CN116184482B - 基于氦-3的中子多重性自适应测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

基于氦‑3的中子多重性自适应测量装置，包括探测组件，探测组件包括中子多重性探测器和探测器屏蔽体，探测器屏蔽体包括2组外层探测器屏蔽体及2组内层探测器屏蔽体，外层探测器屏蔽体和内层探测器屏蔽体内各设置有1组中子多重性探测器，中子多重性探测器的一端与电动推杆相连接，电动推杆通过电动推杆控制器设置于转台上；测量腔支架与探测器屏蔽体之间设置有电子学盒、转台控制器及工控机，工控机通过通信端口分别与电子学盒、转台控制器及电动推杆控制器相连接，所述电子学盒通过线缆分别与各个氦‑3计数管相连接；本发明可根据测量试样的体积自适应对系统进行调整，满足对测量腔尺寸的要求，同时满足探测效率要求。

Description

基于氦-3的中子多重性自适应测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及核辐射探测技术领域，特别是涉及一种基于氦-3的中子多重性自适应测量装置及测量方法。

背景技术

随着核工业的发展，世界范围内的铀、钚等材料越来越多，防止核扩散已经成为当今国际社会普遍关注的问题。由于铀、钚材料都可以产生裂变中子，因此，利用中子探测技术并结合同位素丰度对它们进行非破坏性分析，是核保障领域最常用的手段。在我国，对核设施中铀、钚物料的检测以及长期运行和退役过程中产生的大量放射性固体废物的分类、处理，逐渐成为一项艰巨的任务。在核辐射探测技术的发展中，中子测量技术成为了核辐射探测技术领域非破坏性分析技术的重要手段，在核保障领域，特别是核材料衡算方面具有重要意义。

中子具有穿透力强，且不容易被屏蔽的特点，在面向中、高密度，大体积样块分析时成为了唯一快速可行且能够同时满足探测技术，并在中低放固体放射性废物的分类检测中具有广阔的应用前景。在以上相关领域，U/Pu物料的精确定量分析中，包括在常规样品分析、库房盘存、U/Pu生产线闭合衡算等方面，该技术都发挥着积极的作用。

而中子多重性测量技术是一种通过测量核材料裂变中子的多重性分布，以实现对核材料进行准确定量分析的快速无损分析技术(NDA)；测量过程中无需进行标样刻度，从而避免了标样使用可能对测量结果带来的影响。由于裂变中子在时间上具有相关性，故一次裂变事件中释放的中子数目具有一定的概率分布，即多重性分布；该方法可以区分裂变中子与非裂变中子，最大限度降低非裂变中子的干扰和基体材料对测量的影响。

中子多重性计数测量方法是最先进的一种核材料无损分析方法，虽然核材料发生裂变反应时产生的中子数目是随机的，但遵循统计规律，符合一定的概率分布；该概率分布就称之为中子多重性分布。通过核材料裂变发射的中子多重性分布信息的研究，就能够准确得到核材料的质量属性。基于氦-3的中子多重性测量装置采用氦-3作为中子探测器，测量装置的空腔中通常填满聚乙烯，裂变中子经过聚乙烯慢化成为热中子再被氦-3管探测，形成脉冲序列，通过符合分析方法得到中子总计数率以及多重计数率，代入中子多重性测量方程从而得到样品的有效质量，中子多重性测量用下列方程表示：

Singles＝Fεν_sf,1(1+α)M (1)

式中Singles、Doubles和Triples分别为一重、二重、三重计数率，ν_sf,1、ν_sf,2和ν_sf,3分别是自发裂变发射中子数分布的一二三阶阶乘矩，ν_i1、ν_i2、和ν_i3分别是诱发裂变发射中子数分布的一二三阶阶乘矩，ε是探测器的中子探测效率，f_d、f_t分别是探测器二重三重符合门因子，M为增殖系数，α为中子数与自发裂变中子数的比值，F为自发裂变中子时的平均反应率。

为了使中子多重性测量技术能够满足不同测量对象的实际需要，通常需要根据拟测量对象的体积以及探测效率要求对中子多重性测量装置进行设计，但现有的测量设备存在以下问题：现有中子多重性测量设备都是根据测量腔的大小使用固定式设计，即氦-3计数管的数量、长度、间隔距离和布局方式都是固定的，当氦-3计数管数量、长度、间隔距离和布局方式固定后，在测量不同体积的测量对象时会导致探测效率不稳定，同时也不能因探测效率达不到检测要求而作出适应性调整。

