CN111929066A - 一种面向内燃机流场状态在线监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工业流场状态在线监测技术领域，公开了一种面向内燃机流场状态在线监测装置，包括密封舱式γ光子探测系统和γ光子数据存储两部分，所述密封舱式γ光子探测系统是由若干γ光子探测器排布而成。本方案提供的一种面向内燃机流场状态在线监测方法及装置，通过物理/化学标记方式使燃油成为正电子发射源，以封闭舱式γ光子探测系统为检测实验平台，采用List‑Mode格式记录整个空间中的每个γ光子数据，提高γ光子采样效率，并对γ光子数据进行散射校正和噪声抑制，采用合适的算法，对处理后的γ光子数据进行三维图像重建，实现内燃机流场状态在线监测的目的，且不受内燃机材质、内部结构、高温等因素的影响，适合实际检测应用。
Description
技术领域
本发明涉及工业流场状态在线监测技术领域，更具体地说，涉及一种面向内燃机流场状态在线监测方法及装置。
背景技术
1928年英国物理学家PaulA.M.Dirac在其著名的狄拉克方程中预言了带正电粒子的存在，直到1932年美国物理学家CarlD.Andeson和RobertA.Millikan在研究宇宙射线是电磁辐射还是粒子问题时，通过观察宇宙射线的运动轨迹，证实了Dirac预言的正电子的存在。正电子在自然状态下不稳定，与电子结合会发生湮没事件，产生γ光子，常规正电子的获取途径有两种：核素β+衰变和韧致辐射光子诱发正电子(PIPA)。核素β+衰变产生正电子方法：利用回旋加速器或反应堆生成缺中子的核素，如22Na，64Cu，58Co，18F，例如核素在医疗领域被广泛用来合成超短半衰期正电子显像剂，将核素标记到某些有机物溶液，生成半衰期为几分钟到几小时不等的正电子显像剂，如氟代脱氧葡萄糖、脂肪酸、蛋白质等，这些正电子显像剂可以被特定的人体器官吸收，并呈现出吸收部位的病变情况，根据器官对显像剂的吸收情况达到疾病诊断的目的，因该技术能够确诊早期癌症、肿瘤等疾病，从而被广泛用于医疗行业；韧致辐射光子诱发正电子湮没(PIPA)方法：利用能量为数十兆电子伏的直线加速器产生高能γ射线，经过准直处理后直接打入材料内部，并与材料内部的原子核产生轫致辐射，再通过电子对效应产生正电子，可用于工业材料内部原子结构特性检测。
1950年美国科学家David.E.Kurl首先提出正电子发射断层成像技术概念，利用γ光子探测系统记录正电子湮没产生的LoR数据，借助计算机图像重建技术，以三维图像呈现正电子的空间分布信息，形成了γ光子三维成像检测技术，1951年美国科学家WilliamH.Sweet宣布成功研制世界首台正电子发射成像仪，我国也在1986年在中国科学院高能物理研究所研制成功国内第一台正电子发射断层扫描仪。目前，γ光子三维成像技术应用方向主要集中在医学疾病诊断和治疗方面，直到2010年，国内外学者开始研究其在工业检测方面应用的可行性。
目前，基于激光技术和光谱知识的非接触式光学成像方法成为工业燃烧流场监测的主流技术(如：粒子成像测速技术、激光多普勒测速技术等)，这类检测技术受内燃机材质、内部结构、高温等因素的影响，在实际检测应用中存在很大局限性。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种面向内燃机流场状态在线监测方法及装置，通过物理/化学标记方式使燃油成为正电子发射源，以封闭舱式γ光子探测系统为检测实验平台，实现内燃机流场状态在线监测的目的。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种面向内燃机流场状态在线监测装置，包括密封舱式γ光子探测系统和γ光子数据存储两部分，所述密封舱式γ光子探测系统是由若干γ光子探测器排布而成，所述密封舱式γ光子探测系统两相邻接触面由实际需求数量的探测器组成的圆角连接，所述γ光子数据存储格式选用List-Mode格式。
优选的，所述密封舱式γ光子探测系统的六个面由实际需求数量的γ光子探测器组成的长方体、立方体或圆柱体。
一种面向内燃机流场状态在线监测方法，包括以下步骤：
步骤一，根据内燃机流场状态在线监测具体检测要求，选取合适的核素种类及核素活度，用放射性核素生产设备制备检测实验所需核素；
步骤二，用核素物理/化学标记燃油方案在保证燃油物理和化学特性不变的前提下，将核素通过物理/化学标记的方式，使燃油成为正电子发射源；
