热法量热法 分段分段扫描（扫描（SGS） Segmented gamma scanning 层析层析扫描（扫描（TGS） Tomographic gamma scanning 旋转旋转扫描（扫描（RGS） Rotating gamma scanning 33/75 2013-5-22 空间点源的测量与活度重建空间点源的测量与活度重建 CeI 探测器计数率：探测器计数率： C：探测器计数率，即单位时间的光：探测器计数率，即单位时间的光 子计数；子计数； I ：放射性核素的活度，单位放射性核素的活度，单

20、位Bq； e ：某空间位置：某空间位置放射性核素相对于探放射性核素相对于探 测器的探测效率；测器的探测效率； ：分支比，即核素衰败时发出一定分支比，即核素衰败时发出一定 能量能量射线的概率。射线的概率。 没有物质衰减的探测效率分布 在获得在获得核素空间位置核素空间位置后，后， 得到其探测效率，即可重得到其探测效率，即可重 建放射性核素活度：建放射性核素活度： C I e 34/75 2013-5-22 有物质衰减的空间点源测量与活度重建有物质衰减的空间点源测量与活度重建 L CeI e 探测器计数率：探测器计数率： ：射线经过物质的衰减系数，：射线经过物质的衰减系数，m-1； L ：射线经过物

21、质的径迹长度，射线经过物质的径迹长度，m； 在获得在获得核素空间位置、射核素空间位置、射 线在物质中的径迹长度、线在物质中的径迹长度、 物质的衰减系数物质的衰减系数后，可重后，可重 建放射性核素活度：建放射性核素活度： C I e Ce I e：经过物质衰减校正的探测效率；：经过物质衰减校正的探测效率； L ee e 35/75 2013-5-22 废物测量过程及关键问题废物测量过程及关键问题 放射性核素发出射线，经物质衰减后被探测器测得，通 过对能谱分析得到全能峰对应的核素种类和特征能量， 利用测得的射线计数重建各核素对应的活度。 重建关键问题包括： 1、核素与探测器的相对几何位置，确定几何

22、探测效率、射线在物 质中的径迹长度； 2、物质的密度或对射线的衰减系数，对探测效率进行衰减校正。 36/75 2013-5-22 旋转旋转扫描技术原理扫描技术原理 假设整个废物桶内物质与核素均匀分 布；测量时桶相对于中轴线匀速旋转 。 探测器计数率： 为为分支比，分支比，e为整桶为体源时经桶为整桶为体源时经桶 内物质衰减修正的探测效率。由于效内物质衰减修正的探测效率。由于效 率刻度时的物质密度和实际密度存在率刻度时的物质密度和实际密度存在 差异，需要进行修正：差异，需要进行修正： 因此，放射性核素活度： 整桶均匀假设会造成很大探测误差。 Ce I e C Ce I eC C I e 37/75

23、 2013-5-22 分段分段扫描技术（扫描技术（SGS）原理）原理 将废物桶分为若干层，假设整桶物质 密度均匀，各层核素均匀分布；测量 时桶相对于中轴线匀速旋转。 各层探测器计数率： 为为分支比，分支比，eC为各层为体源时效率为各层为体源时效率 刻度时经桶内物质衰减修正的探测效刻度时经桶内物质衰减修正的探测效 率，率，e为密度修正系数。为密度修正系数。 第i层的活度Ii ： 依次获得各层的放射性核素活度后， 废物桶总活度： ie Ci Ce I i i e C C I e i II 38/75 2013-5-22 带外源的分段带外源的分段扫描技术原理扫描技术原理 将废物桶分为若干层，假设各层

24、 物质密度、核素均匀分布；测量 时桶相对于中轴线匀速旋转。 要考虑各层物质密度差异，就需 要分别测出各层物质的密度或对 射线的衰减系数。 通过桶外放射源测量桶内物质密 度的过程，被称为透射扫描；测 量桶内放射性核素活度的过程被 称为发射扫描。 各层放射性核素活度： 0 CeI 没有物质时外源没有物质时外源 测量计数：测量计数： iL i CeI e 穿透废物桶时外源穿透废物桶时外源 测量计数：测量计数： 第第i层废物桶物质对层废物桶物质对 射线衰减系数：射线衰减系数： 0 1 ln i i C LC L为射线穿透废物桶长度。 i i eiC C I e 39/75 2013-5-22 考虑层串

