基于全站儀定位的輻射場測量方法研究

摘 要：在核設(shè)施檢修或退役中，往往需要對現(xiàn)場的輻射劑量場進(jìn)行測量。傳統(tǒng)的劑量率儀不支持空間坐標(biāo)測量，需要額外的坐標(biāo)測量工具，且劑量測量和坐標(biāo)測量不同步，使得測量效率受到限制。針對該問題，提出了一種基于全站儀定位的測量方法，可同時測量劑量率和對應(yīng)的空間坐標(biāo)，定位精度為mm 級，研制了測量系統(tǒng)樣機(jī)。使用樣機(jī)對某個水泥固化放射性廢物桶進(jìn)行了測試實驗，與蒙特卡羅計算結(jié)果進(jìn)行對比，測量值與模擬值的相對偏差遵循正態(tài)分布，平均偏差為12. 8%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為9. 37%，數(shù)量大約占96%的測量點(diǎn)位的相對偏差在[ -30%，5%] 的范圍內(nèi)，體現(xiàn)了較高的測量精度。對某核設(shè)施廠房的另外兩個較為復(fù)雜的場景進(jìn)行輻射場測量，使用對數(shù)變換普通克里金方法對離散的測量點(diǎn)進(jìn)行輻射場插值計算，三維輻射場重構(gòu)結(jié)果的平均相對偏差可控制在50%左右。結(jié)果表明通過基于全站儀的輻射場測量系統(tǒng)可對現(xiàn)場的三維輻射場進(jìn)行重構(gòu)，精度可以滿足三維輻射場的應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：γ 輻射場測量;三維輻射場重構(gòu);全站儀定位;輻射防護(hù)最優(yōu)化

中圖分類號：TL75 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

在核設(shè)施檢修或退役中，為了進(jìn)行輻射防護(hù)最優(yōu)化（ALARA）評估，往往需要對現(xiàn)場的輻射劑量場進(jìn)行測量及仿真分析。國際上已開發(fā)了一些三維劑量仿真工具，通過對伽馬輻射場模擬計算來進(jìn)行ALARA 分析和優(yōu)化。例如歐美等國家開發(fā)的VRdose、Visiplan、NARVEOS、QAD[1-4] ，以及國內(nèi)相關(guān)高校和科研機(jī)構(gòu)開發(fā)的PKShiled、ARShield、NECP-MCX、CIRPDose 等[5-8] 。這些研究對三維伽馬輻射場的模擬計算和ALARA 應(yīng)用開展了深入研究，但是在三維輻射場測量方面手段缺乏，這限制了ALARA 技術(shù)的實踐應(yīng)用。

相比于伽馬劑量，伽馬輻射劑量場是考慮空間位置的一種耦合型物理量，描述的是伽馬源項在周圍環(huán)境中形成的伽馬劑量分布，可用（x，y，z，D）來表示，式中x，y，z 為空間坐標(biāo)，D 可指代一種劑量學(xué)量，如周圍劑量當(dāng)量H?（10）。因此輻射劑量場（簡稱輻射場）是物理學(xué)中的一類標(biāo)量場，可以用空間位置函數(shù)來表征，而空間坐標(biāo)是三維輻射場這個物理量的重要參數(shù)之一。

三維輻射場測量最大的難點(diǎn)在于，在測量劑量的同時，需要同步得到劑量測量點(diǎn)的坐標(biāo)信息。目前用于核設(shè)施內(nèi)γ 劑量率儀測量設(shè)備只具備輻射測量能力，無法獲取坐標(biāo)定位信息，需要額外的坐標(biāo)測量工具，比如傳統(tǒng)的尺子或激光測距儀，這種測量方式效率很低，且劑量和坐標(biāo)測量不同步，無法建立準(zhǔn)確的坐標(biāo)系，精度也難以保證。近年來出現(xiàn)了基于同步定位與建圖（ simultaneouslocalization and mapping，SLAM） 的測量技術(shù)[9-12] ，使得測量數(shù)據(jù)更豐富，但其定位精度為10 cm 量級，無法對輻射場進(jìn)行精細(xì)測量。因此，提出一種測量速度更快、定位更準(zhǔn)的三維伽馬場測量方法，無論是直接用于現(xiàn)場測量工作，還是作為對SLAM測量技術(shù)進(jìn)行測試和驗證方法，都有應(yīng)用價值。針對該需求，本文提出了一種基于全站儀定位的測量方法，對其性能進(jìn)行了分析。