一种放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法与流程

1.本发明涉及核废料处理领域，特别涉及一种放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法。


背景技术：

2.在核设施运行、退役、核技术应用及放射性废物治理等过程中，必将产生大量包含超铀核素的放射性废物。而包含超铀核素的放射性废物的暂存库容压力、安全风险、废物分类、处置成本、废物分类检测技术的相对滞后，甚至是不平衡发展、最小化等问题，对我们赖以生存的环境辐射安全，及核事业的创新驱动力，构成严重威胁，要彻底解决这些问题的关键在于发展高灵敏、高效率的放射性废物检测技术。
3.随着世界核工业的蓬勃发展，放射性废物大量产生，世界各国均在急切寻求从根本上解决放射性废物危害的方法与技术。放射性废物一般指核工业放射性废物，含有放射性核素或者被放射性核素所污染，同时其活度浓度大于国家规定的清洁解控水平，且预期不再使用的放射性废弃物。同时放射性废物根据其放射性活度水平分为极端寿命放射性废物、极低水平放射性废物、低水平放射性废物、中水平放射性废物和高水平放射性废物。针对不同类型的放射性废物，其后续处置手段也各有不同。放射性废物如果处理不当，不仅可对放射性工作人员产生内、外照射，而且还会污染环境，危害周边工作、生活人群。因此，准确测量放射性废物的放射性活度浓度水平并精准归类，严格按照放射防护标准的要求，妥善处理好放射性废物，是放射防护中的重要一环。
4.根据当下核工业界的共识，放射性通常以稳定固化体状态临时贮存及最终处置，并封装于多种不同尺寸的包装容器内，如面向中低放固体废物的国家标准200l钢桶，甚至更大容积的400l废物桶。国家相关法律法规均要求对这些放射性废物进行表征并根据结果进行分类并制定处理措施。
5.针对桶装放射性废物表征，现在主流的非破坏性/无损检测方法主要包括总活度/比活度测量系统以及具有核素类型及分布分析功能的测量系统。总体来说，仅测量总活度/比活度，可以基本满足特定场景(如放射性核素类型明确，如铀、钚等)的放射性废物表征，但由于测量系统内腔较大(以200l标准废物桶为例)，测量系统内腔探测效率空间均匀性较差，不同位置处探测效率相对偏差可达50％甚至更高，进而导致测量结果偏差较大，不利于放射性废物放射性水平准确测量并精准归类。而同时具备核素类型及分布分析功能的测量系统，如基于断层γ扫描分析技术(sgs)及层析γ扫描技术(tgs)的测量系统，该类系统基于准直器结合伽马测量，通过旋转、升降废物桶，基于ct图像重建技术，获得伽马放射性在废物桶内的分布及强度信息。
6.目前，国际上放射性废物测量系统主要基于γ测量和中子测量两种技术路线，其中，对于低密度基体的放射性废物，通常采用γ测量技术，而对于中高密度或高γ本底的放射性废物，检测手段则主要基于中子测量。自20世纪60年代开始，美国los alamos实验室即开始了桶装废物的分类研究，并利用无源中子测量方法对桶装废物进行测量并分类，技术
已日趋成熟，在美、英、法等国家的核研究中心广泛使用，一些公司也陆续推出商业化产品，如canberra、bil等公司。但这类放射性废物测量系统，尤其是中子测量系统，均有一个前提假设，即放射性核素具有良好的空间均匀性，且视为点源。这与实际情况差异非常大。以本单位自研的200l桶装放射性废物中子测量系统及袋装轻基体放射性废物γ测量系统为例，中子测量系统空间效率相对偏差可达50％，而γ测量系统相对偏差最高可达近80％，实际情形下桶内或袋内放射性物质分布差异各不相同，同样具有很大差异。在未引入额外源项分布测量技术/系统的情况下，系统测量结果与实际情形偏差较大，而无行之有效的解决办法。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的问题，提供了一种放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法，通过探测中子-伽马符合事件，结合裂变中子能谱服从watt谱分布及中子飞行时间方法，裂变核素三维空间分布进行快速重建的方法，进而结合前期刻度获得的放射性废物测量系统内探测效率三维空间分布，针对每一桶放射性废物，根据其桶内放射性核素三维分布修整其探测效率，获得高稳定性、高准确度放射性废物桶内活度/总活度测量值。
8.本发明采用的技术方案如下：一种放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法，包括：
9.采用至少两个具备psd甄别能力的闪烁体探测器组成的探测器阵列对废物桶进行探测；
10.通过对裂变过程中的中子-伽马符合事件的探测，对裂变事件发生位置进行三维空间相对强度分布重建；
