CN102735701B

CN102735701B - 一种核部件多参数集成检测系统

Info

Publication number: CN102735701B
Application number: CN201210231196.6A
Authority: CN
Inventors: 魏彪; 冯鹏; 任勇
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2032-07-05
Also published as: CN102735701A

Abstract

一种核部件多参数集成检测系统，包括中子源、GDM、ADM和PC机，本系统利用高能量D-T中子源作为激励装置，基于其照射待测核部件后出射中子类型的不同，分别进行处理：对于直射中子，以透射成像的方式进行采集和处理，中子信号经中子转换屏转换为光信号，借助CCD成像组件，得到待测核部件内部核材料的投影分布，进而计算其几何特征；对于诱发中子，则按照中子信号出现的先后，通过高速数据采集卡将其转换为一系列的脉冲信号，以分块相关算法为基础，利用PC机计算待测核部件内部核材料的浓度、质量、反应性等属性。该系统能够同时获得未知核部件的几何分布特征与属性特征，从而有效提高检测的准确性。

Description

一种核部件多参数集成检测系统

技术领域

本发明属于核材料的探测技术领域，涉及同时获取核部件内部未知核材料属性及几何结构信息的多参数处理技术。

背景技术

如何有效地对待测核部件进行检测和分析，从而准确判断其内部所含核材料的种类、浓度、几何分布等信息，对于判断核材料是军用（核弹）或民用（核电站）至关重要。以美国橡树岭国家实验室J. T. Mihalczo等人为代表的研究人员提出了NMIS（核材料识别系统），该系统虽能在一定条件下实现对核材料浓度、反应性等属性的自动识别，但由于核查并非仅仅涉及技术层面，受政治因素的影响，核查现场通常极其复杂，干扰极多，且往往存在被检方故意的欺诈行为。因此，在无法明确待测核部件内部具体分布的条件下，NMIS检测结果的可信度将大打折扣。

基于此，设计一种既能够观测待测核部件内部具体分布、几何结构信息，又能够对核材料浓度、质量、反应性等属性指标进行判断的方法或技术，成为本发明关注的问题。

发明内容

本发明的目的在于通过主动式测量方法利用同一套设备实现对待测核部件内部核材料属性（浓度、质量、反应性等）以及几何结构（位置、大小、材质）等参数的同时测量。

本发明的目的通过以下手段实现：

一种核部件多参数集成检测系统，它包括中子源、核部件几何特征检测模块（GDM）、核部件属性检测模块（ADM）以及PC机，其中GDM通过光纤与PC机相连，ADM通过PCI总线与PC机相连，由中子源发出的中子照射待测核部件上，待测核部件置于中子源与GDM和ADM之间。

所述核部件几何特征检测模块（GDM）主要以成像的手段对待测核部件内部核材料的几何尺寸、摆布位置、材质进行探测和分析。其包括中子转换屏、平移反光系统、高速观察通道、测量成像通道和测量控制系统；所述中子转换屏设于中子源照射待测核部件后的出射中子路径上，将中子转换为光子信号。

所述平移反光系统设于中子转换屏后，进行高速观察通道与测量成像通道光路之间的切换。

所述高速观察通道设于平移反光系统的一种状态的出设光路上，对测量环境进行初步成像，观察待测核部件的摆放位置是否满足要求，各器件是否到位，以保证测量成像通道的正常工作。

