ISOTOPIC γ能谱废物测定

ORTEC ISOTOPIC Advanced Solution to Gamma Ray Waste Assay
ISOTOPIC 为场地表征和废物容器测量中遇到的各种伽马射线辐射测量问题提供了实用的解决方案。易于使用的软件基于美国能源部(DOE)几个实验室最初在分析数千个裂变废物容器方面所做的工作,并引用了美国能源测量实验室(EML-NYC)所开发的用于测量土壤和地表大面积污染的方法。ISOTOPIC可在最新的64位操作系统下运行,支持绝大多数ORTEC谱测定硬件产品。值得一提的是,ISOTOPIC是卓越ISO-CART-85移动低放废物分析系统的软件部分。ISOTOPIC通过使用可追溯校准确保了结果的实用性、灵活性和权威性。
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    ISOTOPIC为放射性废物分析和表征应用中遇到的各种伽马射线测量问题提供了实用的集成解决方案。它可分析高分辨率、高纯锗(HPGe)谱,以及确定大体积样品的测定结果。

    ISOTOPIC可以“开箱即用”,用于作为易操作移动系统(如ORTEC ISO-CART-85)的一部分,或者被集成到自动化系统中,例如,用于退役项目中大型容器的高通量测量。

    适用性
    适用于以下几何形状:

    • 箱、桶、管或表面(准直探测器)
    • 封闭几何小容器(例如带端盖的瓶子)
    • 土壤和地表的大面积测定(非准直探测器:M-1方法)

    ISOTOPIC提供了许多标准几何形状“模板”,可以从中开发出特定的测量配置。这些模板包括圆柱体(从顶部和侧面;包括带衬里的圆柱体(管道))、箱、点源(远场)、带端盖的封闭几何小容器和无限平面。ISO-CART-85上的瓶计数选件是“带端盖”封闭几何形状的一个例子。无限平面(土壤)模式提供冲刷到无限平面内或无限平面上污染、脱落或大面积泄漏的非准直测量,最常见的是地面上土壤的测量。

    方法
    在容器模式中,对于包裹、管道和表面的计数,探测器通过单次点源测量进行校准,即使在使用准直器时也是如此。该初级校准符合任何探测器的认证标准,可以外推或建模以匹配样品的物理状况、容器几何形状、材料和基质组成。模型基于“点 - 核”方法,它将整个测量问题分解为多个源/基质像素,并计算它们对复合谱的贡献并求和。该方法类似于蒙特卡罗方法,利用用户提供的探测器参数(晶体直径、晶体长度、死层和端盖厚度)作为测量配置的一部分。除了一次点源校准之外,不需要特殊的单独测量来校准探测器。

    ISOTOPIC包括改进的“封闭几何”算法,其中探测器与容器之间的距离小于15厘米。

    对于非准直的大面积土壤计数,可以使用由美国DOE EML2和后来扩展3开发的“1米”方法。它适用于许多情况:

    • 对以前使用过的场地进行净化评估
    • 对紧急情况下沉积的核素进行评估
    • 核设施附近的常规环境监测

    EML方法将复杂的测量问题简化为三个易确定因子的乘积。伽马射线峰面积通过三个因子的乘积与特定的核素活度相关。一系列探测器类型和土壤条件的因子已被确定,并在程序内列出。效率校准使用1.33MeV下ANSI/IEEE 325-1996所规定的效率以及晶体长度和直径确定。

    为了提高低能量下的精度,用户可以使用与容器模式相同的校准来代替EML方法。

    不需要探测器的特殊(且昂贵)蒙特卡罗校准。通过选择土壤类型和核素分布类型来确定衰减校正:近期(表面)沉积物、较旧(冲入)沉积物或自然(均匀)沉积物。能量和峰形校准使用多线源进行,可以完全自动化。如果您使用ISOTOPIC,则不会出现意外的探测器校准成本。

