CN111307837B - 一种夹持于流道的放射物含量测量装置及模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种夹持于流道的放射物含量测量装置，步骤A：构建双探测器布置的X射线测量系统，利用均匀设计法布置试验点，采用X射线测量系统对试验点相应标准值的多元素混合标准溶液进行测量形成实验结果；步骤B：以试验点相应的标准值作为径向基函数网络模型的输出向量、以实验结果作为径向基函数网络模型的输入向量、从而构建径向基函数网络模型，步骤C：对径向基函数网络模型进行训练和验证；步骤D：若训练完成后的径向基函数网络模型的验证误差小于验证误差阈值，则进而采用训练完成后的径向基函数网络模型对未知含量的多元素混合标准溶液进行定量分析。

Description

一种夹持于流道的放射物含量测量装置及模型建立方法

技术领域

本发明涉及放射检测领域，具体一种夹持于流道的放射物含量测量装置和应用。

背景技术

临界安全是任何核活动的第一要素，是核工程建设的生命线，在燃料元件研制过程中，燃料化工转化通常都以含铀管道、容器中液体含量进行浓度控制。管道中铀含量的传统测量方法为，对管道中液体进行取样，然后在实验室内测定铀浓度。过程繁琐，又缺乏时效性，无法实现实时数据获取，这完全不能满足小批量、甚至工程建设的需求，需要采取实时监测的方式以给出及时、可靠的数据，以保障工艺生产的安全.

同时，核材料衡算是保障核材料安全、合理利用的首要原则。含铀化工工艺转化系统中，设备、管道、容器等较为复杂，铀物料的形态也较为多变，在生产过程中无法避免的会在工艺设备、管道中产生局部沉积或聚集。在可能出现铀物料沉积或聚集的管道设置探测点，能够准确、连续地检测物料的沉积量或聚集量。通过连续的物料聚集量或沉积量在线检测，能够明确物料的滞留量，也可以为核材料闭合衡算提供计算依据。

发明内容

为解决核临界安全和核材料物料衡算问题，本发明设计了一种夹持于流道的放射物含量测量装置，能够实现管道中含铀液体铀浓度的实时、在线测量。经专利查新，没有发现高浓度含铀液体中铀含量在线测量装置。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明的研发背景为：本申请是针对核燃料工艺管道中放射物含量测量的技术背景，所作出的研发，在核燃料工艺中，一般需要对U物质进行浓缩处理，一般是将UF6的产品转为酰酸铀，无论是UF6还是酰酸铀的生成过程中，都需要检测管道中的U的含量，避免由于管壁沉积导致U含量超标发生链式反应造成核安全事故。而传统的检测方法是取样法进行检测，即在目标管道处开孔，然后抽样后在化学实验室进行定量测定。该方法影响管道构造、反应速度慢。因此，本申请的构思在于采用反符合探测，在反符合探测时，由于对象的是管道，现有的反符合探测并未出现针对管道的设计构思，因此，需要根据实际情况从新设计反符合探测结构、以及其计算规则，从而适配管道这构造设计。

本发明的具体技术方案有：

一种夹持于流道的放射物含量测量装置，包括：呈半环状的反符合探测器A1、呈半环状的反符合探测器B1、呈半环状的主探测器A2、呈半环状的主探测器B2；

反符合探测器A1、反符合探测器B1对称对扣在一起后组成一个呈环形的反符合探测器组；

主探测器A2、主探测器B2对称对扣在一起后组成一个呈环形的主探测器组；

主探测器组的环内腔用于容纳含有放射物的流道；反符合探测器组套设在主探测器组的外圆周上。

反符合探测器A1、反符合探测器B1均包括：用于记录射线的碘化钠闪烁体和用于将碘化钠闪烁体光信号转化为弱脉冲信号的光电倍增管；

主探测器A2、主探测器B2均包括：用于记录射线的碘化钠闪烁体和用于将碘化钠闪烁体光信号转化为弱脉冲信号的光电倍增管。

还包括物质屏蔽体，反符合探测器组、主探测器组的组合结构设置于所述物质屏蔽体内。

所述主探测器组采用厚度25mm、内径85mm、长度100mm的环状主探测器组。

所述物质屏蔽体为纯物质屏蔽，上述反符合探测器组为反符合屏蔽探测器组。

还包括电子学系统，所述电子学系统包括：能谱数据处理单元、集成反符合电子学数据处理单元；

能谱数据处理单元包括：

对反符合探测器A1、反符合探测器B1的信号进行合一处理的信号合一处理单元X；

对主探测器A2、主探测器B2的信号进行合一处理的信号合一处理单元Y，

所述信号合一处理单元X的运算公式为：X＝M1*A1+N1*B1，所述信号合一处理单元Y的运算公式为：Y＝M2*A2+N2*B2，上述公式中，M1、N1、M2、N2表示权重，A1为反符合探测器A1输出脉冲的计数、B1为反符合探测器B1输出脉冲的计数，A2为主探测器A2输出脉冲的计数、B2为主探测器B2输出脉冲的计数；X为反符合探测器A1、反符合探测器B1信号合一后的计数X、Y为主探测器A2、主探测器B2信号合一后的计数Y；

