海水放射性传感器温度漂移校正方法研究

石岩 张颖颖 吴丙伟 冯现东 王奕斐 毕海杰

摘 要：基于NaI（ Tl） 闪烁晶体探测方法研制而成的海水放射性传感器是目前国内外开展海洋放射性核素原位自动监测的主要技术手段，但海水放射性传感器在海上长期连续运行时，测量得到的海水伽马能谱数据会受到环境温度影响而发生漂移。开展环境温度梯度变化条件下的海水放射性传感器测量实验，分析海水放射性传感器测量得到的伽马能谱数据随环境温度变化而发生的漂移规律，通过将峰位道址漂移表达为温度的二次函数关系，进而提出了基于环境温度变化的伽马能谱漂移校正方法。经实验室空气环境和水体环境实验验证，空气环境校正后峰位道址漂移不超过±2 道，水体环境校正后峰位道址漂移不超过±3 道，可以满足海水放射性传感器连续测量伽马能谱的温度漂移校正需求。

关键词：海水放射性传感器;温度漂移;能谱校正

中图分类号：TL817;X834 文献标识码：A

隨着核科学与技术的发展，核能在越来越多的领域得到了应用。核能在使用过程中会排放废气、废水和废物等污染物，极端情况下会发生核事故向环境中释放人工放射性核素。鉴于海洋核污染事故对海洋环境的影响，开展海洋放射性环境监测受到国际社会高度关注。基于NaI（Tl） 闪烁晶体探测方法研制而成的海水放射性传感器因为具备自动、连续观测的优点，成为目前海洋放射性环境原位自动监测的主要技术手段[1] 。

海水放射性传感器主要由NaI（Tl）闪烁晶体、光电倍增管、前置放大器、数字脉冲多道分析器、控制模块、电源模块和接口模块组成。当海水中的伽马射线照射到海水放射性传感器时，NaI（Tl）闪烁晶体会发出荧光，光电倍增管收集荧光并转换成脉冲电压，通过前置放大和整形，然后进入数字脉冲多道分析器进行分析从而产生伽马能谱数据[2-3] 。

海水放射性传感器在海上长期连续运行时环境温度会发生变化，而海水放射性传感器内部NaI（Tl）闪烁晶体[4] 、光电倍增管和其他电子元器件均具有温度效应[5-7] 。所以，测量得到的伽马能谱会受到温度变化的影响而发生漂移[8] ，进而对伽马能谱解析以实现海水中多种放射性核素的自动甄别与定量检测带来困难甚至导致错误[9] 。因此，对海水放射性传感器长期连续测量得到的伽马能谱数据实施温度漂移校正十分重要[10-11] 。

传统NaI（Tl）晶体放射性传感器用于陆地放射性环境测量时，采用的伽马能谱温度漂移校正方法主要分为两类，第一类是在传感器内部增加参比标准源测量等模块，通过调整传感器的高压或增益等硬件参数设置实现伽马能谱温度漂移校正，通常会增加测量系统设计开发的复杂性[12-14] ;第二类是对测量得到的伽马能谱数据进行算法校正，无需改变传感器的硬件设计和结构，无需引入参比标准源，应用方便灵活[15-17] 。海水放射性传感器实际工作场合为海上长期自动化监测平台，所以第二类漂移校正方法更加适合海水放射性传感器长期原位运行的要求。

本文通过开展海水放射性传感器的温度实验，研究和分析环境温度导致的伽马能谱漂移规律，通过建立峰位道址漂移对温度的响应模型，从而建立伽马能谱漂移校正方法，实现海水放射性传感器的温度漂移校正，并进一步通过实验考察和评估校正方法的有效性和可执行性。

1 实验设计

1. 1 实验装置与方式

实验所使用的海水放射性传感器基于NaI（Tl） 闪烁晶体探测方法研制而成，工作温度为-5～50 ℃ ，形成的伽马能谱道数为1 024 道。为了实时准确地监测海水放射性传感器测量环境的温度变化，在海水放射性传感器内部安装温度测量模块，温度测量模块以紧贴NaI（Tl）闪烁晶体的方式固定。因为海水放射性传感器能量刻度时的温度环境是25 ℃ ，所以将伽马能谱温度漂移校正的参考温度设置为25 ℃ ，此温度下的伽马能谱作为参考伽马能谱，特征峰作为参考特征峰，峰位道址作为参考峰位道址。

温度实验分别利用高低温实验箱和水浴式高低温实验箱两种实验装置，开展空气环境和水体环境两种不同介质的实验，具体实验指标列于表1。由于海水放射性传感器外壳及自身发热等因素影响导致其内外环境温度存在差异，为了保证海水放射性传感器充分感应环境的温度变化[18] ，到达每一个温度点后，稳定时间大于1 h 后再进行伽马能谱测量，单次伽马能谱的测量时间为1 h。

