CN113703029A - 一种通过测量γ射线得到钆浓度的在线监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过测量γ射线得到钆浓度的在线监测方法及系统，将中子源和γ射线探测器分别布置在装有含钆溶液的测量腔两侧，中子源发射的中子束穿过测量腔，部分中子与含钆溶液中的核素157Gd和155Gd发生俘获反应转换成特定能量的γ射线，通过γ射线探测器测量反应产生的γ射线，根据γ射线探测器脉冲信号计数率推导计算出含钆溶液的钆浓度值。本发明实现了可溶中子毒物溶液中钆浓度的在线监测，测量过程中不需要对溶液进行取样，保证了分析人员和测量设备免受辐射危害的影响。
Description
技术领域
本发明属于可溶中子毒物在线监测技术，具体涉及一种通过测量γ射线得到钆浓度的在线监测方法及系统。
背景技术
由于157Gd和155Gd具有对热中子吸收截面大的物理性质(157Gd的热中子吸收截面约为60900靶,155Gd的热中子吸收截面约为254000靶)，其化合物可作为可溶性中子吸收剂使用。基于该物理性质,硝酸钆常被用做可溶中子毒物,添加到涉及核反应的工艺设备中，用于调节反应性。
由于钆的浓度对反应性的影响极大，须保证钆浓度满足要求，确保临界安全。目前，行业内主要通过取样测量的方法(如分光光度法)得到钆的浓度，秦山重水堆即采用该方法测量钆的浓度。但取样测量的方法存在延时性，无法实时给出当前的钆浓度值，且样品通常具有高放射性，可能会对分析人员和设备造成辐射危害。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种通过测量γ射线得到钆浓度的方法及系统，实现可溶中子毒物溶液中钆浓度的在线监测。
本发明的技术方案如下：一种通过测量γ射线得到钆浓度的在线监测方法，该方法将中子源和γ射线探测器分别布置在装有含钆溶液的测量腔两侧，中子源发射的中子束射入测量腔，部分中子与含钆溶液中的核素157Gd和155Gd发生俘获反应转换成特定能量的γ射线，通过γ射线探测器测量反应产生的γ射线，根据γ射线探测器脉冲信号计数率推导计算出含钆溶液的钆浓度值。
进一步，如上所述的通过测量γ射线得到钆浓度的在线监测方法，其中，所述γ射线探测器脉冲信号计数率与钆浓度的关系式如下：
N＝A·P·δ·ε·S
其中，
N为γ射线探测器的脉冲信号计数率；
A为校准常数线性表达式；
P为钆浓度；
δ为中子与钆的俘获截面；
ε为γ射线探测器对特定能量γ射线的探测效率；
S为探测器对特定能量γ射线的测量灵敏度。
更进一步，上述关系式中的校准常数线性表达式A可以使用已知浓度的钆溶液进行标定，利用试验数据通过最小二乘法拟合得到。
进一步，如上所述的通过测量γ射线得到钆浓度的在线监测方法，其中，所述的含钆溶液可以为硝酸钆溶液。
一种用于实现上述方法的通过测量γ射线得到钆浓度的在线监测系统，包括分别布置在装有含钆溶液的测量腔两侧的中子源和γ射线探测器，中子源发射的中子束射入测量腔，生成的γ射线被γ射线探测器接收，所述γ射线探测器与数据处理单元连接，数据处理单元根据γ射线探测器的脉冲信号计数率计算出测量腔中含钆溶液的钆浓度值。
进一步，如上所述的通过测量γ射线得到钆浓度的在线监测系统，其中，所述的γ射线探测器可以为正比计数管、盖格-米勒计数管或闪烁探测器；通过探测器脉冲信号测量通道对γ射线探测器产生的脉冲信号进行采集，得到γ射线探测器输出的脉冲信号计数。
本发明的有益效果如下：本发明利用γ射线探测器测量中子束照射的含钆溶液时与核素157Gd和155Gd发生俘获反应产生的γ射线，测量腔中的钆浓度越大，发生反应的中子数量越多，产生的γ射线越多，γ射线探测器的计数也越多，根据γ射线探测器计数与含钆溶液的钆浓度之间的关系式，可以非常准确的通过γ射线探测器计数实时计算出钆浓度。本发明实现了可溶中子毒物溶液中钆浓度的在线监测，测量过程中不需要对溶液进行取样，保证了分析人员和测量设备免受辐射危害的影响。
附图说明
图1为本发明通过测量γ射线得到钆浓度的在线监测方法原理示意图；
图2为本发明具体实施例中γ射线计数与钆浓度的关系曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的测量原理如图1所示，监测系统设置中子源、测量腔、γ射线探测器和数据处理单元等。测量腔充满待测的含钆溶液(硝酸钆溶液)，中子源和γ射线探测器分别布置在测量腔的两侧。控制中子源的中子束运动方向，使中子源发射出的中子束从一侧射入测量腔中的硝酸钆溶液，测量腔的材质需耐腐蚀且不会对入射中子和出射的γ射线产生影响，通常为厚度不大于2mm的不锈钢，硝酸钆溶液的157Gd和155Gd对热中子具有很大的俘获截面，部分中子会与这两种核素发生俘获反应而转换成特定能量的γ射线，如下所示：
