CN104793235B - 放射性废物探测系统探测器死时间自动调节装置 - Google Patents

Abstract

一种放射性废物测量系统内探测器死时间自动调节装置，包括装置主壳体、前盖、支撑架、屏蔽铅块组件、升降屏蔽铅块组件的升降系统，支撑架连接装置主壳体，用于将装置安装在探测器准直器前端，装置主壳体和前盖开设贯穿孔作为装置的射线准直窗口，装置的射线准直窗口与探测器准直器准直孔对准，以使进入探测器晶体的射线由装置准直口进入探测器准直孔；屏蔽铅块组件在升降系统的驱动下，抬升时遮挡住装置主壳体上的射线准直窗口，实现对透过射线的屏蔽，从而对死时间进行调节；当不需要进行死时间调节时，屏蔽铅块组件回落于射线准直窗口下方。该装置能够自动进行死时间调节，操作简单、结构紧凑，易于在放射性废物探测系统内安装。

Description

放射性废物探测系统探测器死时间自动调节装置

技术领域

本发明涉及放射性废物测量系统，更具体的说，涉及一种放射性废物探测系统探测器死时间自动调节装置。

背景技术

核电设施的迅速发展和核材料的大量使用会产生大量的低中放射性废物，这些废物在最终处置前需要对其放射性水平进行测量。利用辐射探测器扫描废物发出的伽马射线，从而确定废物内放射性核素种类与强度是较为理想的无损探测技术。

探测器对伽马射线的测量存在死时间。当进入探测器的射线强度太大时，存在前一个射线还未处理完而下一个射线已进入探测器晶体的情况，此时后进入的射线可能不被处理，即为死时间效应。对于高纯锗探测器，死时间是影响测量准确性的一个重要因素，死时间较大会造成测量到的计数发生损失，输出的计数率较实际值偏小。在探测器处于正常工作状态时，减少进入探测器晶体的射线数目，可将死时间降低并调整到合适的水平，其方法包括：增大探测器到样品的距离、减小探测器几何收集角度等。在实际测量中，测量距离很难随意改变，也无法随意更换准直器。为此，在准直器前加置一个对射线起到部分屏蔽作用的平板(如铅块)，能够减少进入探测器晶体的射线数量，这是一个理想的死时间调节方法。

目前进行中低放射性废物测量时，当发现探测器死时间参数较大时，可人为的在前端加置一层屏蔽板来降低死时间。由于是否要加置屏蔽板和加置屏蔽板厚度需要根据探测器实时的死时间参数来确定，这可能会造成操作人员在辐射环境中频繁操作，因此能够实现屏蔽板自动加载、卸载和控制屏蔽板加载数量的装置在实际应用中十分必要。目前的探测系统缺乏相关的设备。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种放射性废物测量系统内探测器死时间自动调节装置，该装置可根据探测器当前的死时间参数自动确定屏蔽铅块数量并抬升至规定位置，对进入探测器晶体的伽马射线进行遮挡和部分屏蔽，减少进入探测器晶体伽马射线的数量，来降低并调整探测器死时间的屏蔽装置，从而将死时间降低并调整到合适的水平，提高探测器对放射性测量的准确性。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种放射性废物测量系统内探测器死时间自动调节装置，包括装置主壳体、前盖、支撑架、屏蔽铅块组件、升降屏蔽铅块组件的升降系统。

其中，所述的支撑架用于探测器死时间自动调节装置在探测系统内的安装；支撑架分别由螺钉与装置主壳体连接，由螺栓与探测器平台连接；整个装置安装在探测器准直器前端。装置主壳体和前盖开设圆形贯穿孔，为装置的射线准直窗口；安装时，装置的射线准直窗口与探测器准直器的准直孔对准，通过该连接方式，进入探测器晶体的射线须由装置准直口进入探测器准直孔，所述屏蔽铅块组件在升降系统的驱动下，抬升时屏蔽铅块组件遮挡住装置主壳体上的射线准直窗口，实现对透过射线的屏蔽，从而对死时间进行调节；当不需要进行死时间调节时，屏蔽铅块组件回落于射线准直窗口下方。

