11放射性廢物桶探測技術(shù)

1、核電廠中低放射性廢物桶探測技術(shù)核電廠中低放射性廢物桶探測技術(shù) 上海交通大學(xué) 張繼革 2015年6月1日 2/75 2013-5-22 課程內(nèi)容課程內(nèi)容 放射性廢物的基礎(chǔ)知識(shí) 放射性核素測量儀器 中低放射性廢物桶測量與重建 3/75 2013-5-22 放射性廢物放射性廢物 核工業(yè)的大力發(fā)展將會(huì)產(chǎn)生大量的放射性廢物， 影響到環(huán)境安全、人類健康和核工業(yè)的可持續(xù)發(fā) 展。 放射性廢物是指含有放射性物質(zhì)或被放射性物質(zhì) 所污染，其活度或活度濃度大于規(guī)定的清潔解控 水平，并且所引起的照射未被排除的廢棄物。 4/75 2013-5-22 放射性廢物分類 放射性廢物的許多性質(zhì)，都可以作為分類的依據(jù)，例如： (1

2、)按廢物的物理、化學(xué)形態(tài)分類： 氣載廢物，如：通風(fēng)排氣、工藝廢氣等； 液體廢物，如：放射性廢水、含氚廢水、有機(jī)廢液等； 固體廢物，如：可燃性廢物、不可燃性廢物，可壓縮廢 物、不可壓縮廢物，干固體廢物、濕固體廢物等。 (2)按放射性水平分類： 低放廢物； 中放廢物； 高放廢物等。 (3)按輻射類型分類： /放射性廢物； 廢物等。 5/75 2013-5-22 我國放射性廢物分類 按物理狀態(tài)分為氣載、液體和固體三類廢物： 氣載放射性廢物根據(jù)放射性濃度分為低放、中放兩級(jí)； 液體放射性廢物根據(jù)放射性濃度分為低放、中放和高放三級(jí)； 固體放射性廢物分為低放、中放、高放和廢物。 6/75 2013-5-22

3、 放射性廢物管理放射性廢物管理 放射性廢物中的核素一般有裂變產(chǎn)物、錒系核素、活化產(chǎn) 物多種，化學(xué)組分多為強(qiáng)酸、高鹽、混合有機(jī)物等成份。 放射性廢物的危害作用不能通過化學(xué)、物理或生物的方法 消除。只能通過自身衰變或核反應(yīng)擅變來降低其放射性水 平，最后達(dá)到無害化。 放射性廢物處置的基本方法可概括為兩類： 分散稀釋：放射性廢氣和廢液經(jīng)過凈化處理后，以氣載 或液體流出物排放到大氣或水體中屬于“分散稀釋”。 濃集隔離：放射性廢物經(jīng)過固化、整備，把放射性核素 濃集在同化體中，實(shí)行近地表處置或深地質(zhì)處置，就屬 于“濃集隔離”。 7/75 2013-5-22 放射性廢物管理放射性廢物管理 放射性廢物管理是包括

4、廢物的產(chǎn)生、預(yù)處理、處理、整備、 運(yùn)輸、貯存和處置在內(nèi)的所有的行政和技術(shù)活動(dòng)。 8/75 2013-5-22 核電站廢放射性物處理系統(tǒng)核電站廢放射性物處理系統(tǒng) 放射性廢氣：工藝廢氣 和排風(fēng)系統(tǒng)； 放射性廢液：系統(tǒng)、管 道閥門泄露，設(shè)備疏水 ，離子交換再生液，地 面沖洗水，去污廢液； 固體廢物：蒸發(fā)濃縮廢 液，廢樹脂，廢過濾芯 ，高校過濾器芯，廢設(shè) 備部件，勞保用品。 分類收集、處理和貯存分類收集、處理和貯存：廢氣廢氣和和廢液廢液達(dá)標(biāo)排放；達(dá)標(biāo)排放；固體廢物固體廢物減容、包裝后臨時(shí)減容、包裝后臨時(shí) 庫內(nèi)存放不超過庫內(nèi)存放不超過5年，送往低中放廢物處置場進(jìn)行處置年，送往低中放廢物處置場進(jìn)行處置。

5、9/75 2013-5-22 核電站放射性固體廢物核電站放射性固體廢物 分為：干固體廢物、濕固體廢物 干固體廢物 包括：廢活性炭、石墨、吸附劑、廢高效過濾器芯、廢設(shè)備、部件、工具、 勞保用品、擦試材料、鋪墊或覆蓋用的塑料，堆內(nèi)測量部件等； 分為可壓實(shí)廢物和不可壓實(shí)廢物，可燃廢物和不可燃廢物。 濕固體廢物 包括：泥漿、濃縮廢液、廢樹脂和廢過濾器芯； 濃縮廢液：硝酸鈉、硼酸或硼酸鹽，通常進(jìn)行水泥固化； 廢樹脂：主要核素Cs-137、Cs-134、Co-60、Co-58，廢樹脂比活度很高、有 機(jī)物、降解產(chǎn)生燃爆性氣體、不易焚燒、難直接處置。不破壞樹脂有機(jī)結(jié)構(gòu) 處理方法：壓實(shí)、裝桶、低溫固化；破壞樹脂