157Gd+n→158Gd+γ+7.94MeV (1)
155Gd+n→156Gd+γ+8.54MeV (2)
反应生成的γ射线从统计学上会以中子束入射轴线为中心线均匀向四周发射，γ射线探测器将测量腔完全包裹时可以得到最高的探测效率，但探测器越多或越大成本越高，综合考虑系统经济性，经过模拟计算，将探测器完全覆盖测量腔的一侧得到的探测效率即可满足系统测量要求，为了布置方便，将探测器布置在测量腔入射中子方向的另外一侧，通过γ射线探测器测量上述反应产生的γ射线，γ射线探测器可以选择常用的正比计数管、盖格-米勒计数管或闪烁探测器等。测量腔中的钆浓度越大，发生反应的中子数量越多，产生的γ射线越多，γ射线探测器的计数也越多，其探测器计数计算表达式如下：
N＝A·P·δ·ε·S (3)
N—γ射线探测器的计数率；
A—校准常数线性表达式，可以使用试验数据使用最小二乘法拟合得到；
P—钆浓度；
δ—中子与钆的俘获截面；
ε—探测器对特定能量γ射线的探测效率；
S—探测器对特定能量γ射线的测量灵敏度；
上式中除N为直接测量得到的实时数据外，其他参数在放射源种类和活度、测量腔体积、探测器体积确定后均为常数，因此可以用这种方法非常准确的计算出P值。
以入射中子为106s-1产额DT中子发生器发出的中子、探测器为4*4英寸BGO探测器、利用Gd2(SO4)3·8H2O配置不同浓度的含Gd溶液为例，计算得到的关系曲线如图2所示。
由此可见0.2g/L-0.8g/L之间可以得到良好的γ射线计数与钆浓度的关系曲线，0.8g/L以上随着计数饱和曲线趋于平滑，测量精度会下降，钆浓度为0.0g/L时理论上γ射线计数为0，因此0.0g/L-0.2g/L之间仍然可以外推得到良好的曲线，也就是说钆浓度在0.0g/L-0.8g/L之间利用γ射线探测器输出的脉冲信号计数率与钆浓度计算方程实时计算出测量腔中钆浓度的方法是可行和准确的，而且还可以根据工程需要，通过调节系统中中子产额和探测器尺寸，从而调节对应的钆浓度测量范围，以更好的适应实际需求。
对于本领域技术人员而言，显然本发明的结构不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种通过测量γ射线得到钆浓度的在线监测方法，其特征在于，该方法将中子源和γ射线探测器分别布置在装有含钆溶液的测量腔两侧，中子源发射的中子束射入测量腔，部分中子与含钆溶液中的核素157Gd和155Gd发生俘获反应转换成特定能量的γ射线，通过γ射线探测器测量反应产生的γ射线，根据γ射线探测器脉冲信号计数率推导计算出含钆溶液的钆浓度值。
2.如权利要求1所述的通过测量γ射线得到钆浓度的在线监测方法，其特征在于，所述γ射线探测器脉冲信号计数率与钆浓度的关系式如下：
N＝A·P·δ·ε·S
其中，
N为γ射线探测器的脉冲信号计数率；
A为校准常数线性表达式；
P为钆浓度；
δ为中子与钆的俘获截面；
ε为γ射线探测器对特定能量γ射线的探测效率；
S为探测器对特定能量γ射线的测量灵敏度。
3.如权利要求2所述的通过测量γ射线得到钆浓度的在线监测方法，其特征在于，所述关系式中的校准常数线性表达式A可以使用已知浓度的钆溶液进行标定，利用试验数据通过最小二乘法拟合得到。
4.如权利要求1所述的通过测量γ射线得到钆浓度的在线监测方法，其特征在于，所述的含钆溶液可以为硝酸钆溶液。
5.一种用于实现权利要求1-4中任意一项所述方法的通过测量γ射线得到钆浓度的在线监测系统，其特征在于，包括分别布置在装有含钆溶液的测量腔两侧的中子源和γ射线探测器，中子源发射的中子束射入测量腔，生成的γ射线被γ射线探测器接收，所述γ射线探测器与数据处理单元连接，数据处理单元根据γ射线探测器的脉冲信号计数率计算出测量腔中含钆溶液的钆浓度值。
6.如权利要求5所述的通过测量γ射线得到钆浓度的在线监测系统，其特征在于，所述的γ射线探测器可以为正比计数管、盖格-米勒计数管或闪烁探测器；通过探测器脉冲信号测量通道对γ射线探测器产生的脉冲信号进行采集，得到γ射线探测器输出的脉冲信号计数。
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