    单个容器的多次测量
    在测量任何大型废物容器时,通常会从不同方向进行多次测量,以确保获得最佳结果。如果只有一个硬件系统可用,则可以按顺序完成测量,如果有多组硬件可用,则可以同时完成测量。ISOTOPIC可以根据用户定义的加权平均值自动组合所得结果。当同时使用多个探测器时,可以在屏幕上同时显示每个探测器的实时谱,以确保数据的准确性。

    标准和自定义报告
    ISOTOPIC可在标准产品中提供灵活的报告。所有可更改的参数都可以包含在标准输出报告中。分析结果存储在MS Access兼容数据库中,便于打印或导出,以供进一步处理成总结报告。完全自定义的报告可以通过使用水晶报表生成。

    硬件兼容性
    与所有ORTEC CONNECTIONS应用软件产品一样,ISOTOPIC与所有ORTEC MCA硬件兼容。特别是,它非常适合与IDM-200-V一起使用,这是一种完整的耐用型便携式HPGe谱仪系统,不需要使用液氮。

    支持系统集成商
    系统集成商通常需要开发自动化系统,其中硬件控制和分析的细节在很大程度上都由人工操作员隐藏在软件层下,该软件层旨在提供简化的用户界面和/或允许无人值守的操作。标准用户文档集包含大量文档,其中使用示例材料说明了如何从命令行控制分析引擎。分析参数和分析结果将保存到ACCESS兼容数据库中。它提供了所有必需的文件结构信息,包括ISOTOPIC数据库文件结构。频谱或“SPC”文件结构提供在单独的随附手册中。

    ORTEC硬件控制通过所谓的UMCBI实现,它为所有受支持的谱硬件提供通用API。程序员工具包作为选件可向系统集成商提供有关如何从他/她自己开发的程序轻松控制MCA硬件的说明。通常,基本的ISOTOPIC程序用于设置系统硬件和校准,然后集成商的应用程序将在常规的操作周期内控制系统。利用这些工具和提供的文档级别,系统集成商可以轻松开发复杂的测量系统。

    使用ISOTOPIC
    ISOTOPIC有两种模式:管理员和操作员。操作员只需要从管理员定义的系统选项的最小子集中做出选择。管理员模式用于定义允许操作员执行的操作。向导将指导管理员设置操作员程序。向导在逻辑分组的屏幕上显示参数,并强调方法的可行性。

    管理员/操作员分区使即使是半熟练的操作员也能在现场收集良好的数据,同时减少浪费的重复时间(每个测量项目的成本更低)。当然,熟练的用户可以选择运行两种模式。

    管理员可校准系统,创建库,定义样品几何形状、基质、准直器以及其他功能供操作员以后使用。管理员还可以定义允许操作员访问的功能。

    操作员主屏幕由管理员授予的权限决定,比管理员屏幕简单很多。在日常使用中,对于容器分析,操作员只需要启动采集,选择配置(最接近的标准容器配置),然后输入“记录数据”,例如容器ID、类型、重量和关键测量数据(如探测器到容器的距离)。

    标准容器配置和准直器配置由管理员定义和指定。容器配置包括默认尺寸、材料和基质细节。在需要时,操作员可以指定和调用任何数量的这些配置。

    分析工具
    交互式结果图
    分析完成后,操作员可以通过使用核素图调整容器/基质物理参数(例如基质密度或容器壁厚),以优化结果。

    该图显示了校正测量活度与所计算的每个核素参考峰值活度之间的百分比差异。管理员可选择参考峰值。操作员可以优化分析,调整容器、基质和铀的重量分数,以优化结果。如果来自多峰核素的点在“零线”附近呈正态分布,这意味着具有良好的结果。在分析铀时,如果已知U-235浓缩,则可以输入该值,以便更准确地计算含有弱铀活度样品中的U-238和U-234值。通过该方法可以以更高的精度分析均匀和不均匀的样品。对于材料分布不均匀的包裹,用户将获得可使一些核素活度图变得较为平坦的参数组合。该图与谱图一起可以构成输出报告的一部分。

