CN105917250A - 用于测量放射性物体中铍的量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量放射性物体(5)中铍的量的装置，其特征在于，该装置包括：中空圆筒，由能够使中子热能化的材料制成的部件(1)和能够使放射性物体的剂量率降低的金属部件(2)组成，所述中子由放射性物体发射，由能够使中子热能化的材料制成的部件具有一部分壁被去掉的中空圆筒形状，金属部件(2)包括实体部(2a)和凹陷部(2b)，实体部插入在对应于由能够使中子热能化的材料制成的部件被去掉的壁部分的空间中，凹陷部远离实体部延伸且安置在由能够使中子热能化的材料制成的部件的壁内，与由能够使中子热能化的材料制成的部件接触；伽马辐射源(4)，安置在金属部件的凹陷部的凹口中；以及至少一个中子检测器(3)，放置在由能够使中子热能化的材料制成的部件的主体中。

Description

用于测量放射性物体中铍的量的装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量放射性物体，尤其是含钚废料(déchetsplutonifères)中存在的铍的量的装置，该放射性物体以粉末形式容纳在容器中。

背景技术

铍是这样的金属：其溯源性在可能含有它的物体，并且尤其是放射性物体中是必需的。

迄今为止，已知用于测量物体中存在的铍的量的不同技术。

在这些技术中，放射化学分析方法通过一些技术来实施。在这些技术中，存在电感耦合等离子体质谱分析。该分析专用于气体样品。因此，对于液体，必须进行液体样品的蒸发。对于固体，则必须首先例如利用硝酸，使固体样品溶解以形成液体样品，并然后进行该液体样品的蒸发。在固体的情况下，还能够通过施加激光束使表面处的固体间或地蒸发。在任何情况下，一旦获得气体样品，该样品就通过放电而被转化成等离子体。从等离子体中提取离子，并通过质谱来确定它们的质量。

放射化学分析方法可通过其它已知的技术来实施，例如荧光法(铍从而与具有荧光性质的配体形成络合物)、激光诱导原子发射光谱法(在激发的作用下，发射可见光或紫外线辐射)、红外光谱法(将铍提取(extrait)为通过红外光谱仪测量其红外线发射的化学形式)等。

所有这些技术都是侵入性的并且需要对研究物体进行采样。对样品的该操作带来了样品的代表性问题。实际上，在待研究的物体是不均质的情况(废料容器，具有复杂形状且表面难以接触的物体的表面污染物)下，样品的测定结果不能代表物体中含有的铍的实际量。这是一个缺点。

此外，与进行测量的时间相比，实施放射化学分析方法的技术常常非常延迟地传送测量结果。获得测量结果的这种延迟也是一个缺点。

其它已知的技术基于以下核反应：

⁹Be+γ→⁸Be+n

伽马光子γ轰击铍(⁹Be)。具有足够能量的伽马光子与铍原子核相互作用产生光中子n。然后对所产生的光中子进行计数，并且由计数信息推导出铍的量。文件“Détermination of béryllium by use of photonuclear activation techniques”(A.Moussavi-Zarandi/Applied Radiation and Isotopes 66(2008),158-161页)公开了这类技术。含铍材料的样品被来自¹²⁴Sb源的光子辐射。对由该辐射产生的光中子进行计数，并由该中子计数确定样品中存在的铍的量。

这种技术的一个缺点是：它是侵入性的，并且它必须在小尺寸样品上进行。因此，关于所研究的物体中存在的铍的量的信息不能代表铍未均匀分布的大尺寸物体(例如具有大于1升的体积的物体)中的情况。此外，在物体是放射性的情况下，由于物体的放射性对测量的干扰而导致强的中子噪声，诸如由钚(Pu)的中子发射导致的噪声。