发明内容

本发明目的就是针对现有技术中的不足，提供一种基于氦-3的中子多重性自适应测量装置及测量方法，在满足测量对象体积最大需求的前提下，通过装置的自适应系统，满足在测量不同体积的测量对象时对探测效率的需求。为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于氦-3的中子多重性自适应测量装置，包括探测组件、控制系统、测量腔、框架及供电模块，所述探测组件包括中子多重性探测器和探测器屏蔽体，所述探测器屏蔽体包括2组外层探测器屏蔽体及2组内层探测器屏蔽体，所述外层探测器屏蔽体设置在内层探测器屏蔽体的外侧，所述外层探测器屏蔽体和内层探测器屏蔽体内各设置有1组中子多重性探测器，所述中子多重性探测器为氦-3计数管，所述氦-3计数管设置在外层探测器屏蔽体及内层探测器屏蔽体的凹槽内；

所述控制系统包括电动推杆控制器、电动推杆及转台，所述转台设置于外层探测器屏蔽体和内层探测器屏蔽体的内部，所述中子多重性探测器的一端与电动推杆相连接，所述电动推杆通过电动推杆控制器设置于转台上；所述测量腔包括试样品上室和试样品下室，所述测量腔设置于内层探测器屏蔽体包裹的中央位置；

所述框架包括测量腔支架、测量腔底座及测量腔外侧架，所述测量腔外侧架设置于外层探测器屏蔽体的外侧，所述测量腔外侧架上设置有供电模块，所述测量腔支架的下侧依次设置试样品上室、试样品下室及测量腔底座，所述测量腔支架与探测器屏蔽体之间还设置有电子学盒、转台控制器及工控机，所述工控机通过通信端口分别与电子学盒、转台控制器及电动推杆控制器相连接，所述电子学盒通过线缆分别与各个氦-3计数管相连接。

优选的，所述氦-3计数管的数量大于或等于46支，长度大于或等于40cm；

优选的，所述氦-3计数管为双层结构且等间隔分布，所述氦-3计数管的总数n为偶数时，内层所述氦-3计数管的数量为n/2，外层所述氦-3计数管数量也为n/2；所述氦-3计数管的总数n为奇数时，内层所述氦-3计数管的数量为(n-1)/2，外层所述氦-3计数管的数量为(n+1)/2。

优选的，所述外层探测器屏蔽体与内层探测器屏蔽体采用双层分离结构。

优选的，所述电子学盒设置在转台控制器的上侧。

优选的，所述凹槽的数量与氦-3计数管的数量相匹配，所述凹槽的长度是氦-3计数管长度的1.2倍。

优选的，所述试样品上室和试样品下室组成尺寸大于或等于φ400mm×400mm的圆筒形结构。

优选的，所述测量腔支架、测量腔底座及测量腔外侧架的内侧均附有多层结构，所述多层结构为石墨和聚乙烯组成的双层结构。

优选的，所述测量腔支架、测量腔底座及测量腔外侧架的材料为不锈钢。

利用中子多重性自适应测量装置所实现的测量方法，包括以下步骤：

S1、连接设备，使探测组件和控制系统运转通电；

S2、打开测量腔支架和试样品上室，将待测样品置于测量腔内，关闭测量腔支架和试样品上室；

S3、打开工控机，输入待测样品长、宽、高的最大值以及氦-3计数管的数量、长度数值；

S4、参数设定，工控机根据输入待测样品长、宽、高的最大值以及氦-3计数管数量、长度的数值，与预存的最适应氦-3计数管的伸缩长度，以及旋转角度方案进行自适应，并生成电动推杆伸缩的伸缩控制信号，以及转台的转台旋转角度控制信号；

S5、转台控制器根据接收到的转台旋转角度控制信号控制转台旋转；

S6、电动推杆控制器根据接收到的伸缩控制信号控制电动推杆伸缩；

S7、开启电子学盒，对测量的初始状态进行设置并进行计数状态清零；

S8、启动电子学盒的测量程序；

S9、记录测量数据，输出电子学盒测量程序得到的测量数据，并关闭电子学盒；

S10、关闭工控机，将测量腔支架和试样品上室打开，将待测样品取出。

本发明的有益效果：

本发明的中子多重性自适应测量装置可以根据测量试样的体积自适应对系统进行调整，满足对装置测量腔尺寸达到φ400mm×400mm的要求，通过装置的自适应系统，同时满足在测量不同体积的测量对象时对探测效率的需求。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明测试方法的流程示意图。

图中：1、中子多重性探测器；2、外层探测器屏蔽体；3、内层探测器屏蔽体；4、工控机；5、电动推杆控制器；6、电动推杆；7、转台；8、试样品上室；9、试样品下室；10、测量腔支架；11、测量腔底座；12、测量腔外侧架；13、供电模块；14、电子学盒；15、转台控制器。

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“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“第三”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”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，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。下面根据本发明的整体结构，对其实施例进行说明。

