CN112051601B - 一种基于虚拟源原理的源边界参数蒙特卡罗反演技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于虚拟源原理的源边界参数蒙特卡罗反演技术，包括不锈钢架平台、探测器、上层沙土衰减层、热区、深层干扰源和干扰源虚拟点源，所述热区上方设置有沙土衰减层，热区下方设置有深层干扰源，反演计算时需要将热区及深层干扰源虚拟成虚拟点源，虚拟点源位置在探测器对称轴线上，上层沙土衰减层和热区厚度及深层干扰源厚度可调，其最终厚度由建立峰谷比及虚拟点探测效率方程和均方偏差反演计算确定，小矩形钢架两条长边长度要长过大矩形钢架长边，且搭在大矩形钢架上，并固定，设计成滑轨结构，横向搭载两个平行不锈钢滑轨，滑轨与小矩形长边使用滑轨式接触，使两平行滑轨能够竖向滑动移动。

Description

一种基于虚拟源原理的源边界参数蒙特卡罗反演技术

技术领域

本发明专利涉及核技术应用领域，属于射性污染核素的测量及移动平台装置***，具体涉及测量对象为沙土污染源，特别是放射性核素源边界参数蒙特卡罗反演技术。

背景技术

对于“热粒子”、“放射性汇集点”、“放射性汇集区”的测量，就地γ谱仪搜索扫描测量及伽玛相机成像技术，只能给出污染源的大概位置，而对于源边界参数的确定目前研究较少，尤其是无法给出核素深度方向的参数；通过出壳γ谱反推核弹头结构材料厚度是一件比较复杂和难度较大的工作，需要的参数多，解的不确定性大。本发明反向使用蒙特卡罗模拟表征晶体参数的技术，结合虚拟点源刻度方法等，根据测量能谱分析，就可以确定放射性污染区域深度方向分布参数，同时对反解核弹头惰层厚度具有参考意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于虚拟源原理的源边界参数蒙特卡罗反演技术，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于虚拟源原理的源边界参数蒙特卡罗反演方法，包括不锈钢架平台、探测器、上层沙土衰减层、热区、热区虚拟点源、下层沙土衰减层、深层干扰源和干扰源虚拟点源，所述热区上方设置有沙土衰减层，热区下方设置有深层干扰源，热区和深层干扰源之间设置有下层沙土衰减层，上层沙土衰减层和下层沙土衰减层、热区及深层干扰源密度和成分一致，反演计算时需要将热区及深层干扰源虚拟成热区虚拟点源和干扰源虚拟点源，热区虚拟点源和干扰源虚拟点源位置在探测器对称轴线上，上层沙土衰减层和热区的厚度和深层干扰源厚度可调，其最终厚度由反演计算确定的虚拟点位置确定得到。

作为本发明进一步的方案：包括以下步骤：

S1：等效虚拟点源

为简化模型，将热区和深层干扰源分别等效虚拟成其虚拟点源，再将两个虚拟点源等效成一个等效虚拟点源，该点源包含所有源的辐射信息；对于钚污染土，²⁴¹Am和²³⁹Pu的单位体积活度比一般为常数，根据这一比值可定出它们的能峰²⁴¹Am的59.54keV(分支比0.359，26.4keV分支比0.024)和²³⁹Pu的129keV(分支比0.000062)射线等效虚拟点源探测效率(也即等效虚拟点在对称轴上的位置)；

S2：建立峰谷比及虚拟点探测效率方程

根据等效虚拟点射线能峰探测效率和实测能谱的峰谷比参数，再结合MCNP程序建立测量对象源模型，进行理论反演计算源的边界参数，其反演主要依据如下三个方程：

59.54keV峰谷比方程:

59.54keV虚拟点探测效率方程:

ε₁(h₁)p₁+ε₂(h₂)(1-p₁)＝ε₀(h₀) (2)

26.4keV或129keV虚拟点探测效率方程:

ε₁(h₁)^*p₁+ε₂(h₂)^*(1-p₁)＝ε₀(h₀)^* (3)

v表示谷区计数，n表示峰计数，p表示权重因子，h表示虚拟点位置(虚拟点位置一般在对称轴线上变化)，0表示实测谱值，1表示虚拟点位置1，2表示虚拟点位置2；

S3：计算均方偏差σ(X)

