CN102162857A - 一种中子产额检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中子产额检测方法及系统，该方法包括：接收中子发生器在预设电压下发生的中子轰击周围物体产生的特征伽马射线，周围物体中至少包括反馈物，并将其转换为电脉冲信号；将电脉冲信号进行模数转换，并存储转换后的数据；按照预设时间间隔，读取存储的转换后的数据，并依据反馈物的特征伽马射线能量分析出中子轰击反馈物产生的特征伽马射线计数；利用中子产额与反馈物的特征伽马计数的关系获得中子产额。本发明公开的中子产额检测方法，通过检测反馈物的特征伽马射线强度检测中子产额，无需增加新的设备仪器，方法简单，易于实现，整个检测过程中无需使用中子探测器，降低了设备的成本，提高了反应效果以及分析结果的稳定性。

Description

一种中子产额检测方法及系统

技术领域

本发明涉及煤质分析领域，尤其涉及一种中子产额检测方法及系统。

背景技术

脉冲中子煤质在线分析是煤质分析过程中较为常用的分析方法。该方法使用中子轰击煤流，中子碰撞到煤流中的核素就会发生反应，释放出各种能量的伽玛射线。因为被中子轰击到的核素不同，释放出的伽玛射线能量也会有差异。通过这些能量的差异判断出煤流中到底存在哪些核素，然后获知煤流中各核素所占的含量。进而获知煤炭的相关指标。中子发生器是该设备的中子源，它的中子产额具有可控性，能按照需要通过调节输入到中子发生器的电压控制中子的产额，不通电时就不会产生中子。只要能检测中子发生器的中子产额作为反馈，再通过调节中子发生器的电压就能起到控制中子产额的目的。所以需要一种检测中子管产额的变化方法。

目前在脉冲中子煤质在线分析设备中检测中子产额使用的是中子探测器。中子探测器在市面上都有成品出售。使用的比较多的有³He正比计数管，它是一种气体电离性计数管，用来探测热中子和超热中子。现有技术将探测器被布置在中子发生器的下方它们外围都被中子慢化层所包围，并且二者之间也用中子慢化物隔开，其具体安装结构如图1所示，包括中子发生器11、中子探测器12、探测器13、周围物体14，其中周围物体包括：屏蔽体141、中子反射层142、快、热中子调节层143、中子屏蔽层144、煤样145和中子慢化层146。

但是，³He探测器的价格昂贵，使用其作为检测中子发生器产额的方法成本较高，而且，³He探测器的探测效率较低，探测稳定性差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种中子产额检测方法及系统，以解决现有技术中采用中子探测器造成的成本高，效率低，稳定性能差的问题。其具体方案如下：

一种中子产额检测方法，包括：

接收中子发生器在预设电压下发生的中子轰击周围物体产生的特征伽马射线，所述周围物体中至少包括反馈物，并将其转换为电脉冲信号；

将所述电脉冲信号进行模数转换，并存储转换后的数据；

按照预设时间间隔，读取所述存储的转换后的数据，并依据所述反馈物的特征伽马射线能量分析出所述中子轰击所述反馈物产生的特征伽马射线计数；

利用中子产额与所述反馈物的特征伽马计数的关系获得中子产额。

优选的，还包括：调节所述中子发生器的电压以调节所述中子产额。

优选的，所述反馈物包括：铅、铜或镉中的任意一种。

优选的，所述将接收的伽马射线转换为电脉冲信号步骤后，将所述电脉冲信号进行模数转换的步骤前还包括：

将所述电脉冲信号进行放大。

优选的，所述利用中子产额与所述反馈物的伽马计数的关系获得中子产额的步骤包括：

计算所述预设时间间隔Δt内的反馈物特征伽马计数增量ΔY的比值，获得所述反馈物的伽马计数率；

利用所述反馈物的伽马计数率和中子产出率与反馈物伽马计数率的关系函数y＝bv+ε，其中y为中子产出率，b为比例系数，ε为误差，获得所述中子产出率；

依据所述中子产出率获得所述中子产额。

优选的，所述预设电压为中子发生器上次关机前的电压。

一种中子产额检测系统，包括：

中子发生器，用于在预设电压下发生中子；

周围物体，用于接收所述中子发生器发生的中子的轰击，产生伽马射线，所述周围物体中至少包括反馈物；

伽马射线探测器，用于检测所述中子轰击所述周围物体发出的特征伽马射线，并将其转换成电脉冲信号；

通过数据线与所述伽马射线探测器相连的多道分析器，用于将所述电脉冲信号进行模数转换，并存储转换后的数据；

通过数据接口与所述多道分析器相连的处理器，用于按照预设时间间隔，读取所述存储的转换后的数据，依据所述反馈物的特征伽马射线能量分析出所述中子轰击所述反馈物产生的特征伽马射线计数，并利用中子产额与所述反馈物的特征伽马计数的关系获得中子产额。

