WO2025138129A1 - 一种核电站放射性金属材料牌号的识别方法 - Google Patents

一种核电站放射性金属材料牌号的识别方法 Download PDF

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朱斌
梅金娜
吴坚
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刘韬
邱岩
李兴文
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited

Definitions

  • the invention relates to the technical field of metal material spectrum analysis, and in particular to a method for identifying the brand of highly radioactive metal materials suitable for nuclear power plants.
  • LIBS Laser Induced Breakdown Spectroscopy
  • LIBS technology Compared with traditional methods, the powerful remote online detection capability of LIBS technology is unattainable by conventional detection methods.
  • LIBS technology only has "light contact" with the sample surface, and the mass of the sample ablated during the detection process is only in the microgram level, which has no effect on the entire system. It can obtain analysis results in real time with high accuracy and fast analysis speed.
  • new online monitoring technologies developed in nuclear power plants it has obvious advantages.
  • Existing metal material grade identification technology such as the invention patent "Method and system for metal material grade identification” with application number 201510372613.2, mainly relies on the preset metal material content range, and calculates the chi-square value by comparing the content range. This method needs to make judgments based on the content range of the measured material; another example is the invention patent "A method for rapid and non-destructive identification of metal material grades” with application number 201010576063.3, which uses an X-ray fluorescence spectrometer and cannot measure the content of elements with lower atomic numbers. At the same time, it can only distinguish carbon steel, medium and low alloy steel, etc., and cannot determine the specific grade.
  • the above inventions are not applicable to the rapid and efficient identification of highly radioactive metal material grades in nuclear power plants.
  • the purpose of the present invention is to provide a method for identifying the grade of radioactive metal materials in nuclear power plants. method.
  • a method for identifying the grade of radioactive metal materials in a nuclear power plant comprises the following steps:
  • the average spectrum information includes wavelength ⁇ , intensity H, and number of data points N.
  • the wavelength resolution is less than 0.07nm
  • the wavelength range is 180nm-1015nm
  • the number of data points N is greater than 7000.
  • the number of collections for each radioactive metal material is 10.
  • the calculation method of the average spectral information is: average the spectral intensity of each wavelength, that is,
  • the similarity calculation method includes the following steps:
  • N 3 is the number of data points in the wavelength range of 450nm-600nm;
  • the radioactive metal material is the set known brand material; if the composite similarity between the radioactive metal material and the set known brand material is less than 0.910, the set known brand material is replaced and the above calculation is repeated until the composite similarity between the radioactive metal material and the selected known brand material is ⁇ 0.910.
  • the following takes the identification of the material grade of a foreign body (1-1-7) in the core of a nuclear power plant as an example to specifically illustrate the method for identifying the grade of radioactive metal materials in a nuclear power plant of the present invention, which specifically includes the following steps:
  • the remote laser-induced breakdown spectroscopy device is used to collect spectra of several known grades of metal materials within a distance of 3.5-7m, and the average spectrum information of several known grades of materials is obtained, and a database is formed. This includes the spectrum collection of Z2CN19.10 material and the average spectrum information (1910-9).
  • the similarity calculation method includes the following steps:

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Abstract

一种核电站高放射性金属材料牌号的识别方法，包括步骤：S1：采用激光诱导击穿光谱装置对放射性金属材料进行光谱采集，获得放射性金属材料的平均光谱信息；S2：将获得的放射性金属材料的平均光谱信息与选定的已知牌号材料的光谱进行相似度计算，获得复合相似度；S3：根据复合相似度确定放射性金属材料的牌号。实现了不依赖于成分分析的金属材料牌号快速评估，评估速度快、精度高。

