专利名称：双探测器分段γ扫描测量装置及其扫描方法
技术领域：
本发明涉及的是一种核辐射测量技术领域的装置及方法，具体是一种基于等效半 径修正的双探测器分段Y扫描测量装置及其扫描方法。
背景技术：
核事业的迅速发展和核材料的大量使用将会产生大量的中低放射性废物，根据国 家相关规定，对这些废物进行中间暂存、运输、最终处置前均必须对其活度进行测量。由于 核废物的特殊性而使其核素的测量较为困难。目前，较为理想的测量技术是无损检测技术， 其中Y扫描技术是使用最广泛的核电厂桶装废物检测方法之一。Y射线扫描测量技术通 过分析放射性废物桶中不同种类同位素的特征Y射线，确定放射性元素的种类及活度。Y 射线扫描测量技术在二十世纪七十年代发展起来，经历了分段Y扫描技术和层析Y扫描 技术两个阶段。层析Y扫描技术虽然测量精度高于分段Y扫描技术，但是测量过程复杂， 测量时间过长，未得到广泛应用。经过对现有技术的检索发现，传统的分段Y扫描技术将废物桶垂直分为多层，假 设各层内填充物质与放射性核素均勻分布。测量时，废物桶勻速旋转，以减少桶内放射性核 素分布的不均勻度。在测得每一层的计数率后，分别计算出各层的探测效率和自吸收校正 因子，从而计算出该层的放射性核素量，通过求和得到整个被测物的放射性核素总量。但是该现有技术基于各层内填充物质与放射性核素都均勻分布的假设，对每层进 行一次扫描测量，而实际中废物桶通常不满足上述假设，因此会带来较大误差，其中径向的 放射性核素活度不均勻分布带来的误差最为严重。本发明提供了一种基于等效半径修正的 双探测器分段Y扫描测量装置，通过两个相同的探测器在不同位置对每层进行扫描测量， 确定桶内放射源所在等效半径位置，从而进一步修正核素活度计算时的探测效率。由于考 虑了每层中放射源不均勻的因素，同传统分段Y扫描技术相比，在基本不改变探测复杂度 的情况下，大大提高了测量的准确度。并且，同层析Y扫描技术相比，该方法的测量精度虽 然略低，但大大降低了测量过程的复杂度，更能满足对核电厂对中低放废物测量的实际要 求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种基于等效半径修正的双探测器分段Y 扫描测量装置及其扫描方法，通过废物桶的勻速旋转减少桶内物质不均勻度的影响，将两 个相同的高纯锗探测器置于不同水平位置对勻速旋转的废物桶进行分层测量，可通过分析 得到每层放射性核素的径向等效半径，根据该半径的探测效率准确计算该层的放射性核素 活度。由于排除了放射性核素均勻分布的假设，更符合实际废物桶的特点，因此大大提高了 传统分段Y扫描技术的测量准确度。本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及一种基于等效半径修正的双探测器分段Y扫描测量装置，包括旋转台、探测器平台组件、透射源平台组件、平台升降驱动组件、两个相同的具有准直器的高纯 锗探测器、透射源及其屏蔽部件和分析�？椋渲斜徊夥衔锿爸糜谛ㄉ希礁鱿嗤� 具有准直器的高纯锗探测器置于探测器平台上，透射源及其屏蔽部件置于透射源平台上， 探测器平台和透射源平台分别置于旋转台的两侧，高纯锗探测器内置的晶体与Y射线相 互作用产生电信号并与分析�？橄嗔⑹涑鯵射线能谱以获得全能峰计数率，通过控制 系统与平台升降驱动组件实现探测器与透射源的同步升降以及水平高度的准确定位。 所述的旋转台包括第一减速电机、旋转台主轴、旋转台轴套、旋转台平板、旋转台 联轴器和旋转台支脚，其中第一减速电机通过旋转台联轴器与旋转台主轴联接，旋转台主 轴与旋转台平板连接，通过第一减速电机带动旋转台平板转动并驱动被测废物桶转动。所述的探测器平台组件包括探测器平台、第一导轨和第一支架，其中第一导轨 安装于第一支架上并为探测器平台的升降提供导向作用。所述的透射源平台组件包括透射源平台、第二导轨和第二支架，其中第二导轨 安装于第二支架上并为透射源平台的升降提供导向作用。