优选的，还包括：通过接口与所述伽马探测器相连，通过数据线与所述多道分析器相连的放大器，用于将所述电脉冲信号进行放大后传输至所述多道分析器。

如上述方案所述，本发明公开的中子产额检测方法，通过检测反馈物被中子轰击后产生的特征伽马射线强度检测中子产额，无需增加新的设备仪器，方法简单，易于实现，整个检测过程中无需使用中子探测器，降低了设备的成本。并且提高了反应效果以及分析结果的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中中子探测器的安装结构示意图；

图2为本发明实施例公开的中子产额检测方法的流程图；

图3为本发明实施例公开的中子产额检测系统的安装结构示意图；

图4为本发明实施例公开的中子产额检测系统的结构示意图。

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。

由于中子与物质中的各种元素的原子核作用，使原子核处于激发状态，这些激发态的寿命很短，即刻发射出特征伽玛射线。不同元素的原子核发出不同能量的特征伽玛射线，特征伽玛射线的强度与物质中该种元素的原子核的含量成正比，且与和物质反应的中子数成正比。也就是说中子产额相同的情况下，不改变反应物质的位置，只改变反应物质的数量，则反应物质的数量越多，中子与该物质反应产生的特征伽玛射线也就越多；如果在不改变反应物位置，且不改变反应物质数量的前提下，只改变中子的产额，那么中子产额越高，中子与反应物质进行反应产生的特征伽玛射线强度也就越高。由此可以看出当反应物质元素含量一定的情况下，特征伽玛射线的强度就与中子产额息息相关，也就是说中子产额与伽玛射线强度存在正比关系。即在不改变反应物位置，且不改变反应物数量的前提下，开启中子发生器，如果检测到的特征伽玛射线越多，则证明中子产额越高，检测到的特征伽玛射线越少，则证明中子产额越低。可以运用中子与特征伽玛射线关系特性来对中子管的中子产额进行检测，即通过测定某一特定反应物的特征伽玛射线强度来检测中子产额。要实现这种方法必须要考虑到以下几点：(a)该物质需具有一定的质量且质量形状要稳定(b)该物质与中子发生器与伽玛探测器的位置要固定。(c)该物质周围的其他物质位置形状也要相对稳定(d)煤流对其干扰不大。综上几点要求所述，可使用煤流中没有的物质作为中子产额反馈物，通过检测该反馈物的特征伽马射线强度来检测中子产额。具体的反馈物可以为铅、镉、铜等煤流中含量很少或不计入检测结果，并且反应截面比较大的物质。

本发明公开了一种中子产额检测方法，其具体实施过程如图2所示，包括：

步骤S21、接收中子发生器在预设电压下发生的中子轰击周围物体产生的特征伽马射线，周围物体中至少包括反馈物，并将其转换为电脉冲信号；

本步骤开始时需要将中子发生器的电压调节到预设值，例如调节到上次关机前的电压值，因为在电压相同的情况下，中子产额不会发生很大的偏差。把电压调整到上次检测结束时的数值，中子产额就能在开机时就基本接近需要的量，从而减少开机时调节的次数，缩短预备时间，使中子发生器更快的进入到正常工作状态。

这时中子发生器就会进入到工作状态产生中子。由于中子向四面八方密集发射，轰击周围物体，周围物体包括设备本身的慢化材料、反射材料、屏蔽材料，反馈物和需要检测的煤流，对中子反应起到慢化、屏蔽和反射的作用，此时会有一部分轰击到用于检测中子产额的反馈物上。本实施例中的反馈物为铅，因为在现有技术中，铅因为其良好的射线屏蔽和慢化效果，而被作为中子慢化层，屏蔽体，快、热中子调节层的重要成分而大量存在，因此不会引入新的物质的伽马射线，保证了检测过程的准确性。

