18F气溶胶监测仪校准方法研究

孟令泽,陈禹轩,朱保吉,陈细林,罗明杰,来居翰,刘蕴韬,徐利军,夏 文,杜志宇,姚顺和,*

(1.中国原子能科学研究院,北京 102413;2.陕西卫峰核电子有限公司,陕西 西安 710199)

当前国际上装机容量最大的商用核反应堆构型是压水堆,其一回路的内容物为高压含硼水((300±20) ℃,约1.55 MPa),既用作慢化剂也用作冷却剂;超临界状态的内容物使得设备与部件整体处在高压环境下,形成反应堆冷却系统压力边界(RCPB)。作为介于核燃料元件包壳与反应堆安全壳之间的第二层安全屏障[1],RCPB处在高压高辐射的环境下,一旦出现破损,将使内部超临界态的冷却剂以蒸汽形态泄漏,导致内容物减少、容量因子降低,影响反应堆运行;在泄漏持续扩大、失控的情况下还可能诱发一回路结构受损与堆芯失水等严重安全事故[2]。因此,需要对RCPB的泄漏情况进行快响应、可定位的持续监测,以便运行维护人员及时采取措施。

这种持续监测可由安装于安全壳外的监测系统实现,如18F气溶胶监测仪能快速响应泄漏情况并定位泄漏位置,其监测结果也被作为判断RCPB泄漏情况的重要依据。为确保18F监测仪监测结果准确、实现计量溯源性,需要对其进行校准。本工作对国内生产的某型号18F监测仪开展计量校准方法研究,用制备的18F滤膜源、22Na及68Ge/68Ga点源进行仪器校准,并对活度响应结果进行不确定度评定。

1 18F气溶胶监测仪工作原理

RCPB内的冷却剂在流经堆芯实现慢化的过程中会生成18F,其净浓度产额与实时堆功率正相关;而在堆功率一定的前提下,泄漏到安全壳内空气中的18F浓度与泄漏率呈正比。这些18F会因其活泼的化学性质而以气溶胶形式存在,通过定量抽取安全壳内的气体并对其中滤出的18F气溶胶微粒进行活度测量,即可得到取样点附近空气中18F的活度浓度,再结合安全壳内的扩散模型和堆功率实时数据,可得到泄漏率[3-5]。

18F是一种正电子核素,半衰期为109.74 min,以96.86%的分支比进行β+衰变[6-7];放出的正电子会在物质中耗尽能量后湮灭,生成两个反向发射的511 keV γ光子。

18F监测仪通常使用γ-γ符合探测湮灭光子,对应探测器结构如图1a所示,两个相对的圆柱形NaI晶体分居样品上下两侧,气道位于探测器外。该类探测器常用的校准方法为制备与待测样品形态一致、类似气溶胶γ滤膜源的标准滤膜源,根据其活度与在仪器中的活度示数进行校准[8-9]。由于18F半衰期短,该方案只能在实验室进行,工作环境下的现场仪器校准尚无可行方案。

图1 两种放射性18F气溶胶活度监测仪结构示意图

本工作使用的18F监测仪为提高装置的测量灵敏度,采用高效率的β探测器产生门信号,对18F产生的511 keV湮灭γ进行甄别。探测器结构如图1b所示。样品气体由气道从上方送入,经过滤膜后由气道向后排出;放射性18F气溶胶颗粒会沉积在滤膜上表面的样品区域,形成圆形的待测样品;用于β测量的塑料闪烁体位于样品上方,用于γ测量的NaI晶体位于样品下方。

电子学分为β(PS)信号和γ(NaI)信号两个部分,在符合电路中使用β道作为γ道的开门信号,处理后的信号作为符合道输出;软件可以选择显示符合道或γ道的能谱,并给出输出能谱在511 keV位置的窗计数;在正常情况下,18F通过β+衰变放出的正电子被塑料闪烁体探测到,同时该正电子湮灭发出的511 keV γ射线被NaI探测到,二者输出的信号按上述方式完成符合,即认定为1次β+衰变的计数。通过软件能够获取符合道511 keV γ窗的计数,18F气溶胶监测仪活度测量计算公式如下:

(1)

