CN111855702A - 一种用于煤炭成分分析的可控中子源机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于煤炭成分分析的可控中子源机构，包括中子管组件、电源组件、控制组件和通讯组件。所述中子管组件包括中子管、中子管套筒、中子慢化体和防护体；所述电源组件包括电源机箱、储存器电源模块、离子源电源模块和加速极电源模块；所述控制组件包括中子探测器、电源控制单元、中子管启停模块、中子产额控制模块、中子管故障自动诊断及保护模块。该机构各组件集成为一体，应用于可控中子源移动式煤炭成分快速检测装置中，自动控制中子发射，在非工作时段关断中子管，便于装置移动和放射源管理；通过自动调节储存器电流和加速极电压，稳定中子产额，能提高煤炭成分检测的精度和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于煤炭成分分析的可控中子源机构，属于中子发生器技术领域。具体地讲，涉及的是一种对汽车和火车运输煤炭的入厂煤成分快速检测装置所用的可控中子源机构及控制方法。
背景技术
瞬发伽玛射线中子活化分析(Prompt Gamma Neutron Activation Analysis,PGNAA)是对大宗煤炭进行元素成分在线检测的有效方法。国内外的技术产品大都是跨带式煤炭成分在线检测设备，或是直接针对主输送带上原煤进行检测，或是针对机械采样后的辅助皮带上的原煤进行检测。对于大量由汽车或火车运输进厂的煤炭，仍然是由机械取样机采样和化验室化验，不能及时获取煤质数据，不能及时判断进厂煤炭是否符合入厂标准。
汽车和火车运输煤炭到客户工厂，双方需要对煤炭元素成分和工业成分进行快速判断和确认，现行的跨带式煤炭成分在线检测设备由于不能对汽车和火车车箱中的煤炭成分直接检测，因而不能满足客户对入厂煤质进行快速准确检测的要求。
基于同位素放射源的煤炭成分在线检测设备由于在非工作时间也不能关断中子源，使设备使用、维护和管理不方便，制约了用户使用的积极性。针对汽车和火车煤炭进行检测时，需要动态变换测量点，需要可移动式煤炭成分快速检测装置。相较于同位素中子源Cf252，电可控中子管具有中子产额可控、中子发生可以关断等优点，便于元素成分在线检测装备的安装、移动和维护，具有突出优势。
发明内容
技术问题：
本发明为移动式煤炭成分快速检测装置提供中子产额可控的中子源机构，可以解决汽车或火车运输的入厂煤炭成分快速检测问题，即在煤炭完成缷车之前，无需采样，可以变换多个测量点对煤炭元素成分和工业成分指标进行快速检测，以帮助用户及时判断煤炭质量是否符合技术要求。
技术方案：
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明公开了一种用于煤炭成分分析的可控中子源机构，包括中子管组件、电源组件、控制组件和通讯组件；所述中子管组件包括中子管、中子管套筒、中子慢化体和防护体；所述电源组件包括电源机箱、储存器电源模块、离子源电源模块和加速极电源模块；所述控制组件包括中子探测器、电源控制单元、中子管启停模块、中子产额控制模块、中子管故障自动诊断及保护模块；所述通讯组件内含通讯模块，支持网口通讯和无线通讯。
所述中子管组件、电源组件、控制组件和通讯组件集成为一体，应用于可控中子源移动式煤炭成分快速检测装置中，可以方便地整体移动。
所述中子管为全密封的氘氚中子管，包括氘氚气体储存器、离子源、高压加速电极和反应靶。中子管平均中子能量为14MeV，中子产额可在1×107～2×108n/s范围内进行设定。
所述电源组件向所述中子管供电，其储存器电源模块为可调式电流源，给储存器内部的加热丝供电，控制氘氚气体释放量；其离子源电源模块为可调式电压源，给中子管内的离子源极板供电，使氘氚气体在1600V-2800V区间内电离；其加速极电源模块为可调式高压电源，给中子管内的加速电极供电，对离子源引出离子进行加速，并与反应靶上的物质发生核反应，产生中子，电压调节范围为0-130KV。
