核电站辐射测量特点及低水平放射性测量方法

核电站辐射测量技术核电站辐射测量技术 刘春雨 E-Mail: Tel课程简介 课程目的课程目的：通过该课程的学习，使学生了解核电站的 辐射来源和辐射测量的内容，熟悉核电站辐射测量的 系统和原理，掌握辐射测量的方法和过程，提高学生 关于辐射防护与测量方面的理论水平和实践能力。 教学内容教学内容：核辐射测量方法、工艺辐射监测、排出流 辐射监测、区域辐射监测、实验室辐射分析测量系 统、个人剂量监测系统、表面沾污监测系统。 课程简介 课程要求课程要求： 1、了解核电站辐射测量的目的和内容 2、掌握核电站辐射测量的原理和方法 3、熟悉核电站辐射测量的仪器和设备的种类及适用范围 4、掌握测量仪器和设备的基本工作原理及测量系统的组成 5、提高理论联系实际能力，对工程中一般的辐射测量问题 具有分析和解决的能力 6、能够独立学习和掌握相关的辐射测量知识 课程简介 教材教材：凌球，郭兰英，李冬馀编著. 核电站辐射测量技术. 原子能出版社，2001.12 参考资料参考资料： 1、潘自强主编. 电离辐射环境监测与评价. 原子能出版 社，2007.12 2、李德平，潘自强主编.辐射防护手册（第二分册）： 辐射防护监测技术. 原子能出版社，1988 考核方式考核方式：试卷成绩（闭卷）占70%，平时成绩占30%。 第一章第一章 核电站辐射测量特点及低核电站辐射测量特点及低 水平放射性测量方法水平放射性测量方法 一、核电站的核辐射 二、二、射线的样品活度测量方法射线的样品活度测量方法 三、射线能谱测量射线能谱测量 四、能谱与能谱与最大能量的确定最大能量的确定 五、低水平放射性测量的方法五、低水平放射性测量的方法 一、核电站的核辐射 U-235的裂变能 168 8 7 12 7 5 207 裂变碎片的动能 裂变产物的射线 裂变产物的射线 中微子 瞬发射线 裂变中子动能 总能量 释放的能量/MeV释放形式 一、核电站的核辐射 核电站核辐射产生机理 核辐射是指各种核衰变及核跃迁中从原子核中释放出来 的辐射。 核裂变 235U+n A+B+n+Q 核衰变 87Br 87Kr+- 核跃迁 16O（n,p)16N* 16N* 16N+ 一、核电站的核辐射 初级核辐射 核燃料元素在裂变时和裂变后的产物放出的核辐射，包括 瞬发中子，瞬发射线，缓发中子，缓发射线。 次级核辐射 由初级核辐射与物质相互作用所产生的核辐射称为次级 核辐射，包括： 活化中子： 17O（n，p）17N*, 17N*16N+n 活化： 56Fe(n，)57Fe*, 57Fe* 57Fe+ 16O（n，p）16N*, 16N* 16N+ 16O（n，）13N*, 13N* 13C+ 1.中子辐射 瞬发中子（占99%） 235U+nA+B+（2.5）n+Q 在热中子裂变反应堆中，瞬发中子的能谱可用瓦特函数 或麦克斯韦分布函数描述。 缓发中子（1%） 由裂变产物发射出来的中子称为缓发中子。 87Br87Kr 137I137Xe 87Br,137I称为缓发中子先驱核。 1.中子辐射 缓发中子先驱核按半衰期长短可分为六组， 如表示235U热中子裂变的缓发中子数据表 .（430）. （0.179） . （420） . （0.496） .6 2 4 （620） . . . . 份额i产额Yi能量Kev平均寿命 ti(s) 衰变常数 i() 半衰期T1/2 （S） 组 号 1.中子辐射 活化中子 一回路冷却剂流经堆芯，在堆芯高能中子照射下产生如 下反应（水中含有0.037%的17O） 17O（n,p）17N 17N（-）17O（n）16O 光激中子 在重水堆中常用重水和铍作慢化剂，裂变产生的射线 与氘或铍反应产生光中子 2H(,n)1H 9Be(,n)8Be 2.辐射辐射 （1）瞬发射线 由裂变产物直接放出的射线，在裂变后几十纳秒 内完成。 瞬发射线能谱： 6.60.1MeV1(1(例如例如20)20) 时时，泊松分布泊松分布就可就可简化为简化为高斯分布高斯分布。对高斯分布对高斯分布，随机变量随机变量 X取值范围为取值范围为( ( ) )，为为连续型随机变量连续型随机变量。其其概率密度概率密度 函数函数为为： 2 2 2 exp 2 1 mx xf 高斯分布随机变量高斯分布随机变量的的数学期望和方差数学期望和方差： 数学期望数学期望 方差方差 mdxxfxxE 2 2 dxxfxExxD 对于对于核衰变核衰变，可以证明可以证明单位时间单位时间发生发生衰变的核数衰变的核数服从服从泊泊 松分布松分布。