25、扰影响的分段考虑层串扰影响的分段扫描技术扫描技术 受准直器视野的限制，探测器不仅能测得来自当前层的射线，也可 以测得相邻若干层的射线，这就是分段扫描中的层串扰问题。 第i层探测器计数率： Ij为第j层的放射性核素活度，eji为第j层体源相对于处于第i层高度探 测器的带物质衰减的探测效率。 完成各层的测量后，相当于获得如下线性方程组，求解后，可得各 层放射性核素的活度。 ijij Ce I 00000 0 j iiijj CIee = CeeI 40/75 2013-5-22 SGS关键技术 自吸收校正效率刻度层间串扰修正 透射校正法 平均密度法 峰比值法 实验方法 蒙特卡罗方法 Standar

26、ds Point source Shell source 解矩阵方程 分段分段扫描技术（扫描技术（ SGS）总结）总结 分段分段扫描技术扫描技术（ Segmented Gamma Scanning, SGS ） ，LANL实验室实验室 （Los Alamos National Laboratory）的的J.L. Parker等人于上世纪七十年代等人于上世纪七十年代 初提出，初提出，假设每层内的填充物质和放射性核素都均匀分布假设每层内的填充物质和放射性核素都均匀分布；层与层间的填；层与层间的填 充物质可以一致也可以不同。充物质可以一致也可以不同。 扫描过程扫描过程为：废物桶均匀旋转，单层扫描后探

27、测器抬升一层继续扫描。为：废物桶均匀旋转，单层扫描后探测器抬升一层继续扫描。 41/75 2013-5-22 SGS的误差的误差主要来自于主要来自于 ： 1、放射性核素的非均匀分布；、放射性核素的非均匀分布； 2、桶内填充物质的非均匀分布；、桶内填充物质的非均匀分布； 3、放射性物质本身自吸收影响。、放射性物质本身自吸收影响。 v技术成熟、已有商业化系统技术成熟、已有商业化系统 在国外核电厂使用广泛。在国外核电厂使用广泛。 v我国秦山一期的德国我国秦山一期的德国GME系统也是系统也是SGS。 Canberra公司的公司的WM2200型型SGS系统系统 分段分段扫描技术（扫描技术（ SGS）应用

28、）应用 42/75 2013-5-22 = 0.3 g/cm3 = 1.5 g/cm3 均匀介质均匀介质SGS重建结果重建结果 = 0.6g/cm3 43/75 2013-5-22 非均匀介质非均匀介质SGS重建结果重建结果 44/75 2013-5-22 层析层析扫描技术（扫描技术（TGS）原理）原理 TGS继承了SGS分层测量 的方法，但不再假设各层 内物质和核素均匀分布。 它将各层又划分为若干网 格，假定网格内物质均匀 分布，如果采用体源进行 效率刻度则认为核素在网 格内均匀分布，如果以点 源进行效率刻度则假定核 素处于网格几何中心。 TGS透射扫描即利用CT技术通过外放射源重建各网格内

29、物质密度的过程。 TGS发射扫描即利用PAT-CT技术重建各网格内放射性核素活度的过程。 45/75 2013-5-22 层析层析扫描技术透射扫描过程扫描技术透射扫描过程 透射扫描，第i次测量计数率（含衰减）： jiji ulCCTexp 0 C0未放置废物桶时探测器对透射源的计数率，lij为第i次测量时的连接透 射源与探测器的射线在第j个网格内的径迹长度，uj为第j个网格内的物质 在某一能量下的线性衰减系数。 上式取对数： 0 ln C CT ul i jij 0 00000 0 0 ln ln j iiijj CT Cull = CTllu C 经旋转、平移等多次测量后： 46/75 20

30、13-5-22 层析层析扫描技术发射扫描过程扫描技术发射扫描过程 0 iijijj j J CEe a I 发射扫描，第i次测量计数率（含衰减）： 为分支比，Ij为第j个网格内放射性核素活度（无核素活度为零），eij为 不考虑桶内物质衰减时第i次测量时探测器对第j个网格的探测效率，lijk为 第i次测量连接第j个网格至探测器直线穿过第k个网格的径迹长度 。 exp() ijijkk k al 第i次测量第j个网格对探测器的衰减校正因子： 00000 0 j iiijj CEIeaea = CEeaeaI 经旋转、平移等多次测量后： 47/75 2013-5-22 层析层析扫描技术重建求解扫描技

31、术重建求解 固定网格透射重建的密度分布 固定网格发射重建的活度分布 透射重建，求解方程组： 0 00000 0 0 ln ln j iiijj CT Cull = CTllu C 发射重建，求解方程组： 00000 0 j iiijj CEIeaea = CEeaeaI 48/75 2013-5-22 Canberra公司的WM2900型TGS系统 层析扫描技术 (Tomographic Gamma Scanning, TGS)： 1994年，美国LANL的R. J. Estep和T.H. Prettyman等人首次开发研制 成功TGS原型装置。 扫描动作：静止状态测量，通过转动、平动、升降改