能谱数据处理单元根据计数X、计数Y进行计数合一化处理，合一化处理后的计数为C，C＝I1*X+I2*Y，I1和I2分别为计数X、计数Y的权重，然后构建横坐标为能量、纵坐标为计数C的能谱图；

集成反符合电子学数据处理单元用于根据能谱图的计数率和浓度测量计算模型得到放射物的浓度含量。

在上述技术内容中，I1和I2、M1、N1、M2、N2根据应用对象、等外部环境其权重会出现变化。

所述放射物为U₂₃₅，上述特征能量为γ射线的185.715keV，上述能谱数据处理单元为γ谱仪。

对所述的一种夹持于流道的放射物含量测量装置的模型建立方法，包括以下步骤：

S1、通过放射物含量测量装置获得铀浓度为0mg/L下的γ射线计数率；

S2、依次将第一步的溶液更换铀含量分别为100mg/L、500mg/L、1000mg/L、2000mg/L、4000mg/L、8000mg/L、10000mg/L，并获取相应浓度下的γ射线计数率；

S3、分别以铀浓度值0mg/L、100mg/L、500mg/L、1000mg/L、2000mg/L、4000mg/L、8000mg/L、10000mg/L为横坐标，以相应情况下的γ射线计数率为纵坐标，画出浓度和γ射线计数率的关系曲线。

S4、对关系曲线进行最小二乘拟合，获得关于浓度和γ射线计数率的浓度测量计算模型，上述浓度测量计算模型。

本发明的设计原理为：

管道中铀含量的传统测量方法为，对管道中液体进行取样，然后在实验室内测定铀浓度。这样费时费力，又缺乏时效性。高浓铀在线监测装置针对本需求研发，该装置能够在线无损监测管道中铀含量。

该装置研制包括探头、能谱数据处理单元，

其中探头由呈环形的反符合探测器组(3)、呈环形的主探测器组(4)组成，其中，反符合探测器A1(31)、反符合探测器B1(32)对称对扣在一起后组成一个呈环形的反符合探测器组(3)；主探测器A2(41)、主探测器B2(42)对称对扣在一起后组成一个呈环形的主探测器组(4)。因此，通过上述主探测器A2(41)、主探测器B2(42)将其夹持在(流道)铀工艺管道上，管道的一边使用一个多道和两个反符合处理单元，两边进行同步处理计算得出管道中U的活度浓度(Bq/L)。

根据需求，主要计算²³⁵U富集度为25％、60％与90％三种情况下的最小可探测时间。

富集度：富集度一般指核燃料中²³⁵U的质量分数。项目的目的是研发一套管道中铀溶液浓度在线无损检测装置，该装置的最小可探测限为150mg/L(²³⁵U+²³⁸U)。装置的测量原理采用²³⁵U发射的185.7keV(57％)的特征γ射线来表征铀的浓度，即探测器仅仅探测²³⁵U，因此实际的探测限应由²³⁵U+²³⁸U根据不同的富集度推算出相应的最小可探测限，如表1所示。

《辐射安全手册》，第9页，²³⁵U比活度是8×10^-8TBq/g；

已知²³⁵U的比活度为8×10^-8TBq/g＝8×10⁴Bq/g，由最小可探测限mg/L到最小可探测活度浓度(也有得称最小可探测活度)Bq/L，只需乘以²³⁵U的比活度(Bq/g)即可进行转换。假设最小可探测限为DL(mg/L)，最小可探测活度浓度MDAC(Bq/L)，比活度为A(Bq/g)，则

MDAC＝DL*A (1)

表1 ²³⁵U最小可探测限

已知最小可探测活度浓度MDAC的计算公式：

式中，MDAC(Minimum Detectable Activity Concentration)最小可探测活度浓度(有的文献中也直接称MDA，最小可探测活度)，Bq/L；n_B为探测装置的本底计数率，cps；T_L为探测装置测量活时间，s；p为γ射线的发射概率；ε为探测装置的探测效率；V为溶液的有效探测体积。