其特点为其特点为： 2 m 这一关系在高斯分布也是成立的这一关系在高斯分布也是成立的。可以证明可以证明： mdnnpmn 2 2 m 此式表明此式表明，仅有统计涨落时仅有统计涨落时， m 一般情况下一般情况下， m 统计统计误差是由于误差是由于放射性核衰变和射线与物质相互作用的放射性核衰变和射线与物质相互作用的 统计性统计性所引起的所引起的，称为称为统计误差统计误差。 在一般的核测量中在一般的核测量中，常涉及常涉及函数的统计误差函数的统计误差的计算的计算，也也 就是就是误差传递误差传递(Error Propagation)(Error Propagation)。 若若是是相互独立相互独立的随机变量的随机变量，其标准偏差相其标准偏差相 应为应为，由这些随机变量由这些随机变量导出的任何量导出的任何量 的的标准偏差标准偏差可以用下面公式求出可以用下面公式求出： (3) 放射性测量的统计误差放射性测量的统计误差 n xxx, 21 n xxx , 21 ),( 21n xxxfy 2 2 2 2 2 2 2 1 2 21n x n xxy x y x y x y (4) 单次测量的计数和计数率的统计误差单次测量的计数和计数率的统计误差 ,/1/ NNN NNN 若对某放射性样品或放射源测量一次得到的若对某放射性样品或放射源测量一次得到的计数为计数为N N， 测量时间为测量时间为t t，且且t t没有误差没有误差，则计数的统计误差和相对则计数的统计误差和相对 统计误差为统计误差为： 计数率计数率n=N/tn=N/t的统计误差和相对统计误差为的统计误差和相对统计误差为： 上式表明上式表明计数率的相对统计误差计数率的相对统计误差只与只与计数计数N N的大小的大小有有 关关，要要提高测量精度提高测量精度，必须计数必须计数N N足够多足够多。 Nntn tntN t nn N n /1/1/ / 2 0 sb sb sb NN nnn tt b b s s n t n t n 0 (5) 有本底时样品净计数率的统计误差有本底时样品净计数率的统计误差 设测量设测量本底本底的时间为的时间为tb，在在tb内测得的计数为内测得的计数为Nb,在在ts时间时间 内内，有有样品样品时时，测的计数测的计数（其中包括本底计数其中包括本底计数）为为Ns，则则 样品样品的的净计数率净计数率为为： 净计数率净计数率的的统计误差统计误差为为： 2 2 2 2 2 2 2 1 2 21n x n xxy x y x y x y .优质因子优质因子优质因子优质因子 为了合理分配为了合理分配本底和样品测量时间本底和样品测量时间，以便在规定以便在规定时间时间 T=ts+tb内使内使测量结果测量结果误差最小误差最小。由极值条件由极值条件： d 0 d sb sss nn ttTt b s b s n n t t T nn nn t bs bs s /1 / T nn t bs b /1 1 该条件下的该条件下的相对方差相对方差为为： 2 2 2 2 1 () sb sb sbsbsb nn nn nnttT nn .优质因子优质因子优质因子优质因子 定义优质因子： 22 2 ()1 () sb sb nn Q Tnn 2222 0 2 () 4() sb b sb nnn Q nnn 对于低水平放射性测量，净计数率很小 提高Q的措施：增加净计数率，减小本底。 0 () sbb nnnn .本底来源及降低本底措施本底来源及降低本底措施本底来源及降低本底措施本底来源及降低本底措施 本底来源：宇宙射线、周围环境的放射性核素、屏蔽材料 及探测器中的放射性核素。 降本底措施：铅屏蔽材料的选择 探测器材料的选择 氡射气：有效通风 宇宙射线：反符合屏蔽 电子学线路可靠地接地 .判断限判断限、探测限及定量限探测限及定量限判断限判断限、探测限及定量限探测限及定量限 设有样品时的计数为Ns，本底为Nb，则样品净计数为： 0sb NNN 对于任何一个样品，测量结果无非两种情况，一种是样 品含有放射性，这时应该净计数从N00；另一种是样品 不含放射性，这时，应该净计数 N00。 由于放射性的统计涨落，我们不能作如此简单的判断。 净计数的标准误差0为： 22 1/2 0 () sb 22 , ssbb NN 由，得到： 1/2 00 (2) b NN 对于一个实际上无放射性的样品，计数N0将具有一个分 布P(N0)。