用于β-γ甄别复合探测器研究

论文摘要

国内外辐射安全标准的规范化要求在重要的核设施中进行放射性气溶胶监测。这不仅对于在线测量、有效控制工作场所的污染程度以及保证工作人员的健康具有重要意义，而且对于即时发现核设施的事故隐患，以便及时采取措施也具有重大实际意义。核电站的核辐射来源于反应堆核燃料元素的核裂变反应。反应堆的堆芯是各种放射性核素的源泉，堆芯放射性核素包括三部分：（1）铀和超铀核素；（2）裂变产物及其衰变子体；（3）堆芯材料中的活化产物。核电站安全壳内放射性气溶胶主要来源于一回路中Cr、Mn、Fe、Co、Ni的中子活化产物，它们往往要经过β衰变才能回到稳定状态，所以放射性气溶胶总β水平反映了核电站安全壳内或其他核设施处放射性污染程度，并能为诊断一回路循环系统是否发生泄漏提供重要依据。由于放射性气溶胶发生β衰变后常伴随级联γ的发射，对β射线敏感的塑料闪烁体对γ也敏感，γ的存在对总β测量产生了不可忽视的影响。本课题设计的用于β—γ甄别的复合探测器可以有效去除γ影响，且能克服传统采用半导体多探头符合测量方法存在的体积大、工作稳定性差、使用寿命短，且不易于维修的弊端；其适用复杂多变环境能力得到极大提高。它前端采用塑料闪烁体作为总β测量的主探测元件，用BGO作为γ测量的从探测元件，使BGO的γ计数经过一定比例转换尽可能接近塑料闪烁体中的γ计数，最大限度减少γ本底的影响。塑料闪烁体和BGO闪烁体发光衰减时间有2个数量级上的差别，可以设计出一个脉冲形状甄别电路，把从同一个光电倍增管出来的两种不同的信号区分开来。由于其独到的设计原理和选用了目前对β和γ探测性能最好的闪烁体，预期比国内用于同样目的测量的探测器效率高许多。本探测器可用于核电站、核燃料生产厂、核武器试验基地、核退役处置现场、等辐射场所智能化的放射性气溶胶监测设备中。本文推导了探测器对γ射线的绝对探测效率计算公式。计算了BGO对能量为0.1Mev-10Mevγ射线的质量衰减系数；用MATLAB计算出主要部件的尺寸。在此基础上，用MC方法进行了模拟验证计算，达到了预期效果。较详细探讨了探测器输出脉冲产生的详细过程，详尽分析了RC时间常数对输出脉冲上升时间及最大幅度值的的影响；绘制了RC常数与输出最大脉冲幅度及其上升时间的关系图；讨论了分别从光电倍增管阳极和打拿极输出两路信号，设置不同时间常数进行去噪或者信号甄别的方法。讨论了渡越时间及其离散值、塑料闪烁体中慢光成份对本探测器输出脉冲形状的影响；认为渡越时间的离散值对收集电路的脉冲影响完全可以忽略不计，慢光成份会延迟上升时间和降低最大脉冲幅度值，但对本探测器的信号甄别产生影响很少。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 放射性污染的危害
• 1.1.2 核电站放射性气溶胶监测的意义
• 1.2 国内外现状
• 1.2.1 国外状况
• 1.2.2 国内状况
• 1.3 本课题主要研究内容
• 1.4 本课题特色与创新
• 第二章 放射性气溶胶及其监测系统工作原理
• 2.1 气溶胶测量技术
• 2.1.1 传统气溶胶测量技术
• 2.1.2 现代气溶胶测量技术
• 2.1.3 气溶胶测量技术总结与展望
• 2.2 核工业放射性气溶胶
• 2.3 一般核电站辐射监测系统工作原理与技术路线
• 2.3.1 基本原理与装置
• 2.3.2 放射性气溶胶浓度监测仪简介
• 2.3.3 探测取样方案的设计
• 第三章 β-γ复合探测器探测气溶胶主要成份分析
• 3.1 核电站述
• 3.2 反应堆辐射源
• 3.3 安全壳中主要β衰变核素与γ本底来源总结
• 第四章 β-γ复合探测器总体方案的设计
• 4.1 β-γ复合探测器探测器使用闪烁体简介
• 4.2 β-γ复合探测器复合探测器结构与工作原理
• 4.3 脉冲形状甄别过程
• 4.4 几何尺寸计算基本过程
• 第五章 β-γ复合探测器几何尺寸的计算
• 5.1 带电粒子的探测原理
• 5.2 电子的射程
• 5.3 探测器塑料闪烁体与塑料光导总长计算
• 5.4 光子与物质发生相互作用及探测效率的计算
• 5.5 BGO线型吸收系数计算
• 5.6 γ的绝对探测效率计算公式推导
• 5.7 基于MATLAB的探测效率的数值求解
• 第六章 蒙特卡罗方法模拟计算探测器探测效率
• 6.1 蒙特卡罗方法解粒子运输问题的主要步骤
• 6.2 光子输运模拟步骤
• 6.3 蒙特卡罗方法与MCNP
• 6.4 MCNP程序运行
• 6.5 模拟计算结果
• 第七章 影响β-γ复合探测器输出脉冲形状因素讨论
• 7.1 电流脉冲产生过程
• 7.2 阳极电流脉冲的函数推导
• 7.3 影响脉冲形状的因素讨论
• 7.3.1 输出电流近似函数讨论
• 7.3.2 输出电路时间常数对脉冲形状的影响
• 7.3.3 塑料闪烁体快慢光成分对上升时间与输出脉冲幅度的影响
• 第八章 总结
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读学位期间的获奖情况
• 致谢