CN103592670A - gamma放射性气体体源绝对探测效率刻度装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明gamma放射性气体体源绝对探测效率刻度装置及方法，包括标准面源、固体小面源、固体大面源、气体大面源、气体体源和探测器；在气体大面源的内部腔体高度H小于某特定值Y时，固体大面源和气体大面源的gamma射线绝对探测效率偏差小于0.5％，即可认为两者的探测效率在0.5％以内等效。取Y值制备气体大面源，由容易测量探测效率的固体大面源得到气体大面源的等效探测效率，由气体大面源与气体体源的体积之比可得到气体体源的探测效率。本发明巧妙运用质量过渡、效率等效、体积过渡等方法实现了任意形状不变形气体体源的绝对探测效率刻度。该装置和方法简便易实现。

Description

gamma放射性气体体源绝对探测效率刻度装置及方法

技术领域

本发明涉及核技术应用领域中gamma射线放射源的绝对探测效率刻度技术，具体涉及gamma放射性气体体源的绝对探测效率刻度装置及方法。

背景技术

在核技术应用领域中，gamma射线气体体源是主要测量对象之一。HPGeγ谱仪是一种相对测量系统，气体体源向外发射γ射线，HPGeγ谱仪探测γ射线，可获得气体体源内各放射性核素的特征γ射线全能峰，要准确测定气体体源的活度，除核参数外，还需要HPGeγ谱仪探测相关gamma射线的绝对探测效率标定值。相对于放射性固体和液体的绝对探测效率标定，放射性气体具有易流动和占用体积大的特点，必须在很高的密封条件下制源和测量，所制备的源往往是体源，不易制备成点源或面源，给绝对探测效率的准确标定带来很大的难度。

气体体源的绝对探测效率刻度方法一般有以下几种。文献(XIE Feng,HEXiaobing等，Determination of absolute gamma-ray emission probabilities for⁸⁸Kr，Nuclear Science and Techniques，2011)中采用与气体体源尺寸、材料相同的液体体源绝对探测效率曲线通过校正自吸收得到气体体源的绝对探测效率，同时用β－γ符合法绝对标定放射性气体核素的子体后，通过死刻度反推计算气体体源的绝对探测效率。但是液体体源绝对探测效率曲线标定时存在制源难、自吸收校正困难等缺点，如果液体体源在充装过程中存在气泡，或者放射性液体洒到源盒外表面，都会影响标定的准确度。而且，用放射性气体核素子体活度标定的方法往往需要制备质量较好的薄膜源，同时制备时需要将衰变的子体完全清洗下来是非常困难的。这些问题使得以上方法在使用时很难把握，不宜形成常规的标定方法。“混合核素γ点源体积样品绝对探测效率刻度方法”(专利申请号为201113392127.9)通过采用固体混和核素γ点源在探测器周围测量的绝对探测效率曲线，结合蒙特卡罗模拟计算，确定探测器对任意轴对称形状体积样品的绝对探测效率。该方法对点源与体源尺寸、放源位置以及探测器结构的精确描述要求很高，如果体源结构和尺寸描述不准确，依赖理论计算的结果会带来较大偏差。国内外也采用LabSOCS等软件或蒙卡模拟计算实现气体源的无源刻度，省去用标准气体源刻度的过程，提高工作效率，但该方法存在较大的误差。另一方面，文献(田自宁等.土壤样品γ谱分析自吸收校正技术研究，辐射防护，2013)采用面源刻度技术，将面源在距离晶体不同高度h进行实验，确定面源绝对探测效率随高度的变化关系ε(h)，积分获得气体体源的绝对探测效率，该方法步骤繁琐，与面源放置位置变化大小是否均匀、选择位置的多少等因素密切相关，不适合高准确度测量。

由以上分析可见，迫切需要发展一种简便、快捷、准确的gamma放射性气体体源绝对探测效率标定技术。

发明内容

从准确性、可靠性和易操作性等多方面考虑，本发明提出了一种gamma放射性气体体源的绝对探测效率刻度装置及方法，巧妙运用质量过渡、效率等效、体积过渡等方法实现了任意形状不变形气体体源的绝对探测效率刻度。该装置和方法简便易实现。

本发明原理：

由理论模拟计算可知，在气体大面源的内部腔体高度H小于某特定值Y时，固体大面源和气体大面源的gamma射线绝对探测效率偏差小于0.5％，即可认为两者的探测效率在0.5％以内等效。取Y值制备气体大面源，由容易测量探测效率的固体大面源得到气体大面源的等效探测效率，由气体大面源与气体体源的体积之比可得到气体体源的探测效率。