本发明的装置不具有上述缺点。

发明内容

实际上，本发明涉及一种用于测量放射性物体中铍的量的装置，所述装置包括：

中空圆筒，所述中空圆筒由能够使中子热能化的材料制成的部件和能够使所述放射性物体上的剂量率降低的金属部件组成，所述中子由所述放射性物体放射，所述由能够使中子热能化的材料制成的部件具有一部分壁被去掉的中空圆筒形状，所述金属部件包括实体部和凹陷部，所述实体部插入在对应于所述由能够使中子热能化的材料制成的部件被去掉的壁部分的空间中，所述凹陷部远离所述实体部延伸且安置在所述由能够使中子热能化的材料制成的部件的壁内，与所述由能够使中子热能化的材料制成的部件相接触；

伽马辐射源，所述伽马辐射源安置在所述金属部件的凹陷部的凹口中；以及

至少一个中子检测器，所述至少一个中子检测器放置在所述由能够使中子热能化的材料制成的部件的主体中。

根据本发明的进一步特征，所述中子检测器为氦3气量计。

根据本发明的另一进一步特征，所述伽马辐射源为点源。

根据本发明的又一进一步特征，在所述辐射源为点源的情况下，所述装置进一步包括能够使该源沿与所述中空圆筒的轴线基本平行的轴线移动的构件。

根据本发明的又一进一步特征，所述伽马辐射源为线源，所述线源连接到所述金属部件的凹陷部的凹口中并具有与所述中空圆筒的轴线基本平行的轴线。

根据本发明的又一进一步特征，所述装置包括能够使所述放射性物体旋转的构件。

根据本发明的又一进一步特征，所述伽马辐射源为¹²⁴Sb源。

根据本发明的又一进一步特征，所述中空圆筒为中空旋转圆筒。

根据本发明的又一进一步特征，在所述中空圆筒为中空旋转圆筒的情况下，多个中子检测器以与所述中空旋转圆筒的圆形横截面界定的圆的中心距离相等的方式均匀地分布在所述由能够使中子热能化的材料制成的部件中。

根据本发明的又一进一步特征，所述能够使中子热能化的材料为聚乙烯。

根据本发明的又一进一步特征，所述金属部件为铅部件。

根据本发明的又一进一步特征，在与所述圆筒的轴线垂直的横截平面中，在所述由能够使中子热能化的材料制成的部件中将所述金属部件与中子探测器分开的距离小于或等于5cm，并且，在所述由能够使中子热能化的材料制成的部件中将中子探测器与外表面分开的距离大于或等于2cm，所述外表面界定所述由能够使中子热能化的材料制成的部件。

根据本发明的又一进一步特征，所述将所述金属部件与中子探测器分开的距离小于或等于3cm，并且，所述将中子探测器与外表面分开的距离大致为2cm～4cm，所述外表面界定所述由能够使中子热能化的材料制成的部件。

根据本发明的装置被设计成最大限度地降低由物体的放射性造成的中子噪声所带来的干扰。

有利的是，本发明的装置还能够对在其内铍未均匀分布的大的物体中存在的铍的量进行确定和量化。

附图说明

通过参考附图阅读以下描述，本发明的进一步特征和优点将更加明显，在附图中：

图1A和图1B代表根据本发明的用于测量放射性物体中铍的量的装置的透视图和顶视图；

图2代表用于模拟根据本发明的装置的主要构成元件的简化结构的横截面图；

图3A和图3B代表根据本发明的用于测量放射性物体中铍的量的装置的改进的顶视图和纵向横截面图。

具体实施方式

图1A和图1B代表根据本发明的优选实施方式的用于测量放射性物体中铍的量的装置的透视图和顶视图。

本发明的装置包括：

中空圆筒块状物，该中空圆筒块状物由能够使放射性物体所发射的中子热能化的材料的部件1和能够使所述放射性物体上的剂量率降低的金属部件2组成，所述金属部件2安置在该能够使中子热能化的材料的部件中，所述放射性物体5自身放置在所述中空圆筒块状物的中空区中；