    视场计算器
    探测器视场是测量中的重要参数。软件算法根据准直器视场中“看到”的内容进行“校正”或调整,以分析整个容器的内容。一般情况下,选择视场以使其被容器填充,远于此位置将降低谱中的信噪比,近于此位置将导致测量更容易受到局部不均匀性的影响(通过在不同方向进行多次测量,可以进一步减小影响)。方便的视场计算器使操作员能够评估容器的哪个部分实际上在准直探测器的视场内。

    报告
    完成微调后,操作员可为每个显示活度和重量的核素选择报告。然后打印这些结果并存档。报告文件可以以数据库摘要或完整报告的形式写入,完整报告将显示所有输入和校正信息。使用报告生成器选项可以生成自定义报告。误差估计的组件表格可用于帮助减少总体不确定性,例如,通过延长计数时间或重新定位探测器。如果任何校正看起来过大,用户也会收到警告。计算每种核素的最小可检测活性(MDA)。多次测量的活性、U或Pu的克数或MDA可报告为加权平均值。加权可由用户定义。

    结果的准确性
    单次测量的基本假设是整个物体包含与被测部分体积相同的基质和比活度。通过从物体表面上的不同点进行多次测量并比较相似性,可以减少由于该假设不正确导致的不准确性。这些比较可用于开发单个物体的测量策略,从而减少此类系统误差。如果需要,ISOTOPIC可以提供加权平均报告,包括相关的最小可检测活性。

    总体而言,结果准确性的主要影响因素是:统计和计数时间、校准不确定性、对单个物体进行的重复测量次数(随机不确定性)、基质密度和核素分布的不均匀性以及从不同方向对单个物体进行的测量次数(系统误差)。

    10至50%的准确度范围应被视为具有代表性,范围更小的是均匀和轻质基质中明确定义的几何形状。

    分析库管理器
    ISOTOPIC包含一个用于构建自定义分析库的综合库编辑器。编辑器允许操作员从主库中剪切和粘贴核素和峰,向各个峰添加识别标记(单个逃逸峰、X射线或其他)和分析(关键线或从活度计算中排除),并将库另存为任何名称。它还集成了完整的Nuclide Navigator(核素导航器)库工具。ISOTOPIC将使用“核素导航器”,读取Microsoft Access数据库格式的“核素导航器”库(无需转换),并以数据库格式保存库以供“核素导航器”使用。

    质量保证
    ISOTOPIC的质量保证符合ANSI N13.30的要求。对于每个探测器,会监测以下内容:

    • 探测器总本底
    • 所有校准核素的总(衰变校正)活度
    • 平均FWHM比(谱与校准标准)
    • 平均FW1/10M比(谱与校准标准)
    • 与库值的平均峰值偏移
    • 实际峰值中心能量

    计算细节

    容器的同位素模式方法综述
    容器中同位素的活度由下式给出:

     

    其中

    Aisotope = 报告的同位素活度(Bq/μCi)。

    PAmeas = 所测得的同位素参考伽马射线的峰面积计数率(c/s)。该数量可直接从谱和采集活时时间确定。如果存在短半衰期同位素或流动样品中的样品活性快速变化,ORTEC的专利ZDT死时间校正算法将非常有用。

    CFitem = 容器、基质和样本自衰减校正因子。ISOTOPIC根据配置中提供的物理数据计算这些数据。

    CFcol= 准直器校正因子。一些伽马射线将穿透锗探测器周围的准直器。准直器校正因子在很大程度上取决于准直器的直径、准直的深度和准直器的壁厚以及辐射的角度及其能量。

