CN109580671A - 一种探测成像装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种探测成像装置，装置包括：射线源，用于发射射线，射线组成扇形射线区域，待测物体设于扇形射线区域内，以使射线穿过待测物体后被衰减生成衰减信号；探测系统，探测系统包括探测装置和处理装置，其中，探测装置，用于接收衰减信号，所述处理装置，用于对衰减信号进行处理得到待测物体的断层图像。由于射线的穿透能力强，且射线区域广等优势，有利于探测大直径的待测物体，同时通过大型探测器阵列和射线配合使用，以接收穿过待测物体的射线，通过对射线的衰减程度进行分析，重构成像，得到待测物体断层的图像，通过移动射线和探测器阵列完成对整个待测物体的扫描，简单方便。另一方面，本发明提供了一种探测成像方法。

Description

一种探测成像装置及方法
技术领域
本发明涉及探测成像技术领域，尤其涉及一种探测成像装置及方法。
背景技术
乏燃料的储存，特别是中间物的储存在核燃料循环中占据重要地位，中间储存不仅可减少后处理中所遇到的因放射性强而带来的一系列操作问题，而且在经济上也显得更为合理。当前的乏燃料贮存容器，主要包括金属容器和混凝土筒仓两大类。两者的设计、结构配置与特性虽大不相同，但作为乏燃料的中间贮存设备，都需要满足下列要求：1)提供足够的辐射屏蔽功能，使环境辐射剂量低于法定限值；2)提供足够的结构强度，以确保基本的吊运、操作或遭受可能的天然及人为意外事件情况下均能确保结构的安全并迅速恢复正常运转；3)提供良好的散热冷却机制，以导出乏燃料热量，并确保整体机构的温度低于限值，维护乏燃料的安全。因此，配合燃料的类型及核电厂特性，核废物储存容器必须符合环境安全、社会舆论与经济等各项评估。由于乏燃料储存桶在处置之前需要对核废物进行检测和分类，目前国内普遍研究的是对核废物桶进行伽玛扫描和伽玛层析扫描来检测乏燃料储存桶的放射性分布，对于乏燃料储存桶在运输、储存过程中的结构强度、安全性、完整性以及保持次临界状态的评估手段还较为落后，目前多数采用传感器等技术来进行检查，由于乏燃料储存桶内外层材料不同，且内部有间隙，该技术非常有限。
乏燃料储存桶是乏燃料处置之前的一种中间储存手段，为了增加乏燃料储存桶的结构强度及屏蔽强度，通常储存桶由水泥层、不锈钢层、树脂层等材料组成，因而乏燃料储存桶通常具有较大的直径，桶中存放着大量的核废料，且燃耗、出堆时间都不同，因此针对乏燃料储存桶的探测成像需要考虑诸多因素才能实现有效探测。随着全世界核能技术的快速发展，乏燃料日趋增多，乏燃料储存桶运输、储存过程中的管理也越来越重要，目前乏燃料储存、运输过程中的结构强度、安全性、完整性等评价手段还不够完善。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种探测成像装置及方法，尤其解决了对乏燃料储存桶的探测，以更好的评估乏燃料储存桶的性能。
(二)技术方案
一方面，本发明提供了一种探测成像装置，装置包括：射线源，用于发射射线，射线组成扇形射线区域，待测物体设于扇形射线区域内，以使射线穿过待测物体后被衰减生成衰减信号；探测系统，探测系统包括探测装置和处理装置，其中，探测装置，用于接收衰减信号，处理装置，用于对衰减信号进行处理得到待测物体的断层图像。
可选地，探测装置包括准直器以及探测器，其中，准直器用于对衰减信号进行准直，以使衰减信号垂直设于所述探测器。
可选地，探测器包括多个探测器单元，多个探测器单元之间进行无缝拼接。
可选地，探测器为半导体探测器阵列。
可选地，射线源发射的射线为X射线。
可选地，射线源的能量在4Mev～12Mev之间。
可选地，射线源与探测系统在同一水平面，且射线源与探测系统中心的连线通过待测物体的中心。
另一方面，本发明还提供了一种基于上述所述的探测成像装置的探测成像方法，方法包括：S1，将射线源与探测系统设于待测物体两侧，且射线源与探测系统中心的连线通过待测物体的中心；S2，开启射线源和探测系统，以使射线源生成射线，探测系统接收射线；S3，将射线源和探测系统同时绕乏燃料储存桶旋转，以实现对待测物体同一断层的探测，射线通过所述待测物体后被衰减生成衰减信号，探测系统接收衰减信号，并生成断层的图像；S4，将射线源和探测系统同时沿所述待测物体的轴向移动，以实现另一断层的探测。
可选地，射线源发射的射线为X射线。
可选地，射线源的能量在4Mev～12Mev之间。
(三)有益效果