等式(3)右边是定值E(X_i)(实验值，又叫数学期望值)，其中式(2)和式(3)等式右边的虚拟点源位置h₀处的探测效率值是通过核素活度比值定出，峰谷比通过能谱获得，左边是蒙卡模拟结果，使用蒙卡模拟等式左边探测效率及峰谷比等(不同衰减层厚、不同源厚和不同权重，两两组合)，再使用最小二乘法计算均方偏差σ(X)，如式(4)所示，找出均方偏差最小的组合即可，

作为本发明再进一步的方案：所述不锈钢架平台主要由钢管连接成网状结构，网状结构为一个大矩形钢架套一个小矩形钢架，对角线也用钢管连接，中间长度方向加一根钢管，不锈钢架平台大小设计为5.0×6.0m，小矩形钢架两条长边长度大于大矩形钢架长边，且搭在大矩形钢架上，并进一步固定设计成滑轨结构，横向搭载两个平行不锈钢滑轨，平行不锈钢滑轨与小矩形钢架长边使用滑轨式接触，使两平行不锈钢滑轨能够竖向滑动移动，平行不锈钢滑轨使用电机驱动滑动及遥控操作，滑轨小车也配有电机驱动装置和遥控装置，滑轨小车上承载准直器和探测器等测量装置，滑轨小车上开有准直器大小视野窗，在不锈钢架平台四个角加装四个电极驱动的轮子。

本发明专利涉及放射性核素源边界参数蒙特卡罗反演技术，包括测量模型和测量平台，所述的测量模型从上到下依次包括探测器、上层沙土衰减层、热区、热区虚拟点源、下层沙土衰减层、深层干扰源和干扰源虚拟点源，反演计算时需要将热区及深层干扰源虚拟成虚拟点源，虚拟点源位置在探测器对称轴线上，上层衰减层和热区厚度及深层干扰源厚度可调，其最终厚度由建立峰谷比及虚拟点探测效率方程和均方偏差反演计算确定。考虑到时效性，测量平台大小设计为5.0×6.0m，小矩形两条长边长度要长过大矩形长边，且搭在大矩形上，并固定，设计成滑轨结构，横向搭载两个平行不锈钢滑轨，滑轨与小矩形长边使用滑轨式接触，使两平行滑轨能够竖向滑动移动，滑轨车上承载准直器和探测器等测量装置，在平台四个角加装四个电极驱动的轮子，滑轨也假装电机驱动可实现远程遥控完成前后左右移动。

本发明使用虚拟技术刻度γ谱仪，验证其在就地γ谱仪搜索扫描测量细化污染源边界中的应用，主要将虚拟点源理论与蒙特卡罗参数表征技术两者相结合，建立源边界参数反演计算的理论模型及方法步骤，目前，理论计算和实验结果都验证所建立的计算模型和技术方法是正确的和实用的。目前该技术对于均匀分布的放射性核素已经能够精确确定放射性污染区域深度分布参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该技术成果提高测量精度，大大缩小放射性可疑区的搜索范围，减少废物量，达到废物处置减容的目的，对于禁核试核查目标核弹头惰层厚度参数的确定具有重大的参考价值。