11.通过获得的三维空间相对强度分布对废物测量系统在废物桶内预先刻度好的探测效率三维空间分布进行加权处理，完成对废物桶空间探测效率的修正。
12.进一步的，所述三维空间相对强度分布重建方法为：
13.s1、通过符合法采集探测到中子-伽马符合事件，确定中子探测器三维空间位置；
14.s2、获取中子飞行时间；
15.s3、将感兴趣区域三维空间划分为一定尺寸的像素，并计算每一像素到中子探测器的距离；
16.s4、计算裂变事件发生在每一像素时对应裂变中子能量，并根据watt谱概率密度函数，确定裂变事件发生在每一像素的概率；
17.s5、针对每一对中子-伽马符合事件，均进行s1～s4的操作，得到该对中子-伽马符合事件下的裂变事件发生位置三维空间分布概率；
18.s6、针对探测到的多对中子-伽马符合事件，均进行s1～s5操作，将每对中子-伽马符合事件对应的裂变事件发生位置三维空间分布概率进行叠加，得到多对中子-伽马符合事件下的裂变事件发生位置三维空间分布概率；
19.s7、对s6获得的三维空间分布概率进行迭代重建，并结合探测到的中子伽马事件总数，获得裂变核素的三维空间相对强度分布。
20.进一步的，所述s1中，通过闪烁体探测器的psd甄别能力确定中子-伽马符合事件
中的中子信号通道和伽马信号通道，给出中子信号探测器序号，获得中子探测器三维空间位置。
21.进一步的，所述s2中，中子飞行时间获取方法为：以伽马信号定时，作为裂变中子的起飞时间；以中子信号作为终止信号，作为裂变中子飞行终止时间，两者时间差作为探测到的中子飞行时间。
22.进一步的，所述s2中，裂变中子能量计算方法为：
[0023][0024]
其中，en为中子能量，l为像素到中子探测器的距离，tofn为中子飞行时间。
[0025]
进一步的，所述s3中，将感兴趣区域三维空间划分为尺寸为1cm*1cm*1cm的像素。
[0026]
进一步的，所述s7中，在迭代重建时，当两次迭代重建图像间差异小于1％时，停止重建，获得最终的裂变事件发生位置三维空间分布概率，再结合探测到的中子-伽马事件总数，获得裂变核素的三维空间相对强度分布。
[0027]
进一步的，将裂变核素的三维空间相对强度分布与预先刻度好的探测效率三维空间分布调整到相同像素尺寸下再进行加权处理。
[0028]
进一步的，所述加权处理的具体方法为：
[0029][0030]
其中，εw为加权后的探测效率，εi为感兴趣区域内预刻度好的每一个像素处废物测量系统的探测效率，pi为每一个像素出的裂变事件分布相对强度，n为感兴趣区域内像素总数。
[0031]
进一步的，所述探测器阵列能够替换为由多组分立的中子探测器和伽马探测器组成阵列。
[0032]
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明克服了传统修正方法中存在“死角”、先验假设不合理等问题，同时本方法所需系统简单、紧凑，仅需数支具备中子-伽马甄别能力的探测器安装于现有放射性废物桶内，即可实现集空间探测效率修正及活度测量于一体的高集成度一键式放射性废物获得测量。
附图说明
[0033]
图1为面向含钚放射性废物测量的桶装中子废物测量系统示意图。
[0034]
图2为本发明提出的放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法流程图。
[0035]
图3为本发明一实施例中闪烁体探测器分布示意图。
[0036]
图4(a)为本发明一实施例中钚裂变中子能谱示意图。
[0037]
图4(b)为本发明一实施例中基于n-γ符合事件的裂变位置空间分布概率示意图。
具体实施方式
[0038]
下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终
相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。相反，本技术的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
[0039]
为了解决统分段伽马扫描测量存在“死角”，isgs点源假设不合理、迭代求解误差影响等效半径判断、非均匀介质情况下测量偏差大、重基体情形下差异大等问题，面向如图1所示的含钚放射性废物测量的桶装中子废物测量系统的内腔探测效率差异较大的问题，本发明实施例提出了一种放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法，再现有的放射性废物测量系统内腔中集成数个具备中子-伽马甄别能力的闪烁体探测器即可完成修正，具体方案如下：
[0040]
参见图2，一种放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法，包括：
[0041]
采用至少两个具备psd(波形甄别)甄别能力的闪烁体探测器组成的探测器阵列对废物桶进行探测；