所述测量成像通道设于平移反光系统的另一种状态的出射光路上，进行二次成像获得待测核部件内部结构的投影，并将该投影结果经由光纤传输至PC机实时显示和处理分析。

所述测量控制系统由PC机控制，并连接平移反光系统，控制平移反光系统进行状态切换。

所述核部件属性检测模块（ADM）是则基于直射中子与诱发中子速度的不同，其到达中子探测器时间相应也不同的原理，采用随机噪声分析法，通过多路探测器对诱发中子信号进行高速采集和分析，从而得到反映待测核部件内部核材料关键属性的浓度、质量、反应性等相关参数。其包括2路或4路诱发中子探测器、整形电路和高速数据采集卡，所述诱发中子探测器设于中子源照射待测核部件后的出射中子路径上，探测由待测核部件内部的核材料所释放的诱发中子信号，所述诱发中子探测器连接整形电路，使探测到的中子信号以电流的形式通过整形电路整形，表示为固定幅度和宽度的标准窄脉冲信号；整形电路连接高速数据采集卡，通过高速数据采集卡记录诱发中子信号被探测的时刻，并将其转换为一系列的0、1数据通过PCI总线送入PC机中，在PC机中通过分块相关法对上述数据进行自相关、互相关函数运算以及FFT运算，得到自功率谱密度函数、互功率谱密度函数以及功率谱密度比等标签，进而推算待测核部件内部核材料的浓度、质量、反应性等参数。

本发明所谓主动式测量是指需要一个外部激励源对待测部件施加激励信号，进而对激励后产生的物理现象或信号进行检测，此处激励源即为中子源。中子源采用D-T中子源，其释放的中子属于快中子，能量大于14MeV，中子通量大于1×10⁷nps。D-T中子源通过d+t

Figure 2012102311966100002DEST_PATH_IMAGE001

n+α反应释放出中子，每个中子伴随一个α粒子。通过对α粒子的探测，确定源中子出射的时间，作为后续ADM中子信号探测的时间基点。

此发明的有益效果是：

对核材料属性的准确测量是判断其军用还是民用的基本保障。然而，通常情况下核材料是以“黑盒子”的形式被探测，不仅黑盒子内部情况无从知晓，而且实际探测时被检方往往存在“作弊”行为，在黑盒子内部放置其他材料以干扰检测，从而得出错误结论。本发明基于透射中子成像能够以无损的方式探测待测核部件内部这一原理，设计几何探测模块用以检测待测核部件内部的结构、分布、位置以及材料材质等信息，在初步判断核部件内部组成的基础上结合属性探测模块对核材料进行检测，得出核材料浓度、质量、反应性等关键参数，从而有效避免“作弊”对检测结果带来的干扰，提高检测结果的可信度。

附图说明

图1 为核部件多参数集成检测系统组成框图；

图2 为GDM模块组成示意图。

具体实施方式

下面通过实例方式进一步阐述本发明，但并不因此将本发明限制在所描述的实施范例之内。

如图1所示为本系统的组成框图，系统基于主动式测量，其构成包括中子源、核部件几何特征检测模块（GDM）、核部件属性检测模块（ADM）以及PC机，其中GDM通过光纤与PC机相连，ADM通过PCI总线与PC机相连。

所述中子源为氘氚(D-T)中子源，能量为14.1MeV，中子通量为4×10⁷nps。D-T中子源呈管状，并安装了一个对位置敏感的α射线探测器，用以探测D-T中子源释放每一个中子的具体时刻。此探测器在后续ADM中被称为探测器1。

由D-T中子源所发出的中子照射待测核部件后，出射中子打在中子转换屏上，光子信号首先经高速观察通道进行采集和初成像，进而利用测量成像通道进行二次成像获得待测核部件内部结构的投影，并将该投影结果经由光纤传输至PC机实时显示和处理分析。

D-T中子源、待测核部件以及GDM按图1所示进行布置。其中GDM组成如图2所示：包括中子转换屏、平移反光系统、高速观察通道、测量成像通道、测量控制系统等5部分。

中子转换屏由32个对直射中子敏感的塑料闪烁体拼接而成，用以将直射中子转换为光信号。

平移反光系统由辐射防护窗（铅玻璃、有机玻璃）、电动移动平台与反射镜组成，用于实现高速观察通道与测量成像通道之间的切换。铅玻璃与有机玻璃置于中子转换屏与反射镜之间，共同组成辐射防护窗，以尽可能吸收透过的中子、g射线等。反射镜则与铅玻璃、有机玻璃的中心线保持45°夹角，以确保光线既能够折射进后续的CCD中，又适当延长光程，使伴随的干扰辐射尽量衰减。