步骤三，以封闭舱式γ光子探测系统为检测实验平台，采用List-Mode格式记录整个空间中的每个γ光子数据；
步骤四，将内燃机放置在γ光子探测系统中心位置，启动内燃机，由于标记有核素的燃油是正电子发射源，正电子会伴随着内燃机燃油的燃烧持续产生γ光子，动态采集正电子湮没后的γ光子数据，用γ光子数据处理和图像重建方案将γ光子数据存储，并在对γ光子数据进行散射校正和噪声抑制后，进行γ光子三维图像重建，以三维图像反映内燃机流场状态变化。
优选的，所述封闭舱式γ光子探测系统在短时间内记录所有γ光子数据。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本方案提供的一种面向内燃机流场状态在线监测方法及装置，通过物理/化学标记方式使燃油成为正电子发射源，以封闭舱式γ光子探测系统为检测实验平台，采用List-Mode格式记录整个空间中的每个γ光子数据，提高γ光子采样效率，并对γ光子数据进行散射校正和噪声抑制，采用合适的算法，对处理后的γ光子数据进行三维图像重建，实现内燃机流场状态在线监测的目的，且不受内燃机材质、内部结构、高温等因素的影响，适合实际检测应用。
(1)测试方法：粒子成像测速技术是在流场中混入示踪粒子，将脉冲激光打入流场待测区域，通过CCD相机捕捉示踪粒子的运动轨迹，引入光学杨氏条纹法逐粒子处理CCD相机所记录的图像，以此确定流场速度，在实际内燃机流场状态监测应用时，由于CCD相机无法透过内燃机外壁拍到示踪粒子，这就限制了该技术的应用范围；基于正电子湮没的γ光子三维成像技术通过将放射性核素标记到燃油中，使燃油成为正电子发射源，由于自然状态下正电子存活寿命极短，只有几个皮秒，故可将正电子湮没位置看做是核素衰变位置，正电子湮没会产生γ光子，将内燃机放置在密封舱式γ光子探测系统中心位置，探测系统记录γ光子数据，借助计算机成像技术将探测到的γ光子信息，重建为正电子湮没位置分布的三维图像，以正电子在内燃机流场中的分布表征流场状态的变化。
(2)对于内燃机流场状态在线监测的针对性：基于正电子湮没的γ光子三维成像技术在内燃机流场状态监测时，只需制备合适种类、合适活度的核素，通过物理/化学标记方式将核素标记到燃油中，核素随着燃烧流场持续发射正电子，自然状态下，正电子寿命极短，只有几个皮秒，便会结合电子发生湮没事件，产生γ光子，内燃机燃烧流场状态通常是瞬间变化的，极大压缩了γ光子数据采集时间，这就要求γ光子探测系统在结构设计和数据保存两方面，能够尽可能多的采集γ光子数据，本发明突破传统环形γ光子探测系统结构设计，提出了一种封闭舱式γ光子探测系统，采用List-Mode格式记录整个空间中的每个γ光子数据，提高γ光子采样效率。
(3)正电子湮没会产生γ光子是固有物理规律，不受检测环境温度、压强等因素变化的影响，γ光子所携带的能量为511KeV，穿透能力极强，当γ光子强度衰减到1％时，可穿透厚度为203mm的铝板，可穿透厚度为65mm的铜板，γ光子能够穿透内燃机的外壁而被探测系统记录，同时，γ光子呈电中性，检测过程不受电磁干扰，保证了γ光子三维成像技术在工业检测应用稳定性。此外，核素不参与燃油的燃烧反应，但会随着内燃机流场状态的变化而持续发射正电子，这就保证流场状态在线检测准确性。
(4)放射性核素在燃油中的标记方案需根据燃烧流场在线监测需求特别制定，对于分子结构简单或者分子结构不稳定的燃油，则可以直接采用物理标记方式，将核素替换其中一个羟基或者其它基团；对于分子结构复杂或者分子结构稳定的燃油，则需采用化学标记方式，根据相似相溶原理，将核素标记到与燃油相溶的某一中间介质，然后将标记后的媒介与燃油混合，质控实验保证混合均匀。
附图说明
图1为本发明的面向内燃机流场状态在线监测方法流程图；
图2为本发明的面向内燃机流场状态在线监测装置示意图。
图中标号说明：
1、圆角设计的探测器排布；2、γ光子探测器；3、γ光子探测系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，一种面向内燃机流场状态在线监测方法，包括以下步骤:
步骤一，根据内燃机流场状态在线监测具体检测要求，选取合适的核素种类及核素活度，用放射性核素生产设备制备检测实验所需核素；
步骤二，用核素物理/化学标记燃油方案在保证燃油物理和化学特性不变的前提下，将核素通过物理/化学标记的方式，使燃油成为正电子发射源；
步骤三，以封闭舱式γ光子探测系统为检测实验平台，采用List-Mode格式记录整个空间中的每个γ光子数据，封闭舱式γ光子探测系统用于在短时间内记录所有γ光子数据；