其中:A为18F样品活度,Bq;n为计数率, s-1;nb为本底计数率,s-1;τd为测量死时间,s;η为18F监测仪的活度响应,s-1·Bq-1。

2 18F气溶胶监测仪校准方案

2.1 测量参数设置

探测器及配套测量软件由陕西卫峰核电子有限公司提供。软件设置每5 s输出1次符合道或γ道在511 keV γ窗位置的计数率(n),采用活时间测量模式;仪器计数稳定需要约10 min,每组连续读取5或10个数据,组间间隔至少5 min。其中γ道读数用于计算β效率,以探究不同正电子核素β探测效率的差异。监测仪的分辨时间(τR)在μs量级,理论活度测量范围为10～5×105Bq,其上限用于规避源活度大于1/2τR时偶然符合率过大引起的偏差[6];实际操作中活度大于2.5×105Bq即有较大误差。

2.2 18F标准滤膜源校准

制备一枚18F标准滤膜源用于监测仪的校准,分析单组测量数据的相对误差与主要工作量值下的测量重复性,并对测量结果进行不确定度评定。

理论上,标准源应使用监测仪所用的滤膜作为基底,制作塑封薄膜面源或开放滤膜源。但18F的短半衰期不支持薄膜源制备的晾干塑封流程,且监测仪的滤膜为玻璃纤维疏水材质,因此选择在滤膜基底上加放滤纸,通过点阵法滴液制作18F标准滤膜源,并维持开放源状态。

由于滤膜的疏水性,放射性成分将随溶液停留在滤纸附近,不易发生渗漏或其他原因的活度损失,还可以对比测量前后的本底以确认是否发生对仪器的放射性污染;而考虑到探测器结构中紧贴滤膜下方的金属气道网格造成的反散射效应以及溶液对滤纸的浸润,为解决疏水性而加入的滤纸对正电子反散射及探测器立体角等效率因子的影响可以忽略不计。

在制成18F标准滤膜源后,将其放入滤膜气流通过处的上表面中心。在考虑测量时间修正的前提下,利用18F的衰变实现源活度改变;借助软件的记录功能,于仪器量程内跨数量级地选取6个有代表性的活度值,获取不同活度下的计数率。在101～105Bq 5个数量级内共取6个活度,其中104Bq作为主要工作区域多取1个。

根据测量数据,可得到监测仪的活度响应、测量重复性等关键参数。其中,活度响应采用式(2)计算:

(2)

除活度响应外,为验证仪器本身在统计涨落影响下的测量稳定性及读数可靠性,还需计算测量重复性:选取使仪器示值在最灵敏量程上满刻度值3/4左右的活度值,并在该活度下连续测量20次,这一组数据的相对标准偏差即为仪器测量重复性。

2.3 长寿命正电子核素源校准

如前文所述,18F监测仪的实验室校准可以使用现制的滤膜源完成,但现场校准并没有可行的方案。比较可行的是使用长寿命正电子核素制作标准源,进行基于核素替代的现场校准。

长寿命正电子核素与18F在β射线能谱上的差异和其发射谱中γ成分引发的符合相加效应会改变待校准仪器对511 keV γ射线的活度响应[10]。为了明确核素替代对活度响应的影响,验证使用长寿命核素标准源代替18F标准滤膜源进行现场校准的可行性,需要使用其他可能的正电子核素制作标准点源,将其作为参考源用于监测仪的校准。

常见正电子核素的主要参数列于表1。由表1可知,22Na及68Ge/68Ga的射线种类与能量分布具有代表性,同时寿命较长。22Na的β能谱与18F近似,缺点是特征γ射线带来的符合相加效应会影响511 keV峰计数;而68Ge/68Ga的γ射线干扰较少(高能γ射线成分<4%),缺点是β能量偏高。

表1 常见正电子核素主要参数

由此,本工作选择正电子核素22Na及68Ge/68Ga标准源对18F标准滤膜源进行替代。对于各道效率的获取,符合道效率εc及γ道效率εγ通过直接测量获得,β道效率εβ由另两道数据根据式(3)计算:

εβ=εc/εγ

(3)

根据核素各道效率的数量关系,可以定性地判断β射线能量分布与特征γ射线发射率两种差异中哪一个对符合道计数率及仪器活度响应的变化起主导作用,并以此为长寿命替代源的核素选择提供依据;同时给出两种点源的活度响应并对其中较优者进行不确定度评定,以作为仪器后续使用过程中的校准参考。