附图说明

图1为基于虚拟源原理的源边界参数蒙特卡罗反演技术的测量模型。

图2为基于虚拟源原理的源边界参数蒙特卡罗反演技术的测量滑轨车结构示意图。

图3为基于虚拟源原理的源边界参数蒙特卡罗反演技术中MCNP程序计算模型。

图中所示：1－探测器；2－上层沙土衰减层；3－热区；4－热区虚拟点源；5－下层沙土衰减层；6－深层干扰源；7－干扰源虚拟点源；8－滑轨小车；9－平行不锈钢滑轨；10－小矩形钢架；11－大矩形钢架；12－轮子。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～3，本发明实施例中，一种基于虚拟源原理的源边界参数蒙特卡罗反演方法，包括不锈钢架平台、探测器1、上层沙土衰减层2、热区3、热区虚拟点源4、下层沙土衰减层5、深层干扰源6和干扰源虚拟点源7，所述热区3上方设置有沙土衰减层2，热区3下方设置有深层干扰源6，热区3和深层干扰源6之间设置有下层沙土衰减层5，上层沙土衰减层2和下层沙土衰减层5、热区3及深层干扰源6密度和成分一致，反演计算时需要将热区3及深层干扰源6虚拟成热区虚拟点源4和干扰源虚拟点源7，热区虚拟点源4和干扰源虚拟点源7位置在探测器1对称轴线上，上层沙土衰减层2和热区3的厚度和深层干扰源6厚度可调，其最终厚度由反演计算确定的虚拟点位置确定得到。

本发明包括以下步骤：

S1：等效虚拟点源

为简化模型，将热区3和深层干扰源6分别等效虚拟成其虚拟点源，再将两个虚拟点源等效成一个等效虚拟点源，该点源包含所有源的辐射信息。对于钚污染土，²⁴¹Am和²³⁹Pu的单位体积活度比一般为常数，根据这一比值可定出它们的能峰²⁴¹Am的59.54keV(分支比0.359，26.4keV分支比0.024)和²³⁹Pu的129keV(分支比0.000062)射线等效虚拟点源探测效率(也即等效虚拟点在对称轴上的位置)；

S2：建立峰谷比及虚拟点探测效率方程

根据等效虚拟点射线能峰探测效率和实测能谱的峰谷比参数，再结合MCNP程序建立测量对象源模型，进行理论反演计算源的边界参数，其反演主要依据如下三个方程：

59.54keV峰谷比方程:

59.54keV虚拟点探测效率方程:

ε₁(h₁)p₁+ε₂(h₂)(1-p₁)＝ε₀(h₀) (2)

26.4keV或129keV虚拟点探测效率方程:

ε₁(h₁)^*p₁+ε₂(h₂)^*(1-p₁)＝ε₀(h₀)^* (3)

v表示谷区计数，n表示峰计数，p表示权重因子，h表示虚拟点位置(虚拟点位置一般在对称轴线上变化)，0表示实测谱值，1表示虚拟点位置1，2表示虚拟点位置2。

S3：计算均方偏差σ(X)

等式(3)右边是定值E(X_i)(实验值，又叫数学期望值)，其中式(2)和式(3)等式右边的虚拟点源位置h₀处的探测效率值是通过核素活度比值定出，峰谷比通过能谱获得，左边是蒙卡模拟结果，使用蒙卡模拟等式左边探测效率及峰谷比等(不同衰减层厚、不同源厚和不同权重，两两组合)，再使用最小二乘法计算均方偏差σ(X)，如式(4)所示，找出均方偏差最小的组合即可。

本发明包括从上到下依次为滑轨小车8、平行不锈钢滑轨9、小矩形钢架10、大矩形钢架11和轮子12，所述不锈钢架平台主要由钢管连接成网状结构，网状结构为一个大矩形钢架11套一个小矩形钢架10，对角线也用钢管连接，中间长度方向加一根钢管，考虑到时效性，不锈钢架平台大小设计为5.0×6.0m，小矩形钢架10两条长边长度大于大矩形钢架11长边，且搭在大矩形钢架11上固定，并进一步固定设计成滑轨结构，横向搭载两个平行不锈钢滑轨9，平行不锈钢滑轨9与小矩形钢架10长边使用滑轨式接触，使两平行不锈钢滑轨9能够竖向滑动移动，平行不锈钢滑轨9使用电机驱动滑动及遥控操作，滑轨小车8也配有电机驱动装置和遥控装置，满足整个车体在两个平行钢管上左右遥控滑动的功能，滑轨小车8上承载准直器和探测器等测量装置，滑轨小车8上开有准直器大小视野窗，为保证平台可以移动，在不锈钢架平台四个角加装四个电极驱动的轮子12，可实现远程遥控完成前后左右移动。

