核电站放射性气溶胶探测器入射粒子模拟分析

陈祥磊，王益元，熊启发，刘 舜，刘 单，钟秋林，左亮周

(1.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉，430064;2.北京赛思科系统工程有限责任公司，北京 100079)

1 概述

放射性气溶胶监测［1］设备是核电站辐射监测系统的重要组成设备。监控核电站内部大气环境中的放射性气溶胶浓度，对于保证核电站工作人员安全，及时发现核电站反应堆运行事故，保障核电站正常运行具有重要意义。

核电站在正常运行，反应堆一回路边界无泄漏时，内部大气环境中的放射性气溶胶是由氡钍及其衰变子体组成的天然放射性气溶胶［2］，其包括两大系列:铀系衰变链下支(222Rn为衰变母体，主要衰变道如图1所示)和钍系衰变链下支(220Rn为衰变母体，主要衰变道如图2所示)［3］，包括多种α放射性气溶胶(212Po，214Po，218Po［4］等)和 β 放射性气溶胶。

核电站内部大气环境中的天然放射性气溶胶浓度取决于厂房内部材料，通常情况下浓度很低且处于平衡状态。当核电站一回路承压边界完整性被破坏出现泄漏时，将导致人工放射性气溶胶迅速释放到核电站内部环境大气中，造成大气环境中的放射性气溶胶浓度升高，威胁核电站工作人员的人身安全，人工放射性气溶胶包括多种α放射性气溶胶和β放射性气溶胶。

核电站内部大气环境中天然放射性气溶胶总是存在的，测量人工放射性气溶胶时需要将天然放射性气溶胶剔除，因此消除天然放射性气溶胶的影响在放射气溶胶的测量中非常关键，同时也是技术难点。消除天然放射性气溶胶影响的方法有多种。随着测量技术的发展，其中能谱分析法，即基于α射线测量，利用天然放射性气溶胶和人工放射性气溶胶发射的α射线能量区间不同，通过测量两能量区间的α射线得到天然放射性气溶胶浓度，从而消除天然放射性气溶胶影响的方法已在国际上成为一种主流的方法。

下面介绍利用SRIM模拟软件模拟计算放射性气溶胶探测器测量各种能量的α射线的物理过程，分析各种能量的α射线在进入探测装置前的运动行为，为放射性气溶胶探测装置的设计提供理论指导。

2 模拟计算方法

SRIM软件是一款模拟计算重带电离子在靶材中能量损失和分布的模拟软件。它采用Monte Carlo方法［5－6］，利用计算机模拟跟踪大批入射粒子的运动，可得到粒子的位置、能量损失及次级粒子的各种参数信息。SRIM软件能模拟计算特定的入射离子以特定的入射能量和入射角度入射到特定材料中的运动情况，是国际上广泛使用的离子运动行为模拟软件。

下面将主要对放射性气溶胶测量中不同能量的α射线的下述物理参量进行模拟计算，假定探测器与过滤装置间的准直结构能保证α粒子入射偏离垂直度不大于某给定值，且不考虑入射α射线垂直偏离度。

1)单能α射线在空气中不同入射深度的能量变化趋势;

2)单能α射线在空气中不同入射深度的能量展宽变化趋势;

3)单能线束α射线在空气中不同入射深度的横向位置发散趋势;

4)空气中不同入射深度的放射性气溶胶α射线能谱分布。

模拟计算中涉及的放射性气溶胶212Po，214Po，218Po属于天然放射性气溶胶中的主要α放射性核素。人工放射性气溶胶种类较多，其发射的α射线能量较为集中，以具有代表性的235U(能量4.401 MeV，分支比56%)的α射线和239Pu(能量5.155 MeV，分支比73%)的α射线为例进行模拟计算［7］，参与模拟计算的气溶胶发射的α射线能量如表1所示。

