CN109557575A - 一种中子多重性测量装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本公开属于放射性化学领域，特别涉及一种中子多重性测量装置及其使用方法。该装置包括：探测部件、样品室、信号处理器；其中探测部件包括：探测器和屏蔽体，屏蔽体设置有用于存放探测器的凹槽，探测器包括台液体闪烁体探测器，且液体闪烁体探测器数量大于等于两个；屏蔽体包括：主屏蔽体和屏蔽滑盖，主屏蔽体用来包裹探测器，屏蔽滑盖用来屏蔽样品出入口；探测器与信号处理器连接；从而提供了一种利用液体闪烁体探测器能够实现数据在线定量分析的中子多重性测量装置及其使用方法。

Description

一种中子多重性测量装置及其使用方法

技术领域

本公开属于放射性化学领域，特别涉及一种中子多重性测量装置及其使用方法。

背景技术

随着核工业的发展，世界范围内的铀、钚材料越来越多，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。

中子多重性测量技术作为一种由中子符合测量技术发展而来的非破坏性分析技术，在核保障领域，特别是核材料衡算方面具有重要的意义，同时在中低放固体放射性废物的分类检测中也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。

近年来，由于³He气体的稀缺，国际上正在研发替代³He中子计数管的技术，根据相关文献，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室已经研制出了一种液体闪烁体探测器模块。液体闪烁体探测器可以实现对快中子的探测，使符合门宽时间达到ns量级，因此能够有效地降低偶然符合事件的影响，并且在高本底环境中，能够以更短的时间获得更佳的测量精度。另外，相对于³He正比计数管，液体闪烁体探测器具有更好的能量分辨特性，对于不纯的钚金属、PuO₂，以及HEU，能够有效地对(α,n)中子和裂变中子进行区分。但是目前基于液体闪烁体探测器的中子测量装置只能在现场测量后，再另进行数据的定量分析，无法实现数据的在线定量分析。

发明内容

(一)发明的目的

为克服现有技术的不足，本公开特别提供了一种利用液体闪烁体探测器能够实现数据在线定量分析的中子多重性测量装置。

(二)技术方案

一种中子多重性测量装置，其特征在于，该装置包括：探测部件、样品室、信号处理器；

其中探测部件包括：探测器和屏蔽体，屏蔽体设置有用于存放探测器的凹槽，探测器包括液体闪烁体探测器，且液体闪烁体探测器数量大于等于两个；屏蔽体包括：主屏蔽体和屏蔽滑盖，主屏蔽体用来包裹探测器，屏蔽滑盖用来屏蔽样品出入口；探测器与信号处理器连接；

其中样品室为圆筒形结构，包括：上样品室、下样品室、滑轨和内仓；上样品室与下样品室组成圆筒形结构，滑轨处于上样品室与下样品室之间的空隙内；内仓安装在滑轨上，且与屏蔽滑盖固定连接；样品室处于液体闪烁体探测器包裹的中央；

信号处理器包括：分析仪、去随机电路模块、移位寄存器、安装有实时数据处理软件的计算机；信号采集器与探测器连接，且信号采集器、去随机电路模块、移位寄存器、安装有实时数据处理软件的计算机依次连接；

该装置还包括装置支架；

其中装置支架包括：装置前外壳、装置后外壳、平板拖车；装置前外壳与装置后外壳连接成空心长方体结构，且装置前外壳与装置后外壳放置在平板拖车上，探测部件放置在装置前外壳与装置后外壳形成的空心长方体内。

探测器与装置支架之间的屏蔽体厚度大于液体闪烁体探测器的长度，且屏蔽体材质为聚乙烯。

液体闪烁体探测器为七台，且七台液体闪烁体探测器呈六边形排布。

样品室材质为不锈钢，并且在内侧设置有铅屏蔽层。

平板拖车设置有可移动万向轮。

装置支架内还设置有用于支撑探测器的支架。

分析仪采用混合场分析仪。

上述中子多重性测量装置的使用方法，该方法包括：

1)将探测器与信号处理器连接；

2)打开样品室，将待测样品横置于内仓，关闭样品室；

3)启动信号处理器；

4)记录测量数据，并关闭信号处理器；

5)打开样品室，取出样品，关闭样品室。

(三)有益效果

本公开提供的装置采用中子多重性测量技术分析，以实现对核材料进行准确定量分析，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。本底中子和(α，n)中子均为单个中子，不具有时间相关性，如Am-Li源中子。而裂变中子在时间上具有相关性，一次裂变事件释放的中子数目具有一定的几率分布，即多重性分布。从而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。

