專利名稱：一種用于反應(yīng)堆廠房內(nèi)部的釙氣溶膠濃度檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及核安全領(lǐng)域，具體涉及一種能夠?qū)崟r測量反應(yīng)堆內(nèi)釙氣溶膠濃度的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
核反應(yīng)堆一般會產(chǎn)生許多帶有放射性的產(chǎn)物，因此，對核反應(yīng)堆廠房的放射性檢測是非常重要的，關(guān)系到在廠內(nèi)的工作人員的生命安全，也關(guān)系到廠房周邊的環(huán)境安全。
在某些反應(yīng)堆中，會產(chǎn)生放射性物質(zhì)釙210 (以氣溶膠的形式存在)。由于其一般在大氣中的濃度極小而毒性極大，因此需要能夠迅速有效的檢測釙210濃度設(shè)備和方法。目前常用的檢測方法為電化學(xué)法沉積處理后再通過α能譜儀檢測(Kostadinoy K N等JRadioanalChem42 (2):411 415，1978)，但是其缺點是檢測時間很長，估計約超過2h，無法滿足實時高效的需求。
在環(huán)境光學(xué)中，經(jīng)常利用傅里葉變換光譜進行大氣常見污染物如S02，NO等的濃度實時測量。傅里葉變換光譜是一種這樣的技術(shù):利用干涉光經(jīng)過待測氣體吸收后得到光強的傅里葉頻譜，再通過反演得到待測氣體濃度。其特點就是精度高，可實時測量。另外，相比較與傳統(tǒng)的測量方法，傅里葉變換光譜測量對操作人員的要求和所需的成本都要大大的降低。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可以實時檢測反應(yīng)堆廠房內(nèi)釙氣溶膠濃度的系統(tǒng)，利用傅里葉變換光譜的特點以及長程的吸收光路，實現(xiàn)對反應(yīng)堆廠房內(nèi)釙氣溶膠的實時檢測，保證廠房內(nèi)工作人員的安全以及廠房周邊環(huán)境的安全。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種用于反應(yīng)堆廠房內(nèi)部的釙氣溶膠濃度檢測系統(tǒng)，由激光光源1、干涉儀2、反應(yīng)堆廠房墻壁3、接收望遠鏡4、光電轉(zhuǎn)換裝置5、角反射器6以及計算機處理系統(tǒng)7組成。
目前已知釙210的吸收峰為449.3nm、430.2nm和417.0nm。因此，為了保證釙氣溶膠對于光的吸收量，該系統(tǒng)中使用的光源采用中心波長為417 450nm的藍紫光激光器。
釙氣溶膠濃度檢測系統(tǒng)所需要的相干光由邁克爾遜干涉儀產(chǎn)生。
釙氣溶膠濃度檢測系統(tǒng)中的長程吸收光路設(shè)計如下:
傅里葉變換光譜測量系統(tǒng)主要基于的原理是比爾朗伯吸收定律:I=IQ.exp(-6 cL),其中I表不接 收光強，Itl表不出射光強，6表不待測氣體吸收截面，c表不氣體濃度° 依據(jù) David M Haaland, Robert G Easterling.Application of new least-squaresmethods for the quantitative infrared analysis ofmulticomponent samples[J].Applied Spectroscopy, 1982, 36 (6):665-672,比爾朗伯吸收定律的線性使用限度為In(10/1)^ 0.7。設(shè)系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換裝置可感應(yīng)到的光強為I，激光器的出射光強為Itl，釙氣溶膠的吸收截面為6，反應(yīng)堆廠房內(nèi)標準空氣中的釙氣溶膠濃度為，結(jié)合比爾朗伯吸收定律，估算出系統(tǒng)所需要的吸收光路L=In (ItlA)/ ( 6 Ci_)，同時需要滿足比爾朗伯定律的線性使用范圍In (ItlA) ( 0.7。釙210在450nm左右的吸收截面約10_14cm2量級，根據(jù)大量測試實驗得到的數(shù)據(jù)，一般In (Ic/I)約為10_23量級左右。假設(shè)待測氣體濃度約為10_n-10_12mg/m3左右(根據(jù)大氣中釙210的最大允許濃度0.2Bq/m3)，那么可以估算這時所需要的光路長度約為102m量級，又由于一般反應(yīng)堆運行時廠房內(nèi)釙濃度會比正常大氣中的濃度高很多，因此，完全可以滿足實際堆內(nèi)廠房的釙檢測的需要。具體的光路設(shè)計要依據(jù)所要求測量的釙210濃度所決定。
