水樣γ能譜三種測量方法探測效率對比的模擬分析

王溪睿

（遼寧省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 沈陽 110000）

當前，我國逐漸將能源發(fā)展轉向核電，社會也將注意力轉移到核技術使用安全以及輻射風險等方向。而γ能譜測量技術可以在短時間內做到分析水、空氣等核素類型，掌握相關信息，對于科學防護具有指導性意義，也可以用準確監(jiān)測結果穩(wěn)定社會。而當前幾種γ能譜測量技術方法各有優(yōu)勢，有必要對其采用科學手段展開對比，確保在核應急時可以迅速完成放射性物質探測工作，從而保護人民群眾生命安全。

1 水樣γ能譜測量方法對比探測效率意義

在核應急中，可以通過γ能譜分析，監(jiān)測人們生活所涉及到的水、空氣以及食物等多種必需品中放射性物質種類與活度，從而做到為科學防護提供準確數(shù)據(jù)信息，向社會公眾公布監(jiān)測結果。也可以作為穩(wěn)定社會工具使用，從而落實應急相關工作。而且，以NaI(Tl）閃爍探測器技術為基礎，γ能譜測量技術使用成本較低，可以穩(wěn)定提升探測效率，對于環(huán)境也擁有較強適應能力，在當前監(jiān)測環(huán)境中放射性元素應用較廣。但目前多使用實驗室測量環(huán)境樣品γ能譜，NaI(TI）探測器是擁有75毫米高、底面直徑75毫米圓柱體，擁有相同體積與形狀聚乙烯盒。在現(xiàn)有條件下，每次測量樣品多，實驗室測量存在時間偏長的情況，對于緊急以及戰(zhàn)時特殊情況，難以有效完成針對樣品測量放射性的實際需求。所以，有必要針對現(xiàn)有幾種水樣γ能譜測量技術，包括實驗室測量、馬林杯測量以及井型探測器，借助MCNP4C軟件完成計算，并將幾種方法對水樣137CSγ探測效率展開對比，尋找最佳γ能譜測量技術，提升測量質 量[1]。

2 MCNP計算模型

MCNP計算模型涉及大量內容，研究內容符合本文主體，所以在樣品選擇上，僅選擇攜帶放射性核素137CS的樣品，其可以向外輻射0.662 MeV的γ射線水樣，而探測器則選用NaI（Tl）晶體。同時，確保模擬結果具有較高準確度，調整模擬粒子數(shù)量1×107，可以將偏差控制在±2%范圍內。

2.1 實驗室測量

以GB/T16140-2018《水中放射性核素的γ能譜分析方法》，在實驗室對應用γ能譜測量技術，需要將探測器與樣品盒以上下方式進行擺放[2]。將樣品盒放置在探測器上方，兩者均使用37.5 mm半徑底面圓，75 mm高，2 mm壁厚的圓柱形，探測器為NaI（Tl）晶體，樣品盒材料則為聚乙烯。在探測器主體側面用一層0.5 mm氧化鎂包裹，并使用2毫米鋁對其外層完成封裝，其底部則涂上0.1 mm的氧化硅。

2.2 馬林杯測量

在馬林杯測量中，探測器的選擇和實驗室測量保持相同規(guī)格。同樣使用氧化鎂包裹探測器，并使用鋁對其完成封裝工作。而樣品盒則要變成馬林杯，保持相同樣品體積。將探測器放在平面上，再將樣品盒罩在上面，達到包住探測器的效果。在探測器與馬林杯之間存在間隙，這個間隙寬度即為以下內容提到的水樣側壁的厚度。而用水樣將這個間隙填滿，從探測器與馬林杯所在平面，到馬林杯內側地面高度即為水樣高度[3]。而為檢測馬林杯在側壁空間不同水樣的厚度，是否會讓探測效率產生不同影響，則要保持樣品體積一致，對在側壁的水樣厚度從8 mm到12 mm，每1 mm設為一檔，設置5檔。