32、变测量位置。 层析层析扫描技术（扫描技术（TGS） 49/75 2013-5-22 一个横截面衰减 系数分布图 一个横截面的放射性 核素（Cs137）分布图 整桶衰减系数分布图 整桶放射性核素分布 图（3个Cs137源） 层析层析扫描技术重建结果扫描技术重建结果 50/75 2013-5-22 SGS与与TGS技术的总结对比技术的总结对比 两种比较典型的放射性废物无损测量技术，测量光子，均由美国 LANL开发。 系统由三部分组成：机械装置（含电气系统，实现测量动作）、 数据获取装置（探测器及解谱技术）、图像重建系统（透射和发射 重建） 51/75 2013-5-22 伽马扫描技术的改进伽马扫描

33、技术的改进 分段扫描技术（SGS）测量迅速、精度低 改进方向： 在不明显降低测量速度的情况下，提高测量精度在不明显降低测量速度的情况下，提高测量精度 层析扫描技术（TGS）测量时间长、精度高 改进方向： 在不明显降低测量精度的情况下，减少测量时间在不明显降低测量精度的情况下，减少测量时间 52/75 2013-5-22 改进型分段改进型分段扫描技术扫描技术 假定各层内物质、核素均匀分布是引起分段扫描技术测 量精度低的主要原因。 实际上，核素非均匀分布，多数是以“热点” 形式存在，准 确测量这些大活度“热点” 是提高测量精度的主要途径。 对于废物桶内的填充物质，在不含有大块金属物件的情况 下，经

34、压实或固化后的物质密度变化不大。 因此，改进型分段扫描技术一般假定各层内物质、核素 不均匀分布。 如何应对“核素不均匀分布”的假定，建立测量和重建模型 ，是改进型分段扫描技术的技术核心。 53/75 2013-5-22 探测器计数的概率表达式探测器计数的概率表达式 废物桶匀速旋转时，点源可等效为环形线源废物桶匀速旋转时，点源可等效为环形线源 r r r r 0 ( ) R r CIp E r dr 针对一个段层，探测器测到光子计数率为： 为分支比；R为废物桶半径；I为层内放射性核素 总活度；pr为该核素活度在半径r上概率密度函数， E为该半径环源对探测器的探测效率。 如果假设核素均匀分布，概率

35、密度函数为 ： 2 2 / r pr R 2 0 2 ( ) R ErE r dr R 因此探测器测到光子计数率为： 2 0 2 ( ) R CIrE r dr R 54/75 2013-5-22 双探测器改进型分段双探测器改进型分段扫描技术扫描技术 在某一段层内，存在点源（一个环形线源），找到点源半 径则能精确计算出该点源的活度。 设定A、B两个探测器进行扫描，得到的计数率分别为CA和 CB，则： ( ) AA CIEr ( ) BB CIEr ( ) ( ) BB AA CEr CEr ( ) C I E r 如果该探测效率比值F随半径r单调 分布，则可根据计数率比值反推出 点源半径r。

36、( ) ( ) ( ) B A Er F r Er 令： 55/75 2013-5-22 双探测器改进型分段双探测器改进型分段扫描技术扫描技术 在某一段层内，存在多个点源（多个环形线源），找到点 源的等效半径也能计算出该点源的活度。 A、B两个探测器得到的计数率分别为CA和CB，则： 0 ( ) R ArA CIp Er dr 0 ( ) R BrB CIp Er dr 00 00 ( )( ) ( )( ) RR rBrB B RR A rArA Ip Er drp Er dr C C Ip Er drp Er dr 由柯西中值定理，在F(r)曲线上存 在一点，使得 ( ) ( ) ( )

37、BB AA ErC F r ErC r为等效半径，可根据计数率比值 反推，再计算活度： ( ) A A C I Er 56/75 2013-5-22 0481216202428 4.0 x10 -5 5.0 x10 -5 6.0 x10 -5 7.0 x10 -5 8.0 x10 -5 9.0 x10 -5 1.0 x10 -4 1.1x10 -4 EA(r) Radius (cm) 0481216202428 0.0 1.0 x10 -5 2.0 x10 -5 3.0 x10 -5 4.0 x10 -5 5.0 x10 -5 6.0 x10 -5 7.0 x10 -5 EB(r) Radiu