需要注意,68Ga独立存在的半衰期较短,需要与母体68Ge以发生器形式同时存在于一个点源中,后者有较长的半衰期(T1/2,68Ge=271 d),级联衰变效应使得68Ge/68Ga发生器整体在表现出二者衰变发射谱的同时继承68Ge的长寿命特性。68Ge通过100%分支比的EC衰变生成68Ga,过程中不产生10 keV以上的X射线及任何能量的其他成分,对仪器的γ峰计数及符合计数没有影响。

3 实验

3.1 标准源制备与定值

18F滤膜源及68Ge/68Ga点源的制作过程中需要对放射性溶液进行称重,对小质量液体的称重统一使用差重法,所用标准电子天平型号为MCA-C,量程1 mg～220 g,分度值10 μg,最大测量允差10 μg。

1)18F标准滤膜源制备

18F标准滤膜源制备流程如下:(1) 制备18F放射性标准溶液;(2) 固定滤纸,并在滤纸上以点阵方式均匀滴入标准溶液;(3) 浸润并晾干;(4) 根据标准溶液的比活度值与制源用量,对源本身进行定值。

为确保滤膜源的稳定性、控制放射性溶液挥发程度,整个制备过程的环境温度控制在15～20 ℃,相对湿度控制在25%～35%。由于活度定值与校准测量两个步骤需要的源的活度浓度差距较大,采用将部分标准溶液稀释后定值、再使用余下标准溶液制作标准滤膜源的方案。

18F标准溶液为将活度约3.7×107Bq的18F-FDG溶于约2.5 mL NaCl溶液(浓度2.5 mg/g)中制成,再将0.101 95 g标准溶液(约100 μL)与0.992 80 g NaCl溶液(约1 mL)均匀混合,制成稀释液,计算可知溶液被稀释了约10.74倍。通过差重法称取0.961 31 g上述18F稀释液,使用TDCR液闪活度测量装置进行活度定值[11-12],得到稀释液活度浓度为2.86×105Bq/g,相对扩展不确定度U(k=2)为1.2%,参考时间2023年2月22日14:50。

将厚度0.4 mm、直径27 mm的圆形滤纸以粘贴的方式固定在滤膜上表面中心;取适量标准溶液于称量壶中,按点阵点样方式将其逐渐滴加到圆形滤纸上,以此制备18F标准滤膜源;考虑到溶液对滤纸的浸润,可以认为放射性有效面直径同为27 mm。制源所用标准溶液约为200 μL,差重法称量可知质量为0.201 56 g。18F标准滤膜源活度由制源用标准溶液质量、溶液稀释倍数及稀释液活度浓度计算得到,为6.17×105Bq,相对扩展不确定度U(k=2)为1.3%,参考时间为2023年2月22日14:50。

在约3 min的短暂晾干后,将制作好的标准滤膜源随探测器滤膜一同置于装置内等待测量。同时,为确认安装过程是否对仪器内部造成放射性污染,在测量前后短时间内对符合道及γ道本底能谱进行对比。

2)22Na与68Ge/68Ga标准点源制备

22Na与68Ge/68Ga标准点源制备流程如下:(1) 制备相应放射性标准溶液;(2) 固定塑料基底;(3) 在基底中央点滴放射性溶液;(4) 晾干并塑封;(5) 进行活度定值。由此制成的22Na与68Ge/68Ga点源厚度0.3 mm、直径27 mm,活性区为中心一点。

22Na点源在制作完成后使用HPGe-γ谱仪进行定值,得到源活度为3.49×104Bq,相对合成不确定度为0.87%。68Ge/68Ga点源采用TDCR方法得到标准溶液比活度,再根据制源所用的溶液量计算源活度[13-14],最终得到源活度为1.26×104Bq,相对合成不确定度为1.17%。两种点源的活度值修正至参考日期2023年2月21日,修正过程与半衰期数据造成的不确定度可忽略[15]。

3.2 18F标准滤膜源测量

首先,在未放入滤膜源的情况下进行本底测量,测量分为2组,共20次读数,测得本底为0。随后,对放入固定位置的18F滤膜源进行测量,如2.2节所述,选取6个活度代表点,每个活度点各测量5次。18F滤膜源在各活度代表点的符合道计数率如表2所列。

表2 监测仪对不同活度18F标准滤膜源的符合计数率

表2中相对标准偏差使用极差法估算,该法可用于计算相同条件下测量次数n≤10时测量数据的相对标准偏差,且在这一情况下的结果较传统贝塞尔标准差法[16]更符合统计需求。计算公式如下:

(4)

对于主要活度区间的重复性计算,选取的活度值为5.43×104Bq。结果显示,18F气溶胶监测仪在该活度下的测量重复性为0.74%,满足实际测量要求。对开放源测量前后的放射性沾染验证表明,符合本底平均计数保持0计数、γ全谱本底平均计数不变且没有出现可见峰,可以认为在开放源前提下没有发生活度损失与仪器污染。

3.3 22Na与68Ge/68Ga标准点源测量

将22Na点源及68Ge/68Ga点源分别放置在样品位置,在取符合道及γ道511 keV γ窗计数的情况下各进行3组读数,每组10次,共测量30次,数据处理结果如表3所列。表3中所有数据单组相对标准偏差不超过1%,测量数据有效。

表3 监测仪对22Na及68Ge/68Ga标准点源计数率

4 测量结果分析与不确定度评定

4.1 18F标准滤膜源测量结果

如2.1节所述,所有测得计数率为能谱在511 keV γ窗的计数。对表2中测量所得标准滤膜源活度与监测仪符合净计数率进行线性拟合,得到计数率对源活度响应值η;根据本底为0的测量结果,要求曲线通过坐标原点。拟合曲线如图2所示。

图2 监测仪计数率对标准源的活度响应曲线

由图2可知,该仪器计数率对活度的响应值η=3.14×10-3s-1·Bq-1,线性相关系数R2=0.998 0。前述的γ-γ符合法18F监测仪活度响应也在10-3s-1·Bq-1量级[8],二者差距并不明显,证明该设计是合理的,但没有有效利用β探测器的高探测效率。

仍使用这6个活度数据对由拟合曲线得到的活度响应值进行验证,将由计数率和活度响应计算得到的拟合活度与标准源经衰变修正得到的实际活度进行对比,以实现对拟合结果的检验[17],结果如表4所列。由表4可见,拟合结果的相对偏差在10%以内,符合厂家对仪器的设计预期要求。

表4 效率曲线拟合偏差

4.2 18F标准滤膜源活度响应不确定度评定

由于数据处理过程中使用了最小二乘法进行线性拟合,18F气溶胶监测仪计数率对标准源的活度响应由式(2)变为式(5):

(5)

该数学关系包含了测量中的所有已知量,为仪器活度响应的测量模型。根据该模型与标准文件中的示例[13,18],η的不确定度包括监测仪示值的不确定度、源活度的不确定度、线性拟合过程引入的不确定度。

1) 监测仪示值不确定度包括:活度测量过程的计数率统计涨落引入的不确定度,由测量数据中的计数率计算;仪器在计数过程中进行死时间修正引入的不确定度,根据死时间修正公式计算。

2) 源活度不确定度包括:标准源活度定值过程中引入的不确定度,根据制源过程中所用计量器具与绝对测量仪器本身的不确定度计算;由于源活性区直径较小、面积小于探测器灵敏体积截面积,且该仪器仅关注源的总活度,因此面源均匀性导致的不确定度可以忽略。

3) 线性拟合过程引入的不确定度:根据《计量技术规范测量不确定度评定与表示》(JJF 1059.1—2012)[15]中推荐的算法,由测量数据及校准曲线计算。

不确定度分量及其数值如表5所列,根据表5可得相对合成不确定度uc=3.0%。

表5 监测仪对18F标准滤膜源活度响应不确定度分量及结果

4.3 22Na与68Ge/68Ga标准点源测量结果与分析

如2.1节所述,所有测得计数率为能谱在511 keV γ窗的计数,其中符合道本底为0。根据γ道平均本底与符合道及γ道平均计数率,得到两个源的符合道效率εc与γ道效率εγ,并由式(3)计算β道效率εβ。

计算结果如表6所列,二者β发射率相近,没有经过分支比修正。由表6中的符合效率可知,22Na标准点源在监测仪的活度响应η22Na=2.00×10-3s-1·Bq-1,而68Ge/68Ga标准点源的活度响应η68Ga=1.09×10-2s-1·Bq-1。与18F标准滤膜源的活度响应(η18F=3.14×10-3s-1·Bq-1)相比,22Na的活度响应降低了36.3%,68Ge/68Ga的活度响应增加了247%。

