海洋核辐射现场监测装置研究及实验测试

刘东彦，张颖颖，刘　岩，吴丙伟，张　颖，侯广利，程　岩

（山东省海洋环境监测技术重点实验室　山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东　青岛　266001）

海洋核辐射现场监测装置研究及实验测试

刘东彦，张颖颖，刘岩，吴丙伟，张颖，侯广利，程岩

（山东省海洋环境监测技术重点实验室山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛266001）

日本福岛核电站爆炸引起的海洋放射性污染事故后果严重，沿海核电安全和海洋放射性环境的长期监测、污染预警和事故应急受到关注。文中研制了一套海洋核辐射现场监测装置，利用标准放射源241Am，133Ba，60Co，137Cs，152Eu进行了能量刻度与分辨率刻度实验，并利用MATLAB进行了曲线拟合，得到的能量刻度曲线线性较好，137Cs在661.6 keV的能量分辨率为6.8%。同时，该装置在青岛8号码头利用趸船吊挂方式进行了海水水下测试，测得海水中40K的活度为12.42 Bq/L，与实验室检测结果的符合性较好。

海洋核辐射；NaI（TI）探测器；现场监测

2011年日本福岛核电站爆炸引起了严重的海洋核污染事故，海洋核辐射监测开始受到重视。国内传统的监测方法，是将大量样品带回实验室进行处理和分析，不仅程序繁琐，而且耗时费力，检测结果往往在航次结束后3～4个月才能发布［1-2］。国外，仅有少数国家拥有海洋核辐射现场监测的核心技术并研制出相应的监测设备产品。为了突破我国在海洋核辐射监测领域的非实时、断续的检验模式，本文研制了一套基于NaI（TI）探测器的海洋核辐射现场监测装置。此装置具有高分辨率、高灵敏度、高效率，且能够依靠浮标系统长期稳定工作在恶劣的海洋环境中。这对我国开展海洋核辐射环境的连续监测，实现海洋核污染预报预警，保护海洋环境和国家的经济社会安全具有重要的意义［3］。

1　系统原理

本文所研发的海洋核辐射现场监测装置的基本原理是利用NaI（TI）闪烁晶体探测原理检测海水中的放射性核素，利用γ能谱分析技术鉴别目标核素并计算其活度。该系统主要包括：NaI（Tl）探测器（包括NaI（Tl）晶体、光电倍增管、前置放大器）、主放大器、数字化多通道脉冲幅度分析器、电源、监控系统、数据采集存储系统、能谱分析和应用显示软件，如图1所示。

图1　海洋核辐射监测装置系统框图

各部分的主要功能如下：采用对γ射线探测效率非常高的NaI（Tl）晶体闪烁探测器，相对发光效率高，与光电倍增管进行较好的匹配，将不同能量的γ光子转换为不同幅度的电脉冲信号，供前置放大器处理；主放大器主要对几十至几百毫伏的电压信号做进一步的放大和整形，包括滤波和必要的基线恢复、堆积拒绝等功能；多通道分析器用于脉冲幅度分析，各道上的计数构成γ能谱图形。对于单一同位素，其典型的γ能谱图主要有康普顿坪和特征峰组成，但考虑到γ射线及其次级射线和带电粒子与探测器周围物质相互作用及逃离探测器的情况，γ能谱图将变得非常复杂；能谱分析采用高斯拟合的算法，自动获知放射性核素的种类并计算核素浓度；应用显示界面方便用户进行装置操作、监视和获得监测结果，整个系统的运行都在监控系统的协调控制之下完成。

2　能量刻度及能量分辨率

峰位与能量的对应关系即为能量刻度，由峰位与能量的关系确定的曲线即为能量刻度曲线。通过能量刻度曲线，便可由峰位道址确定特征峰的能量，进而在核素库中查找到与其匹配的核素，从而识别核素种类，因此能量刻度在核素的定性识别中至关重要。能量分辨率表征了探测器对不同核素的分辨能力，其值由特征峰的半高宽 （FWHM，full width at half maximum）与峰位道址的比值得到［4-6］。能量分辨率与能量之间的函数关系曲线即为能量分辨率曲线。

本装置利用放射标准源：241Am，133Ba，60Co，137Cs，152Eu进行了能量刻度和分辨率刻度，探测器采用尺寸为3*3 inch的NaI晶体，点源距离探测器前端25 cm，多道能谱分析仪为1 024道，能量范围为0～2 000 keV。