所述升降系统包括凸轮组件、步进电机和一对传动齿轮。

在所述装置内部，步进电机安装在装置主壳体的电机槽内；凸轮组件固定在转轴上，转轴两端分别与两个轴承座连接，轴承座分别安装在主壳体背侧和装置前盖上；步进电机与凸轮组件之间由齿轮传动，其中小齿轮安装在电机转轴上，大齿轮安装在凸轮转轴上；当步进电机转动时，通过传动齿轮可带动凸轮组件缓慢转动。

所述的屏蔽铅块组件由铅块与铅块衬板组成，其中铅块由铆钉固定在衬板上；衬板两端卡在装置主壳体内的竖直滑槽内；屏蔽铅块组件下端与下方的凸轮组件接触；随着凸轮组件转动，屏蔽铅块组件被抬升或下落。

衬板为硬质铝合金材料，能防止在反复升降运动时与滑槽之间的快速磨损。

所述的凸轮组件由三个不同形状凸轮组成，依次装配在凸轮转轴上；当需要进行死时间调节时，凸轮旋转，突出端顶起屏蔽铅块组件，使其抬升并完全遮挡住装置壳体上的射线准直窗口，实现对透过射线的部分屏蔽；当不需要进行死时间调节时，凸轮转回零位置，凸轮在重力作用下回落于射线准直窗口下方。

所述的三个凸轮分别与三个屏蔽铅块组件配合，凸轮表面开设限位槽，屏蔽铅块组件下边框落入限位槽内，并可随着凸轮转动在限位槽内滑动。

所述的三个凸轮的突出部分具有不同的覆盖范围，以实现凸轮在不同转角时抬升起不同数量的屏蔽铅块组件；在零位置时，三个屏蔽铅块组件均处于最小半径的凸轮轮面上，未遮挡射线准直窗口；转过90°时，一个凸轮顶起一个屏蔽铅块组件并遮挡射线准直窗口，其它两个凸轮仍处于最小半径的凸轮轮面上；再转过90°(距零位置180°)时，又一个凸轮顶起第二个屏蔽铅块组件，第一个屏蔽铅块组件仍处于凸轮突出轮面上，此时两个屏蔽铅块组件遮挡射线准直窗口；继续再转过90°(距零位置270°)时，第三个屏蔽铅块组件被顶起，与其它两个处于突出轮面的屏蔽铅块组件一起，同时遮挡射线准直窗口。

所述的凸轮在零位置、90°、180°、270°的四个位置，可分别抬升0个、1个、2个、3个屏蔽铅块组件；再转过90度，即360度时，凸轮又回到零位置；对于单个铅块为10mm厚度时，以Cs-137核素发出的0.6615MeV的伽马射线为例，数量为1、2、3的铅块能将垂直射入的射线衰减至原来的32.9％、10.8％、3.5％，从而实现不同程度的死时间调节。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的探测器死时间调节装置能够根据控制指令，由步进电机驱动进行自动调节，不需要操作人员在辐射环境中手工操作，减少对人员的辐射照射。

2、本发明的探测器死时间调节装置仅通过控制步进电机转动数量来控制凸轮转角，就可实现1个、2个、3个屏蔽铅块组件的抬升及下落，具有3个不同程度的死时间调节功能。

3、本发明的探测器死时间调节装置调节动作简单、结构紧凑，易于在放射性废物探测系统内衔接和安装，不需要对原有装置进行零部件改动。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中装置在探测系统内的装配示意图；