为保证成像质量，减少成像器件被辐照的时间，首先利用高速观察通道对成像环境进行观测和分析，以确保中子探测器、待测核部件、D-T中子源三者之间的相对位置关系满足要求。中子成像属微光成像，本发明使用对光子极为敏感的电荷增强型CCD，即EMCCD作为成像器件，并配以制冷、抗辐照等手段设计了基于EMCCD的制冷型微光成像相机。

在PC主机端应用程序的交互控制管理下，通过PCI总线，相机所采集的图像数据实时传入PC机的内存并实时分析和显示当前状态；进而根据相关状态参量，利用测量控制系统，进行包括各模块相对位置、相机镜头焦距、曝光时间、增益、偏置、帧频、采集方式等一系列的操作，从而有效提高信噪比，实现微光条件下对成像环境的高速观测。

测量成像通道由定焦镜头与抗辐射背照式制冷型CCD高精度成像相机组成。经高速观察通道初步测量，确定探测环境、各部件相对位置以及相关测量状态均满足要求后，PC机发出进入测量成像通道的指令，通过控制平移反光系统的移动，实现两个通道之间的切换。定焦镜头用于使微弱光子聚焦，从而成像于CCD的靶面上。为保证最终的成像质量，本发明在如下几点上进行了特殊的设计：

1) 采用具有抗辐照能力高量子效率（峰值达85%）减薄背照式CCD传感器，使其满足实际应用环境和高灵敏度的要求。

2) 采用两极半导体制冷技术对CCD进行制冷，制冷温度小于-25℃，CCD暗电流大幅降低约200倍，结合长时间积分技术，系统实际灵敏度优于10^-6LUX。

3) 采用长时间积分技术，积分时间从20ms～3600s可调。

4) 结合图像传输和光纤通讯技术，系统控制信号和图像信号的传输采用全光纤实时传输，提高了系统的可靠性和抗干扰能力。

设置测量成像通道中抗辐射背照式制冷型CCD高精度成像相机的相关参数：曝光时间为3000s、制冷温度为-25℃、图像大小为1024×768、像素灰度为14bit，并结合去除背景、像素合并等处理技术，可使得最终所获得中子图像的信噪比达到75dB，满足测量要求。此时，可利用专业图像处理软件，对所摄取的待测核部件内部信息进行计算和分析，得出核部件内部结构、形状、尺寸、分布等参数，进而根据图像灰度分布的不同，可以初步推断内部材料的材质，从而为后续属性测量奠定基础。

D-T中子源、待测核部件以及ADM按图1所示进行布置。此时，需对D-T中子源沿外径R旋转90°，与ADM在同一条直线上，以保证测量的准确性。ADM由2路或4路诱发中子探测器，整形电路，高速数据采集卡等3部分组成。此处以2路诱发中子探测器为例进行说明，分别称为探测器2，探测器3，探测器1则为前已述的D-T中子源中α探测器。探测器2、3分别探测由待测核部件内部的核材料所释放的诱发中子信号，探测的中子信号以电流的形式通过整形电路，均表示固定幅度和宽度的标准窄脉冲信号。同样，探测器1所探测的α粒子信号亦表示为标准窄脉冲信号。设置高速数据采集卡的采样频率为f _s=1 GHz，得到所有中子脉冲沿时间轴的排列；该排列即为由“0”和“1”组成的中子脉冲序列，该序列按照中子脉冲出现的位置进行存储，没有脉冲的不存储；将采集后的数据包按给定长度BlockSize = 1024进行分块，计算每一块中子信号的自相关函数及互相关函数，并与前一块计算结果求和。设置采集块数阈值Th = 10000，总块数BL _max=1×10⁷，开始循环。当采集中子脉冲信号的块数达到Th的整数倍时，对求和所得自相关函数及互相关函数进行FFT变换，得到自功率谱密度函数及互功率谱密度函数，当采集块数达到BL _max时系统停止采集。依据随机噪声分析法，对自相关函数、互相关函数、自功率谱密度函数以及互功率密度函数可作进一步的处理，推算出核部件内部核材料的浓度、质量、反应性、瞬发中子衰减常数等参数。