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，一种基于氦-3的中子多重性自适应测量装置，包括探测组件、控制系统、测量腔、框架及供电模块，其中，探测组件包括中子多重性探测器1和探测器屏蔽体，探测器屏蔽体包括两组外层探测器屏蔽体2及两组内层探测器屏蔽体3，外层探测器屏蔽体2设置在内层探测器屏蔽体3的外侧且外层探测器屏蔽体2与内层探测器屏蔽体3采用双层分离结构；外层探测器屏蔽体2和内层探测器屏蔽体3内还各设置有1组中子多重性探测器1，中子多重性探测器1为氦-3计数管，氦-3计数管设置在外层探测器屏蔽体2及内层探测器屏蔽体3的凹槽内，凹槽的数量与氦-3计数管的数量相匹配，凹槽的长度则是氦-3计数管长度的1.2倍；且氦-3计数管的数量大于或等于46支，长度大于或等于40cm；本发明所采用的氦-3计数管的数量优选为50支，长度优选为40cm，即1组中子多重性探测器1使用的氦-3计数管的数量为50支，长度为40cm，由于内层探测器屏蔽体3和外层探测器屏蔽体2为双层分离结构，故内层探测器屏蔽体3设置用于放置氦-3计数管的凹槽50个，外层探测器屏蔽体2设置用于放置氦-3计数管的凹槽50个，所设置凹槽的长度等于48cm。氦-3计数管采用双层结构且等间隔分布的布局，即当氦-3计数管的总数n为偶数时，内层氦-3计数管的数量为n/2，外层氦-3计数管数量也为n/2；当氦-3计数管的总数n为奇数时，内层氦-3计数管的数量为(n-1)/2，外层氦-3计数管的数量则为(n+1)/2。

控制系统包括电动推杆控制器5、电动推杆6及转台7，转台7设置于外层探测器屏蔽体2和内层探测器屏蔽体3的内部，中子多重性探测器1的一端与电动推杆6相连接，电动推杆6又通过电动推杆控制器5设置于转台7上；测量腔包括试样品上室8和试样品下室9，测量腔设置于内层探测器屏蔽体3包裹的中央位置。

框架包括测量腔支架10、测量腔底座11及测量腔外侧架12，测量腔外侧架12设置于外层探测器屏蔽体2的外侧，测量腔外侧架12上设置有供电模块13，测量腔支架10的下侧依次设置试样品上室8、试样品下室9及测量腔底座11。测量腔支架10与探测器屏蔽体之间还设置有电子学盒14、转台控制器15及工控机4，且电子学盒14设置在转台控制器15的上侧，工控机4通过通信端口分别与电子学盒14、转台控制器15及电动推杆控制器5相连接，电子学盒14通过线缆分别与各个氦-3计数管相连接，电动推杆控制器5与电动推杆6同样通过线缆相连，转台控制器15也与转台7通过线缆相连，供电模块13为整个装置的用电系统提供电力支持。

试样品上室8和试样品下室9组成尺寸大于或等于400mm×400mm的圆筒形结构，测量腔支架10、测量腔底座11及测量腔外侧架12的内侧均附有多层结构，多层结构采用石墨和聚乙烯组成的双层结构，测量腔支架10、测量腔底座11及测量腔外侧架的12材料均为不锈钢材质。

实施例2：

如图2所示，一种利用上述中子多重性自适应测量装置所实现的测量方法，包括以下步骤：

S1、连接设备，使探测组件和控制系统运转通电；

S2、打开测量腔支架10和试样品上室8，将待测样品置于测量腔内，关闭测量腔支架10和试样品上室8；

S3、打开工控机4，输入待测样品长、宽、高的最大值以及氦-3计数管的数量、长度数值；

S4、参数设定，工控机4根据输入待测样品长、宽、高的最大值以及氦-3计数管数量、长度的数值，与预存的最适应氦-3计数管的伸缩长度，以及旋转角度方案进行自适应，并生成电动推杆6伸缩的伸缩控制信号，以及转台7的转台旋转角度控制信号；

S5、转台控制器15根据接收到的转台旋转角度控制信号控制转台7旋转；

S6、电动推杆控制器5根据接收到的伸缩控制信号控制电动推杆6伸缩；

S7、开启电子学盒14，对测量的初始状态进行设置并进行计数状态清零；

S8、启动电子学盒14的测量程序；

S9、记录测量数据，输出电子学盒14测量程序得到的测量数据，并关闭电子学盒14；

S10、关闭工控机4，将测量腔支架10和试样品上室8打开，将待测样品取出。

工控机4会根据内置程序控制电子学盒14、电动推杆控制器5、转台控制器15工作，并输出电动推杆6伸缩和转台7转动的控制信号，电动推杆6在电动推杆控制器5的作用下带动氦-3计数管在屏蔽体内上下移动至设定位置，转台7在转台控制器15的作用下转动至设定位置，开启电子学盒14，对测量的初始状态进行设置并进行计数状态清零，启动电子学盒14测量程序，记录测量数据，输出电子学盒14测量程序得到的测量数据，此时关闭电子学盒14和工控机4，完成测试。