表6 22Na与68Ge/68Ga标准点源测量的计算结果

理论上,分支比的差距会导致22Na的整体效率略高,22Na的符合相加效应会导致其γ计数减少并降低γ探测效率;68Ge/68Ga的高能量β会有更大概率穿过样品与塑料闪烁体之间的结构并进入β探测器的灵敏体积内,从而提升β探测效率,但也会改变正电子的湮灭位置分布并影响γ探测效率。

实际测量中,两种长寿命正电子核素之间的γ效率相对差距约12.5%,可见因22Na符合相加效应导致的511 keV γ效率改变的并不明显,且与β能谱的影响相互抵消。但二者β效率差距很大,68Ge/68Ga的β效率6倍于22Na,推测是塑料闪烁体与源之间的薄膜结构阻挡了22Na能量较低的正电子,而对68Ge/68Ga能量较高的正电子影响较小。

综上可知,影响该18F监测仪活度响应的主要是待测核素的正电子发射能谱。长寿命正电子核素中β能谱与18F最相似的是22Na,且22Na标准点源的活度响应数据偏差更小,长寿命替代源应选用22Na制作。在这一前提下,η22Na与η18F的差别将主要来自22Na的符合相加效应,在源活度测量中可以通过改变β效率进行β效率外推,以此获得具体的符合相加修正参数。

对于源形态的具体选择,文献[8]对常用的γ-γ符合类18F监测仪的研究结果表明:在活性区域直径不大于30 mm的情况下,点源和面源的活度响应差距并不明显;而超过这一直径,则活度区域面积越大响应越低。因此,本文没有关注源形式差异对监测结果的影响。但为了避免新的构型与测量方案带来的额外影响,最终的22Na替代源最好同样采用薄膜面源。

综上可知,22Na是最适合用于制作该类仪器所用长寿命替代标准源的正电子核素,其效率修正参数主要来自符合相加效应,具体的替代源形式建议使用面源;而68Ge/68Ga因其β能量过高难以进行相应修正,不推荐在该类仪器上作为替代源核素使用。

4.4 22Na活度响应不确定度评定

22Na点源(及不参与评定的68Ge/68Ga点源)的活度响应由式(2)计算,其不确定度[15,18]包括仪器示值部分和源相关的部分。

1) 仪器示值部分的不确定度包括测量过程的计数率统计涨落引入的不确定度和仪器在计数过程中死时间修正引入的不确定度。前者由测量数据中的计数率计算,后者根据死时间修正公式计算。

2) 源相关部分的不确定度包括标准源活度和几何位置偏差引入的不确定度。前者根据制源过程中所用计量器具与绝对测量仪器本身的不确定度计算,后者根据源在两计数道各组测量数据平均值的标准偏差计算。

具体不确定度分量及其数值如表7所列。根据表7可得,相对合成不确定度uc=3.4%。

表7 计数率对22Na标准点源活度响应不确定度分量及评定类别结果

5 结论

本工作通过制备18F标准滤膜源及长寿命正电子核素22Na与68Ge/68Ga标准点源,对放射性18F气溶胶监测仪进行校准;根据实验数据给出了滤膜源与替代源两种校准方法的活度响应,在分析数据相对误差、测量重复性等仪器参数的同时对活度响应的不确定度进行了评定。实验结果表明,18F标准滤膜源方案适用于该类使用β门信号γ甄别测量方案的18F监测仪的实验室校准要求,测得示值稳定可靠,扩展不确定度为6.0%,满足仪器校准的不确定度要求。22Na与18F的β能谱差异较小、引入的活度响应修正因素较少,可作为该类仪器现场校准的长寿命替代源核素,这种情况下替代源的效率修正参数主要受符合相加效应的影响。68Ge/68Ga与18F在β能谱上的差距较大,且该类型仪器对β能量差异敏感,因此不适合作为该类仪器的现场校准源核素。

β门信号γ甄别测量方案在β能量较高(68Ge/68Ga)情况下会随β效率的增加出现超过γ-γ符合方案的高活度响应,可以考虑优化探测器结构以增加β探测器的效率,并减少β探测器与样品间的阻隔结构以削弱其对β能量差异的敏感程度;发挥β探测器效率高的优势,使18F的β效率提升至与68Ge/68Ga接近的程度,由此提高仪器的活度响应与探测灵敏度。