Description

一种核电站放射性金属材料牌号的识别方法 技术领域
本发明涉及金属材料光谱分析技术领域，尤其涉及一种适用于核电站高放射性金属材料牌号的识别方法。
背景技术
核电站高放射性金属材料的精准识别和高效检测一直是核电站的核心关注问题。由于核电厂的复杂环境和材料的放射性，常规的检测方法如火花直读法或X射线荧光光谱法在实施过程中操作人员通常需要遭受一定允许范围内的核辐射剂量，同时在材料牌号识别方面存在一定不足，亟需一种原位远程在线测量手段，既能实现高放射性金属材料的牌号识别，又能保障操作人员的职业健康。
近年来，激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，以下简称LIBS技术)的发展为核电厂高放射性、高温、高压等恶劣运行环境下核心部件材料的服役行为高效评价提供了新的技术手段。LIBS技术是基于高功率脉冲激光与待测样品相互作用产生瞬态等离子体，高温高密的等离子体辐射出不同波长的特征谱线，通过分析等离子体发射光谱中原子或离子的特征谱线，实现对待测样品定性或定量分析的一种光谱技术。
与传统方法相比，LIBS技术强大的远程在线检测能力是常规的检测手段所不能达到的；LIBS技术在检测过程中只有“光接触”样品表面，在检测过程中烧蚀的样品质量只有微克量级，对整个系统没有任何影响，能够实时获得分析结果，准确度高、分析速度快，在核电站发展的新型在线监测技术中，其优势明显。
现有的金属材料牌号识别技术，如申请号为201510372613.2的发明专利《金属材料的牌号鉴定方法及系统》，其主要依赖于预设的金属材料含量范围，通过含量范围比较求卡方值，该方法需要基于所测材料的含量范围进行判断；又如申请号为201010576063.3的发明专利《一种快速、无损鉴定金属材料牌号的方法》，其采用X射线荧光光谱仪，无法测量原子序数较低的元素含量，同时仅能分辨至碳素钢、中低合金钢等，不能确定具体牌号。以上发明均不能适用于核电站高放射性金属材料牌号的快速高效识别。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种适用于核电站放射性金属材料牌号的识别 方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种核电站放射性金属材料牌号的识别方法，包括如下步骤：
S1：采用激光诱导击穿光谱装置对放射性金属材料进行光谱采集，获得该放射性金属材料的平均光谱信息；
S2：将获得的放射性金属材料的平均光谱信息与选定的已知牌号材料的光谱进行相似度计算，获得复合相似度；
S3：根据复合相似度确定放射性金属材料的牌号。
根据本发明的一些优选实施方面，所述的平均光谱信息包括波长λ、强度H和数据点数N。
根据本发明的一些优选实施方面，所述的波长分辨率小于0.07nm，波长范围为180nm-1015nm，数据点数N大于7000。
根据本发明的一些优选实施方面，所述的平均光谱信息的计算方法为：对每一个波长的光谱强度进行平均，即n为采集次数。
根据本发明的一些优选实施方面，所述相似度的计算包括以下步骤：
1)：计算全波长范围内的相似度
2)：计算225nm-325nm波长范围内的相似度N1是225nm-325nm波长范围数据点数；
3)：计算335nm-450nm波长范围内的相似度N2是335nm-450nm波长范围数据点数；
4)：计算450nm-600nm波长范围内的相似度N3是450nm-600nm波长范围数据点数；
5)：计算复合相似度：S＝X1r1+X2r2+X3r3+Xr。
根据本发明的一些优选实施方面，所述复合相似度的计算中，X1+X2+X3+X＝1，其中，X取0.2-0.25，X1取0.3-0.4，X2取0.25-0.3，X3取0.15-0.2。
根据本发明的一些优选实施方面，根据复合相似度确定放射性金属材料的牌号方法为：若放射性金属材料与选定的已知牌号材料复合相似度≥0.910，则放射性金属材料为该选定的已知牌号材料；若放射性金属材料与选定的已知牌号材料复合相似度小于0.910，则更换选定的已知牌号材料，并重复上述计算。
根据本发明的一些优选实施方面，所述放射性金属材料的接触剂量率大于0.5mSv/h。
根据本发明的一些优选实施方面，进行光谱采集时，所述激光诱导击穿光谱装置与放射性金属材料之间的距离为3.5-7m。
根据本发明的一些优选实施方面，进行光谱采集时，针对每一种放射性金属材料的采集次数至少为10次。
由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的核电站放射性金属材料牌号的识别方法，实现了不依赖于成分分析的金属材料牌号快速评估，评估速度快，评估精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例中Z2CN19.10材料(1910-9)与放射性金属材料(1-1-7)的平均光谱信息的对比图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
本实施例的核电站放射性金属材料牌号的识别方法，具体包括如下步骤：
S1：已知牌号的金属材料的光谱采集
采用远程激光诱导击穿光谱装置在3.5-7m的距离内对若干已知牌号的金属材料进行光谱采集，得到若干已知牌号材料的平均光谱信息，并形成数据库。
平均光谱信息包括波长λ、强度H、数据点数N。波长分辨率小于0.07nm，波 长范围为180nm-1015nm，数据点数N大于7000。
针对每一种已知牌号材料的采集次数至少为10次。
S2：目标放射性金属材料的光谱采集
采用远程激光诱导击穿光谱装置在3.5-7m的距离内对放射性金属材料进行光谱采集，获得其平均光谱信息。放射性金属材料的接触剂量率大于0.5mSv/h。
平均光谱信息包括波长λ和强度H，数据点数N。波长分辨率小于0.07nm，波长范围为180nm-1015nm，数据点数N大于7000。
针对每一种放射性金属材料的采集次数为10次。平均光谱信息的计算方法为：对每一个波长的光谱强度进行平均，即
S3：相似度计算
将放射性金属材料的光谱信息与某一已知牌号材料的光谱进行相似度计算，获得复合相似度。
相似度计算方法包括以下步骤：
S3-1：计算全波长范围相似度
S3-2：计算225nm-325nm波长范围相似度N1是225nm-325nm波长范围数据点数；
S3-3：计算335nm-450nm波长范围相似度N2是335nm-450nm波长范围数据点数；
S3-4：计算450nm-600nm波长范围相似度N3是450nm-600nm波长范围数据点数；
S3-5：计算复合相似度：S＝X1r1+X2r2+X3r3+Xr
X1+X2+X3+X＝1，其中，X取0.2-0.25，X1取0.3-0.4，X2取0.25-0.3，X3取0.15-0.2。
在理想条件下，两个相同的材料在全波长的范围内应该高度相似，即S＝1。但实际上在测量过程中，由于材料表面状态(如腐蚀等)的不同，以及测试信号的随机 性，不可能保证全波长范围的相似。而225nm-325nm特征谱线最多，信息最为丰富，该波长范围内相似度给予较重要的权重，225nm-450nm、450nm-600nm特征谱线和重要性相对下降，相似度给予相对低的权重。
S3：根据复合相似度确定放射性金属材料的牌号
若放射性金属材料与设定已知牌号材料复合相似度≥0.910，则放射性金属材料为该设定已知牌号材料；若放射性金属材料与设定已知牌号材料复合相似度小于0.910，则更换设定的已知牌号材料，并重复上述计算，直至放射性金属材料与选取的已知牌号材料复合相似度≥0.910。
以下以某一核电厂堆芯异物(1-1-7)材料牌号的识别为例，具体说明本发明的核电站放射性金属材料牌号的识别方法，具体包括如下步骤：
S1：Z2CN19.10材料的光谱采集
采用远程激光诱导击穿光谱装置在3.5-7m的距离内对若干已知牌号的金属材料进行光谱采集，得到若干已知牌号材料的平均光谱信息，并形成数据库。其中包括了对Z2CN19.10材料进行光谱采集，得到其平均光谱信息(1910-9)。
S2：目标高放射性金属材料的光谱采集
采用远程激光诱导击穿光谱装置在3.5-7m的距离内对高放射性金属材料进行光谱采集，获得其平均光谱信息(1-1-7)。图1所示为Z2CN19.10材料(1910-9)与放射性金属材料(1-1-7)的平均光谱信息的比对图。
S3：相似度计算
将高放射性金属材料的光谱信息与Z2CN19.10材料的光谱进行相似度计算，获得复合相似度。
相似度计算方法包括以下步骤：
S3-1：计算全波长范围相似度N＝7485；
S3-2：计算225nm-325nm波长范围相似度N1是225nm-325nm波长范围数据点数＝1663；
S3-3：计算335nm-450nm波长范围相似度 N2是335nm-450nm波长范围数据点数＝2224；
S3-4：计算450nm-600nm波长范围相似度N3是450nm-600nm波长范围数据点数＝1201；
S3-5：计算复合相似度：S＝X1r1+X2r2+X3r3+Xr＝0.4×0.96276+0.25×0.93761+0.15×0.96611+0.2×0.90993＝0.9464
X1+X2+X3+X＝1，其中，X取0.2，X1取0.4，X2取0.25，X3取0.15。
S3：根据复合相似度确定高放射性金属材料的牌号
高放射性金属材料与Z2CN19.10材料复合相似度≥0.910，因此该高放射性金属材料为Z2CN19.10。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

