CN108535300B - 一种内置式中子元素分析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内置式中子元素分析装置，由中子源项系统、样品检测系统、屏蔽防护系统以及能谱分析系统组成，利用中子源出射的中子对被测工业物料元素进行激发，产生的伽马射线利用探测器进行收集并进行分析，可获取工业物料成分信息，指导生产，屏蔽防护系统用于对环境和人体的剂量防护以及对于探测器的防护。本发明基于信扰比系统优化设计方法对内置式中子元素分析装置，以信扰比作为装置设计评价准则，提高系统装置整体信扰比，最终提高装置检测水平，更优化指导工业物料生产与使用，并且装置整体小型化，成本低，需求安装空间较小，安装便捷。
Description
技术领域
本发明涉及元素检测技术领域，具体涉及一种内置式中子元素分析装置。
背景技术
面向目前工业化需求，针对环境污染以及资源浪费等问题，需要掌握工业物料成分含量信息，从而实现工业物料的分类运用，优化指导生产。目前大部分工业物料工厂通过实验室化学检测手段对工业物料进行成分含量分析，检测方法包括ICP-MS、火焰原子光谱分析、离子色谱分析等。上述方法需要制样，检测分析时间长，无法获得实时的物料成分信息，并且检测样品通常利用抽样方法获取，人为因素影响较大。
与此同时，在测量分析领域中，PGNAA技术已经成为一项常规技术。它有其它分析技术所不具有的很多优点，包括高穿透性、非破坏性、在线原位测量、分析精度高等。基于其具备的特有优势，PGNAA技术近年来被广泛应用于社会安全、工业、环境、医药等各领域。PGNAA技术原理是利用中子轰击被测物料的靶核，通过热中子俘获、非弹性散射等反应在极短的时间内放出特征伽玛射线，通过探测特征伽玛射线和测量特征伽玛射线的强度即可定性和定量地识别大部分核素并分析其含量。
基于PGNAA技术的工业物料元素检测产品，例如ThermoFisher公司以及Sodern公司等生产的工业物料元素分析仪，已经应用于工业现场中。但是目前的产品均为跨皮带式，检测装置体积大，需要占据较大的安装空间，并且大体积装置结构材料较多，成本高。
因此，确有必要对现有技术及装置改进，从根本上解决现有技术及装置之不足。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种内置式中子元素分析装置，该装置体积较小，成本较低，安装便捷，并且核素测量精度较高。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种内置式中子元素分析装置，包括中子源项系统、样品检测系统、屏蔽防护系统以及能谱分析系统；所述中子源项系统包括中子发生器、中子发生器供电控制机箱，所述中子源项系统释放中子；所述样品检测系统包括样品、外桶、内桶以及伽马射线探测器，所述样品检测系统对中子激发出的特征伽马射线进行接收；所述能谱分析系统包括多道分析器和工业控制计算机，所述能谱分析系统对伽马射线能谱进行记录；所述屏蔽防护系统包括伽马射线屏蔽层、探测器防护层和环境防护层，所述屏蔽防护系统对中子以及伽马射线进行屏蔽。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
所述中子发生器供电控制机箱分别与工业控制计算机和中子发生器连接，为中子发生器供电；所述中子发生器放置在内桶上部，发射中子进行样品元素特征伽马射线的激发。
所述样品均匀排布在外桶中，所述伽马射线探测器放置于内桶底部，中子发生器释放的中子与样品发生辐射俘获反应，放出特征伽马射线，特征伽马射线进入伽马射线探测器并沉积，产生的信号被伽马射线探测器记录。
所述多道分析器与伽马射线探测器相连，用于特征伽马射线的转化存储与传输，所述工业控制计算机与多道分析器相连，用于处理多道分析器传输的数据。
