基于塑料闪烁光纤阵列的水中氚探测器优化仿真研究及其在核安全监测中的应用

《Journal of Environmental Radioactivity》：Optimized simulation research of a plastic scintillation fiber array tritium detector in water

本刊推荐：为解决水中氚实时监测灵敏度不足（>103 Bq L?1）的行业难题，研究团队通过Geant4蒙特卡洛仿真优化塑料闪烁光纤（PSF）阵列探测器。创新采用六方密排阵列结构（间距0.3 mm/长度250 mm）与SiPM光电转换技术，结合2 cm铅屏蔽和低能信号滤波，使探测器最低可探测活度（MDA）降至10 Bq L?1，突破国内外标准限值（100 Bq L?1），为核电站水环境安全提供便携式解决方案。

　　

随着核能产业的快速发展，水中放射性核素氚的监测成为保障环境安全和公众健康的重要环节。氚作为氢的放射性同位素，其衰变释放的β射线最大能量仅18.6 keV，平均能量5.7 keV，这使得探测变得异常困难。目前主流的液体闪烁计数技术虽然灵敏度高，但存在样品制备繁琐、耗时长达数日、设备难以便携化等局限。而现有在线监测设备的探测灵敏度大多在10³-10⁶ Bq L^?1范围，无法满足中国《GB 6249-2011》和欧盟《2013/51/Euratom》标准规定的100 Bq L^?1限值要求。这一技术瓶颈使得核电站周边水体的实时安全监测存在严重隐患。

为解决这一难题，华中科技大学能源与动力工程学院程文宇等研究人员在《Journal of Environmental Radioactivity》上发表论文，提出了一种基于塑料闪烁光纤（PSF）阵列的优化探测器设计。该研究通过Geant4蒙特卡洛仿真平台，系统优化了探测器结构参数，创新性地采用六方密排阵列布局和硅光电倍增器（SiPM）技术，结合复合屏蔽方案，成功将探测器最低可探测活度（MDA）降低至10 Bq L^?1，实现了在600秒测量时间内达到监管标准要求的性能指标。

研究采用多学科交叉的技术方法：通过Geant4蒙特卡洛仿真建立粒子输运模型，结合ANSYS Fluent流体动力学分析验证水样注入可行性，采用参数扫描法优化PSF阵列结构（间距0.1-1 mm，长度50-500 mm，半径0.2-0.5 mm），并对比评估了光电倍增管（PMT）与硅光电倍增器（SiPM）的性能差异。背景抑制方面创新性地结合了2 cm铅屏蔽物理防护和低能信号滤波算法。

2.1. 探测器模型设计与优化

研究团队构建了包含1264根PSF的六方密排阵列模型，探测器腔室内径25 mm，采用聚四氟乙烯（PTFE）材料并设置0.9的内壁反射系数。通过系统仿真发现，当PSF间距为0.3 mm、半径0.5 mm、长度250 mm时，探测器达到最佳性能平衡。流体动力学模拟证实该间距能保证水样充分浸润阵列，同时0.3 mm间隙可有效避免气泡残留问题。

2.2. PSF参数对探测效率的影响

参数扫描结果表明：PSF半径从0.2 mm增大至0.5 mm时，探测效率呈现先增后减的趋势，在0.3 mm间距下达到峰值。光子传输模拟显示，250 mm长度使PSF自吸收与光电阴极（PCL）沉积的光子比例达到平衡状态。进一步增加长度会导致显著的自吸收效应，使探测能谱严重偏离氚衰变真实能谱。

光电转换器对比研究发现，SiPM的光子探测效率（PDE）达0.5，显著高于传统PMT的0.2。虽然SiPM的本底噪声略高，但其在1-5电子区的串扰率（3.3%）低于PMT（4.5%），结合更宽的动态范围，更有利于低能信号的提取。

1. 3.
   本底研究
   环境γ射线和宇宙缪子是主要干扰源。模拟显示，无屏蔽时γ射线贡献0.7 cps本底计数，缪子贡献0.01 cps。通过2 cm铅屏蔽可衰减90%的γ射线，结合低能区（1-5电子）信号滤波算法，可使总本底降至0.04 cps。值得注意的是，缪子虽穿透力强，但其信号主要集中在低能区，与氚信号有显著区分度。
2. 4.
   MDA计算与参数选择
   根据Currie公式计算表明：单个探测器经优化后可在600秒测量时间内达到500 Bq L^?1的MDA。采用3×3模块化阵列（PSF长度500 mm）时，MDA进一步降至10 Bq L^?1，较优化前提升两个数量级。这种模块化设计使探测器体积保持紧凑（样品体积0.242 L），同时通过倍增有效探测体积实现性能突破。
3. 5.
   结论与展望
   该研究证实了PSF阵列探测器用于水中氚实时监测的可行性。优化后的探测器在灵敏度、便携性和成本效益方面取得显著突破，其性能指标完全满足核安全监测要求。未来研究将聚焦于实际水样的化学猝灭校正、防污染工艺开发以及脉冲形状鉴别等算法的优化，推动该技术从实验室走向现场应用。

这项研究为核设施周边水环境安全监测提供了创新解决方案，其模块化设计理念和高灵敏度探测能力，在核应急响应和常规监测领域都具有重要应用前景。通过多物理场耦合仿真与实验验证相结合的方法，为低能β核素在线监测技术发展指明了新方向。