步骤四，将内燃机放置在γ光子探测系统中心位置，启动内燃机，由于标记有核素的燃油是正电子发射源，正电子会伴随着内燃机燃油的燃烧持续产生γ光子，动态采集正电子湮没后的γ光子数据，用γ光子数据处理和图像重建方案将γ光子数据存储，存储方式可为Sinogram格式、List-Mode格式，并在对γ光子数据进行散射校正和噪声抑制后，采用合适的算法如OSEM算法、OSEM-MAP算法等，进行γ光子三维图像重建，以三维图像反映内燃机流场状态变化。
请参阅图2，一种面向内燃机流场状态在线监测装置，包括密封舱式γ光子探测系统和γ光子数据存储两部分，密封舱式γ光子探测系统是由若干γ光子探测器排布而成，密封舱式γ光子探测系统的六个面由实际需求数量的γ光子探测器组成的长方体、立方体或圆柱体，密封舱式γ光子探测系统两相邻接触面由实际需求数量的探测器组成的圆角连接，γ光子数据存储格式选用List-Mode格式，其中，附图标记1是圆角设计的探测器排布，附图标记2是γ光子探测器，附图标记3是γ光子探测系统。
工作原理：本方案的面向内燃机流场状态在线监测方法及装置，以正电子湮没γ光子三维成像原理为理论基础，在保证燃油物理和化学特性不变的前提下，将放射性核素通过物理/化学标记的方式，使燃油成为正电子发射源，但是，放射性核素不参与燃油的燃烧反应，而正电子湮没产生γ光子是固有物理规律，不受内燃机运行环境如温度、压强等因素变化的影响，会随着内燃机流场状态的变化而持续发生湮没事件，此外，γ光子总是成对同时产生，两个γ光子能量为511KeV、方向互成180°，形成一条直线，物理学上称这条直线为LoR(LineofResponse,LoR)，通过图像重建算法反推正电子在LoR上的湮没位置，以图像像素表示正电子湮没个数，由于自然状态下正电子存活寿命极短，只有几个皮秒，故可将正电子湮没位置看作是核素衰变位置，以正电子在内燃机流场中的分布表征流场状态的变化，即形成γ光子三维成像内燃机流场状态在线监测方法，然而，内燃机运行过程中流场状态瞬时变化，这会造成γ光子数据采集时间极短，降低γ光子图像重建质量，本发明突破传统环形γ光子探测系统结构设计，提出了一种封闭舱式γ光子探测系统，采用List-Mode格式记录整个空间中的每个γ光子数据，提高γ光子采样效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种面向内燃机流场状态在线监测装置，其特征在于：包括密封舱式γ光子探测系统和γ光子数据存储两部分，所述密封舱式γ光子探测系统是由若干γ光子探测器排布而成，所述密封舱式γ光子探测系统两相邻接触面由实际需求数量的探测器组成的圆角连接，所述γ光子数据存储格式选用List-Mode格式。
2.根据权利要求1所述的面向内燃机流场状态在线监测装置，其特征在于：所述密封舱式γ光子探测系统的六个面由实际需求数量的γ光子探测器组成的长方体、立方体或圆柱体。
3.一种如权利要求1或2所述面向内燃机流场状态在线监测装置的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，根据内燃机流场状态在线监测具体检测要求，选取合适的核素种类及核素活度，用放射性核素生产设备制备检测实验所需核素；
步骤二，用核素物理/化学标记燃油方案在保证燃油物理和化学特性不变的前提下，将核素通过物理/化学标记的方式，使燃油成为正电子发射源；
步骤三，以封闭舱式γ光子探测系统为检测实验平台，采用List-Mode格式记录整个空间中的每个γ光子数据；
用γ光子数据处理和图像重建方案将γ光子数据存储，并对γ光子数据进行散射校正和噪声抑制，采用算法对处理后的γ光子数据进行三维图像重建，分析燃烧流场状态分布。
步骤四，将内燃机放置在γ光子探测系统中心位置，启动内燃机，由于标记有核素的燃油是正电子发射源，正电子会伴随着内燃机燃油的燃烧持续产生γ光子，动态采集正电子湮没后的γ光子数据，用γ光子数据处理和图像重建方案将γ光子数据存储，并在对γ光子数据进行散射校正和噪声抑制后，进行γ光子三维图像重建，以三维图像反映内燃机流场状态变化。
4.根据权利要求3所述的面向内燃机流场状态在线监测装置的监测方法，其特征在于：所述封闭舱式γ光子探测系统在短时间内记录所有γ光子数据。
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