这时通过伽玛射线探测器接收到中子轰击周围物体产生的伽玛射线，其中包括铅被中子撞击后产生出的特定能量的特征伽玛射线。

步骤S22、将电脉冲信号进行模数转换，并存储转换后的数据；

通过多道分析器对电脉冲信号进行模数转换，并将转换后的数据存储在自身的内存中，转换后的数据为特征伽马射线计数。

步骤S23、按照预设时间间隔，读取存储的转换后的数据，并依据反馈物的特征伽马射线能量分析出中子轰击所述反馈物产生的特征伽马射线计数；

处理器每隔预设时间间隔，读取多道分析器内存储的伽马射线计数，并依据铅的特征伽马射线能量，从读取的计数中分析出对应于中子轰击铅产生的特征伽马射线计数。

步骤S24、利用中子产额与反馈物的特征伽马计数的关系获得中子产额。

本步骤中，具体的过程为：

首先，计算所述预设时间间隔内Δt的反馈物伽马计数增量ΔY的比值，获得所述反馈物的伽马计数率v，即

然后将伽马计数率v带入到中子产出率与反馈物伽马计数率的关系函数y＝by+ε，其中y为中子产出率，b为比例系数，ε为误差，获得所述中子产出率；

最后根据中子产出率计算出中子产额。

其具体的过程可以按照现有技术中利用中子探测器检测到的中子产出率与中子产额的换算方法，进行计算。

本发明中，为了能够真实反应中子管的中子产出率，减少测量时的误差，在设备出厂前，可使用最小二乘法来对数据进行处理，具体做法是：调节中子管产额，取n次不同中子产额下的中子产额以及铅特征峰计数，则第i次(1≤i≤n)得到的中子产额测量值记作y_i，铅特征峰计数为v_i。通过最小二乘法可得：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-{\mathrm{bv}}_i)}^2\→\min$

当

即

时误差最小，解关于b的方程可知

$b=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i{y}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i^2}.$

就可以得到中子产出率与特征峰计数率的比例系数，每一台设备都具有固定的比例系数，后续处理过程中，只需要通过该函数就能清楚获知该设备中子发生器的中子产出率，实现中子探测器的功能。

进一步的，上述步骤还包括：

步骤S25、调节中子发生器的电压以调节中子产额。

进而达到稳定中子产额的目的。

更进一步的，步骤S21和步骤S22间还包括：

将所述电脉冲信号进行放大。

本步骤中将伽马射线转换的电脉冲信号进行放大，将放大后的电脉冲信号传输给多道分析器进行模数转换，从而使得信号强度较小的伽马射线能够更好的体现，提高了分析结果的准确度。

更进一步的，在获得中子产额后，还可以根据需要，以指定电压幅度为最小调节单位调节电压幅度，提高或减少中子产额，达到稳定中子产额的目的。

本发明实施例公开的中子产额检测方法，使用作为慢化层的铅作为反馈物，因为铅是屏蔽与慢化的重要材料，所以在现有的设备中基本上都有用到，只是设置的位置会有所差别，与该方法对应的检测系统的具体的安装结构如图3所示，包括中子发生器31、探测器32、周围物体33，其中周围物体包括：屏蔽体331、中子反射层332、快、热中子调节层333、中子屏蔽层334、煤样335和中子慢化层336，本实施例中的反馈物即为中子慢化层336中的铅。尽管如此，只要是铅被布置在中子管和探测器周围，满足前面提到的几点要求，那么它与中子反应产生的伽玛射线都能被利用起来，用作测量中子产额。通过检测铅被中子轰击后产生的特征伽马射线强度检测中子产额，无需增加新的设备仪器，方法简单，易于实现，整个检测过程中无需使用中子探测器，降低了设备的成本。并且，铅与中子发生器直接接触，能够更好的接收中子的轰击，提高了反应效果以及分析结果的稳定性。

另外本实施例并不限定借助设备屏蔽慢化中的铅作为反馈物，同样也可以采用人为的添加铅或新的物质，例如铜或镉作为反馈物，也能在一定程度上满足要求。

本发明同时公开了一种中子产额检测系统，其结构示意图如图4所示，包括：中子发生器41、周围物体42、反馈物33、伽马射线探测器44、多道分析器45和处理器46。

其中：中子发生器41用于在预设电压下发生中子，设置于中子发生器周围的周围物体42用于接收所述中子发生器41发生的中子的轰击，产生伽马射线，所述周围物体42中至少包括反馈物43；伽马射线探测器44用于检测所述中子轰击所述周围物体42发出的特征伽马射线，并将其转换成电脉冲信号；通过数据线与所述伽马射线探测器44相连的多道分析器45用于将所述电脉冲信号进行模数转换，并存储转换后的数据；通过数据接口与所述多道分析器45相连的处理器46，用于按照预设时间间隔，读取所述存储的转换后的数据，依据所述反馈物的特征伽马射线能量分析出所述中子轰击所述反馈物产生的特征伽马射线计数，并利用中子产额与所述反馈物的特征伽马计数的关系获得中子产额。

