海洋核輻射現場監測裝置研究及實驗測試

劉東彥，張穎穎，劉　巖，吳丙偉，張　穎，侯廣利，程　巖

（山東省海洋環境監測技術重點實驗室　山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東　青島　266001）

海洋核輻射現場監測裝置研究及實驗測試

劉東彥，張穎穎，劉巖，吳丙偉，張穎，侯廣利，程巖

（山東省海洋環境監測技術重點實驗室山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東青島266001）

日本福島核電站爆炸引起的海洋放射性污染事故后果嚴重，沿海核電安全和海洋放射性環境的長期監測、污染預警和事故應急受到關注。文中研制了一套海洋核輻射現場監測裝置，利用標準放射源241Am，133Ba，60Co，137Cs，152Eu進行了能量刻度與分辨率刻度實驗，并利用MATLAB進行了曲線擬合，得到的能量刻度曲線線性較好，137Cs在661.6 keV的能量分辨率為6.8%。同時，該裝置在青島8號碼頭利用躉船吊掛方式進行了海水水下測試，測得海水中40K的活度為12.42 Bq/L，與實驗室檢測結果的符合性較好。

海洋核輻射；NaI（TI）探測器；現場監測

2011年日本福島核電站爆炸引起了嚴重的海洋核污染事故，海洋核輻射監測開始受到重視。國內傳統的監測方法，是將大量樣品帶回實驗室進行處理和分析，不僅程序繁瑣，而且耗時費力，檢測結果往往在航次結束后3～4個月才能發布［1-2］。國外，僅有少數國家擁有海洋核輻射現場監測的核心技術并研制出相應的監測設備產品。為了突破我國在海洋核輻射監測領域的非實時、斷續的檢驗模式，本文研制了一套基于NaI（TI）探測器的海洋核輻射現場監測裝置。此裝置具有高分辨率、高靈敏度、高效率，且能夠依靠浮標系統長期穩定工作在惡劣的海洋環境中。這對我國開展海洋核輻射環境的連續監測，實現海洋核污染預報預警，保護海洋環境和國家的經濟社會安全具有重要的意義［3］。

1　系統原理

本文所研發的海洋核輻射現場監測裝置的基本原理是利用NaI（TI）閃爍晶體探測原理檢測海水中的放射性核素，利用γ能譜分析技術鑒別目標核素并計算其活度。該系統主要包括：NaI（Tl）探測器（包括NaI（Tl）晶體、光電倍增管、前置放大器）、主放大器、數字化多通道脈沖幅度分析器、電源、監控系統、數據采集存儲系統、能譜分析和應用顯示軟件，如圖1所示。

圖1　海洋核輻射監測裝置系統框圖

各部分的主要功能如下：采用對γ射線探測效率非常高的NaI（Tl）晶體閃爍探測器，相對發光效率高，與光電倍增管進行較好的匹配，將不同能量的γ光子轉換為不同幅度的電脈沖信號，供前置放大器處理；主放大器主要對幾十至幾百毫伏的電壓信號做進一步的放大和整形，包括濾波和必要的基線恢復、堆積拒絕等功能；多通道分析器用于脈沖幅度分析，各道上的計數構成γ能譜圖形。對于單一同位素，其典型的γ能譜圖主要有康普頓坪和特征峰組成，但考慮到γ射線及其次級射線和帶電粒子與探測器周圍物質相互作用及逃離探測器的情況，γ能譜圖將變得非常復雜；能譜分析采用高斯擬合的算法，自動獲知放射性核素的種類并計算核素濃度；應用顯示界面方便用戶進行裝置操作、監視和獲得監測結果，整個系統的運行都在監控系統的協調控制之下完成。

2　能量刻度及能量分辨率

峰位與能量的對應關系即為能量刻度，由峰位與能量的關系確定的曲線即為能量刻度曲線。通過能量刻度曲線，便可由峰位道址確定特征峰的能量，進而在核素庫中查找到與其匹配的核素，從而識別核素種類，因此能量刻度在核素的定性識別中至關重要。能量分辨率表征了探測器對不同核素的分辨能力，其值由特征峰的半高寬 （FWHM，full width at half maximum）與峰位道址的比值得到［4-6］。能量分辨率與能量之間的函數關系曲線即為能量分辨率曲線。

本裝置利用放射標準源：241Am，133Ba，60Co，137Cs，152Eu進行了能量刻度和分辨率刻度，探測器采用尺寸為3*3 inch的NaI晶體，點源距離探測器前端25 cm，多道能譜分析儀為1 024道，能量范圍為0～2 000 keV。

