CN108241167A - 一种低能β放射性活度测量装置 - Google Patents

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吴学周
戴龙文
朱洪香
张念鹏
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Abstract

本发明涉及一种低能β放射性活度测量装置，包括量热计主体、控制器、测量仪表和计算机，所述的量热计主体包括分别设置在量热体两个空腔内的量热杯，量热杯内设有电加热器，在量热杯上均匀布置热电堆，所述量热杯外表面镀有用于提高热传导效率且耐腐蚀的金属材料镀层，所述电加热器和热电堆分别与控制器相连接，所述控制器连接测量仪表和计算机。本发明可采用零位法和电势法两种测量标定方法，进行电势和零位比对法测量，通过采用更好的恒温隔热设计，提高了量热杯的热传导效率，结合全新的电功率测量方法，提高了电功率测量的准确度。

Description

一种低能β放射性活度测量装置
技术领域
本发明涉及放射性活度的测量技术，具体涉及一种低能β放射性活度测量装置。
背景技术
量热计主要是依靠测量放射性衰变时放出的射线能量被物质部分或全部吸收后产生的热能来测量样品的放射性强度的。
W＝P·A·E， (1)
式中：W为吸收体每秒吸收的热量；
P为吸收体的吸收系数；
E为每次核衰变放出的能量；
A为放射性活度；
吸收体吸收热量，温度逐渐升高，又向周围散发热量。
W·dt＝m·c·dT+s·dg (2)
dg＝a·(T-T0)·dt (3)
式中：m，c，s分别为吸收体的质量、比热容量和表面积；
dT为dt时间内温度的变化；
dg为dt时间内吸收体单位表面积放出的热量；
a为吸收体放热系数。
当t→∞时，
T-T0＝W/(a·s) (4)
当t＝8.5/(as/mc)时，可以认为已经达到热平衡。
吸收体温度与周围介质温度之差和吸收体的热功率成正比，和吸收体的放热系数及表面积成反比，和吸收体质量及比热无关。
吸收体温度和周围介质温度之差用热电堆来测量。
热电堆产生的热电势e＝f·(T-T0)＝f·W/(a·s)
F为单位温差产生的热电势。
利用加热线圈给予吸收体一定的电功率W，再测量热电堆的热电势，可得到热功率与热电势的关系式。当测量放射性样品活度时，只要测量热平衡后的热电势，通过已得到的方程就可求出放射性样品的热功率W，从而据(1)式可求得活度为A＝W/(P·E)。
国外对量热计的研发比较早，欧美国家走在前列，我们国家发展相对较晚，对于靶件整体的放射性活度测量比较通用的方法是量热法和称重法。国际原子能委员会曾对两种方法做了比较，称重法测量的标准偏差是量热法的近10倍。
量热法在国外应用较多，美国最先研究使用量热法测量钚、铀靶件，量热杯的直径从2.5cm至28cm，高度从7.6cm至61cm，测量标准偏差在0.2％～1％之间。英国发展了系列高精密大样品钚量热计的平均偏差为0.35％。
我国在二十世纪六七十年代开始开展量热计的研制工作，最初依据苏联基准研究，中国计量院建立了量热法测量的β放射性活度基准。量热法测量放射性活度，扩展不确定度(k＝3)一般在3％。
现有技术中量热法测量放射性活度主要存在如下缺陷：
(1)在现有的技术中因量热计随着体积的增大，散热面积增大，达热平衡后与环境温差小，得到的测量电势小，测量精度会降低。且在测量过程中易因热电偶冷端温度变换而严重影响测量的准确性。
(2)因放射性样品释放的热量要经过测量杯被敷设的热电偶测量，目前测量杯主要材质是铝，在热量传递过程中会有少量的流失，从而降低准确度，而且铝的耐腐蚀性能差。