6、有機(jī)結(jié)構(gòu)處理方法：分解、降 解、高溫固化；水泥固化體：樹脂溶脹龜裂和破碎，要限制廢樹脂包容量。 廢過濾器芯：通過鉛屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器裝入混凝土容器中，注入水泥砂漿固定， 裝在200L金屬桶中。 10/75 2013-5-22 核電站固體廢物包裝核電站固體廢物包裝 鋼桶：200L、400L 混凝土容器：自屏蔽效能好，抗腐蝕作用強(qiáng)，廢物包裝率低 A型包裝：滲水試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、貫穿試驗(yàn)和1.2m自由墜落 試驗(yàn)； B型包裝：增加高溫燃燒試驗(yàn)、9m墜落試驗(yàn)和水浸試驗(yàn)； 11/75 2013-5-22 秦山一期放射性廢物產(chǎn)量秦山一期放射性廢物產(chǎn)量 秦山一期年發(fā)電量與固體廢物年產(chǎn)量 12/75 2013-5-22

7、 大亞灣放射性廢物產(chǎn)量大亞灣放射性廢物產(chǎn)量 大亞灣年發(fā)電量與固體廢物年產(chǎn)量 13/75 2013-5-22 核電站放射性廢物產(chǎn)量 100萬千瓦的核電站 70100m3 中低水平放射性廢物 25 t 高水平放射性廢物 14/75 2013-5-22 我國的放射性廢物量估計(jì)我國的放射性廢物量估計(jì) 我國的核工業(yè)已有50余年的發(fā)展歷史，積累了數(shù)萬立方米的 低、中放廢物，主要來自核反應(yīng)堆、核武器制造廠、教學(xué)、 科研、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等部門。 根據(jù) 2005 年數(shù)據(jù)，我國中低放固體廢物的量粗略估計(jì)為： 核技術(shù)應(yīng)用約 8000 立方米，研究開發(fā)約 4200 立方米，軍 品遺留約 32000立方米，核電站約 300

8、0 立方米。 據(jù)測算，一個(gè) 100 萬千瓦級(jí)的核電站，每年產(chǎn)生的中低放廢 物大概為70-100 立方米。根據(jù)核電中長期發(fā)展規(guī)劃（ 2011-2020 年） ，到2020 年我國在運(yùn)核電裝機(jī)容量達(dá)到 5800 萬千瓦，在建3000 萬千瓦，那么全國核電站一年產(chǎn)生 的中低放廢物將達(dá)到5800 立方米。 15/75 2013-5-22 放射性廢物檢測放射性廢物檢測 低、中水平放射性廢物包的檢測可歸納為三個(gè)方 面的內(nèi)容： 一是廢物產(chǎn)生單位對(duì)廢物包產(chǎn)生過程的質(zhì)量控制； 二是監(jiān)管單位對(duì)廢物包特性實(shí)施的抽樣檢查； 三是處置接收單位對(duì)送往處置場廢物包的質(zhì)量驗(yàn)收。 在對(duì)廢物進(jìn)行處置之前，必須對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確鑒別 與

9、測量，獲得廢物中所含核素及其核素的量，為 其暫存、運(yùn)輸和最終處置的方案的制定提供科學(xué) 依據(jù)。 16/75 2013-5-22 放射性廢物檢測的相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)放射性廢物檢測的相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn) GB14500-2002放射性廢物管理規(guī)定規(guī)定了對(duì)不同種類的放 射性廢物的不同處理和處置方式。 GB11928-1989 低、中水平放射性固體廢物暫時(shí)貯存規(guī)定 中要求入庫廢物應(yīng)盡可能根據(jù)廢物的放射性比活度、 半衰期、 毒性及廢物處理的要求進(jìn)行分類， 分別入庫貯存； GB11806-2004 放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸規(guī)程中規(guī)定了放射性核 素的基本限值和貨包內(nèi)容物限值； GB16933-1997 放射性廢物近地表處置的

10、廢物接收準(zhǔn)則中規(guī) 定了廢物包裝體中廢物的放射性比活度的限值，且主管部門或處 置場營運(yùn)單位可授權(quán)某個(gè)有資格的部門或單位對(duì)廢物包裝體進(jìn)行 破壞性或非破壞性抽檢，抽檢項(xiàng)目可包括總 - 和總 放射性活 度、主要放射性核素及其比活度等等。 17/75 2013-5-22 中國放射性廢物處置場中國放射性廢物處置場 現(xiàn)有中低放處置場 西北處置場 (甘肅省玉門) 南方處置場(廣東省北龍) 規(guī)劃中的處置場 西北 南部 東部 北部 東北部 18/75 2013-5-22 目 錄 放射性核素測量儀器放射性核素測量儀器 19/75 2013-5-22 核輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的過程核輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的過程 利用核輻射在氣體