  1. 一种核电站放射性金属材料牌号的识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
    S1：采用激光诱导击穿光谱装置对放射性金属材料进行光谱采集，获得该放射性金属材料的平均光谱信息；
    S2：将获得的放射性金属材料的平均光谱信息与选定的已知牌号材料的光谱进行相似度计算，获得复合相似度；
    S3：根据复合相似度确定放射性金属材料的牌号。
  2. 根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，所述的平均光谱信息包括波长λ、强度H和数据点数N。
  3. 根据权利要求2所述的识别方法，其特征在于，所述的波长分辨率小于0.07nm，波长范围为180nm-1015nm，数据点数N大于7000。
  4. 根据权利要求2所述的识别方法，其特征在于，所述的平均光谱信息的计算方法为：对每一个波长的光谱强度进行平均，即n为采集次数。
  5. 根据权利要求2所述的识别方法，其特征在于，所述相似度的计算包括以下步骤：
    1)：计算全波长范围内的相似度
    2)：计算225nm-325nm波长范围内的相似度N1是225nm-325nm波长范围数据点数；
    3)：计算335nm-450nm波长范围内的相似度N2是335nm-450nm波长范围数据点数；
    4)：计算450nm-600nm波长范围内的相似度N3是450nm-600nm波长范围数据点数；
    5)：计算复合相似度：S＝X1r1+X2r2+X3r3+Xr。
  6. 根据权利要求5所述的识别方法，其特征在于，所述复合相似度的计算中，X1+X2+X3+X＝1，其中，X取0.2-0.25，X1取0.3-0.4，X2取0.25-0.3，X3取0.15-0.2。
  7. 根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，根据复合相似度确定放射性 金属材料的牌号方法为：若放射性金属材料与选定的已知牌号材料复合相似度≥0.910，则放射性金属材料为该选定的设定已知牌号材料；若放射性金属材料与选定的已知牌号材料复合相似度小于0.910，则更换选定的已知牌号材料，并重复上述计算。
  8. 根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，所述放射性金属材料的接触剂量率大于0.5mSv/h。
  9. 根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，进行光谱采集时，所述激光诱导击穿光谱装置与放射性金属材料之间的距离为3.5-7m。
  10. 根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，进行光谱采集时，针对每一种放射性金属材料的采集次数至少为10次。
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