对于本领域技术人员而言，显然本发明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。

Claims (10)

1.一种基于氦-3的中子多重性自适应测量装置，包括探测组件、控制系统、测量腔、框架及供电模块，其特征在于，所述探测组件包括中子多重性探测器和探测器屏蔽体，所述探测器屏蔽体包括2组外层探测器屏蔽体及2组内层探测器屏蔽体，所述外层探测器屏蔽体设置在内层探测器屏蔽体的外侧，所述外层探测器屏蔽体和内层探测器屏蔽体内各设置有1组中子多重性探测器，所述中子多重性探测器为氦-3计数管，所述氦-3计数管设置在外层探测器屏蔽体及内层探测器屏蔽体的凹槽内；

所述控制系统包括电动推杆控制器、电动推杆及转台，所述转台设置于外层探测器屏蔽体和内层探测器屏蔽体的内部，所述中子多重性探测器的一端与电动推杆相连接，所述电动推杆通过电动推杆控制器设置于转台上；所述测量腔包括试样品上室和试样品下室，所述测量腔设置于内层探测器屏蔽体包裹的中央位置；

所述框架包括测量腔支架、测量腔底座及测量腔外侧架，所述测量腔外侧架设置于外层探测器屏蔽体的外侧，所述测量腔外侧架上设置有供电模块，所述测量腔支架的下侧依次设置试样品上室、试样品下室及测量腔底座，所述测量腔支架与探测器屏蔽体之间还设置有电子学盒、转台控制器及工控机，所述工控机通过通信端口分别与电子学盒、转台控制器及电动推杆控制器相连接，所述电子学盒通过线缆分别与各个氦-3计数管相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于氦-3的中子多重性自适应测量装置，其特征在于，所述氦-3计数管的数量大于或等于46支，长度大于或等于40cm。

3.根据权利要求2所述的一种基于氦-3的中子多重性自适应测量装置，其特征在于，所述氦-3计数管为双层结构且等间隔分布，所述氦-3计数管的总数n为偶数时，内层所述氦-3计数管的数量为n/2，外层所述氦-3计数管数量也为n/2；所述氦-3计数管的总数n为奇数时，内层所述氦-3计数管的数量为(n-1)/2，外层所述氦-3计数管的数量为(n+1)/2。

4.根据权利要求1所述的一种基于氦-3的中子多重性自适应测量装置，其特征在于，所述外层探测器屏蔽体与内层探测器屏蔽体采用双层分离结构。

5.根据权利要求1所述的一种基于氦-3的中子多重性自适应测量装置，其特征在于，所述电子学盒设置在转台控制器的上侧。

6.根据权利要求1所述的一种基于氦-3的中子多重性自适应测量装置，其特征在于，所述凹槽的数量与氦-3计数管的数量相匹配，所述凹槽的长度是氦-3计数管长度的1.2倍。

7.根据权利要求1所述的一种基于氦-3的中子多重性自适应测量装置，其特征在于，所述试样品上室和试样品下室组成尺寸大于或等于φ400mm×400mm的圆筒形结构。

8.根据权利要求1所述的一种基于氦-3的中子多重性自适应测量装置，其特征在于，所述测量腔支架、测量腔底座及测量腔外侧架的内侧均附有多层结构，所述多层结构为石墨和聚乙烯组成的双层结构。

9.根据权利要求8所述的一种基于氦-3的中子多重性自适应测量装置，其特征在于，所述测量腔支架、测量腔底座及测量腔外侧架的材料为不锈钢。

10.利用权利要求1-9任一项所述的中子多重性自适应测量装置所实现的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、连接设备，使探测组件和控制系统运转通电；

S2、打开测量腔支架和试样品上室，将待测样品置于测量腔内，关闭测量腔支架和试样品上室；

S3、打开工控机，输入待测样品长、宽、高的最大值以及氦-3计数管的数量、长度数值；

S4、参数设定，工控机根据输入待测样品长、宽、高的最大值以及氦-3计数管数量、长度的数值，与预存的最适应氦-3计数管的伸缩长度，以及旋转角度方案进行自适应，并生成电动推杆伸缩的伸缩控制信号，以及转台的转台旋转角度控制信号；

S5、转台控制器根据接收到的转台旋转角度控制信号控制转台旋转；

S6、电动推杆控制器根据接收到的伸缩控制信号控制电动推杆伸缩；

S7、开启电子学盒，对测量的初始状态进行设置并进行计数状态清零；

S8、启动电子学盒的测量程序；

S9、记录测量数据，输出电子学盒测量程序得到的测量数据，并关闭电子学盒；

S10、关闭工控机，将测量腔支架和试样品上室打开，将待测样品取出。

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