11、、液體或固體中引起的電離效 應(yīng)、發(fā)光現(xiàn)象、物理或化學(xué)變化進(jìn)行核輻射探測 的元器件稱為核輻射探測器 核輻射進(jìn)入探測器靈敏體積后與探測介質(zhì)相互作 用，探測器輸出能夠直接或間接的反映核輻射種 類、強(qiáng)度、能量或核壽命等的信息 常用的有三大類：氣體探測器、半導(dǎo)體探測器和 閃爍探測器 這三類探測器都是把核輻射轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)，再 由電信號(hào)處理設(shè)備進(jìn)行分析和處理 20/75 2013-5-22 探測器種類探測器種類 氣體探測器： 電離室：脈沖電離室、電流電離室、累計(jì)電離室； 正比計(jì)數(shù)器、G-M計(jì)數(shù)管； 閃爍探測器： NaI（Tl）單晶譜儀；BGO（鍺酸鉍）探測器 半導(dǎo)體探測器： 金硅面壘半導(dǎo)體探測器、高純鍺（

12、HPGe)探測器、鋰 漂移硅探測器； 其它探測器：原子核乳膠、固體徑跡探測器、氣泡室、 火花放電室、多絲正比室、切倫科夫計(jì)數(shù)器、熱釋光探 測器 21/75 2013-5-22 輻射探測器介紹輻射探測器介紹 氣體探測器 氣體探測器是一個(gè)內(nèi)部充有特定氣體、兩電極間（高壓極和收集 極）加有電場的小室形探測器。 利用收集輻射在氣體中產(chǎn)生的電離電荷來探測輻射。 閃爍體探測器 閃爍探測器是利用某些物質(zhì)在核輻射作用下會(huì)發(fā)光的特性探測核 輻射的，這些物質(zhì)稱為熒光物質(zhì)或閃爍體。 光電器件（常用光電器件為光電倍增管，射線強(qiáng)時(shí)用光電管）將 微弱的閃爍光轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮?，光電子?jīng)多次倍增放大后，輸出一 個(gè)電脈沖。 半導(dǎo)體

13、探測器 20世紀(jì)60年代以后迅速發(fā)展起來的一種新型核輻射探測器，以 半導(dǎo)體材料為探測介質(zhì)。 半導(dǎo)體探測器的工作原理和氣體電離室的十分相似，故又稱固體 電離室。 22/75 2013-5-22 半導(dǎo)體探測器與電離室比較半導(dǎo)體探測器與電離室比較 半導(dǎo)體探測器的工作原理類似于電離室，但它比電離室 有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)： 半導(dǎo)體的密度比氣體密度大許多（三個(gè)數(shù)量級(jí)），半導(dǎo)體探測器和 電離室輸出同樣大小脈沖時(shí)，半導(dǎo)體探測器體積可小很多； 半導(dǎo)體的平均電離能（約3eV）比氣體的平均電離能（約30eV）小 一個(gè)數(shù)量級(jí)，帶電粒子在半導(dǎo)體探測器內(nèi)損失同樣的能量產(chǎn)生的電 子-空穴對(duì)要多得多，電子-空穴對(duì)的統(tǒng)計(jì)漲落小得多

14、，半導(dǎo)體探測 器的能量分辨率要好得多； 主要缺點(diǎn)： 對(duì)輻射損傷較靈敏，受強(qiáng)輻照后性能變差； 常用的鍺探測器，需要在低溫（液氮）條件下工作，甚至要求在低 溫下保存，使用不便。 23/75 2013-5-22 高純鍺（高純鍺（HPGe)探測器探測器 高純鍺探測器是在20世紀(jì)70年代研制出來的一種新型半 導(dǎo)體探測器； 本質(zhì)上也是PN結(jié)型半導(dǎo)體探測器； 高純鍺雜質(zhì)濃度可以降低到（1091010）原子/cm3，相應(yīng) 的電阻率很高，使偏壓不到1000V時(shí)耗盡深度就可以達(dá)到 10mm，所以可獲得較大的靈敏體積； 24/75 2013-5-22 高純鍺（高純鍺（HPGe)探測器探測器 平面型高純鍺探測器靈敏區(qū)