設(shè)系統(tǒng)所使用的兩個廠房墻壁分別為A與B，以A或B作為y軸，A或B的垂直方向作為X軸，由于設(shè)計的光路是在兩個平行墻壁AB之間來回傳播，那么實際光路中兩個相鄰的角反射器(即一面墻壁上的角反射器和另一面墻上接收該鏡反射光的角反射器)之間的距離為=L0= ((L間距)2+ (L’)2)1/2，其中，L_表示反應(yīng)堆墻壁之間的間距，L’表示兩相鄰角反射器之間的y軸向距離。由于一般L’較小，可以忽略，這樣可以大致估算出所需要的反射器數(shù)量約為N=L/L間距+1。
每個角反射器安置的位置由如下方法確定:
(I)安放的高度與之前的安置好的角反射器和光源一致；
(2)安放的次序為兩墻面間交替安放，以使得光能在兩墻面間交替?zhèn)鞑ィ?br> (3)每個角反射器在水平方向上與光路中上一個角反射器的距離設(shè)定為AL，這里設(shè)定AL/L_6=tan0.0872，以使得水平方向上有足夠的距離校準光路，同時又不會使得實際光路與設(shè)計光路偏差過大。
為了能夠減少因為長程光路引起的激光光斑擴散，光路的接受端使用反向安裝的接收望遠鏡將激光聚束，耦合進入PIN光電二極管中。
光電二極管將接收的干涉光強信號傳輸入計算機中。以固定的速率移動邁克爾遜干涉儀的動鏡，這樣就可以得到干涉光強隨時間的變化曲線I ( S )，其中δ表示邁克爾遜干涉儀造成的光程差。隨后，計算機將該變化曲線做傅里葉變換:
權(quán)利要求
1.一種用于反應(yīng)堆廠房內(nèi)部的釙氣溶膠濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于包括:激光光源(I)、干涉儀(2)、反應(yīng)堆廠房墻壁(3)、接收望遠鏡(4)、光電轉(zhuǎn)換裝置(5)、角反射器(6)以及計算機處理系統(tǒng)(7);經(jīng)過干涉儀(2)調(diào)制后的光穿過含有釙氣溶膠的空氣的開放式長程吸收光路，由接收望遠鏡(4)接收后由光電轉(zhuǎn)換裝置(5)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再將轉(zhuǎn)換形成的電信號輸入計算機處理系統(tǒng)(7)進行傅里葉變換得到傅里葉吸收光譜:B (v)=Γ I ( S ) e'j2"vSd6 ,其中，v與δ分別表示波數(shù)與干涉儀造成的光程差，I ( δ )表示光強分布，Btl表示光譜分布；然后基于合成校準光譜，利用非線性最小二乘法計算出釙容膠的濃度:x*" (a) =Σ [Bj-Bcai (vj，a) Γ，其中a表示濃度參數(shù)，Bj表示測量得到的光譜，BcalCvj, a)表示校準光譜，X為目標函數(shù)，利用迭代的方法找到一個a，使得目標函數(shù)X最小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于反應(yīng)堆廠房內(nèi)部的釙氣溶膠濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述激光光源(I)采用中心波長為417 450nm的藍紫光激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于反應(yīng)堆廠房內(nèi)部的釙氣溶膠濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述的開放式長程光路具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如下:(I)將反應(yīng)堆廠房作為氣室，使得系統(tǒng)所用的吸收光路成為開放式的吸收光路； (2 )在反應(yīng)堆廠房內(nèi)部的兩平行墻壁上分別安置N個角反射器(6 )，通過安裝了角反射器(6)的兩墻面間不斷交替反射的方式在有限的廠房空間內(nèi)延長光路； (3)利用比爾朗伯定律I=Itl*exp (-6 cL),其中Itl表示激光光源(I)出射光強，I表示經(jīng)過吸收后接收的光強，6表示待測氣體的吸收截面，L表示光路長度，c表示待測氣體濃度，和實際所需要達到的測量精度估算出所需要的吸收光路的長度L，并且利用反應(yīng)堆墻壁(3)之間的距離L11^計算實際光路所需要的角反射器(6)數(shù)量N=L/L_6+1 ； (4)每個角反射器(6)安置的位置由如下方式確定: 安放的高度與之前的安置好的角反射器(6)和光源一致； 安放的次序為兩墻面間交替安放，以使得光能在兩墻面間交替?zhèn)鞑?