所述的平台升降驱动组件包括第二电机、第一转向器、第二转向器、第三转向器、 第一涡轮丝杆升降机和第二涡轮丝杆升降机，其中第二电机与第一转向器相连，第二转向 器和第三转向器同时与第一转向器相连，第二转向器与第一涡轮丝杆升降机相连，第三转 向器与第二涡轮丝杆升降机相连，通过第二电机和第一、二、三转向器带动第一、二涡轮丝 杆升降机运动，从而使分别位于第一、二涡轮丝杆升降机上的探测器平台和透射源平台同 步升降。本装置通过以下步骤实现基于等效半径修正的双探测器分段Y扫描，包括以下 步骤第一步、调整第一高纯锗探测器及其准直器、透射源及其屏蔽部件在升降平台上 的具体位置，使第一探测器轴线对准废物桶中心并通过透射源准直孔；第二步、调整第二高纯锗探测器及其准直器的位置，使第二探测器轴线偏离废物 桶中心且与第一探测器轴线平行，两个探测器之间的距离应能保证对于单层填充介质均勻 的测量样品在勻速旋转时，第二探测器在当层得到的净计数率与第一探测器在当层得到的 净计数率的比值与放射源所在的半径位置存在一一对应关系；第三步、开启旋转台，使废物桶以一定转速勻速旋转，将探测器平台和透射源平台 移动到废物桶最底层，在垂直方向同时移动透射源与探测器平台，从下而上对废物桶每一 层进行扫描，采集能谱；第四步、数据处理首先建立每层放射性核素活度与两个探测器净计数率的方程 组，采用填充介质与放射性核素都在每层内均勻分布的假设，计算初始效率矩阵，计算初始 活度；然后计算每一层放射性核素的等效半径，根据等效半径更新效率矩阵，重新计算活 度，重复此步骤直至活度结果收敛，实现双探测器分段Y扫描。与传统的分段Y扫描技术相比，本发明具有以下优点(1)假设废物桶每层介质均勻分布，但是排除了放射性核素在每层内均勻分布的 假设，因此更加符合实际情况。(2)采用两个相同的探测器分别在对准废物桶中心和偏离废物桶中心的两个不同 位置进行扫描测量，基于等效半径对探测效率进行校正。
(3)实验结果表明，对于中低放废物中常见的137Cs核素，本发明对中低密度的废 物桶测量误差小于20%，而传统分段γ扫描技术对非均勻放射性核素的情况测量误差可 能达到80%以上，本发明大幅度提高了传统分段γ扫描技术的测量准确度。(4)特别适用于中低密度下非均勻废物桶的活度测量，尤其对有“热点”的废物桶 有很好的测量精度。
图1为基于等效半径修正的双探测器分段Y扫描测量装置示意图。图2为基于等效半径修正的双探测器分段Y扫描测量装置俯视图。图3为旋转台示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1和2所示，本实施例包括旋转台1、探测器平台组件2、透射源平台组件3、 平台升降驱动组件4 (由23，对，25，沈，27，28组成)、具有准直器5的第一高纯锗探测器6、 具有准直器7的第二高纯锗探测器8、透射源及其屏蔽部件9和分析�？�10，其中被测废 物桶置于旋转台1上，探测器平台组件2和透射源平台组件3分别置于旋转台1的两侧，具 有准直器5的第一高纯锗探测器6以及具有准直器7的第二高纯锗探测器8置于探测器平 台组件2上(探测器6，8同型号和尺寸)，透射源及其屏蔽部件9置于透射源平台组件3上， 高纯锗探测器6，8内置的晶体与Y射线相互作用产生电信号并与分析�？�10相连并输出 Y射线能谱以获得全能峰计数率，通过控制系统及平台升降驱动组件4实现探测器6，8与 透射源及其屏蔽部件9的同步升降以及水平高度的准确定位。如图3所示，所述的旋转台1包括第一减速电机11、旋转台主轴12、旋转台轴套 13、旋转台平板14、旋转台联轴器15和旋转台支脚16，其中第一减速电机11通过旋转台 联轴器15与旋转台主轴12联接，旋转台主轴12与旋转台平板14连接，通过第一减速电机 11带动旋转台平板14转动并驱动被测废物桶转动。所述的探测器平台组件包括探测器平台17、第一导轨18和第一支架19，其中 第一导轨18安装于第一支架19上为探测器平台17的升降提供导向作用。所述的透射源平台组件包括透射源平台20、第二导轨21和第二支架22，其中 第二导轨21安装于第二支架22上为透射源平台20的升降提供导向作用。所述的平台升降驱动组件包括第二电机23、第一转向器M、第二转向器25、第三 转向器沈、第一涡轮丝杆升降机27和第二涡轮丝杆升降机观，其中第二电机23与第一转 向器M相连，第二转向器25和第三转向器沈同时与第一转向器M相连，第二转向器25 与第一涡轮丝杆升降机27相连，第三转向器沈与第二涡轮丝杆升降机观相连，通过第二 电机23和第一、二、三转向器M，25，沈带动第一、二涡轮丝杆升降机27，28运动，从而使位 于第一涡轮丝杆升降机27上的探测器平台17和位于第二涡轮丝杆升降机观上的透射源 平台20同步升降。