(一)实验研究

根据图1的理论计算模型，设计两种实验探测模式。探测模式1：75×25mm²³⁹Pu体源下方放置1.6cm厚沙土衰减层然后放置在距离平板型高纯锗探测器铍窗0.953cm位置处，源与衰减层密度都为1.34g/cm³；探测模式2：²⁴¹Am点源通过支架放置在距离2.0cm处的0.5cm厚沙土衰减层上再将其放置在75×25mm厚²⁴¹Am体源上，然后将它们整个放置在平板型高纯锗探测器铍窗进行放射性测量，源与沙土地密度都为1.43。谱获取时间足够长，保证使其统计涨落控制在1.0％以内，实验数据见表1所示。

表1实验谱能峰计数及处理结果

Table 1.The energy peak count of experimental spectrum and processresults

将计数通过计算转化为活度，活度计算结果见1中数据所示，其中探测效率数据是由蒙特卡罗模拟计算给出。对于探测模式1的情况，²³⁹Pu/²⁴¹Am比值4.1(对于未知源项目标该比值一般是通过取样测量得到，或根据已有资料查询得到)。在探测模式2下，通过²⁴¹Am两个能量分别计算得到各自总活度，其为点源活度加体源活度，且²⁴¹Am(26.4keV)/²⁴¹Am(59.54keV)比值理论上应该是1.0，但由于存在***误差²⁴¹Am(26.4keV)/²⁴¹Am(59.54keV)比值计算结果为0.9，对于这个***误差可以不用校正，因为后面计算都采用比值进行。²⁴¹Am源谷区选择54-57keV能区，探测模式1下峰谷比为5.9，探测模式2下，峰谷比为6.9。

(二)理论计算研究

根据实验设计及探测器参数，建立如图3所示的蒙特卡罗计算模型，其中晶体的尺寸及位置坐标都已标出。探测器参数:晶体角死层被两个球及一个圆柱所切得到，球参数输入为sz 1.90 1.9，sz 3.4445 2.06。图中单位为cm。铍窗密度1.85，沙土成份在卡片中的输入为8016 -31.37 14028 -18.4 13000 -3.3 26056 -1.33 20040 -4.83 12024 -0.84。

对于探测器模式1，只有图1中沙土衰减层和体源，没有干扰源的存在，但模拟的过程中都是假设有干扰源存在的，其模拟计算过程如下：

1.等效虚拟点源

在对称轴上，计算不同位置处点源探测效率，其计算结果如表2中数据所示。

表2等效虚拟点源探测效率

Table 2.The detection efficiency of equivalent virtual point source

根据表2中探测效率值，结合表1中探测模式1的能峰数据计算不同位置坐标处的²³⁹Pu/²⁴¹Am活度比值，可以看出，在坐标为-2.80处时²³⁹Pu/²⁴¹Am比值为4.1，和表1中活度比值一致，因此，可以认为等效虚拟点源(如图2中)的位置坐标为(00 -2.80)。等效虚拟点源包含两部分的等效，一部分是测量对象体源的贡献，一部分是干扰源的贡献(干扰源可以是点源、面源和体源，我们统一将其转化成虚拟点源)，将这两部分各自虚拟成点源，因此可以认为等效虚拟点源由体源虚拟点源和干扰源虚拟点源按不同的权重组合而成，因此下一步的目标就是找出这个权重和体源的虚拟点源位置坐标。

2.体源虚拟点源

等效虚拟点源的探测效率值7.0×10^-3和9.45×10^-3即为公式(2)和(3)右边的数学期望值，峰谷比5.9为公式(1)右边的数学期望值。根据表2中不同点位置处的探测效率，计算不同虚拟点位置和不同权重组合下的等效探测效率及等效峰谷比计算结果见表3所示，这些值作为公式(2)和(3)左边理论计算值，最后按理论计算公式(4)计算均方偏差，如表3所示。

表3不同组合下等效虚拟点的均方偏差

Table 3.The mean square deviation of equivalent virtual point atdifferent combination

省去中间过程，直接计算得到虚拟点坐标、权重及均方偏差的一一对应的表4。

表4不同组合下等效虚拟点的均方偏差

Table 4.The mean square deviation of equivalent virtual point atdifferent combination

表4续 不同组合下等效虚拟点的均方偏差

Table 4 follow.The mean square deviation of equivalent virtual pointat different combination