；每個角反射器(6)在水平方向上與光路中上一個角反射器的距離設(shè)定為AL， 此處設(shè)定AL/L1 ^=tan0.0872，以使得水平方向上有足夠的間距用以校準光路，同時又不會使得實際光路與設(shè)計光路偏差過大； (5)光路末端利用反向安置的接收望遠鏡作為接收裝置，使得光在長程傳播后聚束。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于反應(yīng)堆廠房內(nèi)部的釙氣溶膠濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述接收望遠鏡(4)的調(diào) 節(jié)方法如下: a.固定好系統(tǒng)的激光光源(I)和干涉儀(2)，選定好激光的初始入射角度； b.將系統(tǒng)的激光光源(I)發(fā)出的光作為準直光，射向光路中的第一個角反射器(6)，調(diào)節(jié)其反射鏡的角度，使得準直激光能夠耦合到光路的第二個角反射器(6)中，隨后固定第一個角反射器(6)角度； c.依照步驟b，調(diào)節(jié)第N-1個角反射器(6)的角度，使準直激光能夠耦合進第N個角反射器(6)中(N〈角反射器數(shù))，接著固定第N-1個反射器(6)的角度； d.調(diào)節(jié)吸收光路的最后一個角反射器的角度，使得準直激光能夠耦合進作為光接收裝置的望遠鏡，固定最后一個角反射器(6)的角度；e.調(diào)節(jié)接收望遠鏡的擺放角度，使得準直激光能夠耦合進入光電轉(zhuǎn)換裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于反應(yīng)堆廠房內(nèi)部的釙氣溶膠濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述的系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換裝置使用增強型PIN光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換裝置(5)，將聚束后的光耦合進光電探測器，轉(zhuǎn)化為電信 號輸入計算機處理系統(tǒng)(7 )。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于反應(yīng)堆廠房內(nèi)部的釙氣溶膠濃度檢測系統(tǒng)，由激光光源(1)、干涉儀(2)、反應(yīng)堆廠房墻壁(3)、接收望遠鏡(4)、光電轉(zhuǎn)換裝置(5)、角反射器(6)以及計算機處理系統(tǒng)(7)組成；測量時，光源發(fā)出的激光首先通過干涉儀(2)調(diào)制，隨后射入長程吸收光路中，通過安裝在反應(yīng)堆廠房墻壁(3)上的若干角反射器(6)反射傳播，角反射器數(shù)量由反應(yīng)堆廠房結(jié)構(gòu)和吸收光路的長度決定，最后由接收望遠鏡(4)接收，光電轉(zhuǎn)換裝置(5)將接收的光信號轉(zhuǎn)換成為電信號送入計算機處理系統(tǒng)(7)生成傅里葉光譜，通過計算得出釙氣溶膠的濃度。本發(fā)明使得對反應(yīng)堆內(nèi)生成的釙氣溶膠進行快速、準確的測量成為可能，確保了反應(yīng)堆內(nèi)部及周邊的安全。
文檔編號G01N21/31GK103163090SQ201310041690
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月2日
發(fā)明者汪建業(yè), 楊明翰, 徐鵬, 邵慧, 王亮 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院