(3)量热计在测量过程中保持温度的恒定是非常关键的，目前主要是采用油浴、热水浴、空气槽等方法保持恒温环境，油浴、热水浴保温效果不错但是操作比较麻烦，空气槽操作简便但是很难隔绝空气的热传导，影响效率。
(4)量杯电功率测量的准确度直接影响量热计的准确度，目前测量方法很多，精度都不是很高，需要对测量方法进行进一步的优化。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种测量准确度高的低能β放射性活度测量装置。
本发明的技术方案如下：一种低能β放射性活度测量装置，包括量热计主体、控制器、测量仪表和计算机，其中，所述的量热计主体包括分别设置在量热体两个空腔内的量热杯，量热杯内设有电加热器，在量热杯上均匀布置热电堆，所述量热杯外表面镀有用于提高热传导效率且耐腐蚀的金属材料镀层，所述电加热器和热电堆分别与控制器相连接，所述控制器连接测量仪表和计算机。
进一步，如上所述的低能β放射性活度测量装置，其中，在所述量热体的外面设有三个不锈钢桶，不锈钢桶之间为真空环境，在量热体的底部设有聚乙烯绝缘体材料。
进一步，如上所述的低能β放射性活度测量装置，其中，所述的金属材料镀层为高纯金镀层。
进一步，如上所述的低能β放射性活度测量装置，其中，所述电加热器的加热线圈电阻串联有高准确度的标准电阻，通过测量标准电阻两端的电压值来准确的测量通过电加热器的电流。
进一步，如上所述的低能β放射性活度测量装置，其中，所述电加热器连接高稳定度直流稳压电源。
进一步，如上所述的低能β放射性活度测量装置，其中，所述的量热体两个空腔内的量热杯能够采用零位法和电势法两种测量标定方法，进行电势和零位比对测量。
本发明的有益效果如下：目前市面上的量热计测量范围都大于200mw，本发明提供的量热计量热范围广，覆盖了160-1650mw，电功率稳定性好于0.01％，并且大大的简化了操作，采用了电脑高度的集成化，直接可以显示测量结果。本发明的测量准确性大大提高，可采用零位法和电势法两种测量标定方法，进行电势和零位比对法测量，尤其是零位法，其标准偏差可达到小于0.15％，远优于目前其它同类型量热计不低于0.5％的偏差。本发明采用了更好的恒温隔热设计，减弱了外界温度波动的影响，提高了量热杯的热传导效率，并提高了电功率测量的准确度。在CARR堆使用本发明设计的量热计，经现场调试实验数据显示测量偏差最小达到7×10-4％左右，性能优越。
附图说明
图1为本发明的测量装置结构原理示意图；
图2为本发明的电功率测量热电偶接线图；
图3为本发明的量热杯热电偶结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提供的低能β放射性活度测量装置为一种量热计，由量热计主体、控制器、测量仪表、计算机构成一个全自动的测量装置。各部分的功能分别为：量热计主体：包括具有良好隔热的外壳、等效加热装置以及量热传感器等结构，完成热功率的等效测量。控制器：测量系统电气连接的中枢，控制电功率的施加、形成各电参数的测量。测量仪表：测量热量以及定标参数，包括稳压电源、数字多用表、数字纳伏计等。计算机：形成全自动的测量系统。
该量热计采用引入最新的电子计算机、材料及自动恒温控制等新技术，量热单元的恒温采用伺服控制动态恒温和绝热材料静态保温两种技术，提高了测量准确度。
如图1所示，本发明在量热计主体内设有两个量热杯1、2，量热杯内设有电加热器3，在量热杯上下均匀布置热电堆，约400多对热电偶，测量量热杯的温度及产生的热电势。电加热器3和热电堆分别与控制器4相连接，所述控制器4连接测量仪表6和计算机5。采用零位法和电势法两种测量标定方法，可进行电势和零位比对法测量。提高了测量的准确性，尤其是零位法，其标准偏差可达到小于0.15％。