从表4中可以看出，均方偏差最小的值为0.167，其对应的体源虚拟点位置坐标为-2.40，干扰源对应的虚拟点位置坐标-3.20，而其对应的权重都为0.50，由于两个点位置很近权重又一样，因此，可以认为没有干扰源的存在，实际上等效虚拟点位置坐标就是体源的虚拟点位置坐标。

3.体源参数反演

如表2中坐标-2.80对应的探测效率及峰谷比作为公式(1)～(3)的右边的数学期望值，然后计算不同体源中心坐标下不同体源厚度下的探测效率及峰谷比值，将这些值作为理论计算值，并计算其与数学期望之间的均方偏差，计算结果如表5所示。

表5体源参数的反演计算结果

Table 5.The inversion result of volume source parameters

从表5中可以看出，均方偏差最小的为0.159，其对应的体源中心坐标为-2.45，体源厚度为2.5cm，和实际情况完全一致，充分说明该技术方法的可行性和准确性。对于探测模式2，探测器参数和探测模式1一致，但是沙土密度变为1.43，整个测量是贴近探测器进行的，129keV射线能量变成26.4keV。其计算过程如表6-8所示。

表6等效虚拟点探测效率

Table 6.The detection efficiency of equivalent virtual point source

表7不同组合下等效虚拟点的均方偏差

Table 7.The mean square deviation of equivalent virtual point atdifferent combination

表7续 不同组合下等效虚拟点的均方偏差

Table 7 follow.The mean square deviation of equivalent virtual pointat different combination

从表7中可以看出，均方偏差最小是0.112，其对应的上下虚拟点源权重都为0.5，上下虚拟点源坐标分别为0.0和-0.8cm，等效虚拟点源坐标为-0.20cm，比较靠近上虚拟点位置，因此可以认为，干扰源是存在的，且距上虚拟点位置较远，权重也占一半，因此，可以认为有一个强的干扰源的存在。干扰源只需证明它存在或者不存在即可，它的存在及其设置只是为更为准确地解出体源边界参数，在本发明中它的边界参数是不用求解出来的。

表8体源参数的反演计算结果

Table 8.The inversion result of volume source parameters

表8中，均方偏差的计算只用26.4keV射线能量探测效率和59.54keV射线峰谷比这两项，没有使用59.54keV射线能量探测效率。从表8中可以看出，最小均方偏差为0.0220，其对应的体源中心坐标为0.25cm，体源厚度为1.7cm，计算得沙土衰减层厚度为1.53mm，由于这一值相对体源厚度太小，在表层不可能存在这么薄的沙土衰减层，因此可以将其直接忽略，并入体源厚度，可认为体源厚度为2.0cm，相对真实值2.5cm，大概有20.0％左右的相对偏差，其偏差稍微偏大的原因是干扰点源使用低能26.4keV射线穿透3.0cm左右沙土衰减层后在探测器晶体内产生的有效计数太少，统计涨落过大，造成计算误差也大。因此，不能选用能量过低的低能射线，比如本发明选用的26.4keV能量射线就有些偏低，会造成结果一定的偏差。

本发明提供一种确定放射性可疑区范围的虚拟点源方法，其解决现有探测方法准确判定放射性污染区边界的技术问题。本发明可测量多种核素或测量发射多条特征能量射线的核素的源项目标，其过程是：首先根据核素活度浓度比值(一种核素该比值可认为是1.0，但要测量其两条及以上特征能量射线)找出等效虚拟点源，该虚拟点源特点是由该点算出的活度浓度比值和给出的一致，它包含目标体源及其他干扰源的信息；其次再将该等效虚拟点按一定的权重分成上下两个虚拟点源，若上下两个虚拟点源与等效虚拟点源距离过近且权重相等，则不需要将等效虚拟点源分成上下两个虚拟点源，它本身就是体源的虚拟点源，不存在干扰源，若上下两个虚拟点源距离等效点源距离较远或权重不一致，则可认为上虚拟点源就是目标体源的虚拟点源，该虚拟点源的探测效率及峰谷比和目标体源的一致；最后就是根据体源的虚拟点源的探测效率及峰谷比反演计算体源边界参数。该技术的优点是：1、利用虚拟点探测器理论及虚拟点源技术，成功地解决方程组法遇到深层干扰源情况下存在病态或不确定大的难题，使就地及航测γ谱仪发展为一项更为有效的探测手段。2、使用新原理及测量方式，不增加新的物理探测设备，大大减少经费开支，减少工作量及时间。