最小可探测活度浓度已知，本底计数率n_B为20cps，发射概率p为0.57，V为管道内有效探测体积，内径

管道有效长度为40mm，经计算有效体积为0.0181L，则求最小可探测时间，则需要获取探测器的探测效率，采用MCNP软件模拟探测器对于185.7keV探测器的探测效率。

经过MCNP软件模拟探测器对于能量为185.7keV的γ射线的探测效率为0.122。代入最小可探测活度浓度公式。

由公式(2)可得最小可探测时间：

上面式子两边均含有T_L，首先令k＝MDAC×p×ε×V，则k已知。

两边同平方，然后求解TL，在根据实际情况，选择一个合理的根即可，或者采用MATLAB中Solve函数直接求解一元二次方程。

表2最小可探测时间值(根据公式4计算得)

本发明的研究思路和技术途径为：

已知被测对象为管道中铀溶液(235U+238U)。从核探测角度讲有三种测量模式：中子探测方式、α探测方式和γ探测方式。

对于中子探测方式：

中子探测方式分为无源中子和有源中子。235U和238U都会产生自发裂变中子，因此可以采用无源中子探测235U和238U，但是235U和238U自发裂变数分别为1.08/(g*h)、24.8/(g*h)，经过分析单位长度管道内铀溶液单位时间内发射的中子数，因自发裂变中子数非常少，采用该探测方式达不到所要求的探测限。

对于α探测方式方式：

235U和238U都为α裂变，半衰期分别为7×108a、4.47×109a。但是基于α粒子穿透能力低特性，只能将α探头深入到管道中充分和溶夜接触进行探测。但是这样会带来一系列问题，α探头深入到管道内就必须在工艺管道上开孔，会带来管道密封性问题；探头耐压性问题、耐腐蚀性问题、耐用性及可维护性问题。α探测方式理论上可行但实用性太差。

对于γ探测方式：

经查找文献，235U与238U都为α衰变，半衰期分别为7×108a、4.47×109a。衰变过程中都会发射γ射线，所发射的γ射线能量如下表所示。

表3 ²³⁵U和²³⁸U所发射的γ射线及分支比

注：来自国际原子能机构发布的数据

因此本发明的研究的技术路线可以视为：采用γ谱仪探测185.7keV的γ峰，得到所测量235U的计数信息，再依据235U富集度值进而得到管道中U浓度含量。

由于本发明采用的对半夹持设计，其整个测量设备都需要负载于(流道)U工艺管道上，因此为了减轻重量，本发明物质屏蔽设计应尽量减轻系统重量，因此采用反符合屏蔽为主、纯物质屏蔽为辅，这样可大大减轻重量。

为了实现精准探测，我们研究发现：γ探测器厚度设计需要考虑235U发射的γ射线全吸收，计算主探测器组厚度为25mm时，235U发射的γ射线几乎全被探测器吸收。

对于本发明中的反符合探测器，反符合探测器的探测效率和一系列因素相关：反符合探测器材料类型、反符合探测器尺寸和外形、放射性同位素和放射源的类型、反符合探测器阈值的选取、散射对探测器的影响、辐射到达探测器之前的吸收过程(被周围环境和探测器外壳)。可见反符合探测器的探测效率依赖于很多因素，需要在反符合探测器设计方案进一步确定时进行试验测定。这些影响探测效率的因素也为主要研究内容。

在本发明的结构设计下，经过研究发现，反符合探测器的阈值与反符合效率是相互依赖的，150毫伏的阈值对应99.3％的反符合效率。150毫伏的阈值对应的沉积能量需要通过标定试验确定。可见在不考虑噪声的情况下越低的阈值对应着越高的反符合效率，但实际的反符合探测器用光电倍增管读出信号，在能谱低能部分会产生大量噪声，如果阈值设置过低，则会导致噪声大量过阈，反符合掉视场事例。因此，阈值和反符合效率的综合确定对反符合探测器的设计将起到关键作用。

本发明采用碘化钠闪烁体，属于无机闪烁体，其发光机制主要为分子从激发态到基态的跃迁。它是目前在γ射线及X射线探测中，应用最广泛的闪烁体。闪烁体的主要特点为具有相对较大的光输出和非常短的发光衰减时间(通常为纳秒量级)。