本实施例中，处理器46为计算机。其还可以为其他具有分析控制能力的设备，例如单片机。

进一步的，该系统还包括：通过接口与所述伽马探测器44相连，通过数据线与所述多道分析器45相连的放大器47，用于将所述电脉冲信号进行放大后传输至所述多道分析器45。

该系统的安装结构示意图如图3所示，该系统的具体工作过程为：

首先开启中子发生器，将中子发生器的电压调节到预设电压，即中子发生器上次关机前的电压，使得中子发生器的中子产额开机时就基本接近需要的量，从而减少开机时调节的次数，缩短预备时间，使中子发生器更快的进入到正常工作状态，产生中子，产生的中子轰击周围物体以及设置在周围物体中的反馈物产生特征伽马射线，伽马射线探测器检测产生的特征伽马射线，并将其转换为电脉冲信号，并且经放大器放大后，传输给多道分析器，多道分析器将接收的电脉冲信号进行A/D转换，将转换后的数据存储到自身的内存中，处理器每隔预设时间间隔读取多道分析器内存中的数据，即特征伽玛射线计数，并且根据反馈物的特征伽马射线能量分析出所述中子轰击所述反馈物产生的特征伽马射线计数，然后利用中子产额与所述反馈物的特征伽马计数的关系获得中子产额。

更进一步的，在获得中子产额后，可以根据需要，以指定电压幅度为最小调节单位调节电压幅度，提高或减少中子产额，达到稳定中子产额的目的。

当检测工作结束时，记录当前中子发生器的电压，以便于下次检测使用该值作为预设电压值，然后关闭中子发生器。

本系统较原有的检测系统，结构简单，易于实现，整个检测过程中无需使用中子探测器，降低了设备的成本。并且提高了反应效果以及分析结果的稳定性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种中子产额检测方法，其特征在于，包括：

接收中子发生器在预设电压下发生的中子轰击周围物体产生的特征伽马射线，所述周围物体中至少包括反馈物，并将其转换为电脉冲信号；

将所述电脉冲信号进行模数转换，并存储转换后的数据；

按照预设时间间隔，读取所述存储的转换后的数据，并依据所述反馈物的特征伽马射线能量分析出所述中子轰击所述反馈物产生的特征伽马射线计数；

利用中子产额与所述反馈物的特征伽马计数的关系获得中子产额。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：调节所述中子发生器的电压以调节所述中子产额。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述反馈物包括：铅、铜或镉中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将接收的伽马射线转换为电脉冲信号步骤后，将所述电脉冲信号进行模数转换的步骤前还包括：

将所述电脉冲信号进行放大。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用中子产额与所述反馈物的伽马计数的关系获得中子产额的步骤包括：

计算所述预设时间间隔Δt内的反馈物特征伽马计数增量ΔY的比值，获得所述反馈物的伽马计数率；

利用所述反馈物的伽马计数率和中子产出率与反馈物伽马计数率的关系函数y＝bv+ε，其中y为中子产出率，b为比例系数，ε为误差，获得所述中子产出率；

依据所述中子产出率获得所述中子产额。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预设电压为中子发生器上次关机前的电压。

7.一种中子产额检测系统，其特征在于，包括：

中子发生器，用于在预设电压下发生中子；

周围物体，用于接收所述中子发生器发生的中子的轰击，产生伽马射线，所述周围物体中至少包括反馈物；

伽马射线探测器，用于检测所述中子轰击所述周围物体发出的特征伽马射线，并将其转换成电脉冲信号；

通过数据线与所述伽马射线探测器相连的多道分析器，用于将所述电脉冲信号进行模数转换，并存储转换后的数据；

通过数据接口与所述多道分析器相连的处理器，用于按照预设时间间隔，读取所述存储的转换后的数据，依据所述反馈物的特征伽马射线能量分析出所述中子轰击所述反馈物产生的特征伽马射线计数，并利用中子产额与所述反馈物的特征伽马计数的关系获得中子产额。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：

通过接口与所述伽马探测器相连，通过数据线与所述多道分析器相连的放大器，用于将所述电脉冲信号进行放大后传输至所述多道分析器。

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