寇子琦,李绪平,朱晨晨
(中核四○四有限公司第二分公司,甘肃 兰州 732850)
溴化镧探测器探测器是今年来研制成功的新型卤化物闪烁体探测器,由LaBr3掺杂少量激活剂Ce3+(铈)组成,与常用的NaI探测器相比较,该类型探测器有对γ射线更高的阻止本领;更快的闪烁时间,更高能量分辨率以及更稳定的温度特性[1-2]。与高纯锗探测器比较,分辨率较低,但是高纯锗探测器需要在低温(77 k)下工作,需要用致冷设备对探头降温,而溴化镧探测器可以在常温下工作。因此,所以溴化镧探测器有较好的环境适应性,更加适用于野外或室外工作。在放射性废物分拣的过程中,由于放射性废物堆积的所在的环境比较复杂,若用高纯锗探测器,需要不断添加液氮,若用风致冷降温,则由于仪器需要经常搬动,冷却器件容易损坏,从而造成工作不便。所以在对分辨率要求不高的前提下,用溴化镧探测器,更容易适应工作现场,及时完成工作任务。
本文针对核电放射性废物分拣的工作现场,对溴化镧探测器对2 m3废物钢箱中的废物包进行了无源效率刻度。γ辐射测量中,确定探测效率是关键技术,常用的刻度技术为有源刻度技术和无源刻度技术两种。随着计算机技术的不断发展,无源效率刻技术因其具有方便、快捷等特点,在辐射测量领域得到了广泛的应用,其准确性已经得到科研工作者的广泛验证[3~6]。目前,国外开发的无源刻度软件有Canberra 公司生产的实验室无源效率刻度软件LabSOC。在国内,开发的无源刻度软件有Gammacalib,其核心算法的正确性已经得到了200多块不同能量和能量体源的实验测量结果检验[7]。与有源刻度技术比较,无源刻度的优点主要表现在:
(1)无源刻度技术具有很强的建模能力,可以针对不同属性的放射源建立模型,计算简便,快速省时;
(2)无需使用标准源进行效率刻度,无需管理和处置放射源,不需要办理放射源许可证,为放射源的管理工作带来简便;
(3)实验室不设置标准放射源,减小了污染实验室和危害工作人员的可能性,无需担心丢失放射源,增加核安全;
(4)减小开支,节省经费。
本文针对核电废物收集过程中所用的2 m3放射性废物收集钢箱,利用国产Gammacalib软件,建立了测量距离分别为1 m3和2 m3的废物钢箱模型,分别进行了无源效率刻度,并根据刻度结果,对核电放射性废物分拣后钢箱废物包的放射性进行了测量。
本次实验采用北京中智核安科技有限公司生产用便携式溴化镧谱仪,其型号为Gemini-L-7575,探测器的主要性能指标如表1所示。
表1 探测器型号及主要指标Table 1 Types and Main Indicators of Detectors
利用溴化镧探测器自带的放射源la138的 37.26 keV和1435.795 keV进行能量刻度,对应的道址分别为28和2457,刻度时的谱图如图1所示。
图1 能量刻度谱图Fig.1 Energy scale spectrum
用UG NX4.0三维软件,建立废物包模型,如图4所示,其中废物包的尺寸为长×宽×高=2050 mm×1010 mm×1010 mm。
图2 废物包模型Fig.2 Waste bag model
由于废物包的主要填充物为塑料,其化学组分为C2H6,密度设置为 0.15 g/cm3。设置探测器距离分别为1 m和2 m,其中当废物的放射性较低时可用将探测器放置在1m处测量,当放射性较高时放置在2 m处测量。分别计算效率曲线(50~7000 keV),如图3所示。
在实际应用过程中,由于废物包用钢箱承载,故需要考虑钢箱对γ射线也具有衰减作用。根据蒙特卡罗模拟结果,对于3 mm厚的钢板,对与200~1200 keV以上的γ射线,其衰减系数近似按照0.3~0.4估计[8-9],即对表3中的探测效率再除以0.3~0.4,作为放射性废物包(包括钢箱)的探测效率。
图3 能量-效率刻度曲线Fig.3 Energy-efficiency calibration curve
根据现场实际,典型的溴化镧探头测量的废物包谱图如图4所示。
图4 实际废物包的测量谱图Fig.4 Measurement spectrum of actual waste bags
考虑钢板的吸收,测量过程中所使用的各个核素及其效率因子如表2所示。
表2 主要核素的能量及探测效率*Table 2 Energy and detection efficiency of main nuclides
*:考虑钢板的吸收。
放射性废物放射性活度浓度的计算方法按照式1计算:
(1)
式中:A—— 废物包放射性活度浓度
C——测量核素某一能量的净计数率
η——对应能量效率
λ——对应能量分支比
W——废物包重量
经过现场实际测量,同时依据环保部发布《放射性废物分类》( 2018年1月1日起施行)对废物的类型进行分类,部分结果如表3所示。
表3 实际测量的部分数据Table 3 Partial data from actual measurements
由表3可以看出,该批次废物中的主要核素主要为58Co、95Nb、60Co、154Eu等,废物包主要为低放射性废物。
通过本次研究,可以得到以下结论:
(1)可以用无源效率刻度的方法,实现放射性废物包的效率刻度,简化了工作流程,节约了时间及放射源管理成本;
(2)用溴化镧探测器可以应用于对分辨率要求不高,但是工作条件复杂的工况,特别是废物分拣的场所。