15、厚度一般在510mm，可以 用于測量E220MeV的粒子，E60MeV的質(zhì)子， E10MeV的電子和能量E 300keV的低能X和射線。 同軸型HPGe探測器靈敏區(qū)體積可達(dá)約400cm3，用于 E10MeV的射線能量測量。 （1）一般平面型 （2）溝槽式平面型 （3）P型同軸型 （4）N型同軸型 25/75 2013-5-22 廢物桶內(nèi)放射性核素的特點(diǎn)廢物桶內(nèi)放射性核素的特點(diǎn) 廢物桶內(nèi)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：入射射線的能量全部損失在探測器靈敏體積射線的能量全部損失在探測器靈敏體積 內(nèi)時(shí)，探測器輸出的脈沖形成的譜峰為全能峰。內(nèi)時(shí)，探測器輸出的脈沖形成的譜峰為全能峰。 全能峰全能峰 27/75 2013-5-22 能量刻度能量刻度 能量刻度就是確定譜儀測得的譜峰值所對(duì)應(yīng)的 射線的能量。 能量刻度的方法是在一定試驗(yàn)條件下

17、，利用幾個(gè) 已知能量的放射源，測出對(duì)應(yīng)能量的全能峰峰 位 (一般為道址)，得出一組數(shù)據(jù)。然后用作圖法 或數(shù)據(jù)擬合法做出全能峰位置與射線能量的關(guān) 系曲線。 28/75 2013-5-22 能譜定量分析能譜定量分析 目標(biāo)：找出被測樣品所發(fā)射的射線能量，從而 確定樣品中含有什么核素及其活度。 步驟：譜光滑，尋峰，劃分峰區(qū)，重峰分解，計(jì) 算峰面積，核素識(shí)別，射線發(fā)射率或核素含量 的計(jì)算等 29/75 2013-5-22 探測效率探測效率 探測效率 用全能峰面積求射線輻射量，必須先進(jìn)行效率刻度 。 可采用實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合蒙特卡羅計(jì)算方法進(jìn)行效率刻度。 s n N 記錄的脈沖數(shù) 放射源發(fā)出的粒子數(shù) 30/75

18、 2013-5-22 目 錄 中低放射性廢物桶測量與重建中低放射性廢物桶測量與重建 31/75 2013-5-22 放射性廢物桶測量對(duì)象放射性廢物桶測量對(duì)象 放射性廢物桶從結(jié)構(gòu)上講由桶殼、填充 物質(zhì)、放射性核素組成。 相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在廢物桶處置前需 要測量：放射性核素的含量，包括核素 種類和比活度，以及表面輻射水平。 桶內(nèi)物質(zhì)，包括廢物桶的殼體會(huì)對(duì)射線 產(chǎn)生衰減，需要獲得桶內(nèi)物質(zhì)的密度以 及對(duì)射線產(chǎn)生的衰減系數(shù)。 中低放廢物桶特點(diǎn)：非均勻、大體積。 32/75 2013-5-22 3232 中低放廢物活度測量方法中低放廢物活度測量方法 中低放廢物中低放廢物 活度測量方法活度測量方法 破壞性

19、取樣分析法破壞性取樣分析法 無損檢測法無損檢測法 中子分析法中子分析法 射線分析法射線分析法 量熱法量熱法 分段分段掃描（掃描（SGS） Segmented gamma scanning 層析層析掃描（掃描（TGS） Tomographic gamma scanning 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)掃描（掃描（RGS） Rotating gamma scanning 33/75 2013-5-22 空間點(diǎn)源的測量與活度重建空間點(diǎn)源的測量與活度重建 CeI 探測器計(jì)數(shù)率：探測器計(jì)數(shù)率： C：探測器計(jì)數(shù)率，即單位時(shí)間的光：探測器計(jì)數(shù)率，即單位時(shí)間的光 子計(jì)數(shù)；子計(jì)數(shù)； I ：放射性核素的活度，單位放射性核素的活度，單

20、位Bq； e ：某空間位置：某空間位置放射性核素相對(duì)于探放射性核素相對(duì)于探 測器的探測效率；測器的探測效率； ：分支比，即核素衰敗時(shí)發(fā)出一定分支比，即核素衰敗時(shí)發(fā)出一定 能量能量射線的概率。射線的概率。 沒有物質(zhì)衰減的探測效率分布 在獲得在獲得核素空間位置核素空間位置后，后， 得到其探測效率，即可重得到其探測效率，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 有物質(zhì)衰減的空間點(diǎn)源測量與活度重建有物質(zhì)衰減的空間點(diǎn)源測量與活度重建 L CeI e 探測器計(jì)數(shù)率：探測器計(jì)數(shù)率： ：射線經(jīng)過物質(zhì)的衰減系數(shù)，：射線經(jīng)過物質(zhì)的衰減系數(shù)，m-1； L ：射線經(jīng)過物

21、質(zhì)的徑跡長度，射線經(jīng)過物質(zhì)的徑跡長度，m； 在獲得在獲得核素空間位置、射核素空間位置、射 線在物質(zhì)中的徑跡長度、線在物質(zhì)中的徑跡長度、 物質(zhì)的衰減系數(shù)物質(zhì)的衰減系數(shù)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：經(jīng)過物質(zhì)衰減校正的探測效率；：經(jīng)過物質(zhì)衰減校正的探測效率； L ee e 35/75 2013-5-22 廢物測量過程及關(guān)鍵問題廢物測量過程及關(guān)鍵問題 放射性核素發(fā)出射線，經(jīng)物質(zhì)衰減后被探測器測得，通 過對(duì)能譜分析得到全能峰對(duì)應(yīng)的核素種類和特征能量， 利用測得的射線計(jì)數(shù)重建各核素對(duì)應(yīng)的活度。 重建關(guān)鍵問題包括： 1、核素與探測器的相對(duì)幾何位置，確定幾何