    通过先计算未被准直器遮蔽的活度部分,然后计算剩余活度穿透准直器的长度,可以确定准直器校正因子。这针对被测物品的每个体素确定。

    如果没有准直器,则设置为1。

    BRray = 伽马射线分支比。该信息包含在核素库中。

    det = 使用NIST可追踪点源测得的探测器效率(cps/Bq、μCi)。典型的校准距离是30厘米,在该距离处,探测器和源可以被视为点对象。在近距离处,不能忽视探测器长度和直径尺寸。通过在校准过程中提供这些尺寸,可以自动校正简单的“点探测器”假设。ISOTOPIC管理员手册1中描述了封闭几何形状的校正。

    当需要报告同位素的克数量Massisotope时,这些由下式给出:


    其中
    N = 报告同位素的原子数。
    λisotope = 报告同位素的衰变常数 (秒–1)。
    At = 被测量同位素的原子序数(g/Av)。
    Av = 阿伏伽德罗常数。

    平均多次测量的结果
    将多次测量结果组合在一起后,可根据下式计算加权平均值:

    Aaverage = Ai wi/wi

    其中
    Ai = 各活度(克或MDA)结果。
    wi = 用户定义的加权因子。

    土壤方法论
    比活度A (Bq/m2或Bq/g) 与净峰值计数率Nf 有关:

    其中
    N/N0 = 对于土壤中给定源分布,探测器在该能量下的角度校正因子。
    N/Φ = 对于垂直于探测器面入射的峰值能量的平行伽马射线束,每单位未经碰撞通量的峰值计数率 (cpm/γ s1)
    Φ/A = 每单位库存在峰值能量下到达探测器的总未经碰撞通量或土壤中的核素浓度 (γ cm2 s1 或 (γ g1 s1)

    估算校准因子的方法使用了有关探测器的信息和被测放射性核素的分布:

    • 探测器效率(表示为%)
    • 探测器方向(向上或向下)
    • 探测器长宽比(以晶体长度/晶体直径计算)
    • 沉积剖面参数α/ρ值

    对于所有自然发射体,假设α/ρ为0(均匀分布)。对于原状土上的沉降,假设α/ρ为无穷大(仅用于表面分布)。

    通过计算每个校准参数的值,在ISOTOPIC中应用Beck方法。将对所有被识别核素的每个伽马射线进行计算。
    ________________________________________

    1Hagenauer,R.C.,“对表征不佳放射性同位素的无损检测定量分析”,第四次无损检测和非破坏性废物表征会议论文集,盐湖城,1995年。

    2H.L.Beck等人,“原位Ge(Li)和NaI(Tl)γ射线能谱测量”,美国能源部,环境测量实验室,HASL-258,9月(1972)。

    3I.K.Helfer和K.M.Miller,“用于现场光谱测定的Ge探测器的校准因子”,健康物理,第55卷,第1号,第15-29页(1988)。

    42012年NPL核工业能力测试练习。NPL报告IR 30 2013(英国国家物理实验室)。ORTEC系统在其中的编号为9。

    5对于M-1模式下的土壤表征,建议使用晶体长度/直径在0.5到1.3范围内的HPGe。80%的HPGe探测器符合此标准。ORTEC PROFILE M系列探测器非常适合这种和ISOTOPIC容器测量。规格-

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    一般规格
    采集控制和定量分析功能被整合在一个简练的程序包中,适用于基于PC的原位γ光谱测量系统,可测定容器、物体、表面和土壤的放射性含量。

    操作系统
    Windows 7 64位硬件兼容性适用于所有使用USB和TCP/IP连接协议的ORTEC仪器。Windows 7和XP 32位操作系统也支持这些仪器以及其他传统硬件。

    谱测量硬件支持
    建议将ISOTOPIC与ORTEC IDM-V-200集成HPGe谱仪结合使用。但它与所有ORTEC MCB(过去和现在)以及受ORTEC CONNECTIONS支持的所有其他设备兼容。支持高级操作(需要硬件支持):放大器增益/整形控制、自动PZ、“优化”和InSight™模式、digiDART现场模式、MCB频谱稳定器的图形设置和统计不确定性峰值。一般建议将IDM-200-V用于现场测量。