38、s (cm) L=10.5cm L=14.0cm L=17.5cm L=21.0cm L=24.5cm 密度为0.3 g/cm3时的EA(r)曲线 密度为0.3 g/cm3时的EB(r)曲线 0481216202428 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 F(r) Radius (cm) L=10.5cm L=14.0cm L=17.5cm L=21.0cm L=24.5cm 密度为0.3 g/cm3时的F(r)曲线 0481216202428 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 F(r) Radius (cm) =0.3g/cm3 =0

39、.6g/cm3 =0.8g/cm3 =1.0g/cm3 =1.2g/cm3 不同密度下的F(r)曲线（L=17.5 cm） 线性环源的探测效率比值单调性线性环源的探测效率比值单调性 57/75 2013-5-22 双探测器改进型分段双探测器改进型分段扫描技术重建扫描技术重建 如果考虑层串扰，针对A、B探测器可建立两个方程组； 核心问题：当前层的探测器光子计算率、等效半径、探测效率三者 存在耦合，如何确定各层的等效半径。 采用循环迭代的方法求解耦合问题。 11111221 22112222 1122 () () () AAnAn AAnAn nnAnAnnAn CAEA IEA IEA I CA

40、EA IEA IEA I CAEA IEA IEA I 11111221 22112222 1122 () () () BBnBn BBnBn nnBnBnnBn CBEB IEB IEB I CBEB IEB IEB I CBEB IEB IEB I 58/75 2013-5-22 0481216202428 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Imeasured/Iture Radial source position (cm) SGS, S1 SGS, S2 ISGS, S1 ISGS, S2 0481216202428 0 4 8 12 16 20 24 28 Radial

41、 source position (cm) Equivalent radius (cm) S1 S2 y = x = 0.3 g/cm3 0481216202428 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Imeasured/Iture Radial source position (cm) SGS, S1 SGS, S2 ISGS, S1 ISGS, S2 0481216202428 0 4 8 12 16 20 24 28 Radial source position (cm) Equivalent radius (cm) S1 S2 y = x 0481216202428 0.0

42、 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Imeasured/Iture Radial source position (cm) SGS, S1 SGS, S2 ISGS, S1 ISGS, S2 0481216202428 0 4 8 12 16 20 24 28 Radial source position (cm) Equivalent radius (cm) S1 S2 y = x = 0.6 g/cm3 = 1.5g/cm3 双探测器改进型双探测器改进型SGS重建结果重建结果 59/75 2013-5-22 0123456789 10 11 12 0.0 0.5 1.0 1.5 2.

43、0 2.5 Imeasured/Iture Source number SGS, S1 SGS, S2 ISGS, S1 ISGS, S2 0123456789 10 11 12 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Imeasured/Iture Source number SGS, S1 SGS, S2 ISGS, S1 ISGS, S2 0123456789 10 11 12 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Imeasured/Iture Source number SGS, S1 SGS, S2 ISGS, S1 ISGS, S2 双探测器改进型双探测器改进型

44、SGS重建结果重建结果 60/75 2013-5-22 双探测器改进型双探测器改进型SGS总结总结 将SGS中“假定各层核素均匀”分布改为“各层内核素根据其 分布等效为环形线源”； 利用两个探测器在两个偏心位置进行测量，在F为单调分 布的情况下，根据探测器计数率反推等效半径； 在获得等效半径后，实现对核素比较准确的刻度（探测效 率计算），提高重建精度。 对比SGS，重建后的核素活度误差大大降低。 如果采用一个探测器两个位置测量，测量时间多出一倍。 ( ) ( ) ( ) BB AA ErC F r ErC 61/75 2013-5-22 层析层析扫描技术的改进扫描技术的改进 层析扫描技术的主要

45、问题是测量时间长，原因是各层划 分了若干网格，网格内待求解的物理量（即未知数）个数 的增加必然引起方程组个数（及探测次数）增加。 为了减少TGS的测量时间，在不能减少单个位置测量时间 时，只能减少测量的次数，这样必然减少网格划分数量。 如何在采用较少的网格重建，又保持较高的测量精度是层 析扫描技术改进的核心问题。 采用动网格技术，在放射性核素（即热点）附近采用加密 网格，在其它区域采用稀疏网格，是保持重建精度减少网 格数量的有效途径。 62/75 2013-5-22 TGS动网格重建动网格重建 单层84个网格单层22个网格 放射性核素在废物桶内往往以多点源形式存在，在无法获知点源位置 时，依靠划分网格和多位置测量，通过求解方程来重建。 TGS动网格重建为：发射重建时，自动根据重建结果识别点源位置， 并自适应网格加密，再反复重建、加密再重建的过程。 63/75 2013-5-22 TGS动网格加密原理动网格加密原理 主要采用网格由疏向密逐渐增加的方法。 最小网格划分 初始网格划分 网格加密规则网格加密规