反演污染区虚拟点位置和边界的技术方法及设备与流程

1.本发明涉及核技术应用领域中污染区中体源或面源或混合源源项的位置和边界刻度 技术，具体是反演污染区虚拟点位置和边界的技术方法及设备。


背景技术：

2.在就地γ谱仪测量中，测量对象一般位于沙土表面或沙土下。测量对象可能是一个面 源或点源，也可能是位于不同深度的几个体源或面源或点源，或者它们的混合源；同时体 源或面源的形状不定，分布也极其复杂。目前国内外针对这些情况，对于其位置边界和活 度浓度的测量根本没有好地解决。随着虚拟点源原理地提出，该问题慢慢得到解决。本课 题就是针对此问题基于虚拟点源原理提出的解决方案和技术方法。总体思路就是将上述所 有整个源项虚拟成一个点源，这样对源项的测量就转化为对虚拟点源的测量。
3.针对上述问题，国内外主要采用就地γ谱仪进行一定高度的定点测量或者扫描测量。 由于源项情况复杂，探测效率刻度不准，数据误差较大。一般也会采取就地采样后使用实 验室γ谱仪进行比对测量分析。
4.专利申请号为zl201410264383.3基于虚拟点探测器原理的放射性区域确定方法其发 明原理与本发明完全不同，该原理主要基于距离平方反比定律来定出虚拟点源位置，而本 发明则基于就地hpgeγ谱仪有效前面积原理来定出虚拟点源位置。本发明专利在测量面 源的虚拟点源时增加使用了czt探测器，有一定埋深的体源或面源或混合源的虚拟点源的 测量，在设计上增加了两层沙土衰减层。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供反演污染区虚拟点位置和边界的技术方法及设备，以解决上述 背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种反演污染区虚拟点位置和边界的技术方法及设备，包括虚拟点源，所述虚拟点源 为体源或面源或混合源的虚拟点源，其发射的射线要经过沙土、地面、空气才能到达探测 器，所述沙土为虚拟点源的埋深沙土，其厚度为待求参数，其位置在虚拟点源与探测器之 间；所述沙土与沙土衰减层成分一致，其位置在沙土与探测器之间，在沙土表面污染区探 测模式中，所述探测器下方一定位置放置有面源，所述面源半径为待求参数。
8.作为本发明进一步的方案：所述沙土衰减层为厚度相同的两层。
9.作为本发明再进一步的方案：在一定埋深污染区探测模式中，所述探测器为就地hpge γ谱仪，其虚拟点探测器5位置一般通过实验标定或半经验公式给出。
10.作为本发明再进一步的方案：所述面源的下方位置设置有面源的虚拟点源，在该测量 模式中探测器可为czt探测器或地hpgeγ谱仪。
11.反演污染区虚拟点位置和边界的技术方法，其技术方法操作步骤如下：
12.步骤一：一定埋深污染区(热区)虚拟点源位置扫描及活度计算；
13.在就地γ谱仪测量中，测量对象一般位于地面沙土下，测量对象可能是一个体源或 面源或点源，也可能是位于不同深度的几个体源或面源或点源，或者它们的混合源；同时 体源或面源的形状不定，测量对象极其复杂，将上述所有整个源项虚拟成一个点源，这样 对源项的测量就转化为对虚拟点源的测量，如图1所示；
14.步骤二：设虚拟点源的埋深为d，活度为a(bq)，γ射线强度为p
γ
，hpge探测器4 对放射源特征γ射线(能量为e)的有效前面积为s0；沙土对γ射线的线衰减系数为μ
s
； 为了达到测量目的，建立方程组，需要在沙土和探测器之间加衰减层；其两次实验室测量 模式，如图2所示；
15.步骤三：两次测量分别放置的沙土衰减层厚度为x和2x；两次测量某一核素的特征 γ射线全能峰计数率分别为n1和n2。根据介质对γ射线的衰减规律，n1和n2有以下关系：
[0016][0017][0018]
其中d0为虚拟点探测器位置，用式(1)除以式(2)得：
[0019][0020]
解式(3)有：
[0021][0022]
一般虚拟点探测器距离探测器端帽距离d0的通用半经验公式可表示为：
[0023][0024]
其中rd和hd为探测器的半径和厚度，线衰减系数和密度为探测器晶体的。
[0025]
步骤四：设置的沙土衰减层的厚度x＝2.5cm，根据参考文献同轴型hpge探测器虚拟 点探测器位置为d0＝4.31cm，标准物质的线衰减系数为μ
s
＝0.286。
241
am
‑
81#点源距 离探测器距离为20cm，沙土实际厚度2.5cm。有一层沙土衰减层时的计数率为16.23cps， 两层沙土衰减层时计数率为4.86cps，则n1/n2＝16.23/4.86＝3.34。将以上数据代入 式(4)可以计算出沙土厚度d＝2.2cm，和实际相差0.3cm(12％)，证明该技术方 法能有效搜索测量出虚拟点源位置。
[0026]