光电倍增管是将微弱光信号转换成电信号的真空电子元器件。阳极灵敏度是光电倍增管的最基本参数，光谱响应特性是最基本的特性。光电倍增管的倍增性能可用阳极灵敏度来描述。阳极灵敏度表示入射光于光电阴极的单位光通量所产生的阳极电流。阳极灵敏度与阴极灵敏度的比值，为光电倍增管的增益。光电倍增管无光照射时，阳极电路中的电流称为暗电流。暗电流越小，则光电倍增管能测量更为微弱的光信号。通常将光谱响应特性峰值处的阴极光谱灵敏度称为阴极辐射灵敏度。这个参数是表征光电阴极性能的重要特征数据之一。在合适的工作电压下，光电倍增管的输出电流在很宽的光照范围内精确的与阴极受照光通量成正比，称为光电倍增管的光电线性。光电倍增管连续使用时，其灵敏度有减小趋势，在强光照射下或大电流下更是如此。若在黑暗处存放适当时间，灵敏度可以部分或全部恢复。应避免使用细窄强光光束集中照射阴极很小一部分，阴极电流和阳极电流不应超过所推荐的最大值。

在本发明中，综合各种因素，主探测器选用滨松CR284-1光电倍增管,反符合探测器选用CR332光电倍增管。

在本发明的涉及的技术领域中，一般还涉及多道脉冲幅度分析器技术，在本发明中，多道脉冲幅度分析器具有以下设计要素：

以芯片为控制核心，控制外部的模拟电路实现模数转换，并存储转换后的数据，同时要控制通讯接口电路发送存储的数据。系统整体可以分为主放电路，控制电路，数字电路和通讯店路。

因为从核探测器输出的脉冲信号的波形十分尖锐，电压幅度比较低，不适合幅度转换，因此为了提高转换质量，系统使用了多级放大器和若干积分和微分电路，改善分析器的输出脉冲，增加脉冲幅度。电路中使用高速运算放大器和贴片式电容、电阻以提高系统的整体速度、减小体积。

系统的模拟电路主要包括：线性门电路、电压上下阈值甄别器电路、电压跟随电路，过零，过峰检测电路、快/慢放判断电路、自动放电电路、恒流源放电电路。为了提高系统的整体速度、减小体积，电路中使用高速运算放大器和贴片式电容、电阻。

系统的数字电路以控制芯片为主，主要的功能是实现对系统模拟电路的控制、模数转换、设置上下阈值、选择系统工作状态、显示转换状态等功能。

系统通讯接口采用USB2.0接口芯片实现与PC主机的高速数据传输。

在本发明中，由于其采用对称的两半设计，因此，一个探测器探测到的面积仅为半个工艺管道的变圆周面积，因此，为了确定准确的射线计数，因此，本发明其采用信号合一处理单元对2个探测器的技术进行合并计算，其计算原则我们采用加权法进行处理，其权重，可以采用拟合法的方式进行获得。

从测量原理上来讲，本发明通过探测器测量管道中溶液γ能谱图，通过已知浓度的铀溶液标定，得到和浓度之间的关系，进而推算出管道中铀的浓度。

本发明的有益效果为：

创新性及先进性体现在采用反符合屏蔽探测器取代大部分纯物质屏蔽的方式降低系统本底，增加探测装置的探测下限；研发出来了国内首台在线测量管道中铀溶液浓度的装置。

以夹持管道的方式进行测量实现克服了传统测量方法的取样测量方式，实现在线无损监测管道中铀含量，节省时间的同时，避免了间接测量造成的更大误差。

探测器使用U235实现自稳谱算法，再加温度修正，进行在线校正，长期连续使用峰中心道漂移不超过2％。

对设定的核素可自动根据能谱及第三方提供实时参数计算活度或浓度，并对较高核素(即超过浓度阈值)进行预警。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

附图1本发明的测量系统结构示意图。

附图2本发明电子学系统的示意图。

图中的附图标记分别表示为：1、主机外壳，2、物质屏蔽体，3、反符合探测器组，4、主探测器组，5、工艺管道，6、电子学系统，7、显示器/平板。31、反符合探测器A1，32、反符合探测器B1，41、主探测器A2，42、主探测器B2。

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，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示、图2所示：

一种夹持于流道的放射物含量测量装置，包括：呈半环状的反符合探测器A1 31、呈半环状的反符合探测器B1 32、呈半环状的主探测器A2 41、呈半环状的主探测器B2 42；