22、探測效率、射線在物 質(zhì)中的徑跡長度； 2、物質(zhì)的密度或?qū)ι渚€的衰減系數(shù)，對(duì)探測效率進(jìn)行衰減校正。 36/75 2013-5-22 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)原理掃描技術(shù)原理 假設(shè)整個(gè)廢物桶內(nèi)物質(zhì)與核素均勻分 布；測量時(shí)桶相對(duì)于中軸線勻速旋轉(zhuǎn) 。 探測器計(jì)數(shù)率： 為為分支比，分支比，e為整桶為體源時(shí)經(jīng)桶為整桶為體源時(shí)經(jīng)桶 內(nèi)物質(zhì)衰減修正的探測效率。由于效內(nèi)物質(zhì)衰減修正的探測效率。由于效 率刻度時(shí)的物質(zhì)密度和實(shí)際密度存在率刻度時(shí)的物質(zhì)密度和實(shí)際密度存在 差異，需要進(jìn)行修正：差異，需要進(jìn)行修正： 因此，放射性核素活度： 整桶均勻假設(shè)會(huì)造成很大探測誤差。 Ce I e C Ce I eC C I e 37/75

23、 2013-5-22 分段分段掃描技術(shù)（掃描技術(shù)（SGS）原理）原理 將廢物桶分為若干層，假設(shè)整桶物質(zhì) 密度均勻，各層核素均勻分布；測量 時(shí)桶相對(duì)于中軸線勻速旋轉(zhuǎn)。 各層探測器計(jì)數(shù)率： 為為分支比，分支比，eC為各層為體源時(shí)效率為各層為體源時(shí)效率 刻度時(shí)經(jīng)桶內(nèi)物質(zhì)衰減修正的探測效刻度時(shí)經(jīng)桶內(nèi)物質(zhì)衰減修正的探測效 率，率，e為密度修正系數(shù)。為密度修正系數(shù)。 第i層的活度Ii ： 依次獲得各層的放射性核素活度后， 廢物桶總活度： ie Ci Ce I i i e C C I e i II 38/75 2013-5-22 帶外源的分段帶外源的分段掃描技術(shù)原理掃描技術(shù)原理 將廢物桶分為若干層，假設(shè)各層

24、 物質(zhì)密度、核素均勻分布；測量 時(shí)桶相對(duì)于中軸線勻速旋轉(zhuǎn)。 要考慮各層物質(zhì)密度差異，就需 要分別測出各層物質(zhì)的密度或?qū)?射線的衰減系數(shù)。 通過桶外放射源測量桶內(nèi)物質(zhì)密 度的過程，被稱為透射掃描；測 量桶內(nèi)放射性核素活度的過程被 稱為發(fā)射掃描。 各層放射性核素活度： 0 CeI 沒有物質(zhì)時(shí)外源沒有物質(zhì)時(shí)外源 測量計(jì)數(shù)：測量計(jì)數(shù)： iL i CeI e 穿透廢物桶時(shí)外源穿透廢物桶時(shí)外源 測量計(jì)數(shù)：測量計(jì)數(shù)： 第第i層廢物桶物質(zhì)對(duì)層廢物桶物質(zhì)對(duì) 射線衰減系數(shù)：射線衰減系數(shù)： 0 1 ln i i C LC L為射線穿透廢物桶長度。 i i eiC C I e 39/75 2013-5-22 考慮層串

25、擾影響的分段考慮層串?dāng)_影響的分段掃描技術(shù)掃描技術(shù) 受準(zhǔn)直器視野的限制，探測器不僅能測得來自當(dāng)前層的射線，也可 以測得相鄰若干層的射線，這就是分段掃描中的層串?dāng)_問題。 第i層探測器計(jì)數(shù)率： Ij為第j層的放射性核素活度，eji為第j層體源相對(duì)于處于第i層高度探 測器的帶物質(zhì)衰減的探測效率。 完成各層的測量后，相當(dāng)于獲得如下線性方程組，求解后，可得各 層放射性核素的活度。 ijij Ce I 00000 0 j iiijj CIee = CeeI 40/75 2013-5-22 SGS關(guān)鍵技術(shù) 自吸收校正效率刻度層間串?dāng)_修正 透射校正法 平均密度法 峰比值法 實(shí)驗(yàn)方法 蒙特卡羅方法 Standar