本发明解决技术难题所采用的技术方案是：

一种gamma放射性气体体源绝对探测效率刻度装置，其特殊之处在于：

包括标准面源1、固体小面源2、固体大面源3、气体大面源4、气体体源5和探测器6；

所述标准面源1与固体小面源2均为圆柱状，具有相同的结构、尺寸和材料；所述标准面源1具有已知活度，置于探测器6上部距离L处用于标定gamma射线的绝对探测效率，其中L大于15cm；

所述固体大面源3为圆柱状，与固体小面源2同时采用gamma放射性溶液制备，使得gamma放射性物质均匀分布于小面源载体材料9和固体大面源载体材料8上并被密封，所述固体大面源3与固体小面源2的活度之比为溶液质量之比；所述固体大面源3的直径D₁大于固体小面源2的直径d₁；

所述固体大面源3和气体大面源4的封装材料相同，内外直径相同，底板厚度均为h，气体大面源4的内部腔体高度为H；

所述气体大面源4预留细进气口7；所述气体体源5预留进气口10，两者均配备阀门13；所述气体大面源4预留细进气口7的内径d₂小于3mm。

一种gamma放射性气体体源绝对探测效率刻度方法，其特殊之处在于：该方法包含以下步骤：

1】绘制gamma射线的绝对效率曲线：

根据具体待测量的放射性气体gamma射线能量选择标准面源1放置于距离探测器6L处，并与探测器6同轴，标定多种能量gamma射线的绝对探测效率，绘制效率曲线；

2】制备气体大面源：

取固体大面源3和气体大面源4的外直径和内直径分别为D₁和D₂，取气体大面源4的内腔高度为H；

其中H按以下方法取值：

将固体大面源3放置于距离探测器6L处测量，将气体大面源4放置于距离探测器6(L-H/2)处测量，两者均与探测器6同轴；由理论模拟计算此时固体大面源3和气体大面源4的效率偏差；在气体大面源的内部腔体高度H小于某特定值Y时，固体大面源和气体大面源的gamma射线绝对探测效率偏差小于0.5％，可认为内部腔体高度H=Y时固体大面源和气体大面源的gamma射线绝对探测效率等效；或者根据理论计算的两者绝对探测效率偏差量，以固体大面源3的绝对探测效率校正偏差量后得到气体大面源4的绝对探测效率；

根据气体大面源4的体积要求取H值制备气体大面源，要求H小于或等于Y；

3】制备固体小面源和固体大面源：

选择含有合适能量gamma射线的放射性核素溶液，称重m₁装入预先铺垫小面源载体材料9的固体小面源2内，待溶液蒸干后密封；称重m₂装入预先铺垫大面源载体材料8的固体大面源3内，待溶液蒸干后密封；

4】计算固体小面源和固体大面源的活度

将制备的固体小面源2放置于距离探测器6L处，并与探测器6同轴，测量相关能量的gamma射线峰，并结合步骤1】中标定的绝对探测效率曲线计算固体小面源2的活度，结合称重m₁和m₂计算得到固体大面源3的活度；

5】计算气体大面源的等效绝对探测效率：

将制备的固体大面源3放置于距离探测器6L处，并与探测器6同轴，测量相关能量的gamma射线峰，并结合步骤4】中固体大面源3的活度计算得到固体大面源3的绝对探测效率，按照步骤2】模拟计算结果等效为气体大面源4的绝对探测效率或校正后得到气体大面源4的绝对探测效率；

6】测量气体大面源4与气体体源5的内腔体积之比；

7】计算气体大面源和气体体源的活度：

将气体大面源4与气体体源5连接后，采用真空泵系统12抽真空后，采用gamma放射性气体11平衡充气，关闭密封阀13后，将气体大面源4放置于距离探测器6(L-H/2)处，并与探测器6同轴，测量相关能量的gamma射线峰；结合步骤5】中得到的气体大面源4的绝对探测效率，计算气体大面源4的活度；结合步骤6】中的体积之比计算得到气体体源5的活度；