本发明通过提供一种探测成像装置及方法，由于射线的穿透能力强，且射线区域广等优势，有利于探测大直径的待测物体，同时通过大型探测器阵列和射线配合使用，以接收穿过待测物体的射线，通过对射线的衰减程度进行分析，重构成像，得到待测物体断层的图像，通过移动射线和探测器阵列完成对整个待测物体的扫描，简单方便。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例中的探测成像装置示意图；
图2示意性示出了本公开实施例中的射线源的示意图；
图3示意性示出了本公开实施例中的探测系统的示意图；
图4示意性示出了本公开实施例中的探测成像装置的工作示意图；
图5示意性示出了本公开实施例中的探测成像方法步骤图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明第一方面提供了一种探测成像装置，参见图1，该装置包括：射线源，用于发射射线，射线组成扇形射线区域，待测物体设于扇形射线区域内，以使射线穿过待测物体后被衰减生成衰减信号；探测系统，探测系统包括探测装置和处理装置，其中，探测装置，用于接收衰减信号，处理装置，用于对衰减信号进行处理得到待测物体的断层图像。为了更好的说明本公开，接下来将以待测物体为乏燃料储存桶为例进行详细说明。
具体的，射线源，用于发射射线，射线组成扇形射线区域，乏燃料储存桶设于扇形射线区域内，以使射线穿过乏燃料储存桶后被衰减生成衰减信号。
由于在乏燃料桶涉及的过程中，鉴于安全性考虑，乏燃料储存桶内部机构复杂，乏燃料储存桶外部一般为多层设计，一般包括：水泥层、树脂层、不锈钢层等，因而，其等效钢厚度较大，对其进行探测成像时需要穿透能力较强的射线进行探测，快中子穿透能力较强，理论上是一个理想的选择，但由于乏燃料储存桶中存放物质的特殊性，快中子和热中子会引起桶内乏燃料产生核裂变反应，内部存放不同燃耗的乏燃料，获取断层成像衰减数据信号需要穿透能力较强的高能射线，因而针对乏燃料储存桶的成像的射线源选择X射线源，参见图2；而射线源能量的选择通常取决于乏燃料储存桶的直径，目前乏燃料储存桶的直径通常在2米到4米，因此射线源能量优选为4Mev到12Mev之间的能量。
该射线源发射的射线呈扇形发射，射线组成扇形射线区域，在对乏燃料储存桶进行探测时，该乏燃料储存桶完全处于射线组成的扇形射线区域，以更加完整的探测乏燃料储存桶，射线穿过乏燃料储存桶后被衰减生成衰减信号。
探测系统，参见图3，其为乏燃料储存桶探测成像装置的核心，该探测系统主要包括探测装置和处理装置两部分，其中，探测装置，用于接收衰减信号，处理装置，用于对衰减信号进行处理得到乏燃料储存桶的断层图像。
具体的，探测装置，用于接收射线穿过乏燃料储存桶后的衰减信号，该探测装置主要包括高精密准直器以及半导体探测器阵列，其中，高精密准直器用于对衰减信号进行准直，以使所述衰减信号垂直设于所述探测器，在探测成像技术中空间分辨率和密度分辨率是衡量检测性能的重要参数，由于高能X射线产生的散射干扰以及被测物乏燃料储存桶的内部结构复杂，利用高精密准直器可以较好地提高探测系统空间分辨能力，从而提高探测成像的质量。半导体探测器阵列，包括多个探测器单元，该多个探测器单元之间进行无缝拼接，以完全接收衰减信号，同时，采用多个探测器单元拼接的方式有利于收纳和运输，其前端配置高精密准直器，提高了信噪比。处理装置，利用数据重构算法对衰减信号进行处理得到乏燃料储存桶的断层图像。
被测物清晰探测成像需要射线源和探测系统的完美配合，参见图4，以实现被测物与探测系统的相对运动，乏燃料储存桶重量通常在2吨以上，其旋转或移动十分困难，因而，本发明中的射线源和探测系统分别位于乏燃料储存桶的同一直径上，并可同时绕乏燃料储存桶旋转或沿乏燃料储存桶的轴向上下运动，该探测扫描机构的设计是实现乏燃料储存桶有效探测的关键。因此在运用此装置对乏燃料储存桶进行扫描的过程中务必保持射线源和探测系统运动的一致性。乏燃料储存桶的探测成像有其特殊性，射线源、探测系统及其配合的一致性是实现清晰图像获取的前提，结合数据重构算法研究可以为乏燃料储存桶内部结构安全性、完整性等评价提供依据。
本发明另一方面还提供了一种利用上述探测成像装置的成像方法，参见图5，该方法包括：S1，将射线源与探测系统设于待测物体两侧，且所述射线源与所述探测系统中心的连线通过所述待测物体的中心；S2，开启射线源和探测系统，以使射线源产生射线，探测系统接收射线；S3，将射线源和探测系统同时绕待测物体旋转，以实现对待测物体同一断层的探测，射线通过乏燃料储存桶后被衰减生成衰减信号，探测系统接收衰减信号，并生成断层的图像；S4，将射线源和探测系统同时沿待测物体的轴向移动，以实现另一断层的探测。
