1、哈尔滨工程大学硕士学位论文高性能环境射线监测器的研制申请学位级别：硕士专业：核能科学与工程哈尔滨上程大学硕士学位论文摘要在我们生活的地球上到处存在着辐射，但是用于检测环境本底辐 射的监测器却很少。本文介绍了一种高性能的高气压氩气电离室环境 T射线监测器的设计过程。通常，对于气体辐射监测器的设计，工作 气体及壁材的能量响应是影响监测器的一个决定因素，工作气体及壁 材的选取直接决定着监测器性能的好坏。而在一般的气体辐射监测器 的设计中，工作气体及壁材的选取基本上都是通过查阅相关气体及壁 材能量响应曲线的工程图表，以确定具体的工作气体及壁材。而对于 一些特殊要求或是工程图表中没有的气体及壁材的参数，
2、则需要通过 实验来确定。这样使得监测器的研制比较耗费人力物力。为了克服这 个设计中的缺点，本文使用 MCNP 及 EGSnrc 两个核物理计算软件对 电离室式监测器建立模型，通过对不同的气体及壁材的性能进行仿真 以代替试验的过程，从而选取合适的工作气体及壁材。同时也通过 MCNP及 EGSnre 模拟了电离室的工作气体压力与监测器的大小对监 测器性能的影响。为防止由于漏电造成的信号损失，本文采用了三同轴绝缘子的方 案很好地实现了电离室的绝缘。由于电离室本身不对电流放大，因此信号的采集较为困难，本文 另外介绍了用 I F直接变换的电路以达到信号的转换。关键词：环境辐射；高气压电离； I F变换哈
3、尔滨工程大学硕士学位论文AbstractIn our 1iving world there iS radiation everywhere But there are fcW radiation monitor used for environment radiation monitoring In this paper ， the design of a high performance ionization chamber filled with high pressure argon monitor for environment gamma ray detect isintroduce
4、d Normally ， for the design of gas detector ， the energy response of the working gas and the material for the chamber is the key element to the detector ， and the choosing of the working gas and the material innuent the performance of the detector directly In the process of the design of gas detecto
5、r ， it is usually by the ways of refer to the energy response graphic of the working gas and the material for the chamber to choose the working gas and the material for the chamber But in the case that the information of working gas and the material for the chamber iS not available the experiment iS
6、 taken and that will always cost much and need much time To overcome this shortcoming in the design in this paper ， the MCNP and EGSnrc code iS used to take the place of theexperiment A model iS setup in the MCNP and EGSnrc code to comparethe influence of diffcrent working gas and the material for t
7、he chamber on the detector ， and find the good choices of working gas and chamber material with high performance for the detector And the pressure and the diameter of the detector iS choosed with the simulation of the MCNP andEGSnrc code To prevent the current leakage of the ionization chamber a thr