所述伽马射线屏蔽层位于伽马射线探测器上方，用于屏蔽探测器防护层产生的伽马射线的干扰；所述探测器防护层位于伽马射线屏蔽层与中子发生器之间，用于屏蔽中子发生器产生的进入伽马射线探测器路径上的中子，防止伽马射线探测器被中子活化而产生大量的干扰噪声；所述环境防护层位于外桶四周及上方，对进入环境的中子进行吸收，保证环境及人体的剂量安全。
进一步的，所述中子发生器为D-T中子发生器产生中子能量为14MeV；所述伽马射线探测器为锗酸铋(BGO)探测器，晶体尺寸为直径101.6mm，高101.6mm。
进一步的，所述外桶高1300-1440mm，内径400-510mm，壁厚10-30mm，材料为聚乙烯；所述内桶高1300-1440mm，内径为130-160mm，壁厚20-30mm，材料为聚四氟乙烯；所述伽马射线屏蔽层厚度50-70mm，半径为140-150mm，材料为铋；所述探测器防护层厚度为530-730mm，半径为140-150mm，材料为含硼聚乙烯，碳化硼含量为10-20％；所述环境防护层厚度10-30mm，材料为含硼聚乙烯，碳化硼含量为10-20％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用内置式装置结构设计，将中子源及探测器放置于样品中心处，在检测过程中以样品作为中子屏蔽材料，通过中子吸收及中子散射作用减小中子进入环境的通量，从而减少装置中屏蔽防护结构材料的使用，降低结构材料产生的干扰噪声，相比于传统工业物料检测分析装置的跨皮带式结构，减小整体装置的安装面积，降低装置成本；
2、本发明的装置基于PGNAA技术对工业物料进行检测，在整体装置设计中同时考虑样品激发的有效信号以及周围结构材料与中子反应产生的干扰噪声，以信扰比为设计评价标准，最终通过材料的选择以及结构几何尺寸的设计，提高装置整体信扰比，并最终使装置测量水平提高；
3、本发明测量装置选择电可控中子发生器(D-T中子发生器)作为中子源代替同位素中子源，在外桶无料情况下关闭D-T中子发生器，使没有中子出射，保证工作人员及环境的剂量安全；
综上所述，本发明以信扰比为设计评价标准，基于信扰比系统装置优化设计方法对整体装置进行设计，提高了装置测量水平；并且通过内置式设计减小装置的体积及安装面积，降低成本。
附图说明
图1为本发明的剖面示意图。
附图标记如下：1-中子发生器供电控制机箱；2-工业控制计算机；3-内桶；4-被测样品；5-环境防护层；6-伽马射线探测器；7-多道分析器；8-外桶；9-伽马射线屏蔽层；10-探测器防护层；11-中子发生器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示的内置式中子元素分析装置，包括中子源项系统、样品检测系统、屏蔽防护系统以及能谱分析系统。中子源项系统包括中子发生器11、中子发生器供电控制机箱1，样品检测系统包括被测样品4、外桶8、内桶3以及伽马射线探测器6，能谱分析系统包括多道分析器7和工业控制计算机2，屏蔽防护系统包括伽马射线屏蔽层9、探测器防护层10和环境防护层5。
中子发生器11为D-T中子发生器，出射中子能量为14MeV，出射方向为4π方向，位于内桶3上方；中子发生器供电控制机箱1与中子发生器11连接，用于为中子发生器11供电，同时对中子发生器的中子产额进行调控。
外桶8高1440mm，内径510mm，壁厚10mm，材料为聚乙烯；所述内桶3高1440mm，内径为160mm，壁厚20mm，材料为聚四氟乙烯。内桶3使用聚四氟乙烯材料，规避含氢材料的使用，减少结构材料中氢元素产生的伽马射线对于样品产生的伽马射线信号的干扰。外桶8由于距伽马射线探测器6较远，产生的氢元素伽马射线干扰较低，故使用聚乙烯，保证装置整体的经济性。
