CN114509803A - 一种基于固态锰池的中子出射率测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于固态锰池的中子出射率测量装置，包括伽马探测器、电子学模块、数据处理模块、具有中空腔体的固态锰池；伽马探测器置于固态锰池中空腔体内用于伽马测量，并依次与锰池外的电子学模块、数据处理模块相连。该固态锰池包括内侧的多层高纯锰活化层、多层聚乙烯慢化层和最外层的高纯镉吸收层，其中活化层由慢化层所包裹。本发明还提出了一种测量方法：将待测中子源置于固态锰池内，待活化达到稳态平衡后将待测中子源移出；伽马探测器置于固态锰池内进行伽马射线计数；数据处理得到中子源出射率。该装置和方法不仅填补了钚同位素热源中子出射率测量和氧化钚氧置换工艺监测的技术空白，还实现了远程测量与监测，确保实验安全可靠。
Description
技术领域
本发明属于中子出射率测量领域，特别涉及一种基于固态锰池的中子出射率测量装置，还涉及一种基于固态锰池的中子出射率测量方法。
背景技术
放射性同位素温差发电器(Radioisotope Thermoelectric Generator，RTG)是一种基于热电转换技术将放射性同位素(热源)衰变产生的热能直接转换为电能的供电装置。目前已广泛应用于人造卫星和空间探测。
在空间应用领域，RTG热源芯块的原材料通常为氧化钚(PuO2)粉末，其中的钚同位素(238Pu、239Pu、240Pu、241Pu、242Pu等)会自发产生裂变与衰变：自发裂变产生中子，衰变产生的α粒子与17O、18O发生(α，n)反应也会产生中子。为了降低中子辐照剂量，通常需要在手套箱中对氧化钚粉末进行氧置换，使氧化钚中的17O、18O被大量置换成16O，以减少(α，n)反应，降低中子出射率，进而减轻中子辐照剂量。
为了实现对氧置换过程的监测，确保氧置换工艺的有效性，需对氧化钚粉末置换前后中子出射率进行测量、对比。目前国际上常见的测量中子出射率的方法有(1)金箔活化法，(2)BONNER球法，(3)裂变计数法，(4)锰浴法。其中金箔活化法适用于加速器、反应堆等中子出射率较大的源；BONNER球法适用于中子出射率较大的点源，需要构造合适的慢化体系，对场地需求较大；裂变计数法适用于Cf源等自发裂变材料，无法对17O、18O(α，n)反应产生的中子进行计数；锰浴法是国际通用并推荐的中子源出射强度绝对测量方法，但是该方法需要建造巨大容器盛装含锰溶液，并建造相应的循环流动系统，对成本、场地、安全性、操作都有较高的要求与约束条件。由于氧化钚放射性强，毒性大，对氧化钚粉末的中子出射率测量须满足就近、快速、设备安全可靠的原则。由此可见，上述方法均不适用于氧化钚粉末的中子出射率监测场景。
虽然在国外，美国从上个世纪60年代率先开展了一系列RTG238Pu同位素热源的氧置换工艺研究；在国内，中国工程物理研究院核物理与化学研究所自2018年也开展了238Pu同位素热源氧置换工艺研究，但均未见238Pu同位素热源氧置换工艺有效性检测的相关报道。
为了测量钚同位素热源中子出射率，验证238Pu同位素热源氧置换工艺的有效性，亟需设计一种用于钚同位素热源中子出射率测量的装置及方法。
发明内容
为达此目的，提出了一种基于固态锰池的的中子出射率测量装置及测量方法：
一种基于固态锰池的的中子出射率测量装置，包括伽马探测器、电子学模块、数据处理模块，其特征在于，所述测量装置还包括固态锰池；所述固态锰池为具有中空腔体结构的容器，用于盛放待测中子源；所述伽马探测器用于伽马测量，测量时位于固态锰池中空腔体内；所述伽马探测器依次与电子学模块、数据处理模块相连，所述电子学模块和数据处理模块位于固态锰池外。
优选的，所述固态锰池结构包括内侧的活化层、慢化层和最外层的吸收层；所述活化层的材质为高纯锰，所述慢化层的材质为聚乙烯，所述吸收层的材质为高纯镉。
优选的，所述活化层为多层，每一层活化层的材料属性和厚度相同；所述慢化层为多层，每一层慢化层材料属性和厚度相同；所述吸收层为一层；所述活化层与慢化层交替排列，所述每一层活化层均被慢化层所包裹；
优选的，所述高纯锰的纯度为≥99.95％，所述高纯镉的纯度为≥99.95％。
优选的，所述测量装置用于钚同位素热源中子出射率测量。