图2为本发明中装置主壳体外观；

图3为本发明中装置前盖外观；

图4为本发明中装置主壳体内部结构示意图；

图5为本发明中零部件装配示意图；

图6为本发明中主壳体内部零部件装配示意图；

图7为本发明中凸轮组件结构示意图；

图8为本发明中一层屏蔽时凸轮运动位置示意图；

图9为本发明中两层屏蔽时凸轮运动位置示意图；

图10为本发明中三层屏蔽时凸轮运动位置示意图。

图中：

1为高纯锗探测器；2为铅准直器；3为死时间自动调节装置；4为装置支撑架；5为放射性废物桶；6为探测器平台；7为装置主壳体；8为装置射线准直窗口；9为轴承座；10为步进电机；11为装置前盖；12为屏蔽铅块组件滑槽；13为轴承座安装孔；14为电机安装槽；15为传动大齿轮；16为转轴；17为传动小齿轮；18为凸轮组件；19为铅块；20为铅块衬板；21为屏蔽铅块组件1；22为屏蔽铅块组件2；23为屏蔽铅块组件3；24为凸轮限位槽。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，在对放射性废物桶5进行测量时，利用高纯锗探测器1对放射性废物发出的伽马射线进行探测，探测器1测得的数据经过谱分析可以获得放射性废物中的放射性核素信息，经重建计算可以获得放射性核素的活度。为了消除环境本身对测量的影响，在探测器晶体外增加铅屏蔽和准直装置2。探测器1和铅准直器2固定在探测器平台6上，按照无损探测技术(如分段伽马扫描技术)的扫描方案，通过废物桶5转动和探测平台6的升降实现对废物桶5的扫描测量和放射性活度重建。如果废物桶5内放射性强度较大，容易发生多个伽马射线在很短的时间内进入探测器晶体，造成探测器1无法正确辨别和输出伽马射线的计数，即发生死时间效应。

本发明提供的探测器死时间调节装置3通过支撑架4安装在探测器平台6上，并置于准直器2的前端。在测量时，探测器1能实时输出的死时间参数，由控制软件对比设定的死时间阈值，可以确定是否需要进行死时间调节，以及调节幅度，向死时间调节装置3发送信号。

如图2、图3、图4所示，本发明提供的探测器死时间调节装置3包括主壳体7、前盖11、凸轮组件18、凸轮转轴16、凸轮转轴的轴承座13、步进电机10、一对传动齿轮(大齿轮15、小齿轮17)、屏蔽铅块组件21至23。其中如图5和图6所示，步进电机10安装在电机槽14内；凸轮组件18和传动齿轮15装配在凸轮转轴16上；转轴16两端与轴承座13连接；两个轴承座分别安装在装置主壳体7和前盖11上；凸轮转轴16与步进电机10之间由传动齿轮连接，其中大齿轮15安装在凸轮转轴16上，小齿轮17安装在步进电机10的转轴上；屏蔽铅块组件由铅块19和铅块衬板20组成，其中铅块19用铆钉固定在衬板20上；屏蔽铅块组件放置在凸轮组件18的上方，其中衬板20下端位于凸轮组件18的限位槽24内，衬板20两侧边卡于装置主壳体7内的屏蔽铅块组件滑槽12内；凸轮组件18通过转动，使屏蔽铅块组件抬升或下落；装置主壳体7和前盖11均开设两个贯穿圆孔，为射线准直窗口8，该准直窗口在安装时与探测器准直器2的准直孔对准。

如图7所示，本发明提供的凸轮组件18由三个不同形状凸轮组成，分别与三块屏蔽铅块组件21至23进行配合；随着凸轮组件18转动，凸轮的突出端会顶起屏蔽铅块组件，使其抬升并完全遮挡住射线准直窗口8，实现对透过准直口8的射线产生部分屏蔽作用；当凸轮组件18处于零位置，三块屏蔽铅块组件21至23均处于射线准直窗口8的下方，不起屏蔽作用；如图8所示，当凸轮组件18处于90°位置，其中一个凸轮会首先顶起屏蔽铅块组件23，此时一块铅块挡住射线准直窗口8；如图9所示，当凸轮组件18处于180°位置，又有一个凸轮再顶起屏蔽铅块组件22，此时两块铅块挡住射线准直窗口8；如图10所示，当凸轮组件18处于270°位置，第三个凸轮又顶起屏蔽铅块组件21，此时三块铅块挡住射线准直窗口8；当凸轮组件18继续转动90°，凸轮组件18将返回零位置，屏蔽铅块组件21至23受重力作用落回并处于射线准直窗口8下方。