8】计算气体体源在特定位置的绝对探测效率：

将气体体源5放置于距离探测器6任意适合测量的位置测量相关能量的gamma射线峰，结合步骤7】中气体体源5的活度计算气体体源5在该位置的绝对探测效率。

本发明的优点是：

1、本发明所涉及的放射源形状规则，容易制作。

2、本发明的标定过程所涉及的标准源过渡、质量过渡、体积过渡和理论模拟计算等效性等四个过程均为常规操作，简便易行，不确定度小。

3、本发明巧妙利用气体大面源与固体大面源的等效性、气体大面源的体积和气体体源的精确体积比，成功避免了复杂的测量步骤和自吸收理论校正等。

4、本发明可对形变可忽略的任意形状的气体体源进行绝对探测效率标定，也可针对不同探测器进行效率标定。

5、气体大面源上的细进气口可以显著减小管道体积，以减小该部分气体对整体气体面源的影响。

附图说明

图1是标准面源在探测器上的测量示意图；

图2是固体小面源示意图；

图3是固体大面源示意图；

图4是气体大面源示意图；

图5是气体体源示意图；

图6是气体大面源和气体体源平衡充气示意图；

图7是固体大面源测量示意图

图8是气体大面源测量示意图；

其中：1－标准面源；2－固体小面源；3－固体大面源；4－气体大面源；5－气体体源；6－探测器；7－细进气口；8－大面源载体材料；9－小面源载体材料；10－进气口；11－gamma放射性气体；12－真空泵系统；13－密封阀。

具体实施方式

标准面源1与固体小面源2均为圆柱状，具有相同的结构、尺寸和材料。gamma放射性物质均匀分布于小面源载体材料9上并被密封。标准面源活度已知，可置于探测器上部距离L处标定gamma射线的绝对探测效率，L大于15cm。

固体大面源和气体大面源的封装材料相同，内外直径相同，底板厚度均为h，气体大面源的内部腔体高度为H。由理论模拟计算以下测量条件下固体大面源和气体大面源的效率偏差：将固体大面源放置于距离探测器L处测量，将气体大面源放置于距离探测器(L-H/2)处测量。由模拟计算结果得到，当H＝Y时，偏差仅为0.5％，此时可以认为固体大面源和气体大面源的gamma射线绝对探测效率等效。也可以根据理论计算的两者绝对探测效率偏差量，以固体大面源的绝对探测效率校正偏差量后得到气体大面源的绝对探测效率。根据气体大面源的体积要求取内腔高度H值，H小于或等于某特定值Y。

采用同一gamma放射性溶液制备固体小面源与固体大面源，使gamma放射性物质均匀分布于小面源载体材料和大面源载体材料上并被密封，两者活度之比为gamma放射性溶液质量之比。D₁大于d₁。

固体小面源结构与标准面源相同。将固体小面源放置于距离探测器L处，并与探测器同轴，测量相关能量的gamma射线。

将固体大面源放置于距离探测器L处，并与探测器同轴，测量相关能量的gamma射线。

气体大面源4和气体体源5均为真空条件下形变可忽略的容器，气体大面源4预留细进气口7，气体体源5预留进气口10，两者均配备阀门13，两者内腔体积之比被精确测定。气体大面源4预留细进气口7的内径d₂小于3mm，以减小该部分气体对整体气体面源的影响。气体大面源和气体体源的进气口分别连接密封阀。将气体大面源与气体体源连接后抽真空，采用gamma放射性气体平衡充气后，关闭密封阀。将气体大面源卸下放置于距离探测器(L-H/2)处，并与探测器同轴，测量相关能量的gamma射线。

将气体体源放置于距离探测器任意适合测量的位置测量相关能量的gamma射线。

一种gamma放射性气体体源绝对探测效率刻度方法，包含以下步骤：

1】将标准面源1放置于距离探测器6L处，并与探测器6同轴，标定多种能量gamma射线的绝对探测效率，绘制效率曲线。

2】取固体大面源3和气体大面源4的外直径和内直径分别为D₁和D₂，取气体大面源4的内腔高度为H。由理论模拟计算以下测量条件下固体大面源3和气体大面源4的效率偏差：将固体大面源3放置于距离探测器6L处测量，将气体大面源4放置于距离探测器6(L-H/2)处测量，两者均与探测器6同轴。由模拟计算结果得到，当H＝Y时，偏差达到0.5％，忽略该偏差时，此时可以认为固体大面源3和气体大面源4的gamma射线绝对探测效率等效。也可以根据理论计算的两者绝对探测效率偏差量，以固体大面源3的绝对探测效率校正偏差量后得到气体大面源4的绝对探测效率。根据气体大面源4的体积要求取H值，H小于或等于Y。

3】选择含有合适gamma射线的放射性核素溶液，称重m₁装入预先铺垫小面源载体材料9的固体小面源2内，待溶液蒸干后密封；称重m₂装入预先铺垫大面源载体材料8的固体大面源3内，待溶液蒸干后密封。