伽马能谱发生温度漂移是海水放射性传感器内部所有功能模块整体温度效应的结果。进行温度实验时，需要将海水放射性传感器整体放入温度实验装置内[19] 。为了保证实验时海水放射性传感器的相对位置不发生改变，在高低温实验箱进行实验时，使用扎带绑定的方式将海水放射性传感器固定在高低温实验箱内部;在水浴式高低温实验箱进行实验时，使用钢架配重的方式将海水放射性传感器固定在水浴式高低温实验箱内部。

1. 2 伽马能谱漂移规律实验

自然环境当中广泛分布着放射性物质，其中40 K（1 461 keV）和208 Tl（2 614 keV）能够在伽马能谱中产生较为明显的天然特征峰[20] ，所以，在高低温实验箱中进行温度实验时，设计使用40 K（1 461 keV）和208 Tl（2 614 keV） 两个天然特征峰来观察和研究温度对峰位道址的影响。在- 5 ～50 ℃ 温度变化范围内设置温度变化梯度为5 ℃ 。

考虑实验数据的有效性和可重复性，每个温度点40 K（1 461 keV）和208 Tl（2 614 keV）的峰位道址取各自多次实验的平均值，即平均峰位道址。高低温实验箱温度从50 ℃ 降至-5 ℃ 为降温过程，从-5 ℃ 升至50 ℃ 为升温过程。每次实验将降温过程和升温过程视为一个测量循环周期，以研究和分析峰位道址漂移规律在不同温度变化过程中的情况，从而更准确地建立伽马能谱温度漂移校正方法。

1. 3 校正方法验证实验

建立伽马能谱温度漂移校正方法后，先使用高低温实验箱进行空气环境的校正方法验证实验，以初步评估所建立的校正方法的有效性和准确性。空气环境验证实验所使用的漂移伽马能谱数据获取方式与1. 1 节相同。

为了更好地模拟海水放射性传感器在水体环境中的工作状态，将校正方法写入海水放射性传感器的数据处理程序后，在水浴式高低温实验箱中进行海水放射性传感器水体环境温度实验，以验证校正方法能否在水体环境中对伽马能谱温度漂移进行有效校正。使用水浴式高低温实验箱进行验证实验时，在0～50 ℃ 温度变化范围内设置温度变化梯度为5 ℃ 。水浴式高低温实验箱温度从50 ℃ 降至0 ℃ 为降温过程，从0 ℃ 升至50 ℃ 为升温过程。每次实验将降温过程和升温过程视为一个测量循环周期，进行重复多次实验，以充分验证校正方法的有效性和准确性。

2 温度漂移规律与校正方法

2. 1 温度漂移规律

将海水放射性传感器放入高低温实验箱内，然后将高低温实验箱的温度升至50 ℃ ，以5 ℃ 为温度变化梯度开始降温实验，当温度降至- 5 ℃时，以相同温度变化梯度开始升温实验，直至温度到达50 ℃ 结束实验。多次测量循环周期实验中，得到降温过程和升温过程的典型伽马能谱漂移情况，如图1 和图2 所示。

从图1 和图2 可以看出，不论是降温过程还是升温过程，伽马能谱均会随着温度的变化发生漂移。在-5 ～ 50 ℃ 温度变化范围内，不同温度的伽马能谱与参考伽马能谱相比，都发生了非常明显的漂移。通过放大40 K（1 461 keV）和208 Tl（2 614keV）特征峰分析可知，漂移后的伽马能谱由于特征峰道址区间发生了较大的偏移，将会给核素甄别工作带来困难，并且可能会干涉其他放射性核素特征峰道址区间，对伽马能谱解析造成不利影响，引起核素识别的误判[21-22] 。

在分析伽马能谱温度漂移规律的基础上，进一步对峰位道址漂移规律进行研究。图3 和图4分别为降温过程和升温过程40 K （ 1 461 keV）和208 Tl（2 614 keV）峰位道址随温度的变化情况。

从图3 和图4 可以看出，峰位道址随温度的漂移并非是简单的线性关系。分析发现，不论是在降温过程还是升温过程中，15 ℃ 都是峰位道址随温度变化的拐点，即在15 ℃ 之前，峰位道址随温度的上升而增大;在15 ℃ 之后，峰位道址随温度的上升而减小。

通过对比分析降温过程和升温过程的峰位道址随温度的变化情况，发现在不同温度变化过程中，相同核素峰位道址与温度的定量关系具有极大的相似性。但海水放射性传感器在实际工作处于某一温度时，并不能确定此温度是处于降温过程还是升温过程。因此，对于不同温度变化过程中相同核素的峰位道址定量关系，可以取降温过程和升温过程的平均值，以提高校正模型的准确性。在相同温度变化过程中，不同核素峰位道址漂移情况也具有极大的相似性。为了探究不同核素峰位道址随温度漂移情况之间的联系，进而研究温度变化对整个伽马能谱范围内的影响，对不同温度点40 K（1 461 keV）和208 Tl（2 614 keV）峰位道址进行归一化处理，结果如图5 所示。