伽马射线探测器6为锗酸铋(BGO)探测器，晶体直径101.6mm，高101.6mm，用于采集中子激发的特征伽马射线；多道分析器7与伽马射线探测器6相连，用于特征伽马射线的转化储存与传输；工业控制计算机2与多道分析器7相连，用于处理多道分析器7传输的数据。
伽马射线屏蔽层9位于伽马射线探测器6与探测器防护层10中间，厚度为50mm，材料为铋，用于屏蔽探测器防护层10产生的氢元素及硼元素伽马射线，减小周围结构材料产生的伽马射线对于有效信号的干扰，提高测量精度；探测器防护层10为含硼聚乙烯材质，碳化硼含量为20％；通过氢元素及硼元素对中子进行慢化吸收，减小进入探测器6的中子数量，从而减少探测器活化噪声的干扰，减小死时间；所述环境防护层5材质为含硼聚乙烯，碳化硼含量为20％，通过氢元素及硼元素对中子进行慢化吸收，减小中子对人体以及环境造成的损伤。
该装置的工作设计原理为：
中子发生器11位于内桶3中，以样品4作为中子屏蔽材料，减少环境防护层5的使用量，降低成本同时降低结构材料产生的伽马射线干扰。以信扰比作为评价标准，确定外桶8半径。
中子进入探测器6与探测器材料反应，产生的活化噪声会对装置信扰比产生影响，同时增加死时间，故在探测器6与中子发生器11之间设置含硼聚乙烯进行探测器中子防护。改变探测器防护层10厚度及中子发生器11位置同时会对信扰比产生影响，故需要通过控制变量确定中子发生器11最佳位置及探测器防护层10厚度。通过循环迭代的方式改变中子发生器11位置及探测器防护层10厚度，至信扰比相对变化量小于一定程度为止。以信扰比作为优化设计标准，中子源靶点距探测器上表面距离为900mm，探测器防护层10厚度为530mm。
含硼聚乙烯(探测器防护层)吸收中子后会产生大量氢元素以及硼元素的特征伽马射线，沉积在探测器中对结构噪声产生较大贡献，最终会影响整体装置的信扰比，影响装置测量精度。故在探测器6与含硼聚乙烯之间设置伽马射线屏蔽层9。基于对氢及硼元素特征伽马射线屏蔽效果，以屏蔽百分比为标准，以50mm铋作为伽马射线屏蔽层9。
装置整体高度初始设置足够高，在其他条件确定的情况下，为保证整体装置的经济性，以信扰比为设计准则，对装置整体高度进行优化，最终选择1440mm作为装置整体高度。
在外桶8四周上方设置环境防护层5，通过吸收散射中子，减小中子对于环境以及人体的影响。考虑中子吸收效果，选择碳化硼含量为20％的含硼聚乙烯作为环境防护层5材料，通过改变环境防护层5厚度，使距装置20cm处剂量低于25μSv/h。
该装置在具体实施时，锗酸铋(BGO)探测器6、D-T中子发生器11及其供电控制机箱1可以从生产厂商处购买，多道分析器7也可直接购买。
内置式中子元素分析装置对被测样品4进行检测，在外桶8内部布满被测样品4，通过US104串口线连接多道分析器7和工业控制计算机2，开启工业控制计算机2电源，并通过调节MAESTRO伽马能谱分析软件参数调控锗酸铋(BGO)探测器6电压，控制其工作状态。利用R232串口线连接中子发生器供电控制机箱1和工业控制计算机2，通过工业调节计算机2界面中子发生器软件界面参数，控制D-T中子发生器11发射产额稳定的中子束流。
中子穿过样品层，不断被慢化为热中子，样品元素与热中子发生俘获反应，与快中子发生非弹性散射反应。通过两种反应样品元素放出瞬发特征伽马射线，瞬发特征伽马射线被探测器6收集，信号通过多道分析器7送入工业控制计算机2被MAESTRO伽马能谱分析软件记录并形成伽马射线能谱。