[0042]
通过对裂变过程中的中子-伽马符合事件的探测，对裂变事件发生位置进行三维空间相对强度分布重建；
[0043]
通过获得的三维空间相对强度分布对废物测量系统在废物桶内预先刻度好的探测效率三维空间分布进行加权处理，完成对废物桶空间探测效率的修正。
[0044]
需要说明的是，超铀核素指原子序数大于92的元素，本实施例中主要指钚。
[0045]
本实施例中，参见图3，在废物测量系统内腔，废物桶的四周安装4-8支具备psd甄别能力的闪烁体探测器(如ej-309)，配合具有相应通道规模的数字化数据采集卡，采用通用高压电源对闪烁体探测器供给高压，采用上位机pc对数据采集卡进行控制及数据采集。闪烁体探测器理论上数量越多，分布越散，重建位置分辨越高。
[0046]
在闪烁体探测器安装后，即可利用采集的数据进行三维空间相对强度分布重建，具体的：
[0047]
a)利用数据采集卡通过符合法采集闪烁体探测器探测到的中子-伽马符合事件，通过psd甄别能力确定中子信号通道和伽马信号通道，给出中子信号探测器序号，获得中子探测器三维空间位置det(x,y,z)。
[0048]
b)利用数据采集卡，获得到中子-伽马符合事件中时间戳，进而得到中子飞行事件；
[0049]
本实施例中，以伽马信号定时，作为裂变中子的起飞时间；以中子信号作为终止信号，作为裂变中子飞行终止时间，两者时间差作为探测到的中子飞行时间。实际应用中，由于钚放射性废物中，钚发生自发裂变时，将同时产生多个γ射线与中子，其中中子能谱服从watt分布，如图4(a)所示。基于该物理特性，通过具备psd甄别能力的探测器阵列，当探测到中子-伽马符合事件时，通过psd甄别能力，确定中子探测器位置与伽马探测器位置，以两者探测器间的时间差作为裂变中子的飞行时间。
[0050]
c)将感兴趣区域三维空间划分为一定尺寸的体素，本实施例中，以1cm*1cm*1cm的小方格，作为三维空间定位的像素，结合中子探测器三维空间位置det(x,y,z)，计算得到各像素v
x,y,z
与中子探测器间的距离l。
[0051]
d)基于中子飞行时间，根据公式(1)，计算裂变事件发生于每一像素v
x,y,z
的对应裂
变中子能量en。计算方法具体如下：
[0052][0053]
其中，en为中子能量，l为像素到中子探测器的距离，tofn为中子飞行时间。
[0054]
e)根据计算得到的每一像素的对应中子能量en，结合裂变事件中子能量服从watt分布，根据watt谱概率密度函数，获得裂变事件发生于每一像素的概率pv(en)de。原理示意图如图4(b)所示。
[0055]
f)针对每一对中子-伽马符合事件，对所有感兴趣区域内的像素，均进行以上操作，获得该对中子-伽马符合事件下的裂变事件发生位置三维空间分布概率；
[0056]
g)针对探测到的多对中子-伽马符合事件，均进行以上操作，并将三维空间分布概率进行叠加，获得多对中子-伽马符合事件下的裂变事件发生位置三维空间分布概率；
[0057]
h)基于传统迭代算法，对以上三维空间分布进行迭代重建，当两次迭代重建图像间差异小于1％时，停止重建，获得最终的裂变事件发生位置三维空间分布概率，结合探测到的中子-伽马事件总数，获得裂变核素的三维空间相对强度分布φ(x,y,z)。
[0058]
在得到裂变核素的三维空间相对强度分布后，将其作为权重，对废物桶内空间效率进行加权，进而获得与放射性废物三维分布相关的加权探测效率，进而实现废物桶内放射性废物含量(总活度/比活度)的准确表征，为放射性废物的准确分类提供重要支撑。
[0059]
需要说明的是，在加权时，需要将裂变核素三维空间相对强度分布与废物测量系统内预先刻度好的探测效率三维空间分布调整到相同像素尺寸下。
[0060]
本实施例中，加权的具体方法为：
[0061][0062]
其中，εw为加权后的探测效率，εi为感兴趣区域内预刻度好的每一个像素处废物测量系统的探测效率，pi为每一个像素出的裂变事件分布相对强度，n为感兴趣区域内像素总数。
[0063]
在一个实施例中，探测器阵列可以替换为其他具备中子-伽马甄别能力的探测阵列，例如分立的中子探测器和伽马探测器为一组，进而组成阵列。或者基于伽马射线速度快，中子速度慢，直接将先探测到的信号作为后探测到的信号作为中子，这类替代方案在牺牲一定分辨的条件下也能实现中子、伽马的分别，但不影响本发明后续工作。
[0064]
需要说明的是，在安装具有psd甄别能力的探测器阵列后，在放射性废物测量系统集成前述三维空间重建方法以及加权方法，即可通过系统一键完成放射性废物修正后的测量。
[0065]