所述中子管套筒为金属铋加工成的中子管外套，壁厚5～8cm。金属铋较铅具有更小的热中子吸收截面，热中子透过率高，而且对中子管内生的伽玛射线具有很好的屏蔽性能。
所述中子慢化体为石墨块，壁厚30～35cm。石墨的热中子吸收截面小，散射截面大，用石墨作慢化剂的可以充分地将中子管产生的快中子慢化为热中子。
所述防护体为含硼聚乙烯，壁厚20～25cm。
所述中子管启停模块，通过电源控制单元按照相应程序调节储存器电源模块、离子源电源模块和加速极电源模块的电参数，实现中子管自动启动和停止的程序控制，中子管启动程序依次开启离子源电压、储存器电流、加速极电压，通过调整储存器电流来稳定离子源电流，当离子源电流稳定后，快速调节加速极电压，在储存器电流、离子源电压、加速极电压、离子源电流和中子计数等参数进入到目标区域后，完成启动过程。中子管停止程序与上述启动过程相反，依次关断加速极电压、储存器电流和离子源电压。
所述中子产额控制模块，采取调节加速极电压和调节储存器电流的双控制方案策略，将中子产额稳定控制在设定值。中子管的中子产额由所述中子探测器进行自动检测，所述中子探测器为He-3中子探测器。在中子管完成启动程序后，当所测的中子产额与设定值偏差大于等于5％时，采用可迅速改变中子产额的加速极电压调节方案，应用单回路PD控制器，被调参数为中子产额，调节量为加速极电压；当中子产额与设定值偏差小于5％或加速极电压已至上限值时，采用具有高控制精度的储存器电流调节方案，由于储存器电流改变到中子产额变化存在大迟延，故应用带有Smith预估器的串级控制方案，主被调参数为中子产额，主控制器为PI控制；副被调参数为离子源电流，副控制器为P控制，调节量为储存器电流，用Smith预估器补偿控制对象的大迟延特性。
所述中子管故障自动诊断及保护模块通过对相关电参数的监测和分析，自动诊断中子探测器、储存器电源模块、离子源电源模块、加速极电源模块和电源控制单元是否异常，当出现故障时，自动执行相应的报警和保护程序，以避免故障扩大。
所述通讯组件内含通讯模块，支持网口通讯和无线通讯，利用电脑和手机客户端程序可无线访问本发明的中子源机构，可查询本发明中子源机构的工作状态参数，可以设定中子管的中子产额。
有益效果：
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：
本发明的机构用在移动式煤炭成分快速检测装置上，代替同位素中子源252Cf。与同位素中子源252Cf相比，在不需要检测时可以关断中子源，关断中子源后无辐射，便于安装、使用、移动和管理。而且，本机构产生的中子平均能量为14MeV，不仅可以利用热中子俘获反应，还可以利用快中子非弹散射反应，能谱单色性更好，对煤炭中C、O两个主要元素的测量精度更高。
本发明机构的中子管组件、电源组件、控制组件和通讯组件集成为一体，可随煤炭成分快速检测装置整体移动，可用电脑和手机客户端程序以无线访问方式查询和设置工作参数，支持对汽车煤炭、火车煤炭和大型煤堆的煤质快速检测。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图。
图2为中子管启动与中子产额控制流程图。
附图标记列表：
1-中子管，2-中子管套筒，3-中子慢化体，4-防护体，5-中子探测器，6-电源机箱，7-储存器电源模块，8-离子源电源模块，9-加速极电源模块，10-电源控制单元，11-中子管启停模块，12-中子产额控制模块，13-中子管故障自动诊断及保护模块，14-通讯模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明,本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
如图1所示，本发明所述的一种用于煤炭成分分析的可控中子源机构，包括中子管组件、电源组件、控制组件和通讯组件。所述中子管组件包括中子管1、中子管套筒2、中子慢化体3和防护体4；所述电源组件包括电源机箱6、储存器电源模块7、离子源电源模块8和加速极电源模块9；所述控制组件包括中子探测器5、电源控制单元10、中子管启停模块11、中子产额控制模块12、中子管故障自动诊断及保护模块13；所述通讯组件内含通讯模块14，支持网口通讯和无线通讯。