在设定测量时间内获取样品伽马射线能谱，分析该伽马射线能谱，获得被测样品的元素成分含量信息，用于指导工业生产。完成样品检测后，按先后顺序调节中子发生器软件界面参数，使中子发生器11不再有中子产生。取出被测样品4，完成检测。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种内置式中子元素分析装置，其特征在于：包括中子源项系统、样品检测系统、屏蔽防护系统以及能谱分析系统；所述中子源项系统包括中子发生器、中子发生器供电控制机箱，所述中子源项系统释放中子；所述样品检测系统包括样品、外桶、内桶以及伽马射线探测器，所述样品检测系统对中子激发出的特征伽马射线进行接收；所述能谱分析系统包括多道分析器和工业控制计算机，所述能谱分析系统对伽马射线能谱进行记录；所述屏蔽防护系统包括伽马射线屏蔽层、探测器防护层和环境防护层，所述屏蔽防护系统对中子以及伽马射线进行屏蔽；
所述样品均匀排布在外桶中，所述伽马射线探测器放置于内桶底部，中子发生器释放的中子与样品发生辐射俘获反应，放出特征伽马射线，特征伽马射线进入伽马射线探测器并沉积，产生的信号被伽马射线探测器记录；
所述外桶高1300-1440mm，内径400-510mm，壁厚10-30mm，材料为聚乙烯；所述内桶高1300-1440mm，内径为130-160mm，壁厚20-30mm，材料为聚四氟乙烯；所述伽马射线屏蔽层厚度50-70mm，半径为140-150mm，材料为铋；所述探测器防护层厚度为530-730mm，半径为140-150mm，材料为含硼聚乙烯，碳化硼含量为10-20%；所述环境防护层厚度10-30mm，材料为含硼聚乙烯，碳化硼含量为10-20%；
中子发生器位于内桶中，以样品作为中子屏蔽材料，减少环境防护层的使用量，降低成本同时降低结构材料产生的伽马射线干扰；以信扰比作为评价标准，确定外桶半径；
中子进入伽马射线探测器与伽马射线探测器材料反应，产生的活化噪声会对装置信扰比产生影响，同时增加死时间，故在伽马射线探测器与中子发生器之间设置探测器防护层进行伽马射线探测器中子防护；改变探测器防护层厚度及中子发生器位置同时会对信扰比产生影响，故需要通过控制变量确定中子发生器最佳位置及探测器防护层厚度；通过循环迭代的方式改变中子发生器位置及探测器防护层厚度，至信扰比相对变化量小于一定程度为止；
探测器防护层吸收中子后会产生大量氢元素以及硼元素的特征伽马射线，沉积在伽马射线探测器中对结构噪声产生较大贡献，最终会影响整体装置的信扰比，影响装置测量精度；故在伽马射线探测器与探测器防护层之间设置伽马射线屏蔽层；
在外桶四周上方设置环境防护层，通过吸收散射中子，减小中子对于环境以及人体的影响。
2.根据权利要求1所述的内置式中子元素分析装置，其特征在于：所述中子发生器供电控制机箱分别与工业控制计算机和中子发生器连接，为中子发生器供电；所述中子发生器放置在内桶上部，发射中子进行样品元素特征伽马射线的激发。
3.根据权利要求1所述的内置式中子元素分析装置，其特征在于：所述多道分析器与伽马射线探测器相连，用于特征伽马射线的转化存储与传输，所述工业控制计算机与多道分析器相连，用于处理多道分析器传输的数据。
4.根据权利要求1所述的内置式中子元素分析装置，其特征在于：所述伽马射线屏蔽层位于伽马射线探测器上方，用于屏蔽探测器防护层产生的伽马射线的干扰；所述探测器防护层位于伽马射线屏蔽层与中子发生器之间，用于屏蔽中子发生器产生的进入伽马射线探测器路径上的中子，防止伽马射线探测器被中子活化而产生大量的干扰噪声；所述环境防护层位于外桶四周及上方，对进入环境的中子进行吸收，保证环境及人体的剂量安全。
5.根据权利要求1所述的内置式中子元素分析装置，其特征在于：所述中子发生器为D-T中子发生器产生中子能量为14MeV；所述伽马射线探测器为锗酸铋BGO探测器，晶体尺寸为直径101.6mm，高101.6mm。
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