本发明基于对裂变中子-伽马符合事件的探测，利用裂变中子谱服从watt谱分布的物理特性，通过对裂变事件发生位置的三维空间分布重建，获得裂变核素的三维空间位置及强度分布信息，进而结合放射性废物桶内预先刻度好的探测效率三维空间分布，针对每一桶放射性废物，计算与其自身内部放射性核素分布相关的修正探测器效率，进而修正最终测量得到的放射性活度/比活度，克服了传统修正方法中存在“死角”、先验假设不合理等问题，同时本方法所需系统简单、紧凑，仅需数支具备中子-伽马甄别能力的探测器安装于现有放射性废物桶内，即可实现集空间探测效率修正及活度测量于一体的高集成度一键式放射性废物获得测量。
[0066]
实施例1
[0067]
本实施例提出了一种放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法，包括：
[0068]
采用至少两个具备psd甄别能力的闪烁体探测器组成的探测器阵列对废物桶进行探测；
[0069]
通过对裂变过程中的中子-伽马符合事件的探测，对裂变事件发生位置进行三维空间相对强度分布重建；
[0070]
通过获得的三维空间相对强度分布对废物测量系统在废物桶内预先刻度好的探测效率三维空间分布进行加权处理，完成对废物桶空间探测效率的修正。
[0071]
实施例2
[0072]
在实施例1的基础上，本实施例中三维空间相对强度分布重建方法为：
[0073]
s1、通过符合法采集探测到中子-伽马符合事件，确定中子探测器三维空间位置；
[0074]
s2、获取中子飞行时间；
[0075]
s3、将感兴趣区域三维空间划分为一定尺寸的像素，并计算每一像素到中子探测器的距离；
[0076]
s4、计算裂变事件发生在每一像素时对应裂变中子能量，并根据watt谱概率密度函数，确定裂变事件发生在每一像素的概率；
[0077]
s5、针对每一对中子-伽马符合事件，均进行s1～s4的操作，得到该对中子-伽马符合事件下的裂变事件发生位置三维空间分布概率；
[0078]
s6、针对探测到的多对中子-伽马符合事件，均进行s1～s5操作，将每对中子-伽马符合事件对应的裂变事件发生位置三维空间分布概率进行叠加，得到多对中子-伽马符合事件下的裂变事件发生位置三维空间分布概率；
[0079]
s7、对s6获得的三维空间分布概率进行迭代重建，并结合探测到的中子伽马事件总数，获得裂变核素的三维空间相对强度分布。
[0080]
实施例3
[0081]
在实施例2的基础上，本实施例步骤s1中，通过闪烁体探测器的psd甄别能力确定中子-伽马符合事件中的中子信号通道和伽马信号通道，给出中子信号探测器序号，获得中子探测器三维空间位置。
[0082]
实施例4
[0083]
在实施例2的基础上，本实施例中步骤s2中，中子飞行时间获取方法为：以伽马信号定时，作为裂变中子的起飞时间；以中子信号作为终止信号，作为裂变中子飞行终止时间，两者时间差作为探测到的中子飞行时间。
[0084]
实施例5
[0085]
在实施例2的基础上，本实施例中步骤s2中，裂变中子能量计算方法为：
[0086][0087]
其中，en为中子能量，l为像素到中子探测器的距离，tofn为中子飞行时间。
[0088]
实施例6
[0089]
在实施例2的基础上，本实施例中步骤s3中，将感兴趣区域三维空间划分为尺寸为
1cm*1cm*1cm的像素。
[0090]
实施例7
[0091]
在实施例2的基础上，本实施例中步骤s7中，在迭代重建时，当两次迭代重建图像间差异小于1％时，停止重建，获得最终的裂变事件发生位置三维空间分布概率，再结合探测到的中子-伽马事件总数，获得裂变核素的三维空间相对强度分布。
[0092]
实施例8
[0093]
在实施例1的基础上，本实施例中将裂变核素的三维空间相对强度分布与预先刻度好的探测效率三维空间分布调整到相同像素尺寸下再进行加权处理。
[0094]
实施例9
[0095]
在实施例8的基础上，本实施例中所述加权处理的具体方法为：
[0096][0097]
其中，εw为加权后的探测效率，εi为感兴趣区域内预刻度好的每一个像素处废物测量系统的探测效率，pi为每一个像素出的裂变事件分布相对强度，n为感兴趣区域内像素总数。
[0098]
实施例10
[0099]
在实施例1的基础上，本实施例中探测器阵列能够替换为由多组分立的中子探测器和伽马探测器组成阵列。
[0100]
通过上述实施例1～实施例10可较好地实现本发明。
[0101]
需要说明的是，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0102]
尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法，其特征在于，包括：采用至少两个具备psd甄别能力的闪烁体探测器组成的探测器阵列对废物桶进行探测；通过对裂变过程中的中子-伽马符合事件的探测，对裂变事件发生位置进行三维空间相对强度分布重建；通过获得的三维空间相对强度分布对废物测量系统在废物桶内预先刻度好的探测效率三维空间分布进行加权处理，完成对废物桶空间探测效率的修正。2.根据权利要求1所述的放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法，其特征在于，所述三维空间相对强度分布重建方法为：s1、通过符合法采集探测到中子-伽马符合事件，确定中子探测器三维空间位置；s2、获取中子飞行时间；s3、将感兴趣区域三维空间划分为一定尺寸的像素表示，并计算每一像素到中子探测器的距离；s4、计算裂变事件发生在每一像素时对应裂变中子能量，并根据watt谱概率密度函数，确定裂变事件发生在每一像素的概率；s5、针对每一对中子-伽马符合事件，均进行s1～s4的操作，得到该对中子-伽马符合事件下的裂变事件发生位置三维空间分布概率；s6、针对探测到的多对中子-伽马符合事件，均进行s1～s5操作，将每对中子-伽马符合事件对应的裂变事件发生位置三维空间分布概率进行叠加，得到多对中子-伽马符合事件下的裂变事件发生位置三维空间分布概率；s7、对s6获得的三维空间分布概率进行迭代重建，并结合探测到的中子伽马事件总数，获得裂变核素的三维空间相对强度分布。3.根据权利要求2所述的放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法，其特征在于，所述s1中，通过闪烁体探测器的psd甄别能力确定中子-伽马符合事件中的中子信号通道和伽马信号通道，给出中子信号探测器序号，获得中子探测器三维空间位置。4.根据权利要求2所述的放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法，其特征在于，所述s2中，中子飞行时间获取方法为：以伽马信号定时，作为裂变中子的起飞时间；以中子信号作为终止信号，作为裂变中子飞行终止时间，两者时间差作为探测到的中子飞行时间。5.根据权利要求2所述的放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法，其特征在于，所述s2中，裂变中子能量计算方法为：其中，e
n
为中子能量，l为像素到中子探测器的距离，tof
n
为中子飞行时间。6.根据权利要求2所述的放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法，其特征在于，所述s3中，将感兴趣区域三维空间划分为尺寸为1cm*1cm*1cm的像素进行表示。7.根据权利要求2所述的放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法，其特征在于，所述s7中，在迭代重建时，当两次迭代重建图像间差异小于1％时，停止重建，获得最终的裂变事件发生位置三维空间分布概率，再结合探测到的中子-伽马事件总数，获得裂
变核素的三维空间相对强度分布。8.根据权利要求1所述的放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法，其特征在于，将裂变核素的三维空间相对强度分布与预先刻度好的探测效率三维空间分布调整到相同像素尺寸下再进行加权处理。9.根据权利要求8所述的放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法，其特征在于，所述加权处理的具体方法为：其中，ε
w
为加权后的探测效率，ε
i
为感兴趣区域内预刻度好的每一个像素处废物测量系统的探测效率，p
i
为每一个像素出的裂变事件分布相对强度，n为感兴趣区域内像素总数。10.根据权利要求1所述的放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法，其特征在于，所述探测器阵列能够替换为由多组分立的中子探测器和伽马探测器组成阵列。

技术总结
本发明提供了一种放射性废物测量系统空间探测效率不均匀性修正方法，包括：采用至少两个具备PSD甄别能力的闪烁体探测器组成的探测器阵列对废物桶进行探测；通过对裂变过程中的中子-伽马符合事件的探测，对裂变事件发生位置进行三维空间相对强度分布重建；通过获得的三维空间相对强度分布对废物测量系统在废物桶内预先刻度好的探测效率三维空间分布进行加权处理，完成对废物桶空间探测效率的修正。本发明克服了传统修正方法中存在“死角”、先验假设不合理等问题，仅需数支具备中子-伽马甄别能力的探测器安装于现有放射性废物桶内，即可实现集空间探测效率修正及活度测量于一体的高集成度一键式放射性废物获得测量。一体的高集成度一键式放射性废物获得测量。一体的高集成度一键式放射性废物获得测量。


技术研发人员：庞成果 苏明 赵德山 高凡 白怀勇 熊忠华
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院材料研究所
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/9/14