本公开装置包含聚乙烯材料的屏蔽体，增加中子反弹率来实现探测效率提高的功能，同时还能实现防止中子信号逸出、保护操作人员、屏蔽外界中子信号干扰、固定和支撑液闪中子探测器以及样品快捷放置的功能。

本公开的装置在屏蔽体内设置有包含铅层的样品室，其中铅层厚度设计为10mm，可以将661keV的γ射线衰减至之前的四分之一，减轻了后端信号处理器的处理压力。

本公开装置的信号处理器主要采用Hybrid Instruments公司的混合场分析仪，实现了对多路信号进行n/γ甄别，输出甄别后中子信号并且贮存在位移寄存器中，再对探测器提供部分高压的同时，进行n/γ信号甄别、中子信号输出及信号采集和分析，最终通过该装置设计的配合实现了中子多重性在线分析。

附图说明

图1是本公开的一个实施例中中子多重性测量装置结构示意图；

图2是图1所示中子多重性测量装置中探测部件结构示意图；

图3是图2所示探测部件中结构剖视图；

图4是图2所示探测部件中探测器排列结构示意图；

图5是图2所示探测部件中主屏蔽体整体结构示意图；

图6是图2所示探测部件中主屏蔽体结构剖视图；

图7是图2所示探测部件中屏蔽滑盖结构示意图；

图8是图1所示中子多重性测量装置中不含屏蔽体滑盖的样品室结构示意图；

图9是图8所示样品室中上样品室结构示意图；

图10是图8所示样品室中下样品室结构示意图；

图11是图8所示样品室中带屏蔽滑盖内仓结构示意图；

图12是图1所示中子多重性测量装置中装置前外壳结构示意图；

图13是图1所示中子多重性测量装置中装置后外壳结构示意图；

图14是图1所示中子多重性测量装置中平板拖车结构示意图；

其中1探测部件2分析仪3去随机电路模块4移位寄存器5计算机6探测器7装置支架8支架9内仓10主屏蔽体11屏蔽滑盖12样品室13滑轨14下样品室15上样品室16装置前外壳17装置后外壳18平板拖车

具体实施方式

为了更加清楚的说明本公开的技术方案，结合实施例进行详细介绍：

如图1、2所示，一种中子多重性测量装置，该装置包括：探测部件1、样品室12、信号处理器；其中探测部件1包括：探测器6和聚乙烯材质的屏蔽体，屏蔽体设置有用于存放探测器6的凹槽，探测器6包括七台液体闪烁体探测器；其中信号处理器包括：HybridInstruments公司的混合场分析仪2、去随机电路模块3、移位寄存器4、安装有实时数据处理软件的计算机5；信号采集器与探测器6连接，且信号采集器、去随机电路模块3、移位寄存器4、安装有实时数据处理软件的计算机5依次连接。

如图3、4所示，七台液体闪烁体探测器呈六边形排布；屏蔽体包括：主屏蔽体10和屏蔽滑盖11，主屏蔽体10用来包裹探测器6，屏蔽滑盖11用来屏蔽样品出入口。

如图7、8、9、10、11所示，其中样品室12为圆筒形结构，包括：上样品室15、下样品室14、滑轨13和内仓9；上样品室15与下样品室14组成圆筒形结构，滑轨13处于上样品室15与下样品室14之间的空隙内；内仓9安装在滑轨13上，且与屏蔽滑盖11固定连接；样品室12材质为不锈钢，并且在内侧设置有铅屏蔽层。

如图12、13、14所示，该装置还包括装置支架7；其中装置支架7包括：装置前外壳16、装置后外壳17、平板拖车18；装置前外壳16与装置后外壳17连接成空心长方体结构，且装置前外壳16与装置后外壳17放置在平板拖车18上，探测部件1放置在装置前外壳16与装置后外壳17形成的空心长方体内，平板拖车18设置有可移动万向轮；装置支架7内还设置有用于支撑探测器6的支架8，液体闪烁体探测器长度为127mm，因此探测器6与装置支架7之间的屏蔽体厚度为130mm。