2.3 井型探測器

使用井型探測器展開模擬計算，在樣品盒選擇上則要和實驗室樣品盒保持相同，同樣使用氧化鎂包裹探測器，并使用鋁對其完成封裝工作。而探測器則要選擇井型NaI（TI）閃爍體，保持晶體側壁擁有30 mm厚度，底部厚度則要控制在50 mm，內側半徑要求為39.5 mm，側面高度79.5 mm。可以理解為井型探測器是擁有更大壁厚的馬林杯，但是馬林杯是倒扣在樣品盒上的，而井型探測器則是將樣品盒放置于探測器的內部[4]。此時，從外表觀察可以看作是一個圓柱形。同時，為進一步研究井型探測器在探測效率方面的實際提升效果，則選擇高55 mm、75 mm直徑底面圓，以及高50 mm、50 mm直徑底面圓，兩類規(guī)格的樣品盒。

3 探測效率計算

3.1 實驗室測量

借助MCNP4C軟件，通過模擬計算即可獲得在實驗室條件下，應用γ能譜測量技術，以標準圓柱形規(guī)格NaI（Tl）晶體作為探測器，對37.5 mm半徑底面圓，75 mm高圓柱形聚乙烯樣品盒水樣137CSγ能譜探測效率，其探測效率可達3.16%[5]。

3.2 馬林杯測量

在對水樣控制側壁厚度時，以0.662MeVγ射線作為材料，利用馬林杯作為測量方法，側壁從8 mm厚度到12 mm厚度，其全能峰MCNP模擬譜差別不大，可以判斷水樣在側壁厚度方面是否存在差異，并不會對能量分辨率造成太多影響。以75 mm高度、75 mm底面圓直徑的圓柱形NaI（Tl）探測器，使用0.662 MeVγ射線，其探測效率比水樣所設計側壁厚度略微增加，但是側壁從8 mm到12 mm厚度變化過程中，探測效率僅提高1%，并不具有太大增幅能力。可以認為，針對馬林杯提升側壁厚度處理探測效率，其應用效果較為有限。

3.3 井型探測器測量

在不同水樣體積條件下，通過對井型探測器對0.662 MeVγ射線測量MCNP模擬譜分析，在對水樣體積進行處理的過程中，并不能讓能量分辨率產生太大影響。而從相關數(shù)據(jù)分析，擁有50 mm高、50 mm底面半徑的水樣體積，要遠超過其他兩類測試水樣體積，即水樣體積提升，實際探測效率反而會下降。雖然擁有75 mm高，75 mm底面半徑的水樣體積的樣品盒，且在三組測試中擁有最大容器，是最佳測試結果水樣體積的3.375倍，但實際探測效率卻降低了4%?？梢哉J為，如果擁有足夠的使用樣品條件，提高樣品總重量可以在一定范圍內提升探測效 率[6]。

4 探測效率對比

將三種測量技術以橫向對比方式做探測效率對比，在水樣擁有0.662 MeVγ射線條件時，僅提高水樣體積，并不能提升太大能量分辨率。而以75 mm高，75毫米底面半徑，總水樣體積約為331.2 mm3條件下，三種測量技術對0.662 MeVγ射線探測效率模擬結果可以整理為：實驗室測量擁有3.16%探測效率，馬林杯擁有7.81%探測效率，井型探測器擁有22.6%探測效率。可以發(fā)現(xiàn)，在同等條件下，井型探測器擁有最高探測效率，相較于實驗室測量與馬林杯，分別是其7倍與3倍，在未來使用時可以選擇井型探測器完成γ射線探測工作。

5 結論

雖然在當前γ能譜測量技術中，井型探測器具備快速探測能力，可以實現(xiàn)核應急快速監(jiān)測，但是不代表保持現(xiàn)狀會對未來放射性物質檢測有進一步發(fā)展。所以，相關部門仍需要積極研究技術方法，以井型探測為研究基礎，分析其是否具備提升測量效率的能力，是否可以將設備體積優(yōu)化，達到便攜式檢測。只有將各方面內容考慮到位，才能真正保障我國核輻射研究安全可靠。