表1 模拟计算的α射线能量数据表Tab.1 The data table of α radial energy

3 模拟计算与结果分析

以212Po发射的α射线(能量为8.785 MeV)为例，模拟单束α射线进入空气中运动与空气中原子相互作用时其沿运动方向的二维运动状态如图3所示。

由图3可以看出，单束α射线进入空气后，高能α粒子在运动过程中由于与空气中的各种原子碰撞而不断损失能量并改变运动方向，随着入射深度的增加，其轴向发射度不断增加，并向径向范围二维发散，径向偏离最大达到几厘米。同时粒子能量不断减小，在空气中几厘米深度范围内α粒子损失掉全部能量最终静止下来，即放射性气溶胶发射的高能α粒子在空气中的射程为几厘米。假定探测器探测截面足够大，不考虑α粒子径向偏移时探测器与样品的距离对探测效率产生的影响，在此基础上模拟计算多种放射性气溶胶发射的α粒子在不同空气层深度时的径向偏移量，计算结果如图4所示。

图3 212Po发射的α射线在空气中沿运动方向的二维运动状态图Fig.3 The planar distribution of α radial in air，which is emitted by212Po

图4 不同能量的α粒子在不同空气层深度的径向偏移量Fig.4 The radial offset distribution of α radial with different energies in different air depth

计算中某个确定深度的偏移量是按照该空气层深度中包容90%的α粒子的径向圆周半径描述的。从图中可以看出，随着入射深度的增加，α粒子的径向偏移量逐渐增加，在国标规定的最大入射等效窗厚度内，偏移量小于0.3 mm，因此在设计气溶胶探测器时，α粒子与空气中原子的碰撞不会对气溶胶探测造成明显的影响，探测器尺寸设计时可以不考虑α粒子与空气相互作用的影响。

固定能量的α粒子在空气中不同深度处静止的概率随着入射深度的分布如图5所示。

图5 212Po发射的α射线在空气中沿运动方向的一维沉积概率分布图Fig.5 The one-dimensionality depositing distribution of α radial in air，which is emitted by212Po

α粒子质量较大，在空气中运动时与空气中各种原子相互作用损失能量较平均，其静止深度较为集中，这种集中沉积特性使得探测器对α粒子的探测效率高，能量响应线性好，分辨率高。模拟计算了多种放射性气溶胶发射的α粒子在空气中的沉积概率随入射深度的变化趋势，结果如图6所示。

图6 气溶胶发射的α射线沉积概率随入射深度的变化趋势Fig.6 The depositing distribution of α radial in air，which is emitted by aerosol

从图中可以看出，高能α射线在1个非常集中的深度区间(毫米量级)发生沉积，235U核素发射的气溶胶能量最低，其沉积深度最浅，沉积深度展宽最小;随着发射的 α粒子能量增加，239Pu，218Po，214Po的沉积深度依次增大，沉积深度展宽依次变大;212Po发射的α粒子能量最大，其α粒子沉积最深，沉积深度展宽最大。计算得到的放射性气溶胶发射的不同能量的α粒子平均沉积深度和深度展宽如表2所示。

表2 α粒子平均沉积深度和深度展宽Tab.2 The average depositing depth and depth diffusing of α radial

模拟计算单能α粒子在空气中与各种元素原子的相互作用过程，大量单能α粒子在某个确定深度处的能量统计分布，如图7所示。

图7 入射到空气中的单能α粒子在确定深度的典型能谱Fig.7 The typical energy spectrum of α radial with single energy in air

单能的α粒子在空气中经过一段时间与空气中原子相互作用到达空气层一定深度时，其能量呈集中分布，有一定的展宽，用Gaussian分布拟合单能α粒子在空气中确定深度处的能谱可得到单能α粒子在确定空气层深度的能量及其展宽大小。在此基础上，可模拟计算放射性气溶胶发射的多种不同能量的α射线在空气中不同入射深度时其平均能量随入射深度的变化趋势，结果如图8所示。