26、ds Point source Shell source 解矩陣方程 分段分段掃描技術(shù)（掃描技術(shù)（ SGS）總結(jié)）總結(jié) 分段分段掃描技術(shù)掃描技術(shù)（ Segmented Gamma Scanning, SGS ） ，LANL實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室 （Los Alamos National Laboratory）的的J.L. Parker等人于上世紀(jì)七十年代等人于上世紀(jì)七十年代 初提出，初提出，假設(shè)每層內(nèi)的填充物質(zhì)和放射性核素都均勻分布假設(shè)每層內(nèi)的填充物質(zhì)和放射性核素都均勻分布；層與層間的填；層與層間的填 充物質(zhì)可以一致也可以不同。充物質(zhì)可以一致也可以不同。 掃描過程掃描過程為：廢物桶均勻旋轉(zhuǎn)，單層掃描后探

27、測器抬升一層繼續(xù)掃描。為：廢物桶均勻旋轉(zhuǎn)，單層掃描后探測器抬升一層繼續(xù)掃描。 41/75 2013-5-22 SGS的誤差的誤差主要來自于主要來自于 ： 1、放射性核素的非均勻分布；、放射性核素的非均勻分布； 2、桶內(nèi)填充物質(zhì)的非均勻分布；、桶內(nèi)填充物質(zhì)的非均勻分布； 3、放射性物質(zhì)本身自吸收影響。、放射性物質(zhì)本身自吸收影響。 v技術(shù)成熟、已有商業(yè)化系統(tǒng)技術(shù)成熟、已有商業(yè)化系統(tǒng) 在國外核電廠使用廣泛。在國外核電廠使用廣泛。 v我國秦山一期的德國我國秦山一期的德國GME系統(tǒng)也是系統(tǒng)也是SGS。 Canberra公司的公司的WM2200型型SGS系統(tǒng)系統(tǒng) 分段分段掃描技術(shù)（掃描技術(shù)（ SGS）應(yīng)用

28、）應(yīng)用 42/75 2013-5-22 = 0.3 g/cm3 = 1.5 g/cm3 均勻介質(zhì)均勻介質(zhì)SGS重建結(jié)果重建結(jié)果 = 0.6g/cm3 43/75 2013-5-22 非均勻介質(zhì)非均勻介質(zhì)SGS重建結(jié)果重建結(jié)果 44/75 2013-5-22 層析層析掃描技術(shù)（掃描技術(shù)（TGS）原理）原理 TGS繼承了SGS分層測量 的方法，但不再假設(shè)各層 內(nèi)物質(zhì)和核素均勻分布。 它將各層又劃分為若干網(wǎng) 格，假定網(wǎng)格內(nèi)物質(zhì)均勻 分布，如果采用體源進(jìn)行 效率刻度則認(rèn)為核素在網(wǎng) 格內(nèi)均勻分布，如果以點(diǎn) 源進(jìn)行效率刻度則假定核 素處于網(wǎng)格幾何中心。 TGS透射掃描即利用CT技術(shù)通過外放射源重建各網(wǎng)格內(nèi)

29、物質(zhì)密度的過程。 TGS發(fā)射掃描即利用PAT-CT技術(shù)重建各網(wǎng)格內(nèi)放射性核素活度的過程。 45/75 2013-5-22 層析層析掃描技術(shù)透射掃描過程掃描技術(shù)透射掃描過程 透射掃描，第i次測量計(jì)數(shù)率（含衰減）： jiji ulCCTexp 0 C0未放置廢物桶時(shí)探測器對(duì)透射源的計(jì)數(shù)率，lij為第i次測量時(shí)的連接透 射源與探測器的射線在第j個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的徑跡長度，uj為第j個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的物質(zhì) 在某一能量下的線性衰減系數(shù)。 上式取對(duì)數(shù)： 0 ln C CT ul i jij 0 00000 0 0 ln ln j iiijj CT Cull = CTllu C 經(jīng)旋轉(zhuǎn)、平移等多次測量后： 46/75 20

30、13-5-22 層析層析掃描技術(shù)發(fā)射掃描過程掃描技術(shù)發(fā)射掃描過程 0 iijijj j J CEe a I 發(fā)射掃描，第i次測量計(jì)數(shù)率（含衰減）： 為分支比，Ij為第j個(gè)網(wǎng)格內(nèi)放射性核素活度（無核素活度為零），eij為 不考慮桶內(nèi)物質(zhì)衰減時(shí)第i次測量時(shí)探測器對(duì)第j個(gè)網(wǎng)格的探測效率，lijk為 第i次測量連接第j個(gè)網(wǎng)格至探測器直線穿過第k個(gè)網(wǎng)格的徑跡長度 。 exp() ijijkk k al 第i次測量第j個(gè)網(wǎng)格對(duì)探測器的衰減校正因子： 00000 0 j iiijj CEIeaea = CEeaeaI 經(jīng)旋轉(zhuǎn)、平移等多次測量后： 47/75 2013-5-22 層析層析掃描技術(shù)重建求解掃描技