8、ee COaxis insulator iS used and the result iS good For the current in the ionization chamber iS not amplified SO it iS hard to collect the electric signal in this paper ， a direct IF convertor is used to convert the electric current signal into frequent signal Keywords ： environment radiation high p
9、ressure ionization chamberI F convert哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。作者 (签字 )：侄怡易!Et 期：矽。厂年上月 2，尹日哈尔滨_J_=程大学硕士学位论文第 1章绪论1 1课题的目的和意义1 1 1认识辐射宇宙充满辐射
10、。自古以来，地球上的生命便暴露于自然环境的辐 射中 。辐射包括不同能量的电磁波 (例如光线、无线电波及 x射线等 )、 超声波，以及由放射性物质因衰变放出的粒子 (如 a粒子及 13粒子等 )。辐射大致可以分为非电离辐射及电离辐射两类。一般来说，非电 离辐射 (例如光线及无线电波 )的能量较低，不足以改变物质的化学性 质。相反，电离辐射 (例如 n粒子及 B粒子 )有足够的能量使原子中的 电子游离而产生带电离子 。这个电离过程通常会引致生物组织产生 化学变化，因而对生物构成伤害。一般所指可引起伤害的辐射，就是 电离辐射。辐射的分类可见图 1 1图 1 1辐射的分类1哈尔滨工程大学硕士学位论文1
11、12辐射对人体的影响1电离辐射的特点 由不同类型的粒子产生的辐射他们的穿透力不同，对人体的影响也不同。表 1 1列举了各种粒子的辐射特性。表 1 1电离辐射特性表名称 来源 性质 电荷 穿透力一粒氦原 一张纸或皮肤外层可 粒子 原子衰变 2+子核 有效地阻挡一块数毫米的铝片可 B粒子 原子衰变 一粒电子1一有效地阻挡中子 核反应堆 一粒中子 无 含氢量高的物质如石蜡或水可有效地阻挡高能量电 高密度物质如厚厚的Y射线 原子衰变 无磁波 水泥可有效地阻挡受激发的 高能量电 高密度物质如厚厚的 X射线电子云 磁波 无 水泥可有效地阻挡2电离辐射对人体的作用过程 电离辐射对人体的作用过程分为四个阶段，
12、它们分别是物理阶段、物理化学阶段、化学阶段、生物化学阶段 ”1。具体的过程如图 1 2。 射线对人体的作用是一个极其复杂的过程。人体从吸收辐射能量丌始，到产生生物效应乃至机体的损伤和死亡为止，要经历许多不同 性质的变化 ”1 。分子、细胞功能、代谢或结构的变化，以及完整机体 的各个组成部分之间的变化等，既彼此不同，又相互制约，有些异常 迅速，有些可延续数年，其大致情况见图 1 2。 i一 篁鎏翟坠兰些鳖 一昼 一图 1 2电离辐射对人体的作用过程辐射的能量被吸收后，使生物体中的分子产生电离和激发。这时， 对生物分子产生直接和间接两种作用。射线直接打到生物大分子，例 如脱氧核糖核酸 (DNA)
13、和核糖核酸 (RNA) ，使他们某些链断裂， 组成破坏，这称为直接作用。间接作用是射线作用与生物体中的水分 子而引起的。水分子在人体细胞中是大量存在的，因而遭到射线的作 用的机会较多，水分子发生变化，产生各种自由基和活化分子 (例如哈尔滨工程大学硕士学位论文H、 OH* 、 H202 、 H20+ 等 )。这些辅解产物，再与生物大分子作用， 使大分子遭到损伤和破坏，这就是间接作用。一般认为间接作用的几 率远大于直接作用。间接作用的结果，加之水分子问的能量转移，又会产生更多的生 物体分子自由基。他们与生物分子继续反应，使更多的分子发生变化。 显然，这过程是由物理阶段的能量吸收，发展为分子中的直接
14、结构变 化的物理化学过程。进而由生物代谢作用的结果，导致细胞或机体的 死亡。虽然射线可能对人体造成损伤，但是某些剂量下机体能通过自身 的代谢过程对受损伤的细胞或局部组织 (器官 )进行修复。这种修复 作用的程度大小，既与原初损伤的程度有关，又可能因个体间的差异 而有所不同。3辐射照射影响我们的途径 来自一个放射源的放射性物质可以通过不同途径影响人体。有些由风或水流输送到我们附近，这些放射性物质的辐射可以直接照射我们，亦可能随着呼吸或通过进食而进入我们体内。 总体而言，辐射可以透过以下两种主要途径影响我们：1 ) 烟云途径一即直接吸入放射性核素、受到空气中或沉降在 地上的放射性核素直接照射。2