伽马辐射源4，所述伽马辐射源4放置在金属部件2的中空部的凹口中，并且向待研究的物体发射伽马辐射；以及

至少一个中子检测器3，所述至少一个中子检测器3放置在由能够使中子热能化的材料制成的部件1的主体中。

根据本发明的优选实施方式，能够使中子热能化的材料为聚乙烯，金属部件为铅部件，并且中子检测器为氦3(³He)气量计。然而，根据本发明的其它实施方式：

能够使中子热能化的材料可以是石蜡或水或石墨等；

金属可以是除铅以外的金属；以及

中子检测器可以是除氦3(³He)气量计以外的仪表，例如，硼沉积气量计。

聚乙烯部件1具有一部分壁被去掉的中空圆筒形状。铅部件2包括实体部2a和凹陷部2b，该实体部2a插入在与聚乙烯部件1的被去掉的壁部分对应的空间中，该凹陷部2b远离该固体部延伸且安置在聚乙烯部件1的壁内，与该聚乙烯部件接触。伽马辐射源4安置在铅部件2的凹陷部的凹口中。至少一个中子检测器(图1B示出了11个检测器)放置在聚乙烯部件1的主体中。

铅部件2的功能是在中子检测器处限制剂量率。铅部件具有为此选择的厚度。对于氦3气量计，例如，剂量率限值为0.1mGy/h伽马。铅部件2也能够保护操作者免于伽马辐射源的辐射。还可预期的是：用于阻止靠近装置的屏蔽区和/或隔离区来用于这种保护。铅部件2的优点还在于(如果有必要的话)限制除铍以外的其它元素(例如聚乙烯中存在的氘)中的背景光中子产率。伽马辐射源4为点源或线源。当该源为点源时，本发明的装置优选包括能够保证其沿着圆筒的轴线移动的构件。当该源为线源时，例如通过使用放置在铅部件的凹口中的不锈钢管来将其连接到铅部件。优选地，线源比所研究的物体的高度更长(例如两倍长)。根据本发明的特定实施方式，本发明的装置还包括能够使所研究的物体绕中空圆筒的轴线旋转的构件。

在上述特定实施方式中，由于可移动的伽马辐射点源或伽马辐射线源的存在以及能够使所研究的物体旋转的构件的存在，根据本发明的装置能够均匀地辐照物体，从而最大限度地降低与物体中铍的分布相关的不确定性。

当使用多个检测器3(如图中所示)时，它们优选地均匀地布置在绕物体5在聚乙烯部件1的同一圆周上。

伽马辐射源优选为¹²⁴Sb源。有利的是，¹²⁴Sb源具有促进以下核反应的1691keV的主辐射：

⁹Be+γ→⁸Be+n。

此反应的触发阈值为1666keV，而不会激发所研究的物体中可能存在的、阈值远远大于该能级的其它元素。此核反应中发射的光中子因此具有约25keV(1691keV～1666keV)的能量。

中子检测器3对由此核反应产生的中子n进行计数。以本身已知的方式，对中子的计数通过校准乘以由数值模拟测量或计算的系数能够确定物体中存在的铍的量。

本发明的装置有利地能够使对光中子的检测优先于对所测量的物体同时发射的中子的检测。这使得信噪比能够很大幅度地提高，并从而很大幅度地提高无背景噪声的信号的统计准确度。

参与中子背景噪声的中子来自所发射的中子的平均能量为约2MeV的自发裂变，或者来自所发射的中子的平均能量大于1MeV，例如4.2MeV(在强阿尔法发射体(如²³⁸Pu、²⁴¹Am等)的存在下，⁹Be(α,n)的反应)的反应(α,n)。

通过合理地选择中子检测器在聚乙烯部件厚度中的位置来获得最佳信噪比性能。

图2代表用于模拟本发明的装置的主要构成元件的简化结构的横截面图。

用于模拟所选择的结构为金属粉末的球状物S，其半径为r且环绕有一系列的球形层，即：厚度e₀的铅层C₁、厚度e₁的第一聚乙烯层C₂、厚度e_H的氦3气体层C₃以及厚度e₂的第二聚乙烯层C₄。有利的是，图2中所示的结构能够对在本发明的装置中放置在氦3气量计前面和后面的聚乙烯层的厚度进行优化。球状物S的半径r等于4.3cm，并且氦3气体层的厚度e_H等于2.54cm。如前所述，铅层C₁具有为限制在检测器处的放射剂量率而选择的例如为1cm的厚度e₀。据认为，中子在金属粉末的球状物中均匀地发射。两个能谱被用于模拟，即，25keV的中子代表来自铍上的反应(γ,n)的光中子，以及对应于²⁴⁰Pu的自发裂变的中子的光谱(其组成显著不利的背景噪声源)。