31、術(shù)重建求解 固定網(wǎng)格透射重建的密度分布 固定網(wǎng)格發(fā)射重建的活度分布 透射重建，求解方程組： 0 00000 0 0 ln ln j iiijj CT Cull = CTllu C 發(fā)射重建，求解方程組： 00000 0 j iiijj CEIeaea = CEeaeaI 48/75 2013-5-22 Canberra公司的WM2900型TGS系統(tǒng) 層析掃描技術(shù) (Tomographic Gamma Scanning, TGS)： 1994年，美國LANL的R. J. Estep和T.H. Prettyman等人首次開發(fā)研制 成功TGS原型裝置。 掃描動(dòng)作：靜止?fàn)顟B(tài)測量，通過轉(zhuǎn)動(dòng)、平動(dòng)、升降改

32、變測量位置。 層析層析掃描技術(shù)（掃描技術(shù)（TGS） 49/75 2013-5-22 一個(gè)橫截面衰減 系數(shù)分布圖 一個(gè)橫截面的放射性 核素（Cs137）分布圖 整桶衰減系數(shù)分布圖 整桶放射性核素分布 圖（3個(gè)Cs137源） 層析層析掃描技術(shù)重建結(jié)果掃描技術(shù)重建結(jié)果 50/75 2013-5-22 SGS與與TGS技術(shù)的總結(jié)對(duì)比技術(shù)的總結(jié)對(duì)比 兩種比較典型的放射性廢物無損測量技術(shù)，測量光子，均由美國 LANL開發(fā)。 系統(tǒng)由三部分組成：機(jī)械裝置（含電氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測量動(dòng)作）、 數(shù)據(jù)獲取裝置（探測器及解譜技術(shù)）、圖像重建系統(tǒng)（透射和發(fā)射 重建） 51/75 2013-5-22 伽馬掃描技術(shù)的改進(jìn)伽馬掃描

33、技術(shù)的改進(jìn) 分段掃描技術(shù)（SGS）測量迅速、精度低 改進(jìn)方向： 在不明顯降低測量速度的情況下，提高測量精度在不明顯降低測量速度的情況下，提高測量精度 層析掃描技術(shù)（TGS）測量時(shí)間長、精度高 改進(jìn)方向： 在不明顯降低測量精度的情況下，減少測量時(shí)間在不明顯降低測量精度的情況下，減少測量時(shí)間 52/75 2013-5-22 改進(jìn)型分段改進(jìn)型分段掃描技術(shù)掃描技術(shù) 假定各層內(nèi)物質(zhì)、核素均勻分布是引起分段掃描技術(shù)測 量精度低的主要原因。 實(shí)際上，核素非均勻分布，多數(shù)是以“熱點(diǎn)” 形式存在，準(zhǔn) 確測量這些大活度“熱點(diǎn)” 是提高測量精度的主要途徑。 對(duì)于廢物桶內(nèi)的填充物質(zhì)，在不含有大塊金屬物件的情況 下，經(jīng)

34、壓實(shí)或固化后的物質(zhì)密度變化不大。 因此，改進(jìn)型分段掃描技術(shù)一般假定各層內(nèi)物質(zhì)、核素 不均勻分布。 如何應(yīng)對(duì)“核素不均勻分布”的假定，建立測量和重建模型 ，是改進(jìn)型分段掃描技術(shù)的技術(shù)核心。 53/75 2013-5-22 探測器計(jì)數(shù)的概率表達(dá)式探測器計(jì)數(shù)的概率表達(dá)式 廢物桶勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，點(diǎn)源可等效為環(huán)形線源廢物桶勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，點(diǎn)源可等效為環(huán)形線源 r r r r 0 ( ) R r CIp E r dr 針對(duì)一個(gè)段層，探測器測到光子計(jì)數(shù)率為： 為分支比；R為廢物桶半徑；I為層內(nèi)放射性核素 總活度；pr為該核素活度在半徑r上概率密度函數(shù)， E為該半徑環(huán)源對(duì)探測器的探測效率。 如果假設(shè)核素均勻分布，概率

35、密度函數(shù)為 ： 2 2 / r pr R 2 0 2 ( ) R ErE r dr R 因此探測器測到光子計(jì)數(shù)率為： 2 0 2 ( ) R CIrE r dr R 54/75 2013-5-22 雙探測器改進(jìn)型分段雙探測器改進(jìn)型分段掃描技術(shù)掃描技術(shù) 在某一段層內(nèi)，存在點(diǎn)源（一個(gè)環(huán)形線源），找到點(diǎn)源半 徑則能精確計(jì)算出該點(diǎn)源的活度。 設(shè)定A、B兩個(gè)探測器進(jìn)行掃描，得到的計(jì)數(shù)率分別為CA和 CB，則： ( ) AA CIEr ( ) BB CIEr ( ) ( ) BB AA CEr CEr ( ) C I E r 如果該探測效率比值F隨半徑r單調(diào) 分布，則可根據(jù)計(jì)數(shù)率比值反推出 點(diǎn)源半徑r。