4】将制备的固体小面源2放置于距离探测器6L处，并与探测器6同轴，测量相关能量的gamma射线峰，并结合步骤1】中标定的绝对探测效率曲线计算固体小面源2的活度，结合称重m₁和m₂，由gamma放射性溶液质量之比计算得到固体大面源3的活度。

5】将制备的固体大面源3放置于距离探测器6L处，并与探测器6同轴，测量相关能量的gamma射线峰，并结合步骤4】中固体大面源3的活度计算得到固体大面源3的绝对探测效率，按照步骤2】模拟计算结果，采用等效或校正后的气体大面源4的绝对探测效率，计算得到气体大面源4中气体的活度。

6】如图6，将气体大面源与气体体源连接后抽真空，采用gamma放射性气体平衡充气后关闭密封阀，以封闭气体大面源与气体体源，并测量气体大面源4与气体体源5的内腔体积之比。

7】将气体大面源4与气体体源5连接后，采用真空泵系统12抽真空后，采用gamma放射性气体11平衡充气，关闭密封阀13后，将气体大面源4卸下，放置于距离探测器6(L-H/2)处，并与探测器6同轴，测量相关能量的gamma射线峰；结合步骤5】中得到的气体大面源4的绝对探测效率，计算气体大面源4的活度；结合步骤6】中的体积之比计算得到气体体源5的活度。

8】将气体体源5卸下放置于距离探测器6任意适合测量的位置测量相关能量的gamma射线峰，结合步骤7】中气体体源5的活度计算气体体源5在该位置的绝对探测效率。

通过以上各源的效率过渡、活度过渡和效率等效得到气体体源5的绝对探测效率。

实施例：

在分析中子辐照Kr-86产生的gamma放射性气体Kr-87时，要求定量给出活化后气体产物Kr-87的活度，样品容器为50ml的体源。因此首先需要对50ml的Kr-87体源的特征γ射线峰402keV的绝对探测效率进行刻度。采用本发明方法进行gamma放射性气体体源绝对探测效率的刻度方法如下。

1）按照图1至图5准备各放射源容器，其中d₁＝28mm，d₂＝1mm，D₁＝75mm，D₂＝65mm，h＝3mm，探测器有效直径为60mm，L＝250mm。将外径φ28mm的¹⁵²Eu标准面源放置于距离探测器L处，并与探测器同轴，根据测量得到的各射线峰净计数率(cps)，标定121～1408keV多条gamma射线的绝对探测效率，拟合效率曲线。

2)MCNP(蒙特卡洛模拟程序)模拟计算条件：设定输入粒子数为10⁶，取气体大面源内部腔体高度H=4mm，将固体大面源置于探测器上方250mm同轴处测量，将气体大面源(4)放置于探测器上方(L-H/2)=248mm同轴处测量。模拟结果显示固体大面源(3)和气体大面源(4)的gamma射线绝对探测效率偏差小于0.2％，可以认为两者等效。

3)选择¹⁵²Eu溶液，精确称重m₁装入预先铺垫滤纸载体的固体小面源内，待溶液蒸干后密封；精确称重m₂装入预先铺垫滤纸载体的固体大面源内，待溶液蒸干后密封。

4)将制备的固体小面源放置于距离探测器L处，并与探测器同轴，测量各条gamma射线全能峰，并结合第2)步中标定的绝对探测效率计算固体小面源的活度；结合称重m₁和m₂计算得到固体大面源的活度，

5)将制备的固体大面源放置于距离探测器L=25cm处，并与探测器同轴，测量各条gamma射线全能峰，并结合第4)步中的活度计算得到固体大面源的gamma射线绝对探测效率曲线。此效率曲线可等效为气体大面源的绝对探测效率曲线。

6)精确测量气体大面源与气体体源的内腔体积之比。使用气体大面源的好处在于，在H值保证气体大面源和固体大面源等效的同时，可尽可能使气体大面源的内腔体积变大，从而更准确地测量它与气体体源的体积之比，由此减小不确定度。

7)将气体大面源与气体体源连接后抽真空至小于5Pa，关闭抽真空通道后，采用gamma放射性气体Kr-87对气体大面源与气体体源平衡充气，之后关闭密封阀，将气体大面源卸下放置于距离探测器248mm处，并与探测器同轴，测量402keV gamma射线峰；结合第5)步中的气体大面源的等效绝对探测效率曲线，计算得到气体大面源的活度；结合第6)步中的体积之比计算得到气体体源的活度。

8)将气体体源放置于距离探测器250mm的同轴位置测量402keV的gamma射线峰，结合第7)步中气体体源的活度计算得到Kr-87气体体源在该位置的402keV gamma射线绝对探测效率。