反符合探测器A1 31、反符合探测器B1 32对称对扣在一起后组成一个呈环形的反符合探测器组3；

主探测器A2 41、主探测器B2 42对称对扣在一起后组成一个呈环形的主探测器组4；

主探测器组4的环内腔用于容纳含有放射物的流道；反符合探测器组3套设在主探测器组4的外圆周上。

反符合探测器A1 31、反符合探测器B1 32均包括：用于记录射线的碘化钠闪烁体和用于将碘化钠闪烁体光信号转化为弱脉冲信号的光电倍增管；

主探测器A2 41、主探测器B2 42均包括：用于记录射线的碘化钠闪烁体和用于将碘化钠闪烁体光信号转化为弱脉冲信号的光电倍增管。

还包括物质屏蔽体2，反符合探测器组3、主探测器组4的组合结构设置于所述物质屏蔽体2内。

所述主探测器组4采用厚度25mm、内径85mm、长度100mm的环状主探测器组。

所述物质屏蔽体2为纯物质屏蔽，上述反符合探测器组为反符合屏蔽探测器组。

还包括电子学系统，所述电子学系统包括：能谱数据处理单元、集成反符合电子学数据处理单元；

能谱数据处理单元包括：

对反符合探测器A1 31、反符合探测器B1 32的信号进行合一处理的信号合一处理单元X；

对主探测器A2 41、主探测器B2 42的信号进行合一处理的信号合一处理单元Y，

所述信号合一处理单元X的运算公式为：X＝M1*A1+N1*B1，所述信号合一处理单元Y的运算公式为：Y＝M2*A2+N2*B2，上述公式中，M1、N1、M2、N2表示权重，A1为反符合探测器A1输出脉冲的计数、B1为反符合探测器B1输出脉冲的计数，A2为主探测器A2输出脉冲的计数、B2为主探测器B2输出脉冲的计数；X为反符合探测器A1 31、反符合探测器B1 32信号合一后的计数X、Y为主探测器A2 41、主探测器B2 42信号合一后的计数Y；

能谱数据处理单元根据计数X、计数Y进行计数合一化处理，合一化处理后的计数为C，C＝I1*X+I2*Y，I1和I2分别为计数X、计数Y的权重，然后构建横坐标为能量、纵坐标为计数C的能谱图；

集成反符合电子学数据处理单元用于根据能谱图的计数率和浓度测量计算模型得到放射物的浓度含量。

所述放射物为U₂₃₅，上述特征能量为γ射线的185.715keV，上述能谱数据处理单元为γ谱仪。

对所述的一种夹持于流道的放射物含量测量装置的模型建立方法，包括以下步骤：

S1、通过放射物含量测量装置获得铀浓度为0mg/L下的γ射线计数率；

S2、依次将第一步的溶液更换铀含量分别为100mg/L、500mg/L、1000mg/L、2000mg/L、4000mg/L、8000mg/L、10000mg/L，并获取相应浓度下的γ射线计数率；

S3、分别以铀浓度值0mg/L、100mg/L、500mg/L、1000mg/L、2000mg/L、4000mg/L、8000mg/L、10000mg/L为横坐标，以相应情况下的γ射线计数率为纵坐标，画出浓度和γ射线计数率的关系曲线。

S4、对关系曲线进行最小二乘拟合，获得关于浓度和γ射线计数率的浓度测量计算模型，上述浓度测量计算模型。

本发明在在线监测的应用包括：

第一步，在核燃料分离提纯、化工及乏燃料后处理工艺中，工艺正常生产时，含铀液体在工艺管道5中流通、传递。

第二步，根据核临界安全要求，装置通过主机外壳1固定、测量装置的探头部分安装在工艺管道5上。在需要进行监测时，以显示器/平板7为控制方式，开始进行测量。

第三步，以物质屏蔽体2作为抗干扰措施，两个主探测器4获取管道内含铀液体的脉冲输出信号，脉冲输出信号与反符合屏测器3中的脉冲信号进行反符合测量，产生反符合输出信号。

第四步，当反符合探测器3与主探测器4收集到的反符合输出信号输入电子学系统6后，根据反符合脉冲计数，计算管道中含铀液体的铀含量，并通过显示器/平板7显示。

第五步，测量完毕后，关闭显示器/平板7即可，测量过程不导致放射性废液的积存，无放射性废物产生，装置环保、安全。也可根据需要，通过主机外壳1将装置从工艺管道5快速拆卸。

本发明的设计原理为：

管道中铀含量的传统测量方法为，对管道中液体进行取样，然后在实验室内测定铀浓度。这样费时费力，又缺乏时效性。高浓铀在线监测装置针对本需求研发，该装置能够在线无损监测管道中铀含量。