在实际测量时，根据探测器1给出的死时间参数，确定是否需要进行死时间调节以及抬升的屏蔽铅块组件数量，然后相应地给步进电机10输入脉冲数，其脉冲数为：N＝90κ·n/Δθ，式中N为脉冲数；κ为大小齿轮的齿数比；n为需要抬升的屏蔽铅块组件数量，最多为3；Δθ为步进电机的步距角，单位为°。步进电机根据脉冲数进行转动，通过传动齿轮带动凸轮组件转动，并达到相应位置和抬升对应数量的屏蔽铅块组件。测量完毕后，步进电机继续转动，脉冲数为：N＝90κ·(4-n)/Δθ，将凸轮返回零位置。

增加屏蔽铅块组件后，能够减小进入探测器晶体的射线数量，从而将死时间降低并调整到合适的水平。由于探测器计数率较未增加屏蔽铅块组件时的计数发生改变，在重建中需要进行数据处理。具体如下：

未增加屏蔽铅块组件时探测器计数率为：

C₀＝α·A·ε

式中，C₀为未增加屏蔽铅块组件时探测器计数率，单位为1/s，α为探测的某种能量射线的分支比，A为放射性废物内放射性核素的活度，单位为Bq，ε为探测效率。

当增加屏蔽铅块组件后，由于透过射线准直窗口8和准直器2达到探测器1探测晶体的射线基本也垂直穿过屏蔽铅块组件，探测器计数率为：

C_n＝α·A·ε·e^-μ·n·h

式中，C_n为增加n块屏蔽铅块组件时探测器计数率，单位为1/s，μ为铅块对伽马射线的衰减系数，单位为1/cm，n为增加的屏蔽铅块组件数量，h为铅块厚度，单位为cm。

由此可知，增加屏蔽铅块组件与未加屏蔽铅块组件时，两者探测器计数率的关系为：

C_n＝C₀·e^-μ·n·h

因此，在增加屏蔽铅块组件后，通过上式对探测器计数进行修正获得C₀，该数据再用于放射性核素活度的重建计算。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种放射性废物探测系统探测器死时间自动调节装置，其特征在于，包括装置主壳体、前盖、支撑架、屏蔽铅块组件、升降屏蔽铅块组件的升降系统，所述支撑架连接装置主壳体，用于将装置安装在探测器准直器前端，装置主壳体和前盖开设贯穿孔作为装置的射线准直窗口，装置的射线准直窗口与探测器准直器的准直孔对准，以使进入探测器晶体的伽玛射线由装置准直口进入探测器准直孔；所述屏蔽铅块组件为三个，其在升降系统的驱动下，抬升时屏蔽铅块组件遮挡住装置主壳体上的射线准直窗口，实现对透过射线的屏蔽，从而对死时间进行调节；当不需要进行死时间调节时，屏蔽铅块组件回落于射线准直窗口下方。

2.根据权利要求1所述的放射性废物探测系统探测器死时间自动调节装置，其特征在于，所述升降系统包括凸轮组件、步进电机和一对传动齿轮，步进电机安装在装置主壳体的电机槽内；凸轮组件固定在转轴上，转轴两端分别与两个轴承座连接，轴承座分别安装在装置主壳体的背侧和装置的前盖上；步进电机与凸轮组件之间由一对传动齿轮传动，其中一小齿轮安装在电机转轴上，一大齿轮安装在凸轮转轴上；当步进电机转动时，通过传动齿轮带动凸轮组件缓慢转动。