本发明的使用方式如下：

首先进行几何结构测量：

待测核部件置于D-T中子源与GDM之间，固定三者之间的距离，检查D-T中子源与GDM各部分装置上电是否正常。打开D-T中子源，其释放的快中子信号直接照射在待测核部件上，与内部核材料发生相互作用后，透射中子穿过核部件，被中子转换屏所接收。中子转换屏基于所接收中子能量的不同，将其转换为相应不同强度的光子信号。由于中子与物质相互作用时遵循Lamber-Beer定律，即出射中子与入射中子能量之比反映了待测物质内部组成，因而经中子转换屏转换后的光子信号同样反映了待测物质的内部组成，如此，可利用CCD数字摄像机对光子信号进行采集，从而以图像的形式展示待测核部件的内部组成及其结构信息。

大部分中子信号经中子转换屏转换为光子后，仍有少部分中子信号会穿过中子转换屏成为辐射干扰，不仅会对CCD成像器件造成损伤，亦会影响成像质量，降低图像信噪比。因此，高速观察通道与测量成像通道安装了的由铅玻璃和有机玻璃制成的辐射防护镜，一方面可吸收透射的辐射干扰，避免其直接照射CCD成像器件，另一方面则可配合后端反射镜将入射光子信号折射后再进入后端CCD成像器件，保证成像质量。

由于中子成像处于辐射环境下，在保证成像质量的前提下，应尽量减少成像器件（尤其是测量成像通道中高精度相机）在辐射场内驻留的时间。因此利用高速观察通道，对测量环境进行初步成像，观察待测核部件的摆放位置是否满足要求，各器件是否到位等，以保证测量成像通道的正常工作。同时受中子转换屏效率的限制，转换后光子极微弱，为实现微光条件下的实时观测，需采用电子增强型CCD（EMCCD）以尽量提高信噪比，改善观测效果。该通道包括电动三可变镜头与基于EMCCD的制冷型微光成像相机，并通过光纤接口与PC机相连。通过PC机控制电动三可变镜头实现光圈、聚焦和变焦的电动调节，并实时将EMCCD相机所采集的图像传送至PC机显示，以判断各装置是否安装到位。到位后，利用PC控制平移反光系统切换至测量成像通道，开始对待测核部件内部核材料进行透射成像。

测量成像通道包括定焦镜头与抗辐射背照式制冷型CCD高精度成像相机。透射中子经中子转换屏转换为微弱光子信号后，其中仍含有g射线、中子等辐射，除采用辐射防护镜对其进行必要的隔离，同时选用具备抗辐射功能的CCD以进一步抑制辐射信号对成像器件的影响。进而选用具有高量子效率背照式的CCD及外加制冷、长时间积分等功能以提高信噪比，保证CCD获取图像的质量。

第二步进行属性测量：

ADM由2路或4路诱发中子探测器，整形电路，高速数据采集卡等3部分组成，待测核部件置于D-T中子源与ADM之间，诱发中子探测器与待测核部件相邻并紧贴在一起。利用2至4路诱发中子探测器对由待测核部件内部核材料所释放的诱发中子信号进行采集，采集到的中子信号以电流的形式通过整形电路后，所有的中子信号均表示固定幅度和宽度的标准窄脉冲信号。同样，对于D-T中子源所释放的中子信号则通过对α粒子的探测以确定其出射的时刻，并表示为标准窄脉冲信号。

进而利用高速数据采集卡对上述标准窄脉冲信号进行采集，得到中子源与被中子源激发的待测核部件所产生的诱发中子脉冲沿时间轴的排列；该排列即为由“0”和“1”组成的中子脉冲序列，出现中子的时刻表示为“1”，其余均表示为“0”，该序列按照中子脉冲出现的位置进行存储，没有脉冲的不存储；将采集后的数据包通过PCI总线送入PC机中，并按给定长度进行分块，计算每一块中子信号的相关函数及功率谱密度。在此基础上，推算整体的功率谱密度比、反应性、增殖因子等反映待测核材料关键属性的参数。