该装置研制包括探头、能谱数据处理单元，

其中探头由呈环形的反符合探测器组3、呈环形的主探测器组4组成，其中，反符合探测器A1 31、反符合探测器B1 32对称对扣在一起后组成一个呈环形的反符合探测器组3；主探测器A2 41、主探测器B2 42对称对扣在一起后组成一个呈环形的主探测器组4。因此，通过上述主探测器A2 41、主探测器B2 42将其夹持在(流道)铀工艺管道5上，管道的一边使用一个多道和两个反符合处理单元，两边进行同步处理计算得出管道中U的活度浓度(Bq/L)。

根据需求，主要计算²³⁵U富集度为25％、60％与90％三种情况下的最小可探测时间。

富集度：富集度一般指核燃料中²³⁵U的质量分数。项目的目的是研发一套管道中铀溶液浓度在线无损检测装置，该装置的最小可探测限为150mg/L(²³⁵U+²³⁸U)。装置的测量原理采用²³⁵U发射的185.7keV(57％)的特征γ射线来表征铀的浓度，即探测器仅仅探测²³⁵U，因此实际的探测限应由²³⁵U+²³⁸U根据不同的富集度推算出相应的最小可探测限，如表1所示。

《辐射安全手册》，第9页，²³⁵U比活度是8×10^-8TBq/g；

已知²³⁵U的比活度为8×10^-8TBq/g＝8×10⁴Bq/g，由最小可探测限mg/L到最小可探测活度浓度(也有得称最小可探测活度)Bq/L，只需乘以²³⁵U的比活度(Bq/g)即可进行转换。假设最小可探测限为DL(mg/L)，最小可探测活度浓度MDAC(Bq/L)，比活度为A(Bq/g)，则

MDAC＝DL*A (1)

表1 ²³⁵U最小可探测限

已知最小可探测活度浓度MDAC的计算公式：

式中，MDAC(Minimum Detectable Activity Concentration)最小可探测活度浓度(有的文献中也直接称MDA，最小可探测活度)，Bq/L；n_B为探测装置的本底计数率，cps；T_L为探测装置测量活时间，s；p为γ射线的发射概率；ε为探测装置的探测效率；V为溶液的有效探测体积。

最小可探测活度浓度已知，本底计数率n_B为20cps，发射概率p为0.57，V为管道内有效探测体积，内径

管道有效长度为40mm，经计算有效体积为0.0181L，则求最小可探测时间，则需要获取探测器的探测效率，采用MCNP软件模拟探测器对于185.7keV探测器的探测效率。

经过MCNP软件模拟探测器对于能量为185.7keV的γ射线的探测效率为0.122。代入最小可探测活度浓度公式。

由公式(2)可得最小可探测时间：

上面式子两边均含有T_L，首先令k＝MDAC×p×ε×V，则k已知。

两边同平方，然后求解TL，在根据实际情况，选择一个合理的根即可，或者采用MATLAB中Solve函数直接求解一元二次方程。

表2最小可探测时间值(根据公式4计算得)

本发明的研究思路和技术途径为：

已知被测对象为管道中铀溶液(235U+238U)。从核探测角度讲有三种测量模式：中子探测方式、α探测方式和γ探测方式。

对于中子探测方式：

中子探测方式分为无源中子和有源中子。235U和238U都会产生自发裂变中子，因此可以采用无源中子探测235U和238U，但是235U和238U自发裂变数分别为1.08/(g*h)、24.8/(g*h)，经过分析单位长度管道内铀溶液单位时间内发射的中子数，因自发裂变中子数非常少，采用该探测方式达不到所要求的探测限。

对于α探测方式方式：

235U和238U都为α裂变，半衰期分别为7×108a、4.47×109a。但是基于α粒子穿透能力低特性，只能将α探头深入到管道中充分和溶夜接触进行探测。但是这样会带来一系列问题，α探头深入到管道内就必须在工艺管道上开孔，会带来管道密封性问题；探头耐压性问题、耐腐蚀性问题、耐用性及可维护性问题。α探测方式理论上可行但实用性太差。

对于γ探测方式：

经查找文献，235U与238U都为α衰变，半衰期分别为7×108a、4.47×109a。衰变过程中都会发射γ射线，所发射的γ射线能量如下表所示。

表3 ²³⁵U和²³⁸U所发射的γ射线及分支比

注：来自国际原子能机构发布的数据

因此本发明的研究的技术路线可以视为：采用γ谱仪探测185.7keV的γ峰，得到所测量235U的计数信息，再依据235U富集度值进而得到管道中U浓度含量。

由于本发明采用的对半夹持设计，其整个测量设备都需要负载于(流道)U工艺管道上，因此为了减轻重量，本发明物质屏蔽设计应尽量减轻系统重量，因此采用反符合屏蔽为主、纯物质屏蔽为辅，这样可大大减轻重量。