36、( ) ( ) ( ) B A Er F r Er 令： 55/75 2013-5-22 雙探測器改進(jìn)型分段雙探測器改進(jìn)型分段掃描技術(shù)掃描技術(shù) 在某一段層內(nèi)，存在多個(gè)點(diǎn)源（多個(gè)環(huán)形線源），找到點(diǎn) 源的等效半徑也能計(jì)算出該點(diǎn)源的活度。 A、B兩個(gè)探測器得到的計(jì)數(shù)率分別為CA和CB，則： 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)曲線上存 在一點(diǎn)，使得 ( ) ( ) ( )

37、BB AA ErC F r ErC r為等效半徑，可根據(jù)計(jì)數(shù)率比值 反推，再計(jì)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 密度為0.3 g/cm3時(shí)的EA(r)曲線 密度為0.3 g/cm3時(shí)的EB(r)曲線 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 密度為0.3 g/cm3時(shí)的F(r)曲線 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)曲線（L=17.5 cm） 線性環(huán)源的探測效率比值單調(diào)性線性環(huán)源的探測效率比值單調(diào)性 57/75 2013-5-22 雙探測器改進(jìn)型分段雙探測器改進(jìn)型分段掃描技術(shù)重建掃描技術(shù)重建 如果考慮層串?dāng)_，針對(duì)A、B探測器可建立兩個(gè)方程組； 核心問題：當(dāng)前層的探測器光子計(jì)算率、等效半徑、探測效率三者 存在耦合，如何確定各層的等效半徑。 采用循環(huán)迭代的方法求解耦合問題。 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 雙探測器改進(jìn)型雙探測器改進(jìn)型SGS重建結(jié)果重建結(jié)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 雙探測器改進(jìn)型雙探測器改進(jìn)型

44、SGS重建結(jié)果重建結(jié)果 60/75 2013-5-22 雙探測器改進(jìn)型雙探測器改進(jìn)型SGS總結(jié)總結(jié) 將SGS中“假定各層核素均勻”分布改為“各層內(nèi)核素根據(jù)其 分布等效為環(huán)形線源”； 利用兩個(gè)探測器在兩個(gè)偏心位置進(jìn)行測量，在F為單調(diào)分 布的情況下，根據(jù)探測器計(jì)數(shù)率反推等效半徑； 在獲得等效半徑后，實(shí)現(xiàn)對(duì)核素比較準(zhǔn)確的刻度（探測效 率計(jì)算），提高重建精度。 對(duì)比SGS，重建后的核素活度誤差大大降低。 如果采用一個(gè)探測器兩個(gè)位置測量，測量時(shí)間多出一倍。 ( ) ( ) ( ) BB AA ErC F r ErC 61/75 2013-5-22 層析層析掃描技術(shù)的改進(jìn)掃描技術(shù)的改進(jìn) 層析掃描技術(shù)的主要

45、問題是測量時(shí)間長，原因是各層劃 分了若干網(wǎng)格，網(wǎng)格內(nèi)待求解的物理量（即未知數(shù)）個(gè)數(shù) 的增加必然引起方程組個(gè)數(shù)（及探測次數(shù)）增加。 為了減少TGS的測量時(shí)間，在不能減少單個(gè)位置測量時(shí)間 時(shí)，只能減少測量的次數(shù)，這樣必然減少網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量。 如何在采用較少的網(wǎng)格重建，又保持較高的測量精度是層 析掃描技術(shù)改進(jìn)的核心問題。 采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，在放射性核素（即熱點(diǎn)）附近采用加密 網(wǎng)格，在其它區(qū)域采用稀疏網(wǎng)格，是保持重建精度減少網(wǎng) 格數(shù)量的有效途徑。 62/75 2013-5-22 TGS動(dòng)網(wǎng)格重建動(dòng)網(wǎng)格重建 單層84個(gè)網(wǎng)格單層22個(gè)網(wǎng)格 放射性核素在廢物桶內(nèi)往往以多點(diǎn)源形式存在，在無法獲知點(diǎn)源位置 時(shí)，依靠劃分網(wǎng)格和多位置測量，通過求解方程來重建。 TGS動(dòng)網(wǎng)格重建為：發(fā)射重建時(shí)，自動(dòng)根據(jù)重建結(jié)果識(shí)別點(diǎn)源位置， 并自適應(yīng)網(wǎng)格加密，再反復(fù)重建、加密再重建的過程。 63/75 2013-5-22 TGS動(dòng)網(wǎng)格加密原理動(dòng)網(wǎng)格加密原理 主要采用網(wǎng)格由疏向密逐漸增加的方法。 最小網(wǎng)格劃分 初始網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格加密規(guī)則網(wǎng)格加密規(guī)