●电势法：就是量热杯内加一定热功率，平衡后测量热电势，通过最小二乘法求得标定曲线。
W1＝a1+b1e+c1e2 (1)
式中W1为1杯的加热功率，a1，b1，c1，为常数，
e为修正后的对接电势e＝e′-eb
e′为测量电势，eb为本底电势
●零位法标定：在1杯加热功率为W1调节2杯的加热功率W2，使电势为零，通过最小二乘法求得标定曲线
在实际测量中，电势往往不能为零，则
本发明在量热杯外镀了一层高纯金，提高了热传导效率，减少了热量传递过程中流失，同时该材料性能稳定耐腐蚀，可以几乎全部反射外界的红外线干扰，确保放射性核素释放的衰变热尽可能的全部被热电偶测量到，提高了测量的准确度。
为了更好隔绝与外界空气的热传导效应，降低对本底电势不稳定的影响，该量热计采用最新的聚乙烯绝缘材料，在量热计主体底部设置聚乙烯绝缘体，与空气进行了很好的热隔绝。实践证明此措施使得测量标准误差减小了两个量级，取得了很好的效果，同时，在量热杯外面设置了三个不锈钢桶，用作减弱外界温度波动的影响，使得量热计除在恒温测量环境中。
为提高测量电功率测量的准确度，系统中全新设计了电功率测量方法：(a)采用准确度优于0.01％的标准电阻与加热电阻器串联，测量标准电阻两端的电压值从而高准确度地测量通过电加热器的电流；(b)在电加热器两端引线测量加在电加热器上的实际电压，从而减小引线压降引起的误差；(c)采用高稳定度直流稳压电源，减小电加热功率噪声，提高施加、测量功率的稳定性。通过上述技术手段，使得电功率的稳定性好于0.01％，测量的准确度也达到相应的水平。电功率测量热电偶接线方式如图2所示。
作为一种具体的实施例，量热体可以为一个铝质圆柱体，体内有两个空腔，每个空腔内有一个相同的量热杯，在圆柱体外面有三个不锈钢桶，不锈钢桶之间为真空环境，真空度1*10-5mm汞柱。聚乙烯绝缘体设置在量热体的下端，位于量热体与不锈钢桶之间。
量热杯1、2内设有加热线圈电阻3，加热线圈电阻通过测量电路8与连接头7连接，结构如图3所示，热电堆的热电偶是铜康铜制成，利用数字纳伏计通过智能控制器测量量热杯的对接电势，也可以测量2杯的电势，利用数字多用途表通过智能控制器测量加热电阻的电流和电压，从而求得其热功率。计算机作为一个处理终端，对数据进行处理和存储，并发出指令给智能控制器来控制仪表的测量，并接收测量数据。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种低能β放射性活度测量装置，包括量热计主体、控制器、测量仪表和计算机，其特征在于：所述的量热计主体包括分别设置在量热体两个空腔内的量热杯，量热杯内设有电加热器，在量热杯上均匀布置热电堆，所述量热杯外表面镀有用于提高热传导效率且耐腐蚀的金属材料镀层，所述电加热器和热电堆分别与控制器相连接，所述控制器连接测量仪表和计算机。
2.如权利要求1所述的低能β放射性活度测量装置，其特征在于：在所述量热体的外面设有三个不锈钢桶，不锈钢桶之间为真空环境，在量热体的底部设有聚乙烯绝缘体材料。
3.如权利要求1所述的低能β放射性活度测量装置，其特征在于：所述的金属材料镀层为高纯金镀层。
4.如权利要求1所述的低能β放射性活度测量装置，其特征在于：所述电加热器的加热线圈电阻串联有高准确度的标准电阻，通过测量标准电阻两端的电压值来准确的测量通过电加热器的电流。
5.如权利要求1或4所述的低能β放射性活度测量装置，其特征在于：所述电加热器连接高稳定度直流稳压电源。
6.如权利要求1所述的低能β放射性活度测量装置，其特征在于：所述的量热体两个空腔内的量热杯能够采用零位法和电势法两种测量标定方法，进行电势和零位比对测量。
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