图2　能量刻度曲线

通过MATLAB拟合计算得到置信概率为95%时的能量刻度曲线为：

式中：x代表峰位道址；y代表核素特征峰的能量Energy，单位为keV。拟合的标准偏差为：0.999 9。能量刻度曲线如图2所示，由图可见曲线线性较好。

图3　能量分辨率曲线

通过MATLAB拟合计算得到置信概率为95%时的能量分辨率曲线为：

式中：x代表能量Energy，单位为MeV；Y代表的是半高宽FWHM，单位为MeV。拟合的标准偏差为：0.994 1。能量分辨率曲线如图3所示。由实验数据可知，在高压为800 V时，137Cs在能量661.6 keV时，FWHM为45.3 keV，能量分辨率为6.8%。

3　实验分析

本装置2016年1月5日，在青岛8号码头利用趸船吊挂的方式进行了海水现场试验，附近海域海水水深为4～8 m，为消除海床基和宇宙射线对测量的影响，将探测器置于水下3 m处［7］，连续测量48 h，期间每隔8 h保存一次数据。传感器测得的能谱谱线如图4所示，从能谱中可以清晰地识别出40K的特征峰。

图4　青岛8号码头24 h海水测量谱图

取其中24 h的数据进行分析。由该装置配置软件进行自动寻峰，利用高斯拟合的方式，对40K谱线进行曲线拟合，如图5所示：

图5　海水40K特征峰利用高斯拟合后的仪器谱图与原始谱图

拟合曲线为:

各系数值如下（95%置信概率）:

根据拟合曲线求得海水中40K的特征峰计数为18 650（24 h），根据活度计算公式［7］：

求得40K的活度为12.42 Bq/L。式中：S为核素特征峰的净计数；T为测量时间；ε为仪器的探测效率；I为分值比。

为分析传感器所测数据的可靠性，项目组在吊挂实验的同时采集现场水样，带回实验室利用海水盐度计，采用实验室方法测得海水中40K的浓度为12.33 Bq/L，可以看出，传感器的测量结果与实验室测量结果基本一致。

4　结论

本文所研制的海洋放射性现场监测装置具有自主知识产权，能够在车载、船载或者台站固定布点方式下现场、快速和准确地监测海水中放射性核素总量，同时鉴别多种目标核素并计算浓度。本研究今后将在能谱解析算法和降低功耗等方面进行改进，优化仪器性能。

［1］曾志，苏健，衣宏昌，等.海水放射性监测装置研制及初步测试结果［J］.辐射防护，2013，33（1）：46-48，53.

［2］Zhang YY，Li CK，Liu DY，et al.Monte Carlo Simulation of a NaI（TI）Detector for In Situ Radioactivity Measurements in the Marine Environment［J］.Applied Radiation and Isotopes，2015，98：44-48.

［3］郑旻辉，潘建明，杨俊毅，等.基于NaI（TI）晶体的海水核辐射原位探测器可行性研究［J］.核电子学与探测技术，2013，33（2）：183-187.

［4］刘广山.海洋放射性核素测量方法［M］.北京：海洋出版社。2007.

［5］刘永刚.γ能谱谱数据分解方法研究［D］.北京：中国地质大学，2011.

［6］张庆贤.航空γ能谱特征和仪器谱解析方法研究［M］.四川：成都理工大学，2010.

［7］WANGYiming，ZHANG Yingying，WU Ning，et al.Monte CarloSimulation ofIn situ Gamma-Spectra Recorded byNaI（Tl）Detector in the Marine Environment［J］.Journal ofOcean UniversityofChina，2015，14（3）：1672-5182.

Study on the Marine Nuclear Radiation On-site Monitoring Device and Experimental Test

LIU Dong-yan，ZHANG Ying-ying，LIU Yan，WU Bing-wei，ZHANG Ying，HOU Guang-li，CHENG Yan
Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environment Monitoring Technology，Institute of Oceanographic Instrumentation，Shandong Academy of Sciences，Qingdao 266001，Shandong Province，China

The marine radioactive pollution incident caused by the explosion of Japan's Fukushima Nuclear Plant has led to disastrous consequences，so great attention and significance are attached to coastal nuclear power safety，long-term monitoring on the marine radioactive environment，pollution fore-warning and accident emergent response.This paper develops a set of marine radiation on-site monitoring device，uses the standard sources241Am，133Ba，60Co，137Cs and152Eu to carry out the experiments of energy calibration and resolution calibration，and conducts curve fitting with MATLAB.The linear of energy calibration curves is rather good，with the energy resolution of137Cs in 661.6 keV being 6.8%.At the same time，the experiment of the device hanged underwater on the pontoon has been taken in the seawater near Qingdao Port 8，measuring the activity of40K in seawater of 12.42 Bq/L，consistent with laboratory testing results.

marine nuclear radiation；NaI（TI）detector；on-site monitoring

X85；X837

A

1003-2029（2016）04-0041-03

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.008

2016-01-16

山东省科技发展计划资助项目（2015GSF115001）

刘东彦（1983-），女，硕士，工程师，主要研究方向为海洋污染监测、信号处理、模型仿真与控制。E-mail：ldynuaa2008@163.com