步骤五：当虚拟点源位置知道后，可以使用标准点源相对测量方法得到其活度。可使 用一个标准点源将其埋深至深度为d的沙土内，其活度浓度记为act(std)，它的计数c 记为c(std)，则未知虚拟点源1的活度浓度act(u)为：
[0027][0028]
步骤六：沙土表面污染区(热区)边界反演
[0029]
一般可以将测量对象沙土表面污染区(热区)简化成面源，面源的测量可以转化为对 其面源的虚拟点源的测量，如图3所示的测量模型。
[0030]
步骤七：两次分别使用czt探测器和就地hpge探测器，测量某一核素的特征γ射线 全能峰计数率分别为n1和n2；空气对γ射线的线衰减系数为μ
a
；根据介质对γ射线的衰 减规律，n1和n2有以下关系：
[0031][0032][0033]
其中d0为czt探测器的虚拟点探测器位置，一般可设为0；d
01
为就地γ谱仪335a的 虚拟点探测器位置。用式(7)除以式(8)得：
[0034][0035]
解式(9)有：
[0036][0037]
作为本发明再进一步的方案：所述步骤五中该技术方法需要测量标准点源的计数即测 量一次，未知虚拟点源按上述的方式需要测量三次，因此，总共需要测量四次可定出未知 虚拟点源活度。对于放射性测量，我们可以将测量对象转化成对其虚拟点源1的测量，这 样就可以将复杂的测量对象简单化处理。对虚拟点源进行测量分析，研究虚拟点源1的位 置及活度信息，进而进一步研究其体源和面源的位置及活度信息。
[0038]
作为本发明再进一步的方案：所述步骤六中面源的虚拟点源距离面源的距离为d，要 得到该参数一般需要测量两次。
[0039]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0040]
1、本发明利用就地hpgeγ谱仪有效前面积原理建立方程组，通过解方程获得虚拟 点位置，从而进一步反演污染区边界参数，该方法实用性较强；
[0041]
2、本发明由于使用了czt探测器，密度高，体积小，在1.0m距离可视为点探测器；
[0042]
3、本发明借助两层和目标对象一致的沙土衰减层，建立了方程组，达到测量目标参 数的目的。
附图说明
[0043]
图1为反演污染区虚拟点位置和边界的技术方法及设备中热区虚拟点源就地测量示意 图。
[0044]
图2为反演污染区虚拟点位置和边界的技术方法及设备中热区虚拟点源位置实验室等 效测量示意图。
[0045]
图3为反演污染区虚拟点位置和边界的技术方法及设备中热区边界测量反演示意图。
[0046]
图中所示：热区虚拟点源1、沙土2、沙土衰减层3、探测器4、虚拟点探测器5、面源6、 面源的虚拟点源7、地面8、空气9。
具体实施方式
[0047]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
请参阅图1～3，本发明实施例中，反演污染区虚拟点位置和边界的技术方法及设备， 包括热区虚拟点源1、沙土2、沙土衰减层3、探测器4、虚拟点探测器5、面源6、面源 的虚拟点源7、地面8和空气9，所述虚拟点源1为体源或面源或混合源的虚拟点源，其 发射的射线要经过沙土2、地面8、空气9才能到达探测器4，所述沙土2为虚拟点源的埋 深沙土，其厚度为待求参数，其位置在虚拟点源1与探测器4之间；所述沙土2与沙土衰 减层3成分一致，所述沙土衰减层3为厚度相同的两层，其位置在沙土2与探测器4之间； 在一定埋深污染区探测模式中，所述探测器4为就地hpgeγ谱仪，其虚拟点探测器5位 置一般通过实验标定或半经验公式给出，在沙土表面污染区探测模式中，所述探测器4下 方一定位置放置有面源6，所述面源6半径为待求参数，所述面源6的下方位置设置有面 源的虚拟点源7，在该测量模式中探测器4可为czt探测器或地hpgeγ谱仪；
[0049]
其技术方法操作步骤如下：
[0050]
步骤一：一定埋深污染区(热区)虚拟点源1位置扫描及活度计算；
[0051]
在就地γ谱仪测量中，测量对象一般位于地面沙土下，测量对象可能是一个体源或 面源或点源，也可能是位于不同深度的几个体源或面源或点源，或者它们的混合源；同时 体源或面源的形状不定，测量对象极其复杂，将上述所有整个源项虚拟成一个点源，这样 对源项的测量就转化为对虚拟点源1的测量，如图1所示；
[0052]
步骤二：设虚拟点源1的埋深为d，活度为a(bq)，γ射线强度为p
γ
，hpge探测器4对放射源特征γ射线(能量为e)的有效前面积为s0；沙土2对γ射线的线衰减系数 为μ
s
；为了达到测量目的，建立方程组，需要在沙土2和探测器4之间加沙土衰减层3； 其两次实验室测量模式，如图2所示；
[0053]
步骤三：两次测量分别放置的沙土衰减层3厚度为x和2x；两次测量某一核素的特 征γ射线全能峰计数率分别为n1和n2。根据介质对γ射线的衰减规律，n1和n2有以下关 系：
[0054][0055][0056]