为了实现精准探测，我们研究发现：γ探测器厚度设计需要考虑235U发射的γ射线全吸收，计算主探测器组厚度为25mm时，235U发射的γ射线几乎全被探测器吸收。

对于本发明中的反符合探测器，反符合探测器的探测效率和一系列因素相关：反符合探测器材料类型、反符合探测器尺寸和外形、放射性同位素和放射源的类型、反符合探测器阈值的选取、散射对探测器的影响、辐射到达探测器之前的吸收过程(被周围环境和探测器外壳)。可见反符合探测器的探测效率依赖于很多因素，需要在反符合探测器设计方案进一步确定时进行试验测定。这些影响探测效率的因素也为主要研究内容。

在本发明的结构设计下，经过研究发现，反符合探测器的阈值与反符合效率是相互依赖的，150毫伏的阈值对应99.3％的反符合效率。150毫伏的阈值对应的沉积能量需要通过标定试验确定。可见在不考虑噪声的情况下越低的阈值对应着越高的反符合效率，但实际的反符合探测器用光电倍增管读出信号，在能谱低能部分会产生大量噪声，如果阈值设置过低，则会导致噪声大量过阈，反符合掉视场事例。因此，阈值和反符合效率的综合确定对反符合探测器的设计将起到关键作用。

本发明采用碘化钠闪烁体，属于无机闪烁体，其发光机制主要为分子从激发态到基态的跃迁。它是目前在γ射线及X射线探测中，应用最广泛的闪烁体。闪烁体的主要特点为具有相对较大的光输出和非常短的发光衰减时间(通常为纳秒量级)。

光电倍增管是将微弱光信号转换成电信号的真空电子元器件。阳极灵敏度是光电倍增管的最基本参数，光谱响应特性是最基本的特性。光电倍增管的倍增性能可用阳极灵敏度来描述。阳极灵敏度表示入射光于光电阴极的单位光通量所产生的阳极电流。阳极灵敏度与阴极灵敏度的比值，为光电倍增管的增益。光电倍增管无光照射时，阳极电路中的电流称为暗电流。暗电流越小，则光电倍增管能测量更为微弱的光信号。通常将光谱响应特性峰值处的阴极光谱灵敏度称为阴极辐射灵敏度。这个参数是表征光电阴极性能的重要特征数据之一。在合适的工作电压下，光电倍增管的输出电流在很宽的光照范围内精确的与阴极受照光通量成正比，称为光电倍增管的光电线性。光电倍增管连续使用时，其灵敏度有减小趋势，在强光照射下或大电流下更是如此。若在黑暗处存放适当时间，灵敏度可以部分或全部恢复。应避免使用细窄强光光束集中照射阴极很小一部分，阴极电流和阳极电流不应超过所推荐的最大值。

在本发明中，综合各种因素，主探测器选用滨松CR284-1光电倍增管,反符合探测器选用CR332光电倍增管。

在本发明的涉及的技术领域中，一般还涉及多道脉冲幅度分析器技术，在本发明中，多道脉冲幅度分析器具有以下设计要素：

以芯片为控制核心，控制外部的模拟电路实现模数转换，并存储转换后的数据，同时要控制通讯接口电路发送存储的数据。系统整体可以分为主放电路，控制电路，数字电路和通讯店路。

因为从核探测器输出的脉冲信号的波形十分尖锐，电压幅度比较低，不适合幅度转换，因此为了提高转换质量，系统使用了多级放大器和若干积分和微分电路，改善分析器的输出脉冲，增加脉冲幅度。电路中使用高速运算放大器和贴片式电容、电阻以提高系统的整体速度、减小体积。

系统的模拟电路主要包括：线性门电路、电压上下阈值甄别器电路、电压跟随电路，过零，过峰检测电路、快/慢放判断电路、自动放电电路、恒流源放电电路。为了提高系统的整体速度、减小体积，电路中使用高速运算放大器和贴片式电容、电阻。

系统的数字电路以控制芯片为主，主要的功能是实现对系统模拟电路的控制、模数转换、设置上下阈值、选择系统工作状态、显示转换状态等功能。

系统通讯接口采用USB2.0接口芯片实现与PC主机的高速数据传输。

在本发明中，由于其采用对称的两半设计，因此，一个探测器探测到的面积仅为半个工艺管道的变圆周面积，因此，为了确定准确的射线计数，因此，本发明其采用信号合一处理单元对2个探测器的技术进行合并计算，其计算原则我们采用加权法进行处理，其权重，可以采用拟合法的方式进行获得。