下文中的表1示出了：基于厚度e₁和厚度e₂，由铍上的反应(γ,n)所发射的中子的检测效率的值。如本领域技术人员已知，具有给定能谱的中子检测效率被定义为所检测到的计数的数目与能谱中所发射的中子的数目之间的比值。

表1

表1的第一列由不同值的厚度e₁组成，并且第一行由不同值的厚度e₂组成。每个交叉点(e₁,e₂)与相应的检测效率值相关联。从表1可见，无论值e₁和值e₂如何，检测效率总高于15％，这是非常令人满意。还应注意的是，对于一组e₂值，在e₁增加时，检测效率经过最大值。这是由于两个拮抗作用：聚乙烯中的中子的减速(或热能化)，促进其被氦3检测；以及同一聚乙烯中的热能化的中子的吸收。此外，对于固定的e₁值，应注意的是，在e₂增加时，检测效率增加并然后达到渐近值。这是由于位于氦3后面的聚乙烯对于厚度e₂的最低值起着反射器的作用，此反射器在超过一定厚度时不再发挥作用，中子然后被吸收并且不再能返回到氦3仪表。

此外，下面的表2示出了：基于厚度e₁和厚度e₂，²⁴⁰Pu的自发裂变的中子的检测效率。厚度e₁也存在于该表的第一行中，而厚度e₂存在于第一列中，各个交叉点(e₁,e₂)给出了相关的检测效率值。

表2

应注意的是，对于一组厚度e₂，检测效率随着厚度e₁而增加，然而所研究的厚度e₁的变化范围(0～5cm)不能够观察到由光中子观察到的效率最大值(参照表1)。这是由于²⁴⁰Pu的自发裂变的中子的较高能量：随后，在大于5cm的厚度e₁下，获得了最佳检测效率。如果厚度e₁被设定，在厚度e₂增加时，先观察到检测效率增加以及随后饱和(参照表1)。

考虑到本发明的装置的良好的检测灵敏度，有利的是能够仅部分地牺牲光中子的检测效率并且能够有利于光中子的检测效率与自发裂变的中子的检测效率的比率。

下面的表3示出了表1和表2中给出的检测效率的比率。

该表的第一行中示出了厚度e₁，第一列中示出了厚度e₂。

各个交叉点(e₁,e₂)与检测效率的比值相关。

表3

从表3可见，对于最小厚度e₁和e₂，检测效率的比值R取最高值。此外，在这些情况(小的厚度e₁和e₂)下，光中子的检测效率还取最低值(参照表1)。因此，通过使比值R和光中子的检测效率的值的折衷来做出最佳厚度e₁和e₂的选择。

也应注意，在没有聚乙烯的情况下(这种情况未在表1～3中示出，并且其中的厚度e₁和厚度e₂均为零)，对可预期的铍量的测量来说，检测效率将变得太低(通常低于1％)。

通过非限制性的实例，在图1A和图1B示出的装置中，选择等于1.5cm的厚度e₁和等于3cm的厚度e₂。对于这个实例，该装置的其它尺寸为：

中空圆筒的高度H：30cm，

中空圆筒的内径d1：10.6cm，

安置成与聚乙烯部件接触的铅凹陷部件的壁厚：1cm，

线源的长度：25cm(该源在中空圆筒的中心处)，

中子检测器的直径D：2.54cm，

具有4巴压力的氦3气体填充的中子检测器的高度：25cm，

所研究的物体的高度：11cm(该物体在中空圆筒的中心处)。

本发明的结构能够实施用于测量铍的量的方法，该方法有利地是简单的并且使由所测量的物体的固有中子发射造成的噪声最小化，并且产生可靠且准确的结果。

在本身已知的方式中，利用本发明的装置实来测量铍的量的方法包括测量由放射性物体发射的固有中子噪声的步骤。这种测量是在没有辐射源的情况下进行。然后，从在辐射源的存在下测量的信号中减去固有噪声。如本领域技术人员所已知的，减去固有噪声在所测得的有用信号中引入统计上的不确定性。有利的是，这种不确定性通过本发明的装置而大大降低。