所述中子管组件、电源组件、控制组件和通讯组件集成为一体，可以方便地整体移动，产生稳定产额的14MeV中子，应用于可控中子源移动式煤炭成分快速检测装置中。所述控制组件通过所述通讯组件接受客户端程序的指令并传送工作参数；所述控制组件对所述电源组件进行电参数的数据采集，并通过电源控制单元10调节所述电源组件储存器电源模块7、离子源电源模块8和加速极电源模块9的电流及电压参数，实现对所述中子管组件中子管1的启停和中子产额控制。
进一步地，所述中子管1为全密封的氘氚中子管，包括氘氚气体储存器、离子源、高压加速电极和反应靶。中子管平均中子能量为14MeV，中子产额可在1×107～2×108n/s范围内进行设定。
进一步地，所述电源组件向所述中子管1供电，其储存器电源模块7为可调式电流源，给中子管1储存器内部的加热丝供电，控制氘氚气体释放量；其离子源电源模块8为可调式电压源，给中子管1内的离子源极板供电，使氘氚气体在1600V～2800V区间内电离；其加速极电源模块9为可调式高压电源，给中子管1内的加速电极供电，对离子源引出离子进行加速，并与反应靶上的物质发生核反应，产生中子，电压调节范围为0-130KV。
进一步地，所述中子管套筒2为金属铋加工成的中子管外套，壁厚5～8cm。金属铋较铅具有更小的热中子吸收截面，热中子透过率高，而且对中子管内生的伽玛射线具有很好的屏蔽性能。所述中子慢化体3为石墨块，壁厚30～35cm。石墨的热中子吸收截面小，散射截面大，用石墨作慢化剂的可以充分地将中子管产生的快中子慢化为热中子。所述防护体4为含硼聚乙烯，壁厚20～25cm。
所述中子探测器5为He-3中子探测器。
所述中子管启停模块11，通过电源控制单元10按照相应程序调节储存器电源模块7、离子源电源模块8和加速极电源模块9的电参数，实现中子管启动和停止的程序控制。
所述中子产额控制模块12，依据所述中子探测器5的中子产额测量值与设定目标值的偏差，采取调节加速极电压和调节储存器电流的双方案控制策略，将中子产额稳定在设定值。
所述中子管故障自动诊断及自动保护模块13，自动诊断中子探测器5、储存器电源模块7、离子源电源模块8、加速极电源模块9和电源控制单元10是否异常，当出现故障时，自动执行相应的报警和保护程序，以避免故障扩大。
如图2所示，中子管启动需要经历预热过程，其启动程序按以下步骤进行：首先启升离子源电压到目标区域中值，离子源电压的目标区域优选为1800～2500V；再缓慢增加储存器电流到目标区域中值，储存器电流目标区域优选为350～850mA；此时，由于氘氚气体的释放和电离，离子源电流会缓慢增加，待离子源电流趋于稳定后，检查离子源电流的稳定值是否在目标区域内，离子源电流目标区域优选为0.25～0.6mA，若未进入目标区域，则通过调节储存器电流，最终使离子源电流稳定于目标区域；继而启升加速极电压使其进入目标区域，离子进行加速后与反应靶上的物质发生核反应，产生中子，加速极电压的目标区域优选为80～120kV；待离子源电流稳定，加速极电压进入目标区域后，启动预热过程结束，
在中子管完成启动程序后，便进入中子产额控制流程。对于特定中子管，其中子产额是由离子源电流和加速极电压两个参数决定的，而离子源电流可以由储存器电流进行调节。调节加速极电压来稳定中子产额，动作迅速，但控制精度低，而且可调电压是有上限的，只能在一定的波动范围内稳定中子产额。调节储存器电流调节来稳定中子产额，可以获得高的稳态精度，但由于储存器内部温度的惯性作用，中子产额的调节有较大的滞后，影响调节的动态特性。为此，采用如下调节加速极电压和调节储存器电流的双控制方案策略，即：当中子产额与设定值偏差大于等于5％时，采用加速极电压的调节方案，应用单回路PD控制器，被调参数为中子产额，调节量为加速极电压；当中子产额与设定值偏差小于5％或加速极电压已至上限值时，采用储存器电流的调节方案，应用带有Smith预估器的串级控制方案，主被调参数为中子产额，主控制器为PI控制；副被调参数为离子源电流，副控制器为P控制，调节量为储存器电流，需建立控制对象的动态模型，依据对象模型，设计Smith预估器补偿控制对象的大迟延特性，从而优化中子产额控制控制的动态特性。