本发明包括从上到下依次为探测器1、上层沙土衰减层2、热区3、热区虚拟点源4、下层沙土衰减层5、深层干扰源6和干扰源虚拟点源7，源项又称热区3，上面一般会有沙土衰减层2，同时热区3下方有干扰源6的存在，热区3和干扰源6之间有衰减层5，一般热区3上面的沙土的衰减层2和干扰源6在一些源项简单测量中可能就不存在。探测器1晶体参数尤其是死层参数是经过点源实验表征过的，沙土衰减层2和5、热区3及深层干扰源6密度和成分一致，反演计算时需要将热区3及深层干扰源6虚拟成虚拟点源4和7，虚拟点源位置在探测器对称轴线上。上层衰减层2和热区3厚度及深层干扰源6厚度可调，其最终厚度由反演计算确定的虚拟点位置确定得到。

本发明包括以下步骤：

1】等效虚拟点源

为简化模型，将热区3和深层干扰源6分别等效虚拟成其虚拟点源，再将两个虚拟点源等效成一个等效虚拟点源，该点源包含所有源的辐射信息。对于钚污染土，241Am和239Pu的单位体积活度比一般为常数，根据这一比值可定出它们的能峰241Am的59.54keV(分支比0.359，26.4keV分支比0.024)和239Pu的129keV(分支比0.000062)射线等效虚拟点源探测效率(也即等效虚拟点在对称轴上的位置)；

2】建立峰谷比及虚拟点探测效率方程

根据等效虚拟点射线能峰探测效率和实测能谱的峰谷比参数，再结合MCNP程序建立测量对象源模型，进行理论反演计算源的边界参数。其反演主要依据如下三个方程。

59.54keV峰谷比方程:

59.54keV虚拟点探测效率方程:

ε₁(h₁)p₁+ε₂(h₂)(1-p₁)＝ε₀(h₀) (2)

26.4keV或129keV虚拟点探测效率方程:

ε₁(h₁)^*p₁+ε₂(h₂)^*(1-p₁)＝ε₀(h₀)^* (3)

v表示谷区计数，n表示峰计数，p表示权重因子，h表示虚拟点位置(虚拟点位置一般在对称轴线上变化)，0表示实测谱值，1表示虚拟点位置1，2表示虚拟点位置2。

3】计算均方偏差σ(X)

等式(3)右边是定值E(X_i)(实验值，又叫数学期望值)，其中式(2)和式(3)等式右边的虚拟点源位置h0处的探测效率值是通过核素活度比值定出，峰谷比通过能谱获得，左边是蒙卡模拟结果，使用蒙卡模拟等式左边探测效率及峰谷比等(不同衰减层厚、不同源厚和不同权重，两两组合)，再使用最小二乘法计算均方偏差σ(X)，如式(4)所示，找出均方偏差最小的组合即可。

本发明所需的装置包括从上到下依次为滑轨小车8、平行不锈钢滑轨9、小矩形钢架10、大矩形钢架11和轮子12。所述不锈钢架平台主要由钢管连接成网状结构，网的形状为一个大矩形11套一个小矩形10，对角线也用钢管连接，中间长度方向加一根钢管，考虑时效性，平台大小设计为5.0×6.0m，小矩形10两条长边长度要长过大矩形长边，且搭在大矩形11上，并固定，设计成滑轨结构，横向搭载两个平行不锈钢滑轨9，滑轨9与小矩形10长边使用滑轨式接触，使两平行滑轨9能够竖向滑动移动，平行滑轨9使用电机驱动滑动及遥控操作。滑轨小车8也配有电机驱动装置和遥控装置，满足整个车体在两个平行钢管上左右遥控滑动的功能，滑轨车8上承载准直器和探测器等测量装置，滑轨车上开有准直器大小视野窗。为保证平台可以移动，在平台四个角加装四个电极驱动的轮子12，可实现远程遥控完成前后左右移动。

