阵列溴化铈闪烁伽马能谱水质在线监测系统研制

阵列溴化铈闪烁伽马能谱水质在线监测系统研制汇报人：2024年7月15日一.研究背景与意义二.水质在线监测物理原理三.阵列溴化铈闪烁伽马探测装置设计四.

系统主要性能与初步试验

汇报主要内容1.1核能与核技术应用发展—监管压力剧增截至2022年6月，我国在运核电机组54台，在建核电机组23台，预计2025年核电运行装机容量达7000万千瓦左右。截至2022年底，中国在役民用研究堆（临界装置）18座、各类射线装置约23万台、放射源15.7万枚。据《中国核技术应用产业发展报告》一、研究背景与意义1.2现行监测规定一、研究背景与意义GB6249-2011《核动力厂环境辐射防护规定》GB5749-2022《生活饮用水卫生标准》内陆受纳水体及核设施液态流出物的放射性监测是核安全的重要内容，相关部门也制定了一些监测标准。现行规定

1.3亟需发展在线监测技术一、研究背景与意义在线监测技术起步于上世纪五十年代，主要用于核电站周围海域的放射性监测，按照监测方式可大致分为浮标式、游弋式和拖曳式三大类。名称探测器晶体尺寸测量核素探测下限(Bq/L)测量时间MARNET海洋监测网络NaI(Tl)φ

3in×3in137Cs0.0193h海神监测系统NaI(Tl)φ

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

3in×3in137Cs0.00430d海水放射性检测装置(国产)NaI(Tl)φ

4cm×4cm137Cs0.5866h包括德国MARNET海洋监测网络、希腊海神监测系统、俄罗斯REM-10水下伽马能谱测量系统等，但它们的探测器均采用NaI(Tl)，仅在尺寸上稍有不同。据(Wedekindetal.,1999;Tsabarisetal.,2005;Osvathetal.,2005)1.3亟需发展在线监测技术一、研究背景与意义随着探测器技术的发展，各类具有更好能量分辨率、探测效率的探测器逐步应用与水体放射性监测系统中。基于GAGG(Ce,Mg)与CsI(Tl)闪烁晶体的水体总α/β测量系统基于平板塑料闪烁体和ZnS（Ag）涂层构成自来水α、β测量装置高纯锗探测器的水体在线伽马能谱测量系统水中大面积ZnS(Ag)闪烁体总α在线监测系统开展新型水质放射性在线监测系统研制，快速判断水体中放射性核素的活度浓度是否超过放射性安全筛查阈值，对减少实验室分析压力，形成优势互补，对提升水体放射性监测保障能力具有重要意义。据(Bodewitsetal.,2016;吕汶辉等，2018，2020;朱珠，2020)二、水质在线监测物理原理放射性核素的活度浓度计算方法假设水质放射性测量系统的有效探测的水体体积为V(L)，水体中放射性核素均匀分布，则水体中第i种放射性核素的活度浓度可表示为：水中总α、β活度浓度评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、铀系、钍系与锕铀系，以及人工放射性核素131I、137Cs和60Co等，这些核素在发生α和β衰变过程中，一般会伴随有γ衰变，因此可通过γ衰变的数量计算求得水体总α/β活度浓度：Ni(t):第i种放射性核素的特征伽马射线净峰面积；εγ：特征伽马射线探测效率；Pγ：该核素释放的特征伽马射线分支比。cg：水中总α/β的活度浓度；Pi：第i种放射性核素释放出α或β粒子的分支比。三、阵列溴化铈闪烁伽马探测装置设计水质在线伽马能谱测量系统总体设计水质在线伽马能谱测量系统主要由阵列溴化铈闪烁伽马探测装置、电子线路单元和测量软件组成。阵列溴化铈闪烁伽马探测装置由自动采集装置、沉淀池、低本底铅室、阵列溴化铈闪烁伽马能谱探测器和污染池组成，该装置通过抽水泵将水体抽取到沉淀池内，然后通过阀门和流量计将沉淀后的上层清液引入低本底铅室，进行伽马能谱测；对未超过放射性核素活度浓度限制的测量水体，则打开清水阀门排回至原采样水体，若测量过程中发现超过放射性核素活度浓度限制，则打开污水阀，将测量水体排放入污水池中留存。三、阵列溴化铈闪烁伽马探测装置设计低本底铅室和探测器排列低本底铅室的主体结构为外径Φ720mm×875mm、内径500mm×600mm的圆柱体，外层包裹一层不锈钢，中间层为10cm厚的铅，内层覆有2mm的无氧铜和超薄水胶层，测量室容积约为117L。采用3个Φ45mm×50mm的溴化铈闪烁探测器以“品”字排列组成阵列伽马射线探测器。三、阵列溴化铈闪烁伽马探测装置设计电子线路单元(1)前置读出电路基于电阻和开关场效应管并联双反馈网络的混合复位型前置读出电路(2)高压电源倍压整流+罗耶谐振(3)多通道伽马能谱数据采集器阻容反馈网络为电路提供稳定的直流与交流反馈路径，保证电路具有稳定的增益值，同时保证信号具有稳定的时间常。开关反馈网络为电路提供恒定的复位触发电平，保证高计数率条件下电路能够实现自放电，恢复至正常工作状态电路工作在自激振荡状态下时，能够保证电路具有较低的开关噪声和较低的功耗，同时驱动电路设计更为简单。可实现最多4路探测器信号的并行同步采集与处理，同时基于高精度时间信号实现不同通道的时间同步，最终以粒子数据的方式将探测信息发送至上位机。(4)241Am自动稳谱利用241Am释放的59.56keV特征伽马射线作为参考峰，由于其能量低，不仅不影响低能段伽马能谱数据，同时具有速度快、抗干扰能力强等优点。系统硬件分辨率应由于39μV，选取的ADC应至少为16bit，谱线分辨率不低于65K。241Am自动稳谱流程三、阵列溴化铈闪烁伽马探测装置设计核素扩散分布状态研究扩散5min的浓度分布图扩散10min的浓度分布图

扩散30min的浓度分布图扩散70min的浓度分布图由于水质在线监测系统对水样的测量是通过采样器将水样抽入低本底测量铅室内部，在此过程中，由于水样的运移和扩散，造成水体中的放射性核素分布不均匀，进而导致仪器谱发生变化，测量结果不确定度增大。使用Comsol软件模拟核素在铅室中的分布状态，模拟中的扩散过程选择湍流模式（标准k-ε模型）忽略边界阻力、涡流和分子粘性等干扰因素由于5min时进入铅室的放射性核素的总量较少，因此放射性核素主要分布在入水口。由于铅室内壁的阻挡，靠近入水管道一侧的铅室内壁附近放射性核素的浓度明显高于铅室其他位置。此时放射性核素在铅室各位置的浓度均达到入水管道内放射性核素的浓度的一半以上。当扩散时间达到70min时，铅室内放射性核素浓度与入水管道中的放射性核素的浓度基本一致。四、系统主要性能与初步试验最小可探测活度浓度核素能量/keV探测效率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系统稳定性测试在未开启稳谱时，137Cs全能峰峰位随温度的变化发生了很大的漂移，基本趋势为温度升高，峰位向低能端漂移，当测试温度从0℃升高到50℃时，最大峰漂高达136道。开启自动稳谱功能后，在相同的测试温度范围内谱漂小于平均峰位±1道。四、系统主要性能