水樣γ能譜三種測量方法探測效率對(duì)比的模擬分析

王溪睿

（遼寧省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 沈陽 110000）

當(dāng)前，我國逐漸將能源發(fā)展轉(zhuǎn)向核電，社會(huì)也將注意力轉(zhuǎn)移到核技術(shù)使用安全以及輻射風(fēng)險(xiǎn)等方向。而γ能譜測量技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)做到分析水、空氣等核素類型，掌握相關(guān)信息，對(duì)于科學(xué)防護(hù)具有指導(dǎo)性意義，也可以用準(zhǔn)確監(jiān)測結(jié)果穩(wěn)定社會(huì)。而當(dāng)前幾種γ能譜測量技術(shù)方法各有優(yōu)勢，有必要對(duì)其采用科學(xué)手段展開對(duì)比，確保在核應(yīng)急時(shí)可以迅速完成放射性物質(zhì)探測工作，從而保護(hù)人民群眾生命安全。

1 水樣γ能譜測量方法對(duì)比探測效率意義

在核應(yīng)急中，可以通過γ能譜分析，監(jiān)測人們生活所涉及到的水、空氣以及食物等多種必需品中放射性物質(zhì)種類與活度，從而做到為科學(xué)防護(hù)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)信息，向社會(huì)公眾公布監(jiān)測結(jié)果。也可以作為穩(wěn)定社會(huì)工具使用，從而落實(shí)應(yīng)急相關(guān)工作。而且，以NaI(Tl）閃爍探測器技術(shù)為基礎(chǔ)，γ能譜測量技術(shù)使用成本較低，可以穩(wěn)定提升探測效率，對(duì)于環(huán)境也擁有較強(qiáng)適應(yīng)能力，在當(dāng)前監(jiān)測環(huán)境中放射性元素應(yīng)用較廣。但目前多使用實(shí)驗(yàn)室測量環(huán)境樣品γ能譜，NaI(TI）探測器是擁有75毫米高、底面直徑75毫米圓柱體，擁有相同體積與形狀聚乙烯盒。在現(xiàn)有條件下，每次測量樣品多，實(shí)驗(yàn)室測量存在時(shí)間偏長的情況，對(duì)于緊急以及戰(zhàn)時(shí)特殊情況，難以有效完成針對(duì)樣品測量放射性的實(shí)際需求。所以，有必要針對(duì)現(xiàn)有幾種水樣γ能譜測量技術(shù)，包括實(shí)驗(yàn)室測量、馬林杯測量以及井型探測器，借助MCNP4C軟件完成計(jì)算，并將幾種方法對(duì)水樣137CSγ探測效率展開對(duì)比，尋找最佳γ能譜測量技術(shù)，提升測量質(zhì) 量[1]。

2 MCNP計(jì)算模型

MCNP計(jì)算模型涉及大量內(nèi)容，研究內(nèi)容符合本文主體，所以在樣品選擇上，僅選擇攜帶放射性核素137CS的樣品，其可以向外輻射0.662 MeV的γ射線水樣，而探測器則選用NaI（Tl）晶體。同時(shí)，確保模擬結(jié)果具有較高準(zhǔn)確度，調(diào)整模擬粒子數(shù)量1×107，可以將偏差控制在±2%范圍內(nèi)。

2.1 實(shí)驗(yàn)室測量

以GB/T16140-2018《水中放射性核素的γ能譜分析方法》，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)應(yīng)用γ能譜測量技術(shù)，需要將探測器與樣品盒以上下方式進(jìn)行擺放[2]。將樣品盒放置在探測器上方，兩者均使用37.5 mm半徑底面圓，75 mm高，2 mm壁厚的圓柱形，探測器為NaI（Tl）晶體，樣品盒材料則為聚乙烯。在探測器主體側(cè)面用一層0.5 mm氧化鎂包裹，并使用2毫米鋁對(duì)其外層完成封裝，其底部則涂上0.1 mm的氧化硅。

2.2 馬林杯測量

在馬林杯測量中，探測器的選擇和實(shí)驗(yàn)室測量保持相同規(guī)格。同樣使用氧化鎂包裹探測器，并使用鋁對(duì)其完成封裝工作。而樣品盒則要變成馬林杯，保持相同樣品體積。將探測器放在平面上，再將樣品盒罩在上面，達(dá)到包住探測器的效果。在探測器與馬林杯之間存在間隙，這個(gè)間隙寬度即為以下內(nèi)容提到的水樣側(cè)壁的厚度。而用水樣將這個(gè)間隙填滿，從探測器與馬林杯所在平面，到馬林杯內(nèi)側(cè)地面高度即為水樣高度[3]。而為檢測馬林杯在側(cè)壁空間不同水樣的厚度，是否會(huì)讓探測效率產(chǎn)生不同影響，則要保持樣品體積一致，對(duì)在側(cè)壁的水樣厚度從8 mm到12 mm，每1 mm設(shè)為一檔，設(shè)置5檔。