3.根据权利要求2所述的放射性废物探测系统探测器死时间自动调节装置，其特征在于，所述凸轮组件主要由三个不同形状凸轮组成，依次装配在凸轮转轴上；当需要进行死时间调节时，凸轮旋转，突出端顶起屏蔽铅块组件，使其抬升并完全遮挡住装置壳体上的射线准直窗口，实现对透过射线的部分屏蔽；当不需要进行死时间调节时，凸轮转回零位置，凸轮在重力作用下回落于射线准直窗口下方。

4.根据权利要求3所述的放射性废物探测系统探测器死时间自动调节装置，其特征在于，所述屏蔽铅块组件主要由铅块与衬板组成，其中铅块固定在衬板上；衬板两端卡在装置主壳体内的竖直滑槽内；屏蔽铅块组件下端与下方的凸轮组件接触；随着凸轮组件转动，屏蔽铅块组件被抬升或下落。

5.根据权利要求4所述的放射性废物探测系统探测器死时间自动调节装置，其特征在于，所述衬板为硬质铝合金材料，能防止在反复升降运动时与滑槽之间的快速磨损。

6.根据权利要求4所述的放射性废物探测系统探测器死时间自动调节装置，其特征在于，所述屏蔽铅块组件为三个，与三个凸轮配合，凸轮表面开设限位槽，屏蔽铅块组件下边框落入限位槽内，并能随着凸轮转动在限位槽内滑动。

7.根据权利要求6所述的放射性废物探测系统探测器死时间自动调节装置，其特征在于，所述的三个凸轮的突出部分具有不同的覆盖范围，以实现凸轮在不同转角时抬升起不同数量的屏蔽铅块组件，从而实现不同数量的屏蔽铅块组件遮挡射线准直窗口。

8.根据权利要求7所述的放射性废物探测系统探测器死时间自动调节装置，其特征在于，所述凸轮在零位置、90°、180°、270°的四个位置，能够分别抬升0个、1个、2个、3个屏蔽铅块组件；再转过90度，即360度时，凸轮又回到零位置。

9.根据权利要求8所述的放射性废物探测系统探测器死时间自动调节装置，其特征在于，确定是否需要进行死时间调节以及抬升的屏蔽铅块组件数量，是根据探测器给出的死时间参数，然后相应地给步进电机输入脉冲数，其脉冲数为：，式中N为脉冲数；κ为大小齿轮的齿数比；n为需要抬升的屏蔽铅块组件数量，n≤3；Δθ为步进电机的步距角，单位为°，步进电机根据脉冲数进行转动，通过传动齿轮带动凸轮组件转动，并达到相应位置和抬升对应数量的屏蔽铅块组件，测量完毕后，步进电机继续转动，脉冲数为：，将凸轮返回零位置。

10.根据权利要求9所述的放射性废物探测系统探测器死时间自动调节装置，其特征在于，探测器在确定是否需要进行死时间调节以及抬升的屏蔽铅块组件数量时，需要对放射性核素活度进行重建计算和数据处理，具体如下：

未增加屏蔽铅块组件时探测器计数为：

式中，C ₀为未增加屏蔽铅块组件时探测器计数率，α为探测的某种能量射线的分支比，A为放射性废物内放射性核素的活度，ε为探测效率；

当增加屏蔽铅块组件后，由于透过射线准直窗口和准直器达到探测器探测晶体的射线垂直穿过屏蔽铅块组件，探测器计数率为：

式中，C _n 为增加n块屏蔽铅块组件时探测器计数率，μ为铅块对伽马射线的衰减系数，n为增加的屏蔽铅块组件数量，h为铅块厚度；

得到，增加屏蔽铅块组件与未加屏蔽铅块组件时，两者探测器计数的关系为：

在增加屏蔽铅块组件后，通过上式对探测器计数率进行修正获得C ₀，该数据再用于放射性核素活度的重建计算。