圖2　能量刻度曲線

通過MATLAB擬合計算得到置信概率為95%時的能量刻度曲線為：

式中：x代表峰位道址；y代表核素特征峰的能量Energy，單位為keV。擬合的標準偏差為：0.999 9。能量刻度曲線如圖2所示，由圖可見曲線線性較好。

圖3　能量分辨率曲線

通過MATLAB擬合計算得到置信概率為95%時的能量分辨率曲線為：

式中：x代表能量Energy，單位為MeV；Y代表的是半高寬FWHM，單位為MeV。擬合的標準偏差為：0.994 1。能量分辨率曲線如圖3所示。由實驗數據可知，在高壓為800 V時，137Cs在能量661.6 keV時，FWHM為45.3 keV，能量分辨率為6.8%。

3　實驗分析

本裝置2016年1月5日，在青島8號碼頭利用躉船吊掛的方式進行了海水現場試驗，附近海域海水水深為4～8 m，為消除海床基和宇宙射線對測量的影響，將探測器置于水下3 m處［7］，連續測量48 h，期間每隔8 h保存一次數據。傳感器測得的能譜譜線如圖4所示，從能譜中可以清晰地識別出40K的特征峰。

圖4　青島8號碼頭24 h海水測量譜圖

取其中24 h的數據進行分析。由該裝置配置軟件進行自動尋峰，利用高斯擬合的方式，對40K譜線進行曲線擬合，如圖5所示：

圖5　海水40K特征峰利用高斯擬合后的儀器譜圖與原始譜圖

擬合曲線為:

各系數值如下（95%置信概率）:

根據擬合曲線求得海水中40K的特征峰計數為18 650（24 h），根據活度計算公式［7］：

求得40K的活度為12.42 Bq/L。式中：S為核素特征峰的凈計數；T為測量時間；ε為儀器的探測效率；I為分值比。

為分析傳感器所測數據的可靠性，項目組在吊掛實驗的同時采集現場水樣，帶回實驗室利用海水鹽度計，采用實驗室方法測得海水中40K的濃度為12.33 Bq/L，可以看出，傳感器的測量結果與實驗室測量結果基本一致。

4　結論

本文所研制的海洋放射性現場監測裝置具有自主知識產權，能夠在車載、船載或者臺站固定布點方式下現場、快速和準確地監測海水中放射性核素總量，同時鑒別多種目標核素并計算濃度。本研究今后將在能譜解析算法和降低功耗等方面進行改進，優化儀器性能。

［1］曾志，蘇健，衣宏昌，等.海水放射性監測裝置研制及初步測試結果［J］.輻射防護，2013，33（1）：46-48，53.

［2］Zhang YY，Li CK，Liu DY，et al.Monte Carlo Simulation of a NaI（TI）Detector for In Situ Radioactivity Measurements in the Marine Environment［J］.Applied Radiation and Isotopes，2015，98：44-48.

［3］鄭旻輝，潘建明，楊俊毅，等.基于NaI（TI）晶體的海水核輻射原位探測器可行性研究［J］.核電子學與探測技術，2013，33（2）：183-187.

［4］劉廣山.海洋放射性核素測量方法［M］.北京：海洋出版社。2007.

［5］劉永剛.γ能譜譜數據分解方法研究［D］.北京：中國地質大學，2011.

［6］張慶賢.航空γ能譜特征和儀器譜解析方法研究［M］.四川：成都理工大學，2010.

［7］WANGYiming，ZHANG Yingying，WU Ning，et al.Monte CarloSimulation ofIn situ Gamma-Spectra Recorded byNaI（Tl）Detector in the Marine Environment［J］.Journal ofOcean UniversityofChina，2015，14（3）：1672-5182.

Study on the Marine Nuclear Radiation On-site Monitoring Device and Experimental Test

LIU Dong-yan，ZHANG Ying-ying，LIU Yan，WU Bing-wei，ZHANG Ying，HOU Guang-li，CHENG Yan
Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environment Monitoring Technology，Institute of Oceanographic Instrumentation，Shandong Academy of Sciences，Qingdao 266001，Shandong Province，China

The marine radioactive pollution incident caused by the explosion of Japan's Fukushima Nuclear Plant has led to disastrous consequences，so great attention and significance are attached to coastal nuclear power safety，long-term monitoring on the marine radioactive environment，pollution fore-warning and accident emergent response.This paper develops a set of marine radiation on-site monitoring device，uses the standard sources241Am，133Ba，60Co，137Cs and152Eu to carry out the experiments of energy calibration and resolution calibration，and conducts curve fitting with MATLAB.The linear of energy calibration curves is rather good，with the energy resolution of137Cs in 661.6 keV being 6.8%.At the same time，the experiment of the device hanged underwater on the pontoon has been taken in the seawater near Qingdao Port 8，measuring the activity of40K in seawater of 12.42 Bq/L，consistent with laboratory testing results.

marine nuclear radiation；NaI（TI）detector；on-site monitoring

X85；X837

A

1003-2029（2016）04-0041-03

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.008

2016-01-16

山東省科技發展計劃資助項目（2015GSF115001）

劉東彥（1983-），女，碩士，工程師，主要研究方向為海洋污染監測、信號處理、模型仿真與控制。E-mail：ldynuaa2008@163.com