一种基于固态锰池的的中子出射率测量装置的测量方法，所述测量方法包括如下步骤：
S1，将待测中子源置于固态锰池内，待活化达到稳态平衡后将待测中子源移出固态锰池；
S2，连接并调试伽马探测器、电子学模块、数据处理模块后，将伽马探测器置于固态锰池内进行伽马射线计数；
S3，采集伽马探测器3的能谱数据，并进行数据处理，最终获得待测中子源的中子出射率。
优选的，步骤S1中待测中子源为氧化钚粉末，所述氧化钚粉末先封装如入罐后置于固态锰池内。
优选的，其特征在于，步骤S1中氧化钚粉末活化时间不低于2.57×5小时。
本发明所述测量装置和测量方法的工作原理为：238Pu自发裂变产生的中子以及氧化钚中的17O、18O与238Pu衰变产生的α粒子发生(α，n)反应产生的中子经过慢化层中的H核素慢化，提升与活化层中55Mn发生俘获反应的几率，慢化中子与55Mn发生55Mn(n，γ)56Mn反应，56Mn发生β衰变后生成56mFe，该过程的半衰期仅为2.57h，56mFe随即退激产生846keV的gamma射线。利用伽马探测器测量Gamma射线计数，结合半衰期、固态锰池的平均俘获截面求解出氧化钚的中子出射率。
本发明的有益效果为：(1)本发明创造性地运用固态锰池代替传统的金箔活化法、BONNER球法、裂变计数法、锰浴法实现了238Pu同位素热源中子出射率测量，填补了国内外238Pu同位素热源中子出射率测量和氧化钚氧置换工艺监测的技术空白。(2)本发明所述装置和方法，采用固态锰池作为测量核心部件，并配合电子学模块和远程数据处理模块，实现远程测量与监测，安全可靠，极大降低氧化钚样品放射性测量的操作风险；(3)本发明所述装置和方法，搭建简单、操作方便，极大降低了研发投入和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。下面结合附图对本发明做详细说明。
图1基于固态锰池的的中子出射率测量装置；
图2固态锰池结构示意图；
图3固态锰池俯视图；
图4支撑平台剖视图；
图5支撑平台俯视图；
图6移动支架结构示意图1；
图7移动支架结构示意图2；
图8底座结构示意图3；
图中：1、固态锰池，2、支撑平台，3、伽马探测器，4、电子学模块，5、数据处理模块，6、移动支架，7、活化层，8、慢化层，9、吸收层，71、第一活化层，72、第二活化层，81、第一慢化层，82、第二慢化层，83、第三慢化层，10、凹槽，12、底座，13、支撑杆，14、移动杆，15、固定环，16、螺孔，17、第一旋转螺母，18、第二旋转螺母，19、第三旋转螺母。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。
实施例一
一种基于固态锰池的的中子出射率测量装置，如图1所示，包括固态锰池1、支撑平台2、伽马探测器3、电子学模块4、数据处理模块5、移动支架6。其中，固态锰池1与移动支架6放置于支撑平台2上；移动支架6用于固定伽马探测器3，使伽马探测器3在进行伽马测量时探头能够伸入固态锰池1的中空腔体内；伽马探测器3与电子学模块4关联，通过USB线连接数据处理模块5，伽马探测器3、电子学模块4与数据处理模块5共同构成伽马测量功能。
其中固态锰池1为具有中空腔体的方形池，内部细分为三种结构层，如图2所示，具体包括内侧的活化层7、慢化层8和最外层的吸收层9。所述的活化层7为高纯锰材料，本实施例中高纯锰纯度≥99.95％，经过压制后切割成尺寸适当的锰板，然后搭接成具有中空腔体的方形池结构，同样所述的慢化层8为聚乙烯材料，也为具有中空腔体的方形池结构。所述最外层的吸收层9由高纯镉材料压制而成，也为具有中空腔体的方形池结构。
为保证测试效果，本实施例中活化层7加工成多层结构：第一活化层71、第二活化层72，针对每一层单独的活化层其材料属性相同、厚度一致；慢化层8也加工成多层结构：第一慢化层81、第二慢化层82、第三慢化层83，针对每一层单独的慢化层其材料属性相同、厚度一致；多层活化层和慢化层交替布置，其中多层慢化层将与吸收层包裹住。如图中所示，方形固态锰池由内到外依次贴合设置：第一慢化层81、第一活化层71、第二慢化层82、第二活化层72、第三慢化层83、吸收层9，每一层活化层内侧和外侧均有慢化层将其包裹。图2中的中空方形池结构也可以做成其他具有开口的中空腔体容器结构，如圆桶形、球形等。