    支持的文件格式
    ORTEC .SPC和.CHN以及ASCII“.SPE”为文件保存、调用和比较功能中的标准格式。可以使用A49-B32 Data Master导入其他文件格式。

    定量谱分析方法

    峰值搜索
    指定核素按库方向的峰值搜索以及非指定核素的Mariscotti峰值搜索,主库和补充(“可疑”)库都被使用。

    交互式批量样本参数调整
    交互式基质和容器调整以及新基质的自动衰减校正。易于使用的相关分析结果的图形显示,可显示最佳基质。

    解卷积方法
    峰值查找器和库都可用于指导解卷积过程。在可能的情况下,根据识别的峰值自动重新校准能量/通道。

    选择检测限形式

    • ORTEC传统
    • ORTEC临界水平
    • 无MDA(如果低于MDA则报告为零)
    • KTA规则
    • 检测限2西格玛 - 日本
    • 检测限3西格玛 - 日本
    • 居里检测限
    • RISO MDA
    • ORTEC LLD
    • 峰面积
    • 空气监测 - Gimrad方法
    • 监管指南4.16方法
    • 计数实验室 - 美国
    • DIN 25 482.5检出限
    • DIN 25 482.5检测限
    • GTN5/CEA/EDF(法国)
    • Nureg 0472

    衰变校正

    • 对任何日期/时间进行后退或前进的衰变校正

    谱校正

    • 峰值本底校正
    • 随机求和(高速率计数损失)
    • 基于库的峰值干扰校正

    报告
    选择ORTEC标准报告选项:

    • 直接打印
    • 自动写入数据库
    • 以Crystal Report的格式输出
    • 以HTML格式报告。可以从那里将它保存为磁盘文件。

    校准

    能量校准

    • 多点,能量和FWHM的二次方
    • 自动能量校准(专利号6,006,162)

    半经验效率校准拟合选项:

    同位素模式
    通过以下其中一种方法建立点源校准:

    • 单功能多项式(x点)
    • “拐点”上方和下方的插值
    • 用户设置“拐点”上方或下方的二次方
    • 用户设置“拐点”上方或下方的线性

    通过程序内部的点源内核计算,将点源校准外推到基质物理几何形状的情况。

    无限平面模式(适用于土壤和表面:非准直探测器)
    Beck21米方法可扩展到大型探测器尺寸3,由美国能源部环境测量实验室(EML)使用。EML方法基于探测器尺寸和IEEE效率值生成效率曲线。土壤密度和衰减在用户可编辑的α/ρ文件中指定。

    土壤衰减因子
    在土壤中,衰减取决于土壤厚度和密度,其由参数α/ρ建模(其中α是弛豫长度的倒数,定义为将特定能量下的通量减少e倍所需的土壤厚度,ρ是土壤密度,单位为gm/cc)。对于表面分布,α/ρ为无穷大,而对于均匀(自然发射体)分布,α/ρ为0。在0.05到0.5范围内的α/ρ值被发现能够准确地描述真实的沉降分布,时间更久的沉降由更小的α/ρ值表示。

    α/ρ值与特定核素有关,存储在表中,该表可以由用户编辑以反映测量条件。

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    型号

    描述

    ISOPLUS-BW

    ISOTOPIC高级伽马射线废物测定分析软件

    ISOPLUS-GW

    ISOTOPIC的文档

    ISOPLUS-NW

    ISOTOPIC网络副本

    ISOPLUS-UW

    更新到ISOTOPIC

    ISOPLUS-2YW

    ISOTOPIC2年更新订阅

    ISOPLUS-3YW

    ISOTOPIC3年更新订阅

    ISOPLUS-4YW

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    ISOTOPIC5年更新订阅