2.3 井型探測器

使用井型探測器展開模擬計(jì)算，在樣品盒選擇上則要和實(shí)驗(yàn)室樣品盒保持相同，同樣使用氧化鎂包裹探測器，并使用鋁對(duì)其完成封裝工作。而探測器則要選擇井型NaI（TI）閃爍體，保持晶體側(cè)壁擁有30 mm厚度，底部厚度則要控制在50 mm，內(nèi)側(cè)半徑要求為39.5 mm，側(cè)面高度79.5 mm。可以理解為井型探測器是擁有更大壁厚的馬林杯，但是馬林杯是倒扣在樣品盒上的，而井型探測器則是將樣品盒放置于探測器的內(nèi)部[4]。此時(shí)，從外表觀察可以看作是一個(gè)圓柱形。同時(shí)，為進(jìn)一步研究井型探測器在探測效率方面的實(shí)際提升效果，則選擇高55 mm、75 mm直徑底面圓，以及高50 mm、50 mm直徑底面圓，兩類規(guī)格的樣品盒。

3 探測效率計(jì)算

3.1 實(shí)驗(yàn)室測量

借助MCNP4C軟件，通過模擬計(jì)算即可獲得在實(shí)驗(yàn)室條件下，應(yīng)用γ能譜測量技術(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)圓柱形規(guī)格NaI（Tl）晶體作為探測器，對(duì)37.5 mm半徑底面圓，75 mm高圓柱形聚乙烯樣品盒水樣137CSγ能譜探測效率，其探測效率可達(dá)3.16%[5]。

3.2 馬林杯測量

在對(duì)水樣控制側(cè)壁厚度時(shí)，以0.662MeVγ射線作為材料，利用馬林杯作為測量方法，側(cè)壁從8 mm厚度到12 mm厚度，其全能峰MCNP模擬譜差別不大，可以判斷水樣在側(cè)壁厚度方面是否存在差異，并不會(huì)對(duì)能量分辨率造成太多影響。以75 mm高度、75 mm底面圓直徑的圓柱形NaI（Tl）探測器，使用0.662 MeVγ射線，其探測效率比水樣所設(shè)計(jì)側(cè)壁厚度略微增加，但是側(cè)壁從8 mm到12 mm厚度變化過程中，探測效率僅提高1%，并不具有太大增幅能力?？梢哉J(rèn)為，針對(duì)馬林杯提升側(cè)壁厚度處理探測效率，其應(yīng)用效果較為有限。

3.3 井型探測器測量

在不同水樣體積條件下，通過對(duì)井型探測器對(duì)0.662 MeVγ射線測量MCNP模擬譜分析，在對(duì)水樣體積進(jìn)行處理的過程中，并不能讓能量分辨率產(chǎn)生太大影響。而從相關(guān)數(shù)據(jù)分析，擁有50 mm高、50 mm底面半徑的水樣體積，要遠(yuǎn)超過其他兩類測試水樣體積，即水樣體積提升，實(shí)際探測效率反而會(huì)下降。雖然擁有75 mm高，75 mm底面半徑的水樣體積的樣品盒，且在三組測試中擁有最大容器，是最佳測試結(jié)果水樣體積的3.375倍，但實(shí)際探測效率卻降低了4%?？梢哉J(rèn)為，如果擁有足夠的使用樣品條件，提高樣品總重量可以在一定范圍內(nèi)提升探測效 率[6]。

4 探測效率對(duì)比

將三種測量技術(shù)以橫向?qū)Ρ确绞阶鎏綔y效率對(duì)比，在水樣擁有0.662 MeVγ射線條件時(shí)，僅提高水樣體積，并不能提升太大能量分辨率。而以75 mm高，75毫米底面半徑，總水樣體積約為331.2 mm3條件下，三種測量技術(shù)對(duì)0.662 MeVγ射線探測效率模擬結(jié)果可以整理為：實(shí)驗(yàn)室測量擁有3.16%探測效率，馬林杯擁有7.81%探測效率，井型探測器擁有22.6%探測效率。可以發(fā)現(xiàn)，在同等條件下，井型探測器擁有最高探測效率，相較于實(shí)驗(yàn)室測量與馬林杯，分別是其7倍與3倍，在未來使用時(shí)可以選擇井型探測器完成γ射線探測工作。

5 結(jié)論

雖然在當(dāng)前γ能譜測量技術(shù)中，井型探測器具備快速探測能力，可以實(shí)現(xiàn)核應(yīng)急快速監(jiān)測，但是不代表保持現(xiàn)狀會(huì)對(duì)未來放射性物質(zhì)檢測有進(jìn)一步發(fā)展。所以，相關(guān)部門仍需要積極研究技術(shù)方法，以井型探測為研究基礎(chǔ)，分析其是否具備提升測量效率的能力，是否可以將設(shè)備體積優(yōu)化，達(dá)到便攜式檢測。只有將各方面內(nèi)容考慮到位，才能真正保障我國核輻射研究安全可靠。