3 方法验证与讨论

3. 1 空气环境方法验证

使用高低溫实验箱重新进行多次测量循环周期的温度实验，获取发生温度漂移的伽马能谱。按照2. 2 节提出的校正方法对漂移伽马能谱进行校正。校正后，降温过程和升温过程的典型伽马能谱如图6 和图7 所示。

从图6 和图7 可以看出，不同温度的伽马能谱重合在一起，整个伽马能谱范围均得到了有效校正，温度变化对伽马能谱的影响基本消除。通过放大的40 K （ 1 461 keV）、214 Bi （ 1 729、1 764、2 118、2 204 keV）和208 Tl（2 614 keV） 特征峰可以看出，对于伽马能谱解析重要的道址区间，特征峰重合性较好，这给伽马能谱的合成带来的极大的便利性，从而使海上长期测量的伽马能谱合成分析更加准确[23-24] 。在伽马能谱的低能段，不同温度的208 Tl（583 keV） 和214 Bi（609、885、960、1 120keV）特征峰也不再受温度变化的影响。

为了更好地分析校正方法在空气环境中的校正效果，表2 给出了降温过程和升温过程校正后典型的40 K（2 614 keV）和208 Tl（2 614 keV）峰位道址随温度的变化情况。从表2 中可以看出，峰位道址随温度的漂移已经基本消除，校正后，不同温度的峰位道址在参考峰位道址附近浮动，浮动最大道数不超过±2 道。

3. 2 水体环境方法验证

将研究建立的伽马能谱温度漂移校正方法写入海水放射性传感器的数据处理程序后，为了更好地模拟海水放射性传感器实际使用时海水的工作环境，使用水浴式高低温实验箱进行了水体环境的校正方法验证。首先将水浴式高低温实验箱升温至50 ℃ ，然后以5 ℃ 为温度变化梯度开始降温实验，降至0 ℃ 时开始升温实验，当温度到达50 ℃ 时结束实验。

多次测量循环的验证实验中，典型的降温过程和升温过程伽马能谱随温度漂移情况如图8 和图9 所示。

从图8 和图9 可以非常明显地看出，校正后不同温度的伽马能谱重合在一起，整个伽马能谱范围均得到了有效校正。通过观察放大的40 K（1 461 keV）、214 Bi（1 729、1 764、2 118、2 204 keV）和208 Tl（2 614 keV）特征峰，发现对于伽马能谱解析重要的道址区间，不同温度的伽马能谱重合性较好。在伽马能谱的低能段， 不同温度的208 Tl（583 keV）和214 Bi（609、885、960、1 120 keV） 特征峰也同样不再受温度变化的影响。相比高低温实验箱的伽马能谱数据，伽马能谱计数变小的原因主要是水体对外界辐射环境具有一定的屏蔽作用。

水体环境伽马能谱温度漂移校正后，降温过程和升温过程典型的40 K（1 461 keV）和208 Tl（2 614keV）峰位道址随温度的变化情况列于表2。可以看出，峰位道址随温度的波动已经基本消除，校正后，不同温度的峰位道址在参考峰位道址上下浮动，浮动最大道数不超过±3 道。

4 結论

本文针对基于NaI（Tl）闪烁晶体探测方法研制而成的海水放射性传感器，通过实验分析方法对伽马能谱的温度漂移现象和峰位道址随温度的漂移规律进行了定性和定量的研究。研究发现，海水放射性传感器在-5 ～ 50 ℃ 的工作温度范围内，峰位道址的漂移情况为温度的二次函数，漂移方向的温度拐点为15 ℃ 。即当环境温度低于15 ℃ 时，峰位道址随温度的升高而增大;当环境温度高于15 ℃ 时，峰位道址随温度的升高而减小。研究提出的基于环境温度变化的伽马能谱温度漂移校正方法确定算法参数值后，实际工作过程中无需使用参比标准源，仅需获取测量环境的温度值就能对整个伽马能谱范围进行有效校正。

通 过实验室空气环境和水体环境的实验验证，使用校正方法后不同温度条件下的伽马能谱以及特征峰的重合性较好，且峰位道址基本不随温度的变化发生漂移。空气环境中峰位道址最大漂移道数为±2 道，水体环境中峰位道址最大漂移道数为±3 道。校正方法不局限于NaI（Tl）海水放射性传感器，其他晶体类型和应用环境的放射性传感器也可使用，校正方法具有普适性。

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