根据上结构建立中子多重性测量装置，通过蒙特卡罗模拟计算优化并确定中子测量装置结构，其中，同位素丰度测量以HPGe探测器为基础，中子探测以液闪中子探测器为基础。针对最终确定的装置结构，采用能够同时对多路信号进行脉冲形状甄别的脉冲甄别电子学设备，并将经甄别后的中子信号直接输入到能够进行高速数据获取的国产化快速中子脉冲信号处理系统中，再结合配套的数据处理软件对数据进行在线实时分析处理，最终得到所测核材料的量。

液闪中子多重性测量技术，主要采用液体闪烁体作为中子探测器，通过收集待侧样品所发出的中子信号，采用多重性分析方法，并结合通过钚同位素分析得到的Pu样品各同位素组成信息来计算得到待测核材料的含量。

1)液闪探测器工作原理

液体闪烁体探测器的工作过程，即入射粒子能量转变为输出电脉冲的过程，可以分为以下几个阶段：

入射粒子进入液体闪烁体内，损失其部分或全部能量，使闪烁体内原子或分子激发和电离。

受激的或电离后又复合而处在激发态的原子和分子在退激过程中发射荧光光子。

荧光光子经反射层反射由光导传输到光电倍增管光阴极处，由于具有光电效应，光阴极吸收光子后发出光电子。

光电子在光电倍增管的各打拿极间倍增，最后到达阳极形成电压或电流脉冲。

2)n-γ脉冲形状甄别原理

根据液闪中子探测器中中子信号与γ信号不同的脉冲信号特征，基于脉冲上升时间原理，采用过零时间法设计n-γ脉冲形状甄别电子学系统，从而有效分离快中子脉冲信号与γ射线脉冲信号。所谓过零时间法，就是如果将光电倍增管输出的电压脉冲做一次积分和微分，则二次微分后所得到的双极信号脉冲与基线的交叉点，即过零点的位置，与电压脉冲的幅度无关，只与电压脉冲的上升时间有关，即只与脉冲形状有关。不同种类的带电粒子过零时间也不同，这样就可以利用不同带电粒子形成的信号过零时间来鉴别它们。

3)中子多重性分析原理

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NDA技术，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。本底中子和(α，n)中子均为单个中子，不具有时间相关性，如Am-Li源中子。而裂变中子在时间上具有相关性，一次裂变事件释放的中子数目具有一定的几率分布，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。测量对象包括金属Pu、含钚氧化物、残渣、废物等，运用适当的数学方法进行数据处理，能给出测量对象的自增殖系数M、(α，n)反应率、²⁴⁰Pu_eff质量m等关键参数。

以Pu材料为例，理想情况下，根据中子多重性测量信息，即能够确切地测定样品中有效²⁴⁰Pu_eff的质量，²⁴⁰Pu_eff定义为样品中所有Pu的偶核同位素产生等效于²⁴⁰Pu产生的符合中子计数率D，即：

²⁴⁰Pu_eff＝2.52(²³⁸Pu)+²⁴⁰Pu+1.68(²⁴²Pu)

其中，²³⁸Pu、²⁴⁰Pu和²⁴²Pu分别表示相应的Pu同位素质量。即，1g ²³⁸Pu产生的计数率等效于2.52g ²⁴⁰Pu产生的计数率，1g ²⁴²Pu产生的计数率等效于1.68g ²⁴⁰Pu

产生的计数率。

如果样品中钚的同位素组分已知，则进而得到钚总质量：

上式中f₂₃₈、f₂₄₀、f₂₄₂是样品中存在的各种钚同位素的丰度。

4)钚同位素丰度分析原理

对于Pu样品各同位素组成信息的获取，采用γ能谱法。作为核材料的钚样品中，常见的钚同位素有：²³⁸Pu、²³⁹Pu、²⁴⁰Pu、²⁴¹Pu和²⁴²Pu。其中，²³⁹Pu的含量(丰度)值是决定钚样品品质(属性)的关键。钚样品中²⁴¹Pu是寿命较短的同位素，

在老的钚样品中通常还有²⁴¹Am、²³⁷U和²³⁷Np存在。

钚同位素分析的原理是首先通过探测器测量并计算得到能谱中各同位素的特征γ射线峰面积；然后经探测器对该能量γ射线的探测效率和分支比校正，得到样品中该同位素的原子核数目；最后将各同位素的原子核数目和归一到100％，从而计算得到各同位素的原子核数目在样品中所占的百分比，即同位素丰度。问题的关键是如何刻度探测器对所测量的样品中各种能量γ射线的探测效率。众所周知，探测效率不仅是γ射线能量的函数，而且是样品形状(包括样品大小、样品介质)及样品与探测器之间距离的函数。在这种情况下，所遇到的测量对象可能千差万别，无法使用相应的标准源进行刻度，因此可以使用待测样品本身进行相对效率的自刻度。