它是以N0=0为对称轴的正态分布。 22 00 /2(0) 000 0 1 e (0) 2 N P NdNdN 对于含有放射性为LD的样品，净计数N0也有一个分布。 22 0 () /2 000 1 e 2 DD NL D P NdNdN 0(0)为样品净计数N0=0时的标准误差。 D为LD的标准误差。 由于统计涨落的原因，计数差N0=Ns-Nb将会有各种各样 的数值。当N0很小时(尽管大于0)，样品中有无放射性就 很难断定。 选取一个大于零的数Lc，当N0Lc时，就说测到了放射 性计数，即样品中有放射性。 若当N0 Lc时，则认为测不出放射性，即样品中无放 射性。 对于判断有无放射性的这样一个净计数Lc，称为判断限 或称临界水平。 (1) 判断限判断限（Lc） 选取Lc作为判断样品有无放射性的标准时，有犯错误判 断的危险。可以把发生差错的情况分为两大类: 第一类差错：样品实 际上没有放射性，由于计 数的统计涨落，使测到的 计数N0Lc，误认为样品 有放射性。这类错误称为 第一类差错，或差错。 第二类差错：样品实 际上有放射性，由于计数 的统计涨落，测到的计数 N0 Lc，误认为样品没有 放射性。这类错误称为第 二类差错，或差错。 根据出现第一类差错概率的大小，我们可以定出判断限 的大小。通常把它表示为无放射性时样品净计数标准误差 0的倍数。 0(0)c LK 出现差错的概率为： 22 00 22 00 0 /2(0) 000 0 /2(0) 0 (0) 0 1 e (0) 2 1 e (0) 2 cc N LL N K P NdNdN dN 式中的0(0)是无放射性时净计数的标准误差： 。由所规定的可以确定Lc。 0(0) 2 b N 当样品净计数刚好等于判断限时，净计效率的相对标准 偏差： 将带入上式： 1 sb sbsb nn nntt 0(0) 2 b N 0(0)c LK 0c NL sb tt 1/2 1/2 (22)(2) 2 bb cb c b KNNLN LKN 当测量时间充分长后，累积的本底计数满足则 上式变为。 如取K1.645，0.05，则60。 用判断限来作为测到射线强度的定量标志，误差是太大 了。所以，只能把判断限作为有无放射性的定性标志。 b NK 1 K 假定样品含有放射性为LD ，判断限为Lc，则出现第二 类差错的概率为： (2) 探测限探测限（LD） 对于确定Lc，样品中的放射性越高，漏测的机会越少。 根据对漏测概率的要求，可以确定与之相应的最小放射 性计数LD。可用样品净计数的标准误差D来表示LD： 22 0 () /2 000 1 e 2 DD NL D P NdNdN 2222 00 () /2/2 00 11 ee 22 c DDD Dc L NLN LL DD dNdN 假定样品含有放射性为LD ，判断限为Lc，则出现第二 类差错的概率为： 和具有同样的形式，表中与K关系也适用于与 K的关系 。 22 0 /2 0 1 e 2 D D N K D dN DcD LLK 样品含有放射性N0=LD 时： 取K=K=K时， DcD LLK 1/2 00 (2) b NN 1/2 (2) DDb LN 0(0) 2 b N 0(0)c LK 由，得： 1/2 2 2 222 441 11 2 cc Dc LL LLK KK K 2 2 Dc LKL 当K=K=1.645时，测到的净计数刚好为探测限时，它 的计数率的相对标准误差约为30%（当本底计数累计到足 够大时）。 当放射性刚好大于LD 时，虽然已经不会犯第二种错 误，但相对误差还是较大（30%），LD还只能是有无放 射性的定性标志。 (3) 定量限定量限（LQ） 定量限：定量测量结果净计数相对标准误差应小于某一 预先规定的数值（一般10%），与此相应的净计数值LQ作 为可以准确地确认的最少放射性。应当大于LD。 定量限也可以表示为某标准偏差的倍数： QQQ LK 可以证明，在本底及计数都服从高斯分布时： 1/2 2 2 0 2 4(0)1 11 2 QQ Q LK K 0（0）为净计数为0时的标准误差： 0(0) 2 b N 1 Q QQQ QQ LK LK 该值取10%，KQ=10，故： 1/2 50 110.08 Qb LN 当置信概率取95%时，测到的净计数大于判断限Lc时， 可以认为样品中有放射性。 当测到的净计数大于探测限时，有放射性的样品不大可 能被漏测，对应的LD时就是测量