从测量原理上来讲，本发明通过探测器测量管道中溶液γ能谱图，通过已知浓度的铀溶液标定，得到和浓度之间的关系，进而推算出管道中铀的浓度。

以上所述的具体实施方式，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方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (7)

1.一种夹持于流道的放射物含量测量装置，其特征在于，包括：呈半环状的反符合探测器A1（31）、呈半环状的反符合探测器B1（32）、呈半环状的主探测器A2（41）、呈半环状的主探测器B2（42）；

反符合探测器A1（31）、反符合探测器B1（32）对称对扣在一起后组成一个呈环形的反符合探测器组（3）；

主探测器A2（41）、主探测器B2（42）对称对扣在一起后组成一个呈环形的主探测器组（4）；

主探测器组（4）的环内腔用于容纳含有放射物的流道（5）；反符合探测器组（3）套设在主探测器组（4）的外圆周上；

还包括电子学系统，所述电子学系统包括：能谱数据处理单元、集成反符合电子学数据处理单元；

能谱数据处理单元包括：

对反符合探测器A1（31）、反符合探测器B1（32）的信号进行合一处理的信号合一处理单元X；

对主探测器A2（41）、主探测器B2（42）的信号进行合一处理的信号合一处理单元Y，

所述信号合一处理单元X的运算公式为：X=M1*A1+N1*B1，所述信号合一处理单元Y的运算公式为：Y=M2*A2+N2*B2，上述公式中，M1、N1、M2、N2表示权重，A1为反符合探测器A1输出脉冲的计数、B1为反符合探测器B1输出脉冲的计数，A2为主探测器A2输出脉冲的计数、B2为主探测器B2输出脉冲的计数；X为反符合探测器A1（31）、反符合探测器B1（32）信号合一后的计数X、Y为主探测器A2（41）、主探测器B2（42）信号合一后的计数Y；

能谱数据处理单元根据计数X、计数Y进行计数合一化处理，合一化处理后的计数为C，C＝I1*X+I2*Y，I1和I2分别为计数X、计数Y的权重，然后构建横坐标为能量、纵坐标为计数C的能谱图；集成反符合电子学数据处理单元用于根据能谱图的计数率和浓度测量计算模型得到放射物的浓度含量。

2.根据权利要求1所述的一种夹持于流道的放射物含量测量装置，其特征在于，

反符合探测器A1（31）、反符合探测器B1（32）均包括：用于记录射线的碘化钠闪烁体和用于将碘化钠闪烁体光信号转化为弱脉冲信号的光电倍增管；

主探测器A2（41）、主探测器B2（42）均包括：用于记录射线的碘化钠闪烁体和用于将碘化钠闪烁体光信号转化为弱脉冲信号的光电倍增管。

3.根据权利要求1所述的一种夹持于流道的放射物含量测量装置，其特征在于，

还包括物质屏蔽体（2），反符合探测器组（3）、主探测器组（4）的组合结构设置于所述物质屏蔽体（2）内。

4.根据权利要求1所述的一种夹持于流道的放射物含量测量装置，其特征在于，

所述主探测器组（4）采用厚度25mm、内径85mm、长度100mm的环状主探测器组。

5.根据权利要求3所述的一种夹持于流道的放射物含量测量装置，其特征在于，

所述物质屏蔽体（2）为纯物质屏蔽，上述反符合探测器组为反符合屏蔽探测器组。

6.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种夹持于流道的放射物含量测量装置，其特征在于，

所述放射物为U₂₃₅，上述特征能量为γ射线的185.715keV，上述能谱数据处理单元为γ谱仪。

7.对权利要求1-5中任意一项所述的一种夹持于流道的放射物含量测量装置的模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过放射物含量测量装置获得铀浓度为0mg/L下的γ射线计数率；

S2、依次将第一步的溶液更换铀含量分别为100 mg/L 、500 mg/L、1000 mg/L、2000mg/L、4000 mg/L、8000 mg/L、10000 mg/L，并获取相应浓度下的γ射线计数率；

S3、分别以铀浓度值0 mg/L 、100 mg/L、500 mg/L、1000 mg/L、2000 mg/L、4000 mg/L、8000 mg/L、10000 mg/L为横坐标，以相应情况下的γ射线计数率为纵坐标，画出浓度和γ射线计数率的关系曲线；

S4、对关系曲线进行最小二乘拟合，获得关于浓度和γ射线计数率的浓度测量计算模型，上述浓度测量计算模型。

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