其中支撑平台2，如图3所示，为不锈钢薄板，用于支撑固态锰池1和放置移动支架6，支撑平台上设置有凹槽10，用于放置固态锰池1与移动支架6，保持固态锰池1与移动支架6的相对位置保持不变。
伽马探测器3、电子学模块4、数据处理模块5可用现有的商用成熟产品。测量时伽马探测器3的探头伸入至固态锰池1中，实现伽马测量；电子学模块4与前端伽马探测器3匹配，将伽马探测器3的输出电信号经过整形、放大后输出至后端数据处理模块5，数据处理模块5将前端电子学模块4的输出信号进行模数转换后形成能谱，显示在电脑上。
移动支架6为不锈钢加工支架，如图4所示，支架分为三个部分：底座12、支撑杆13、移动杆14、固定环15。底座12放置于支撑平台2的凹槽10内，底座12偏离中心位置有螺孔16，支撑杆13通过该螺孔16固定在底座12上；支撑杆13上从顶部向下有刻度标识，精确到mm；移动杆14在支撑杆13上的位置可变，通过第一旋转螺母17紧固在支撑杆13上，移动杆14上有刻度标识，精确到mm，从远离支撑杆11处有固定环15，固定环15在移动杆12上的位置可变，通过第二旋转螺母18固定，另一个第三旋转螺母19将伽马探测器尾部进行固定，从而保持伽马探测器3的探头能够伸入到固态锰池中心位置。
测量时，其步骤如下：(1)将固态锰池1放置到支撑平台2上固定凹槽；(2)将封装入罐的氧化钚粉末置于固态锰池1的中空腔体内，放置不低于(2.57×5)小时，待活化达到稳态平衡后将氧化钚粉末罐取出；(3)将移动支架6的底座12放置到支撑平台2的凹槽10内，安装好支撑杆13；(4)将移动杆14通过第一旋转螺母17固定在支撑杆13上，将伽马探测器3通过第二旋转螺母18与第三旋转螺母19固定在移动杆15上，通过第一旋转螺母17调节移动杆14的高度，使伽马探测器3的探头伸入固态锰池1的中空区；(5)将电子学模块4、数据处理模块5与伽马探测器3连接；(6)采集伽马探测器3的能谱数据，并进行数据处理，最终获得氧化钚的中子出射率。
Claims (8)
1.一种基于固态锰池的的中子出射率测量装置，包括伽马探测器、电子学模块、数据处理模块，其特征在于，所述测量装置还包括固态锰池；
所述固态锰池为具有中空腔体结构的容器，用于盛放待测中子源；所述伽马探测器用于伽马测量，测量时位于固态锰池中空腔体内；所述伽马探测器依次与电子学模块、数据处理模块相连，所述电子学模块和数据处理模块位于固态锰池外。
2.根据权利要求1所述基于固态锰池的的中子出射率测量装置，其特征在于，所述固态锰池结构包括内侧的活化层、慢化层和最外侧的吸收层；所述活化层的材质为高纯锰，所述慢化层的材质为聚乙烯，所述吸收层的材质为高纯镉。
3.根据权利要求2所述基于固态锰池的的中子出射率测量装置，其特征在于，所述活化层为多层，每一层活化层的材料属性和厚度相同；所述慢化层为多层，每一层慢化层材料属性和厚度相同；所述吸收层为一层；所述活化层与慢化层交替排列，所述每一层活化层均被慢化层所包裹。
4.根据权利要求2所述基于固态锰池的的中子出射率测量装置，其特征在于，所述高纯锰的纯度为≥99.95％，所述高纯镉的纯度为≥99.95％。
5.根据权利要求2、3、4任意一项所述基于固态锰池的的中子出射率测量装置，其特征在于，所述测量装置用于钚同位素热源中子出射率测量。
6.根据权利要求2、3、4任意一项所述基于固态锰池的的中子出射率测量装置的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：
S1，将待测中子源置于固态锰池内，待活化达到稳态平衡后将待测中子源移出固态锰池；
S2，连接并调试伽马探测器、电子学模块、数据处理模块后，将伽马探测器置于固态锰池内进行伽马射线计数；
S3，采集伽马探测器3的能谱数据，并进行数据处理，最终获得待测中子源的中子出射率。
7.根据权利要求6所述基于固态锰池的的中子出射率测量装置的测量方法，其特征在于，步骤S1中待测中子源为氧化钚粉末，所述氧化钚粉末先封装入罐后置于固态锰池内。
8.根据权利要求7所述基于固态锰池的的中子出射率测量装置的测量方法，其特征在于，步骤S1中氧化钚粉末活化时间不低于2.57×5小时。
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