本装置通过以下步骤实现基于等效半径修正的双探测器分段Y扫描第一步、调整第一高纯锗探测器6及其准直器5、透射源及其屏蔽部件9在升降平 台17，20上的具体位置，使第一探测器6轴线对准废物桶中心并通过透射源准直孔；第二步、调整第二高纯锗探测器8及其准直器7的位置，使第二探测器8轴线偏离 废物桶中心且与第一探测器6轴线平行，两个探测器之间的距离应能保证对于单层填充介 质均勻的测量样品在勻速旋转时，第二探测器8在当层得到的净计数率与第一探测器6在 当层得到的净计数率的比值与放射源所在的半径位置存在一一对应关系；例如对于内径 为56cm,壁厚0. 12cm,高90cm的标准200L钢桶，在探测器6,8前端准直器5，7长15cm,准 直孔为边长6cm的正方孔，第一探测器6距离桶中心53cm时，第一探测器6与第二探测器 8的距离应在17. 5至21cm之间为最佳；第三步、开启旋转台1，使废物桶以一定转速勻速旋转，将探测器平台17和透射源 平台20移动到废物桶最底层，在垂直方向同时移动探测器平台17与透射源平台20，从下而 上对废物桶每一层进行扫描，采集能谱；第四步、数据处理(1)建立每层放射性核素活度与第一探测器6、第二探测器8的净计数率的方程 组，采用填充介质与放射性核素都在每层内均勻分布的假设，计算初始效率矩阵，计算初始 活度。设将废物桶分成η层，第一探测器6和第二探测器8得到的净计数率分别用向量 Ja和Jb来表示Ja= (JA1，JA2，JA3，...，JAn)TJb = (JM，JB2，JB3，· · ·，JBn)T废物桶每一层的放射性核素活度用向量M来表示M = (M1, M2, M3, ... , Mn)τM与Ja的关系可用一个η X η的矩阵GA来表示Ja = α · GA · M(1)其中，α为所考虑的射线能量的分支比，矩阵GA为第一探测器6的效率矩阵，矩 阵GA中的各个元素GAij为第一探测器6在第i层时对第j层放射源的探测效率。同样，M与Jb的关系可用一个nXn矩阵GB来表示Jb = α · GB · M(2)其中，矩阵GB为第二探测器8的效率矩阵，矩阵GB中的各个元素GBij为第二探测 器8在第i层时对第j层放射源的探测效率，下面用k表示循环次数，k从1开始。首先由第一探测器6测得的透射率与物质密度的关系，得到废物桶各层物质的密 度。已知密度，已知探测器6，8几何尺寸，采用填充介质与放射源都在每层内均勻分布的假 设，可以计算得到初始效率矩阵GA1和GB1。解方程组⑴和O)，得到初始活度Ma1和Mb1。(2)计算每一层放射性核素的等效半径，根据等效半径更新效率矩阵，重新计算活 度。重复此步骤直至活度结果收敛。
M k GBk可以认为是探测器6，8在第i层时，第二探测器8测得的来自于第i层
6放射源的净计数率与第一探测器6测得的来自于第i层放射源的净计数率的比值。 M k GBk①计算ll/F^V，根据第二步中得到的净计数率比值与放射源半径的对应关
②根据等效半径r/ (k+1) (i = 1，2，... η)，计算新的效率矩阵GAk+1和GBk+1③利用新的效率矩阵GAk+1和GBk+1解方程组⑴和(2)，得到活度MAk+1和MBk+1。④重复①至③直至MAk+1_MAk< ε，ε为设定的迭代精度。
权利要求