从图中可看出，放射性气溶胶发射的α射线在空气中随着入射深度的增加，其平均能量迅速减小。在确定深度处，发射的α射线的平均能量由大到小排列核素顺序:212Po＞214Po＞218Po＞239Pu＞235U，虚线为国标中规定的气溶胶探测器最大等效窗厚度1.55 cm，在此深度处，人工放射性气溶胶235U的平均能量最小，为2.4 MeV左右;天然放射性气溶胶212Po的平均能量最大，为7.7 MeV左右。当气溶胶探测器入射等效窗厚度较小时，探测器探测到的α射线能量都较高，不会受到低能的β，γ射线干扰。

模拟计算放射性气溶胶发射的多种不同能量的α射线在空气中不同入射深度时其能量展宽随入射深度的变化趋势，如图9所示。

从图中可以看出，随着入射深度的增加，α射线能量发散度增加，平均能量被不断展宽，在国标规定的入射等效窗最大厚度以下，各种放射性气溶胶发射的α粒子由于与空气中原子相互作用而导致的能量展宽都小于80 keV，远小于218Po，214Po和212Po发射的α粒子相互之间大于1 MeV的能量间隔。因此，空气中α粒子由于与空气相互作用造成的能量展宽，对气溶胶能谱测量中天然放射性气溶胶的精确分辨不会造成明显的影响，不会降低天然放射性气溶胶的测量精度。

图10 1 cm空气层厚度处的α射线能谱图Fig.10 The energy spectrum of α radial in 1 cm air depth

在模拟计算了高能α粒子不同深度的平均能量和能量展宽的基础上，得到满足国标规定的最大等效窗厚度的1 cm空气层厚度处的垂直入射的多种能量的α射线能谱图(峰值归一化)，如图10所示。其中218Po，214Po和212Po的能谱峰值相互独立，能谱展宽小，有效能谱范围内(5～9 MeV)没有其他粒子干扰，在气溶胶测量时选用高分辨的α探测器进行探测并使用准直结构减少入射到探测器的α射线垂直偏离度时，就可以区分并准确测量出其放射性含量，包括待测大气环境中的天然放射性气溶胶含量和人工放射性气溶胶含量。在测量人工放射性气溶胶时，被测量的235U和239Pu在2.5～4.5 MeV左右的能量区域，由于有众多的放射性气溶胶发射的α射线相互干扰和叠加，形成准连续的α射线能谱，不能准确区分单一放射性核素，只能在其有效能量区间内测量计算多种人工α放射性气溶胶总的放射性含量。利用测量得到的天然放射性气溶胶含量，在低能端通过计算扣除天然放射性气溶胶的β放射性影响，就可以得到人工β放射性气溶胶含量。

4 结语

模拟计算结果表明，放射性气溶胶发射的不同能量α射线在空气中运动时与空气中原子相互作用，能量迅速衰减，能量范围被展宽，垂直于入射方向的径向扩散范围变大。

典型的放射性气溶胶发射的α粒子在空气中射程在几厘米左右，其沉积深度集中在毫米量级的范围内。α粒子与空气原子的相互作用在径向造成的位置扩散在毫米的量级，在放射性气溶胶测量时，由于探测器与气溶胶过滤装置间不可忽略的空气层厚度，α粒子的能量衰减是必须要重点考虑的因素，准确估计测量位置处衰减后的α粒子能量，对于数据分析和判断具有重要意义。α射线的能量展宽也是需要考虑的重要方面，要保证多种天然α放射性核素的准确分辨和剥离，要实现人工α放射性核素的准确提取，就必须详细地分析空气层对放射性气溶胶发射的单能α放射性核素的能量展宽效应，包括α粒子与原子相互作用造成的能量展宽和α粒子非垂直入射、被探测前运动路程加大造成的能量展宽。前者通过模拟计算表明1 cm的空气层厚度对α粒子造成的能量展宽在0～80 keV之间;后者可以通过特殊的准直结构设计对入射α粒子进行筛选，消除偏离垂直方向大角度入射α粒子的影响。放射性气溶胶发射的α粒子在进入探测器前在空气中与原子相互作用而偏离入射方向，造成一定的径向展宽。模拟计算结果表明，大部分的α粒子径向偏离度在0.5 mm以内，在探测器尺寸设计时可以不考虑α粒子与原子作用造成的径向偏离度的影响。

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