也有利的是，在没有伽马辐射源的情况下，本发明的装置能够进行被动中子计数。还能够测量物体中存在的钚量。在这种情况下，通常必须对中子重合度进行测量，以已知的方式从在阿尔法发射体的存在下由轻核(如铍或氧的原子核)上的反应(α,n)造成的背景噪声中分辨出在自发裂变反应期间由钚发射的有用信号。在本身已知的方式中，这种重合度测量需要存在至少两个中子检测器并且能够控制中子符合的处理电子器件。然后，聚乙烯准圆筒1完全被镉板6覆盖，以本身已知的方式限制在检测装置中的中子的使用寿命，并从而促进对中子重合度的分析(参见图3A和图3B)。尽管出于促进光中子检测的目的而对聚乙烯块1中的检测器3的布置进行的最优化损害了由放射性物体自发发射的中子的检测，但是有利地由放射性物体自发发射的中子的检测效率仍然(对于图1示出的装置，通常大于20％)足以对中子重合度进行分析。

Claims (13)

1.一种用于测量放射性物体(5)中铍的量的装置，其特征在于，所述装置包括：

中空圆筒，所述中空圆筒由能够使中子热能化的材料制成的部件(1)和能够使所述放射性物体上的剂量率降低的金属部件(2)组成，所述中子由所述放射性物体发射，所述由能够使中子热能化的材料制成的部件具有一部分壁被去掉的中空圆筒形状，所述金属部件(2)包括实体部(2a)和凹陷部(2b)，所述实体部(2a)插入在对应于所述由能够使中子热能化的材料制成的部件被去掉的壁部分的空间中，所述凹陷部(2b)远离所述实体部延伸且安置在所述由能够使中子热能化的材料制成的部件的壁内，与所述由能够使中子热能化的材料制成的部件相接触；

伽马辐射源(4)，所述伽马辐射源(4)安置在所述金属部件的凹陷部的凹口中；以及

至少一个中子检测器(3)，所述至少一个中子检测器(3)放置在所述由能够使中子热能化的材料制成的部件的主体中。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述中子检测器(3)为氦3气量计。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述伽马辐射源(4)为点源。

4.根据权利要求3所述的装置，所述装置进一步包括能够使该源(4)沿与所述中空圆筒的轴线基本平行的轴线移动的构件。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述伽马辐射源(4)为线源，所述线源连接到所述金属部件(2)的凹陷部的凹口中并具有与所述中空圆筒的轴线基本平行的轴线。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置包括能够使所述放射性物体旋转的构件。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述伽马辐射源(4)为¹²⁴Sb源。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述中空圆筒为中空旋转圆筒。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，多个中子检测器(3)以与所述中空旋转圆筒的圆形横截面界定的圆的中心距离相等的方式均匀地分布在所述由能够使中子热能化的材料制成的部件(1)中。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述能够使中子热能化的材料为聚乙烯。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述金属部件(2)为铅部件。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，在与所述圆筒的轴线垂直的横截平面中，在所述由能够使中子热能化的材料制成的部件中，所述金属部件(2)与中子探测器(3)分开的距离(e₁)小于或等于5cm；并且，在所述由能够使中子热能化的材料制成的部件中，中子探测器(3)与外表面分开的距离(e₂)大于或等于2cm，所述外表面界定所述由能够使中子热能化的材料制成的部件。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述金属部件(2)与中子检测器(3)分开的距离(e₁)小于或等于3cm；并且，所述中子检测器(3)与外表面分开的距离(e₂)大致为2cm～4cm，所述外表面界定所述由能够使中子热能化的材料制成的部件。