Claims

1.一种核部件多参数集成检测系统，其特征在于：本系统基于主动式测量法，它包括中子源、核部件几何特征检测模块（GDM）、核部件属性检测模块（ADM）以及PC机，其中核部件几何特征检测模块通过光纤与PC机相连，核部件属性检测模块通过PCI总线与PC机相连，待测核部件置于中子源与核部件几何特征检测模块和核部件属性检测模块之间；

所述核部件几何特征检测模块（GDM）包括中子转换屏、平移反光系统、高速观察通道、测量成像通道和测量控制系统；所述中子转换屏设于中子源照射待测核部件后的出射中子路径上，将中子转换为光子信号；

所述平移反光系统设于中子转换屏后，进行高速观察通道与测量成像通道光路之间的切换；

所述高速观察通道设于平移反光系统的一种状态的出射光路上，对测量环境进行初步成像，观察待测核部件的摆放位置是否满足要求，各器件是否到位，以保证测量成像通道的正常工作；

所述测量成像通道设于平移反光系统的另一种状态的出射光路上，进行二次成像获得待测核部件内部结构的投影，并将该投影结果经由光纤传输至PC机实时显示和处理分析；

所述测量控制系统由PC机控制，并连接平移反光系统，控制平移反光系统进行状态切换；

所述核部件属性检测模块（ADM）包括2路或4路诱发中子探测器、整形电路和高速数据采集卡，所述诱发中子探测器设于中子源照射待测核部件后的出射中子路径上，探测由待测核部件内部的核材料所释放的诱发中子信号，所述诱发中子探测器连接整形电路，使探测到的中子信号以电流的形式通过整形电路整形，表示为固定幅度和宽度的标准窄脉冲信号；整形电路连接高速数据采集卡，通过高速数据采集卡记录诱发中子信号被探测的时刻，并将其转换为一系列的0、1数据通过PCI总线送入PC机中，在PC机中通过分块相关法对上述数据进行自相关、互相关函数运算以及FFT运算，得到自功率谱密度函数、互功率谱密度函数以及功率谱密度比标签，进而推算待测核部件内部核材料的浓度、质量、反应性参数。

2.根据权利要求1所述的核部件多参数集成检测系统，其特征在于：所述中子源应为氘-氚(D-T)中子源，其能量在14MeV及其以上，中子通量为1×10⁷nps及其以上；所述D-T中子源安装了一个对位置敏感的α射线探测器，用以探测D-T中子源释放每一个中子的具体时刻。

3.根据权利要求1所述的核部件多参数集成检测系统，其特征在于：所述平移反光系统由辐射防护窗、电动移动平台与反射镜组成，辐射防护窗置于中子转换屏与反射镜之间，反射镜则与辐射防护窗的中心线保持45°夹角，以确保光线既能够折射进后续的通道的CCD中，又适当延长光程。

4.根据权利要求1所述的核部件多参数集成检测系统，其特征在于：所述高速观察通道包括电动三可变镜头和基于EMCCD的制冷型微光成像相机；所述电动三可变镜头设在经反射镜折射后的光路上，在反射镜之后，在EMCCD相机之前。

5.根据权利要求1所述的核部件多参数集成检测系统，其特征在于：所述测量成像通道包括定焦镜头和抗辐射背照式制冷型CCD高精度成像相机。

6.根据权利要求1所述的核部件多参数集成检测系统，其特征在于：所述中子转换屏由32个对直射中子敏感的塑料闪烁体拼接而成。

7.根据权利要求1所述的核部件多参数集成检测系统，其特征在于：所述PC机是利用主机端应用程序进行交互控制管理，通过PCI总线，相机所采集的图像数据实时传入PC机的内存并实时分析和显示当前状态。

8.根据权利要求1所述的核部件多参数集成检测系统，其特征在于：所述测量控制系统是根据PC机获得的相关状态参量，进行包括各模块相对位置、相机镜头焦距、曝光时间、增益、偏置、帧频、采集方式一系列的操作。