其中d0为虚拟点探测器位置。用式(1)除以式(2)得：
[0057][0058]
解式(3)有：
[0059][0060]
一般虚拟点探测器5距离探测器端帽距离d0的通用半经验公式可表示为：
[0061][0062]
其中rd和hd为探测器的半径和厚度，线衰减系数和密度为探测器晶体的。
[0063]
步骤四：设置的沙土衰减层的厚度3x＝2.5cm。根据参考文献[2]同轴型hpge探测器 虚拟点探测器5位置为d0＝4.31cm，标准物质的线衰减系数为μ
s
＝0.286(根据硕士论 文蒙卡计算模型进行计算得)。
241
am
‑
81#点源距离探测器4距离为20cm，沙土2实际 厚度2.5cm(假设未知)。有一层沙土衰减层3时的计数率为16.23cps，两层沙土衰减 层3时计数率为4.86cps，则n1/n2＝16.23/4.86＝3.34。将以上数据代入式(4)可以 计算出沙土2厚度d＝2.2cm，和实际相差0.3cm(12％)，证明该技术方法能有效搜 索测量出虚拟点源1位置；
[0064]
步骤五：当虚拟点源1位置知道后，可以使用标准点源相对测量方法得到其活度。可 使用一个标准点源将其埋深至深度为d的沙土内，其活度浓度记为act(std)，它的计 数c记为c(std)，则未知虚拟点源1的活度浓度act(u)为：
[0065][0066]
该技术方法需要测量标准点源的计数即测量一次，未知虚拟点源1按上述的方式需要 测量三次，因此，总共需要测量四次可定出未知虚拟点源1活度。对于放射性测量，我们 可以将测量对象转化成对其虚拟点源1的测量，这样就可以将复杂的测量对象简单化处理。 对虚拟点源1进行测量分析，研究虚拟点源1的位置及活度信息，进而进一步研究其体源 和面源的位置及活度信息；
[0067]
步骤六：沙土表面污染区(热区)边界反演
[0068]
一般可以将测量对象沙土表面污染区(热区)简化成面源6，面源6的测量可以转化 为对其面源的虚拟点源7的测量，如图3所示的测量模型。其中面源的虚拟点源7距离面 源6的距离为d，要得到该参数一般需要测量两次。
[0069]
步骤七：两次分别使用czt探测器4和就地hpge探测器4，测量某一核素的特征γ射 线全能峰计数率分别为n1和n2；空气9对γ射线的线衰减系数为μ
a
；根据介质对γ射线 的衰减规律，n1和n2有以下关系：
[0070][0071][0072]
其中d0为czt探测器4的虚拟点探测器5位置，一般可设为0；d
01
为就地γ谱仪335a 的虚拟点探测器5位置，用式(7)除以式(8)得：
[0073][0074]
解式(9)有：
[0075][0076]
本项目使用了
241
am大面源6(等效半径为45.5cm，活度为8436400bq)进行了验证实验；所用czt探测器4尺寸15mm
×
15mm
×
7.5mm，将其放置在大面源6中心轴线上方，探测距离为100cm，测量20000s，计数727968(0.23％)。由于czt晶体较小，密度较大，距离面源又较远，可以直接将其虚拟成点探测器5。
[0077]
就地γ谱仪335a(晶体直径54.5mm，长度57.1mm)，测量100s，计数45452(0.49％)。通过式(10)计算得就地γ谱仪335a的虚拟点探测器5位置为2.44cm(一般指虚拟点探测器5距离探测器端面的距离)。根据以上数据，通过式(9)计算可得虚拟点源7位置为103.4cm，将其代入面源半径和其虚拟点位置的拟合曲线(拟合函数为y＝
‑
0.1083
·
x2 27.83
·
x
‑
1676，r2＝0.998，其中x为虚拟点源位置/m，y值为面源半径/m)可得面源半径为43.7cm，和真值相差1.8cm(4.0％)，证实该技术方法有效可行。
[0078]
参考文献及资料如下：
[0079]
[1]z.b.alfassi,f.groppi,m.l.bonardi,o.presler,1u.german.shortcommunication.journalofradioanalyticalandnuclearchemistry,vol.268,no.3(2006)639
–
640
[0080]
[2]田自宁，刘文彪，陈伟，龙斌，冯天成，王雪梅，欧阳晓平基于虚拟点探测器的虚拟点源效率刻度技术强激光与粒子束2018年3月第30卷第3期
[0081]
[3]田自宁，贾明雁，李惠彬，成智威，巨凌军，申茂泉，杨晓燕，晏林，冯天成土壤样品γ谱分析自吸收校正技术研究辐射防护2010年1月第30卷第1期：54
‑
62
[0082]
[4]田自宁基于虚拟源原理的放射性体源无源效率刻度技术研究清华大学博士论文2016年7期。
[0083]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。