本发明使用虚拟技术刻度γ谱仪，讨论其在就地γ谱仪搜索扫描测量细化污染源边界中的应用。主要将虚拟点源理论与蒙特卡罗参数表征技术两者相结合，建立源边界参数反演计算的理论模型及方法步骤，目前，理论计算和实验结果都验证所建立的计算模型和技术方法是正确的和实用的。目前该技术对于均匀分布的放射性核素已经能够精确确定放射性污染区域深度分布参数。

本发明的技术方案如下：HPGe探测器晶体一般为圆柱状，射线与晶体的作用可以认为是射线与晶体内一虚拟点探测器作用，即定义虚拟点探测器。有虚拟点探测器的理论,后面又出现虚拟点源概念，虚拟点源：对于辐射探测器测量对象为体源的情况下，在探测器中心对称轴线上存在有一个唯一的代表点位置，该位置的放射性点源全能峰探测效率与所对应的放射性体源的探测效率相等，即该点源叫做它们的虚拟点源。

在无源效率刻度中蒙卡模拟表征晶体参数的研究工作非常多技术方法也非常成熟，其基本原理是通过标准点源或体源(源的形状大小、材料和活度参数等完全已知)固定位置实验，获取探测器的实验刻度效率值，蒙特卡罗方法建立理论计算模型，调整理论计算模型中的晶体参数使其计算效率值和实验值一致，从而达到表征晶体参数的目的。在这一表征的过程中测量对象源的参数是已知的，测量仪器晶体参数是未知的，但在实际测量中会经常遇到大量测量对象未知的情况出现，针对这种情况，提出源边界参数表征技术，其基本原理和晶体参数表征技术类似。本发明采用逆向思维，晶体参数已知，源边界参数未知，通过蒙特卡罗方法建立计算模型，调整源边界参数使计算得到峰谷比及效率值与实验值一致。

一般测量时，源项又称热区上面一般会有沙土衰减层，同时热区下方有干扰源的存在，热区和干扰源之间有衰减层，一般热区上面的沙土的衰减层和干扰源在一些源项简单测量中可能就不存在。本发明的目标就是在有干扰源存在的情况下反演出热区位置及厚度参数。为简化模型，将热区和深层干扰源分别等效虚拟成其虚拟点源，再将两个虚拟点源等效成一个等效虚拟点源，该点源包含所有源的辐射信息。对于钚污染土，²⁴¹Am和²³⁹Pu的单位体积活度比一般为常数，根据这一比值可定出它们的能峰²⁴¹Am的59.54keV(分支比0.359，26.4keV分支比0.024)和²³⁹Pu的51.62keV(分支比0.000271，129keV分支比0.000062)射线等效虚拟点源探测效率(也即等效虚拟点在对称轴上的位置，该位置有且只有一个，通过该位置两个射线能量探测效率算得的²³⁹Pu/²⁴¹Am活度比与已知条件一致)；根据等效虚拟点射线能峰探测效率和实测能谱的峰谷比参数，再结合MCNP程序建立测量对象源模型，进行理论反演计算源的边界参数。

本发明的有益效果：该技术成果提高测量精度，大大缩小放射性可疑区的搜索范围，减少废物量，达到废物处置减容的目的，对于禁核试核查目标核弹头惰层厚度参数的确定具有重大的参考价值。

本发明为扩大测量面积和范围，设计矩形扫描测量支架，矩形对角线也用钢管连接，中间长度方向加一根钢管，考虑时效性，平台大小设计为5.0×6.0m，小矩形两条长边长度要长过大矩形长边，且搭在大矩形上，并固定，设计成滑轨结构，横向搭载两个平行不锈钢滑轨，滑轨与小矩形长边使用滑轨式接触，使两平行滑轨能够竖向滑动移动，平行滑轨使用电机驱动滑动及遥控操作。滑轨小车也配有电机驱动装置和遥控装置，满足整个车体在两个平行钢管上左右遥控滑动的功能，滑轨车上承载准直器和探测器等测量装置，滑轨车上开有准直器大小视野窗。为保证平台可以移动，在平台四个角加装四个电极驱动的轮子，可实现远程遥控完成前后左右移动。