1.一种基于等效半径修正的双探测器分段Y扫描测量装置，其特征在于，包括旋转 台、探测器平台组件、透射源平台组件、平台升降驱动组件、两个相同的具有准直器的高纯 锗探测器、透射源及其屏蔽部件和分析�？椋渲斜徊夥衔锿爸糜谛ㄉ希礁鱿嗤� 具有准直器的高纯锗探测器置于探测器平台上，透射源及其屏蔽部件置于透射源平台上， 探测器平台和透射源平台分别置于旋转台的两侧，高纯锗探测器内置的晶体与Y射线相 互作用产生电信号并与分析�？橄嗔⑹涑鯵射线能谱以获得全能峰计数率，通过控制 系统与平台升降驱动组件实现探测器与透射源的同步升降以及水平高度的准确定位。
2.根据权利要求1所述的基于等效半径修正的双探测器分段Y扫描测量装置，其特征 是，所述的旋转台包括第一减速电机、旋转台主轴、旋转台轴套、旋转台平板、旋转台联轴 器和旋转台支脚，其中第一减速电机通过旋转台联轴器与旋转台主轴联接，旋转台主轴与 旋转台平板连接，通过第一减速电机带动旋转台平板转动并驱动被测物体转动。
3.根据权利要求1所述的基于等效半径修正的双探测器分段Y扫描测量装置，其特征 是，所述的探测器平台组件包括探测器平台、第一导轨和第一支架，其中第一导轨安装 于第一支架上并为探测器平台的升降提供导向作用。
4.根据权利要求1所述的基于等效半径修正的双探测器分段Y扫描测量装置，其特征 是，所述的透射源平台组件包括透射源平台、第二导轨和第二支架，其中第二导轨安装 于第二支架上并为透射源平台的升降提供导向作用。
5.根据权利要求1所述的基于等效半径修正的双探测器分段Y扫描测量装置，其特征 是，所述的平台升降驱动组件包括第二电机、第一转向器、第二转向器、第三转向器、第一 涡轮丝杆升降机和第二涡轮丝杆升降机，其中第二电机与第一转向器相连，第二转向器和 第三转向器同时与第一转向器相连，第二转向器与第一涡轮丝杆升降机相连，第三转向器 与第二涡轮丝杆升降机相连，通过第二电机和第一、二、三转向器带动第一、二涡轮丝杆升 降机运动，从而使位于第一涡轮丝杆升降机上的探测器平台和位于第二涡轮丝杆升降机上 的透射源平台同步升降。
6. 一种根据权利要求1所述测量装置的扫描方法，其特征在于，包括以下步骤第一步、调整第一高纯锗探测器及其准直器、透射源及其屏蔽部件在升降平台上的具体位置，使第一探测器轴线对准废物桶中心并通过透射源准直孔；第二步、调整第二高纯锗探测器及其准直器的位置，使第二探测器轴线偏离废物桶中 心且与第一探测器轴线平行，两个探测器之间的距离应能保证对于单层填充介质均勻的测 量样品在勻速旋转时，第二探测器在当层得到的净计数率与第一探测器在当层得到的净计 数率的比值与放射源所在的半径位置存在一一对应关系；第三步、开启旋转台，使废物桶以一定转速勻速旋转，将探测器平台和透射源平台移动 到废物桶最底层，在垂直方向同时移动透射源与探测器平台，从下而上对废物桶每一层进 行扫描，采集能谱；第四步、数据处理首先建立每层放射性核素活度与两个探测器净计数率的方程组，采 用填充介质与放射性核素都在每层内均勻分布的假设，计算初始效率矩阵，计算初始活度； 然后计算每一层放射性核素的等效半径，根据等效半径更新效率矩阵，重新计算活度，重复 此步骤直至活度结果收敛，实现双探测器分段Y扫描。
全文摘要
一种核辐射测量技术领域的基于等效半径修正的双探测器分段γ扫描测量装置，该测量装置包括旋转台、探测器平台组件、透射源平台组件、平台升降驱动组件、两个相同的具有准直器的高纯锗探测器、透射源及其屏蔽部件和分析�？�。本发明通过废物桶的匀速旋转减少桶内物质不均匀度的影响，将两个相同的高纯锗探测器置于不同水平位置对匀速旋转的废物桶进行分层测量，通过分析得到每层放射性核素的径向等效半径，根据该半径的探测效率准确计算该层的放射性核素活度。由于排除了放射性核素均匀分布的假设，更符合实际废物桶的特点，因此大大提高了传统分段γ扫描技术的测量准确度。
文档编号G01T1/167GK102135625SQ201010597029
公开日2011年7月27日 申请日期2010年12月21日 优先权日2010年12月21日
发明者刘诚, 王德忠, 白云飞, 钱楠, 顾卫国 申请人:上海交通大学
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