采用上述中子多重性测量装置，具体操作步骤如下：

1)将探测器6与信号处理器连接；

2)打开样品室12，将待测样品横置于内仓9，关闭样品室12；

3)启动信号处理器；

4)记录测量数据，并关闭信号处理器；

5)打开样品室12，取出样品，关闭样品室12。

采用上述操作步骤，通过蒙特卡罗模拟计算得到当阈值为0.5Cs时装置探测效率为10.1％，阈值为0.25Cs时装置探测效率为16.03％；装置探测效率大于15％，测量相对标准偏差小于5％。

显然，本领域的技术人员可以对本公开进行各种改动和变型而不脱离本公开的精神和范围。这样，倘若对本公开的这些修改和变型属于本公开权利要求及其同等技术的范围之内，则本公开也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本公开的举例说明，本公开也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本公开的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本公开的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种中子多重性测量装置，其特征在于，该装置包括：探测部件(1)、样品室(12)、信号处理器；

其中所述探测部件(1)包括：探测器(6)和屏蔽体，所述屏蔽体设置有用于存放探测器(6)的凹槽，所述探测器(6)包括液体闪烁体探测器，且液体闪烁体探测器数量大于等于两个；所述屏蔽体包括：主屏蔽体(10)和屏蔽滑盖(11)，所述主屏蔽体(10)用来包裹探测器(6)，所述屏蔽滑盖(11)用来屏蔽样品出入口；所述探测器(6)与信号处理器连接；

其中所述样品室(12)为圆筒形结构，包括：上样品室(15)、下样品室(14)、滑轨(13)和内仓(9)；所述上样品室(15)与下样品室(14)组成圆筒形结构，所述滑轨(13)处于上样品室(15)与下样品室(14)之间的空隙内；所述内仓(9)安装在滑轨(13)上，且与屏蔽滑盖(11)固定连接；所述样品室(15)处于所述液体闪烁体探测器包裹的中央。

2.根据权利要求1所述一种中子多重性测量装置，其特征在于，所述信号处理器包括：分析仪(2)、去随机电路模块(3)、移位寄存器(4)、安装有实时数据处理软件的计算机(5)；所述信号采集器与探测器(6)连接，且信号采集器、去随机电路模块(3)、移位寄存器(4)、安装有实时数据处理软件的计算机(5)依次连接。

3.根据权利要求1所述一种中子多重性测量装置，其特征在于，所述该装置还包括装置支架(7)；

其中所述装置支架(7)包括：装置前外壳(16)、装置后外壳(17)、平板拖车(18)；所述装置前外壳(16)与装置后外壳(17)连接成空心长方体结构，且装置前外壳(16)与装置后外壳(17)放置在平板拖车(18)上，所述探测部件(1)放置在装置前外壳(16)与装置后外壳(17)形成的空心长方体内。

4.根据权利要求1所述一种中子多重性测量装置，其特征在于，所述探测器(6)与装置支架(7)之间的屏蔽体厚度大于液体闪烁体探测器的长度，且屏蔽体材质为聚乙烯。

5.根据权利要求1所述一种中子多重性测量装置，其特征在于，所述液体闪烁体探测器为七台，且七台液体闪烁体探测器呈六边形排布。

6.根据权利要求1所述一种中子多重性测量装置，其特征在于，所述样品室(12)材质为不锈钢，并且在内侧设置有铅屏蔽层。

7.根据权利要求3所述一种中子多重性测量装置，其特征在于，所述平板拖车(18)设置有可移动万向轮。

8.根据权利要求3所述一种中子多重性测量装置，其特征在于，所述装置支架(7)内还设置有用于支撑探测器(6)的支架(8)。

9.根据权利要求2所述一种中子多重性测量装置，其特征在于，所述分析仪(2)采用混合场分析仪。

10.权利要求1所述装置的使用方法，该方法包括：

1)将探测器(6)与信号处理器连接；

2)打开样品室(12)，将待测样品横置于内仓(9)，关闭样品室(12)；

3)启动信号处理器；

4)记录测量数据，并关闭信号处理器；

5)打开样品室(12)，取出样品，关闭样品室(12)。