尽管参照前述实施例对本发明进行详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于虚拟源原理的源边界参数蒙特卡罗反演方法，包括探测器(1)、上层沙土衰减层(2)、热区(3)、热区虚拟点源(4)、下层沙土衰减层(5)、深层干扰源(6)和干扰源虚拟点源(7)，其特征在于：还包括不锈钢架平台，不锈钢架平台主要由钢管连接成网状结构，网状结构为一个大矩形钢架(11)套一个小矩形钢架(10)，对角线也用钢管连接，中间长度方向加一根钢管，不锈钢架平台大小设计为5.0×6.0m，小矩形钢架(10)两条长边长度大于大矩形钢架(11)长边，且搭在大矩形钢架(11)上，并进一步固定设计成滑轨结构，横向搭载两个平行不锈钢滑轨(9)，平行不锈钢滑轨(9)与小矩形钢架(10)长边使用滑轨式接触，使两平行不锈钢滑轨(9)能够竖向滑动移动，平行不锈钢滑轨(9)使用电机驱动滑动及遥控操作，滑轨小车(8)也配有电机驱动装置和遥控装置，滑轨小车(8)上承载准直器和探测器，滑轨小车(8)上开有准直器大小视野窗，在不锈钢架平台四个角加装四个电极驱动的轮子(12)；所述热区(3)上方设置有沙土衰减层(2)，热区(3)下方设置有深层干扰源(6)，热区(3)和深层干扰源(6)之间设置有下层沙土衰减层(5)，上层沙土衰减层(2)和下层沙土衰减层(5)、热区(3)及深层干扰源(6)密度和成分一致，反演计算时需要将热区(3)及深层干扰源(6)虚拟成热区虚拟点源(4)和干扰源虚拟点源(7)，热区虚拟点源(4)和干扰源虚拟点源(7)位置在探测器(1)对称轴线上，上层沙土衰减层(2)和热区(3)的厚度和深层干扰源(6)厚度可调，其最终厚度由反演计算确定的虚拟点位置确定得到；反演计算包括以下步骤：

S1：等效虚拟点源

为简化模型，将热区(3)和深层干扰源(6)分别等效虚拟成其虚拟点源，再将两个虚拟点源等效成一个等效虚拟点源，该点源包含所有源的辐射信息；对于钚污染土，²⁴¹Am和²³⁹Pu的单位体积活度比一般为常数，根据这一比值可定出它们的能峰²⁴¹Am的59.54keV和²³⁹Pu的129keV射线等效虚拟点源探测效率，也即等效虚拟点在对称轴上的位置；注：²⁴¹Am的能峰59.54keV分支比0.359，其26.4keV的能峰分支比0.024；²³⁹Pu的能峰129keV分支比0.000062；

S2：建立峰谷比及虚拟点探测效率方程

根据等效虚拟点射线能峰探测效率和实测能谱的峰谷比参数，再结合MCNP程序建立测量对象源模型，进行理论反演计算源的边界参数，其反演主要依据如下三个方程：

59.54keV峰谷比方程:

59.54keV虚拟点探测效率方程:

ε₁(h₁)p₁+ε₂(h₂)(1-p₁)＝ε₀(h₀) (2)

26.4keV或129keV虚拟点探测效率方程:

ε₁(h₁)^*p₁+ε₂(h₂)^*(1-p₁)＝ε₀(h₀)^* (3)

v表示谷区计数，n表示峰计数，p表示权重因子，h表示虚拟点位置(虚拟点位置一般在对称轴线上变化)，0表示实测谱值，1表示虚拟点位置1，2表示虚拟点位置2；

S3：计算均方偏差σ(X)

等式(3)右边是定值E(X_i)，定值E(X_i)为实验值，又叫数学期望值，其中式(2)和式(3)等式右边的虚拟点源位置h₀处的探测效率值是通过核素活度比值定出，峰谷比通过能谱获得，左边是蒙卡模拟结果，使用蒙卡模拟等式左边探测效率及峰谷比，即将不同衰减层厚、不同源厚和不同权重两两组合，再使用最小二乘法计算均方偏差σ(X)，如式(4)所示，找出均方偏差最小的组合即可，

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