具体的，S1，将射线源与探测系统设于待测物体两侧，且所述射线源与所述探测系统中心的连线通过所述待测物体的中心；
获取断层成像衰减数据信号需要穿透能力较强的高能射线，因而针对乏燃料储存桶的成像的射线源选择X射线源；而射线源能量的选择通常取决于乏燃料储存桶的直径，目前乏燃料储存桶的直径通常在2米到4米，因此射线源能量优选为4Mev到12Mev之间的能量。探测系统，其为乏燃料储存桶探测成像装置的核心，该探测系统主要包括探测装置和处理装置两部分，其中，探测装置，用于接收衰减信号，处理装置，用于对衰减信号进行处理得到乏燃料储存桶的断层图像。
将射线源和探测系统分别设于乏燃料储存桶同一直径的两端，在后续的移动过程中始终保持射线源和探测系统的中线连线通过被测物体的中心。
S2，开启射线源和探测系统，以使射线源产生射线，探测系统接收射线；
开启射线源和探测系统，一般等一定时间待射线源开始发射稳定射线时开始对探测过程进行记录，该射线源发射的射线呈扇形发射，射线组成扇形射线区域，在对乏燃料储存桶进行探测时，该乏燃料储存桶完全处于射线组成的扇形射线区域，以更加完整的探测乏燃料储存桶，射线穿过乏燃料储存桶后被衰减生成衰减信号。探测系统开始通过高精度准直器和半导体探测器阵列接收衰减信号，探测系统的处理装置通过数据重构算法处理衰减信号生成图像。
S3，将射线源和探测系统同时绕待测物体旋转，以实现对待测物体同一断层的探测，射线通过待测物体后被衰减生成衰减信号，探测系统接收衰减信号，并生成断层的图像；
将射线源和探测系统绕乏燃料储存桶旋转360度，以实现对乏燃料储存桶同一断层的探测，在旋转的过程中注意始终保持射线源和探测系统中心的连线通过乏燃料储存桶的中心，射线通过乏燃料储存桶后被衰减生成衰减信号，探测系统通过高精度准直器和半导体探测器阵列接收衰减信号，并通过数据重构算法处理衰减信号生成图像，在射线源和探测系统绕乏燃料储存桶旋转360度后完成对一层乏燃料储存桶的探测成像。
S4，将射线源和探测系统同时沿待测物体的轴向移动，以实现另一断层的探测。
完成对一层乏燃料储存桶的探测成像后需要对乏燃料储存桶的另一层进行探测成像扫描，因此此时可通过沿轴向移动射线源和探测系统的方式实现对乏燃料储存桶的另一层的扫描，依次方式对乏燃料储存桶逐层扫描成像，以生成整个乏燃料储存桶的扫描成像。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种探测成像装置，其特征在于，所述装置包括：
射线源，用于发射射线，所述射线组成扇形射线区域，待测物体设于所述扇形射线区域内，以使所述射线穿过所述待测物体后被衰减生成衰减信号；
探测系统，所述探测系统包括探测装置和处理装置，其中，所述探测装置，用于接收所述衰减信号，所述处理装置，用于对所述衰减信号进行处理得到所述待测物体的断层图像。
2.根据权利要求1所述的探测成像装置，其特征在于，所述探测装置包括准直器以及探测器，其中，准直器用于对所述衰减信号进行准直，以使所述衰减信号垂直设于所述探测器。
3.根据权利要求2所述的探测成像装置，其特征在于，所述探测器包括多个探测器单元，所述多个探测器单元之间进行无缝拼接。
4.根据权利要求3所述的探测成像装置，其特征在于，所述探测器为半导体探测器阵列。
5.根据权利要求1所述的探测成像装置，其特征在于，所述射线源发射的射线为X射线。
6.根据权利要求1或5所述的探测成像装置，其特征在于，所述射线源的能量在4Mev～12Mev之间。
7.根据权利要求1所述的探测成像装置，其特征在于，所述射线源与所述探测系统在同一水平面，且所述射线源与所述探测系统中心的连线通过所述待测物体的中心。
8.一种基于权利要求1～7中任意一项所述的探测成像装置的探测成像方法，其特征在于，所述方法包括：
S1，将所述射线源与所述探测系统设于待测物体两侧，且所述射线源与所述探测系统中心的连线通过所述待测物体的中心；
S2，开启所述射线源和探测系统，以使所述射线源生成射线，所述探测系统接收射线；
S3，将所述射线源和探测系统同时绕所述乏燃料储存桶旋转，以实现对所述待测物体同一断层的探测，所述射线通过所述待测物体后被衰减生成衰减信号，所述探测系统接收所述衰减信号，并生成所述断层的图像；
S4，将所述射线源和探测系统同时沿所述待测物体的轴向移动，以实现另一断层的探测。
9.根据权利要求8所述的探测成像方法，其特征在于，所述射线源发射的射线为X射线。
10.根据权利要求8或9所述的探测成像方法，其特征在于，所述射线源的能量在4Mev～12Mev之间。
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