15、) 食入途径一饮用受放射性物质污染的食水或食用受污染的 食物 “1。由于放射性污染源 (如核电站发生核事故或核废料 )泄漏出来的 放射性物质会像烟雾般，随风扩散到各处，称为辐射烟云。氤、氪等 惰性气体会顺风移动而迅速稀释。大部份挥发物，例如碘、铯及碲， 在到达大气层时，已凝结成粒子。这些粒子会在辐射烟羽经过的地区 沉降，通常离泄漏源越远，沉降量越少。而下雨亦可增加沉降率。当 放射性物质沉降到地面上或海水中，农作物、牲畜和海洋生物可能会 吸收这些放射性物质，而令这些放射性物质进入我们的食物链。当我 们食用这些受污染的农作物或牲畜时，我们就可能吸收了它们身上的哈尔滨 J二程大学硕七学位论文放射性物
16、质，而受到辐射影响。1 1 3新时期对环境辐射监测的需要近年来我国国民经济快速增长带动用电需求全面高涨，目前中国 已经进入一个 “硬缺电 ”即全年性缺电的时代。有专家估计，这次 能源短缺对国民经济的总体影响已经超过 SARS ，甚至有分析认为对 GDP的影响会达到一个百分点。为此， 2000 年 10月，党的十五届五 中全会第一次在党的文献中提出适度发展核电的方针。由于我国国民经济发展的需要和核电的巨大优越性，国家有关部门规划到 2020 年将 建成核电总装机容量 3200 万千瓦，从而使我国核电的装机容量占全国 电力总装机容量的比例由 2000 年的 1上升到 4左右。这样，在未来的十几年，
17、我国将建造一大批的核电站。但是，随 之也会有一些问题等待我们解决。我们都很了解，核电作为一种洁净 的能源也有其自身的缺点，核能具有放射性。通常情况下，是不会泄 露到环境中对环境造成污染的，但是由于民众对核能的不了解，从而 对其有惧怕情绪。特别在核电站附近的人们更是谈核色变。因此我们 对核电站周围大片区域进行环境的辐射监测就变得非常重要了。而对 Y射线探测可快速直接的反映当地的放射性水平。因此一种高精度可 移动的 y射线探测装置的研制就非常迫切了。另外，煤炭的燃烧也会对周围环境的 Y辐射造成相当大的影响。 目前中国煤炭的消耗量占全世界煤炭耗量的 1 4，对一些大的煤炭消 耗企业如火电站、重工企业
18、等周围的 Y辐射的监测也是非常必要的， 对于东北这个重工业区更是重要。再有是现代人们在选购商品房时对 室内的辐射情况也非常关 -tb。很需要了解自己房子室内的辐射情况。1 2国内、外本课题研究动态对于核辐射探测器的研究，从核物理发展的早期就已经有了，而 且针对不同的放射源有不同的探测器进行监测。国内外 Y射线探测的哈尔滨工程大学硕士学位论文研究都不少，但是基本上都是用于科学研究上如对加速器的辐射场的 监测，对放射源的监测等。而真正研究用于环境本底 Y射线监测的探 测器却几乎没有。如我国主要的核仪器生产厂家北京核仪器厂生产对 于 Y射线监测的仪器有很多，但是基本上都是环境 y谱仪或是 xY 个人
19、剂量仪。如其生产的型号为： H1224FBHl224F 环境 y谱仪系统，其 性能非常强，该系统测量误差满足 GB9196 掺工业废渣建筑材料产品 放射性物质控制 要求，用 y能谱仪法测量，在放射性比活度大于 37Bq kg时，总不确定度 20 。能量分辨率： 9 、能量线性： 1 (60KeV 2 OMeV) 、系统稳定性： 1 (8h) 、最大数据存储道数 达 4096 道、配有清华同方或联想 PIIi 800 型微机一台、而且系统配 有通用 Y谱仿真软件 (UMS) 和碘化钠 Y射线谱分析软件 (SPAN-Nal98) 。 但是这样的环境 Y谱仪系统并不是直接对我们周围的环境本底 Y射线
20、 辐射场进行监测的，而是对环境的土壤，或是其他试样进行分析的， 这样监测的过程就不是实时的，而且系统也太庞大，并不适合环境本 底 Y射线辐射场的监测，同时也不具各移动性。另一个是 FJ376GlX y 个人剂量仪是智能型袖珍仪器，主要用来监测 x射线和 Y射线，直接 读出个人剂量和个人剂量率；剂量当量率： HP(10)0 1 p Sv h 99 99mSv h；剂量率响应： 20 (0 1 u sv 99 99mSv) ；能量响 应： 30 (50KEY 1 3MeV) 。但其性能太差，不适合于环境 Y射线 的监测。因此，研制一种新型的专门用于环境 Y射线辐射场监测的探 测器是菲常必需的。1 3本文的主要研究内容本文主要设计应用于环境 Y射线辐射场的监测高气压电离室。从 工作气体的选择、壁材的选取、气压的确定等多方面对高气压电离室 的定型进行研究。6