Claims (2)

1.一种gamma放射性气体体源绝对探测效率刻度装置，其特征在于：

包括标准面源(1)、固体小面源(2)、固体大面源(3)、气体大面源(4)、气体体源(5)和探测器(6)；

所述标准面源(1)与固体小面源(2)均为圆柱状，具有相同的结构、尺寸和材料；所述标准面源(1)具有已知活度，置于探测器(6)上部距离L处用于标定gamma射线的绝对探测效率，其中L大于15cm；

所述固体大面源(3)为圆柱状，与固体小面源(2)同时采用gamma放射性溶液制备，使得gamma放射性物质均匀分布于小面源载体材料(9)和固体大面源载体材料(8)上并被密封，所述固体大面源(3)与固体小面源(2)的活度之比为溶液质量之比；所述固体大面源(3)的直径D₁大于固体小面源(2)的直径d₁；

所述固体大面源(3)和气体大面源(4)的封装材料相同，内外直径相同，底板厚度均为h，气体大面源(4)的内部腔体高度为H；

所述气体大面源(4)预留细进气口(7)；所述气体体源(5)预留进气口(10)，两者均配备阀门(13)；所述气体大面源(4)预留细进气口(7)的内径d₂小于3mm。

2.一种gamma放射性气体体源绝对探测效率刻度方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：

1】绘制gamma射线的绝对效率曲线：

根据具体待测量的放射性气体gamma射线能量选择标准面源(1)放置于距离探测器(6)L处，并与探测器(6)同轴，标定多种能量gamma射线的绝对探测效率，绘制效率曲线；

2】制备气体大面源：

取固体大面源(3)和气体大面源(4)的外直径和内直径分别为D₁和D₂，取气体大面源(4)的内腔高度为H；

其中H按以下方法取值：

将固体大面源(3)放置于距离探测器(6)L处测量，将气体大面源(4)放置于距离探测器(6)(L-H/2)处测量，两者均与探测器(6)同轴；由理论模拟计算此时固体大面源(3)和气体大面源(4)的效率偏差；在气体大面源的内部腔体高度H小于某特定值Y时，固体大面源和气体大面源的gamma射线绝对探测效率偏差小于0.5％，可认为内部腔体高度H=Y时固体大面源和气体大面源的gamma射线绝对探测效率等效；或者根据理论计算的两者绝对探测效率偏差量，以固体大面源(3)的绝对探测效率校正偏差量后得到气体大面源(4)的绝对探测效率；

根据气体大面源(4)的体积要求取H值制备气体大面源，要求H小于或等于Y；

3】制备固体小面源和固体大面源：

选择含有合适能量gamma射线的放射性核素溶液，称重m₁装入预先铺垫小面源载体材料(9)的固体小面源(2)内，待溶液蒸干后密封；称重m₂装入预先铺垫大面源载体材料(8)的固体大面源(3)内，待溶液蒸干后密封；

4】计算固体小面源和固体大面源的活度

将制备的固体小面源(2)放置于距离探测器(6)L处，并与探测器(6)同轴，测量相关能量的gamma射线峰，并结合步骤1】中标定的绝对探测效率曲线计算固体小面源(2)的活度，结合称重m₁和m₂计算得到固体大面源(3)的活度；

5】计算气体大面源的等效绝对探测效率：

将制备的固体大面源(3)放置于距离探测器(6)L处，并与探测器(6)同轴，测量相关能量的gamma射线峰，并结合步骤4】中固体大面源(3)的活度计算得到固体大面源(3)的绝对探测效率，按照步骤2】模拟计算结果等效为气体大面源(4)的绝对探测效率或校正后得到气体大面源(4)的绝对探测效率；

6】测量气体大面源(4)与气体体源(5)的内腔体积之比；

7】计算气体大面源和气体体源的活度：

将气体大面源(4)与气体体源(5)连接后，采用真空泵系统(12)抽真空后，采用gamma放射性气体(11)平衡充气，关闭密封阀(13)后，将气体大面源(4)放置于距离探测器(6)(L-H/2)处，并与探测器(6)同轴，测量相关能量的gamma射线峰；结合步骤5】中得到的气体大面源(4)的绝对探测效率，计算气体大面源(4)的活度；结合步骤6】中的体积之比计算得到气体体源(5)的活度；

8】计算气体体源在特定位置的绝对探测效率：

将气体体源(5)放置于距离探测器(6)任意适合测量的位置测量相关能量的gamma射线峰，结合步骤7】中气体体源(5)的活度计算气体体源(5)在该位置的绝对探测效率。

Images