Claims (10)
1.一种用于煤炭成分分析的可控中子源机构，其特征在于，包括中子管组件、电源组件、控制组件和通讯组件；所述中子管组件包括中子管(1)、中子管套筒(2)、中子慢化体(3)和防护体(4)；所述电源组件包括电源机箱(6)、储存器电源模块(7)、离子源电源模块(8)和加速极电源模块(9)；所述控制组件包括中子探测器(5)、电源控制单元(10)、中子管启停模块(11)、中子产额控制模块(12)、中子管故障自动诊断及保护模块(13)；所述通讯组件内含通讯模块(14)，支持网口通讯和无线通讯；
所述控制组件通过所述通讯组件接受客户端程序的指令并传送工作参数；所述控制组件对所述电源组件进行电参数的数据采集，并通过电源控制单元(10)调节所述电源组件储存器电源模块(7)、离子源电源模块(8)和加速极电源模块(9)的电流及电压参数，实现对所述中子管组件中子管(1)的启停和中子产额控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于煤炭成分分析的可控中子源机构，其特征在于，所述中子管组件、电源组件、控制组件和通讯组件集成为一体，应用于可控中子源移动式煤炭成分快速检测装置中。
3.根据权利要求1所述的一种用于煤炭成分分析的可控中子源机构，其特征在于，所述中子管为氘氚中子管，中子能量为14MeV，中子产额在1×107～2×108n/s范围内可设定。
4.根据权利要求1所述的一种用于煤炭成分分析的可控中子源机构，其特征在于，所述中子管套筒为金属铋加工成的中子管外套，壁厚5～8cm。
5.根据权利要求1所述的一种用于煤炭成分分析的可控中子源机构，其特征在于，所述中子慢化体(3)为石墨块，壁厚30～35cm。
6.根据权利要求1所述的一种用于煤炭成分分析的可控中子源机构，其特征在于，所述防护体(4)为含硼聚乙烯，壁厚20～25cm。
7.根据权利要求1所述的一种用于煤炭成分分析的可控中子源机构，其特征在于，所述中子管启停模块(11)，通过电源控制单元(10)按照相应程序调节储存器电源模块(7)、离子源电源模块(8)和加速极电源模块(9)的电参数，实现中子管启动和停止的程序控制。
8.根据权利要求1所述的一种用于煤炭成分分析的可控中子源机构，其特征在于，所述中子产额控制模块(12)，采取调节加速极电压和调节储存器电流的双控制方案策略，将中子产额稳定在设定值；
在中子管完成启动程序后，当中子产额与设定值偏差大于等于5％时，采用加速极电压的调节方案，应用单回路PD控制器，被调参数为中子产额，调节量为加速极电压；
当中子产额与设定值偏差小于5％或加速极电压已至上限值时，采用储存器电流的调节方案，应用带有Smith预估器的串级控制方案，主被调参数为中子产额，主控制器为PI控制；副被调参数为离子源电流，副控制器为P控制，调节量为储存器电流，用Smith预估器补偿控制对象的大迟延特性。
9.根据权利要求1所述的一种用于煤炭成分分析的可控中子源机构，其特征在于，所述中子管故障自动诊断及保护模块(13)，自动诊断中子探测器(5)、储存器电源模块(7)、离子源电源模块(8)、加速极电源模块(9)和电源控制单元(10)是否异常，当出现故障时，自动执行相应的报警和保护程序。
10.根据权利要求1所述的一种用于煤炭成分分析的可控中子源机构，其特征在于，中子管(1)的中子产额是通过所述中子探测器(5)进行自动检测，中子探测器(5)为He-3中子探测器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201030 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |