一種sgs與tgs聯(lián)合測(cè)量裝置及準(zhǔn)直器優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種SGS與TGS聯(lián)合測(cè)量裝置及準(zhǔn)直器的優(yōu)化方法，該裝置包括探測(cè)系統(tǒng)、鉛屏蔽體、準(zhǔn)直器、樣品測(cè)量平臺(tái)和投射屏蔽體，其中，所述探測(cè)系統(tǒng)固定在測(cè)量臺(tái)架上，探測(cè)器安裝在所述鉛屏蔽體中；所述準(zhǔn)直器包括SGS準(zhǔn)直器模塊或TGS準(zhǔn)直器模塊中的一種，均安裝在所述鉛屏蔽體上；所述樣品測(cè)量平臺(tái)在準(zhǔn)直器與投射屏蔽體之間，測(cè)量時(shí)，將樣品放置在所述樣品測(cè)量平臺(tái)上；在測(cè)量時(shí)，所述TGS準(zhǔn)直器與SGS準(zhǔn)直器能夠切換；所述TGS準(zhǔn)直器與SGS準(zhǔn)直器通過(guò)蒙特卡羅模擬方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定形狀。本發(fā)明結(jié)合SGS與TGS各自測(cè)量要求，通過(guò)蒙特卡羅模擬方法，兼容SGS與TGS測(cè)量要求，能夠滿足SGS與TGS測(cè)量要求的聯(lián)合裝置；并且可在兩種測(cè)量模式中切換。
【專利說(shuō)明】—種SGS與TGS聯(lián)合測(cè)量裝置及準(zhǔn)直器優(yōu)化方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及核材料非破壞性分析(Non-Destructive Assay-NDA)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種SGS與TGS聯(lián)合測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]分段式Y(jié)掃描技術(shù)(Segmented Gamma-ray Scanner, SGS)與層析Y掃描測(cè)量技術(shù)(Tomographic Gamma Scanning, TGS作為重要的NDA技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于于核保障、核安保、國(guó)內(nèi)核材料管制以及放射性廢物分類檢驗(yàn)等領(lǐng)域。SGS是為了測(cè)量核燃料循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的非均勻中、低密度的核廢料中的鈾、超鈾核素及其裂變產(chǎn)物質(zhì)量而開發(fā)的NDA技術(shù)之一。SGS裝置主要由探測(cè)系統(tǒng)、鉛屏蔽體、準(zhǔn)直器、樣品旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和透射源等部分組成，SGS分析技術(shù)是針對(duì)常規(guī)的Y能譜定量測(cè)量方法面臨的樣品吸收校正和非均勻性校正兩大難題而引入的測(cè)量分析技術(shù)。SGS技術(shù)采用樣品“旋轉(zhuǎn)測(cè)量”模式，通過(guò)對(duì)樣品“透射測(cè)量+自發(fā)射測(cè)量”的方法，實(shí)現(xiàn)感興趣核素的測(cè)量。
[0003]SGS技術(shù)在測(cè)量上采取徑向旋轉(zhuǎn)，軸向分段、逐段掃描測(cè)量的方式對(duì)被測(cè)非均勻樣品進(jìn)行分段“均勻化”處理。這樣的均勻化處理不僅對(duì)“測(cè)量對(duì)象基體分布進(jìn)行均勻化處理，同時(shí)也對(duì)物料分布進(jìn)行了均勻化處理。在這樣的測(cè)量模式下，非均勻的被測(cè)樣品變成了“層均勻化”，在很大程度上解決了上述測(cè)量對(duì)象基體與物料非均勻分布校正問題。
[0004]TGS與SGS技術(shù)相類似，都是采用高純鍺Y探測(cè)器對(duì)物件所含放射性核素發(fā)射的伽瑪射線進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)還對(duì)一外置透射源穿過(guò)物件的伽瑪射線-透射射線進(jìn)行測(cè)量。物件自發(fā)射線的測(cè)量是整個(gè)測(cè)量的基礎(chǔ)，而透射射線的測(cè)量用來(lái)對(duì)自發(fā)射線在被測(cè)物件內(nèi)的衰減進(jìn)行校。TGS技術(shù)將發(fā)射CT (ECT)和透射CT (TCT)技術(shù)巧妙的結(jié)合起來(lái)，通過(guò)分別進(jìn)行發(fā)射測(cè)量和透射測(cè)量，解決了 Y射線能譜測(cè)量中由于樣品介質(zhì)不均勻分布而引起的射線衰減校正不準(zhǔn)確的問題，從而大大提高了非均勻樣品中非均勻分布的放射性核素測(cè)量的準(zhǔn)確度。
[0005]TGS對(duì)被測(cè)物件進(jìn)行三維立體掃描，即不僅對(duì)被測(cè)物件進(jìn)行軸向分段掃描，而且對(duì)每一層進(jìn)行兩個(gè)相互垂直的水平方向的掃描(雙探測(cè)器通常采用的掃描模式)或一個(gè)水平方向掃描加一個(gè)旋轉(zhuǎn)掃描(單探測(cè)器通常采用的掃描模式)。這樣，實(shí)際上是將被測(cè)物件分割成若干較小單元的立體方柱，每個(gè)單元小立體方柱被當(dāng)作一個(gè)均勻介質(zhì)體；通過(guò)對(duì)物件進(jìn)行低分辨率Y層析透射掃描和發(fā)射掃描，得到物件內(nèi)介質(zhì)密度和放射性核素分布的粗略圖像，介質(zhì)密度圖像被用來(lái)對(duì)發(fā)射圖像進(jìn)行點(diǎn)-點(diǎn)對(duì)應(yīng)(point to point)的衰減校正。換句話說(shuō)，TGS技術(shù)所采用的Y射線衰減校正是基于衰減介質(zhì)和放射性核素的實(shí)際分布的，對(duì)非均勻介質(zhì)及放射性核素非均勻分布的物件，其放射性核素測(cè)量的準(zhǔn)確性得到很大的提高。這一 技術(shù)適用于中低密度非均勻介質(zhì)中非均勻分布放射性核素的測(cè)量，其弱點(diǎn)是測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，測(cè)量費(fèi)用高。
[0006]但上述兩種測(cè)量技術(shù)往往單獨(dú)使用，不能夠?qū)Χ喾N介質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。
[0007]鑒于上述缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究和實(shí)踐終于獲得了本創(chuàng)作。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種SGS與TGS聯(lián)合測(cè)量裝置，用以克服上述技術(shù)缺陷。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種SGS與TGS聯(lián)合測(cè)量裝置，該聯(lián)合測(cè)量裝置包括探測(cè)系統(tǒng)、鉛屏蔽體、準(zhǔn)直器、樣品測(cè)量平臺(tái)和投射屏蔽體，其中，
[0010]所述探測(cè)系統(tǒng)固定在測(cè)量臺(tái)架上，探測(cè)器安裝在所述鉛屏蔽體中；所述準(zhǔn)直器包括SGS準(zhǔn)直器模塊或TGS準(zhǔn)直器模塊中的一種，均安裝在所述鉛屏蔽體上；所述樣品測(cè)量平臺(tái)在準(zhǔn)直器與投射屏蔽體之間，測(cè)量時(shí)，將樣品放置在所述樣品測(cè)量平臺(tái)上；所述SGS準(zhǔn)直器將樣品軸向旋轉(zhuǎn)與垂直上升測(cè)量，以及TGS準(zhǔn)直器將樣品軸向旋轉(zhuǎn)、平移與垂直上升測(cè)量要求的樣品測(cè)量平臺(tái)；在測(cè)量時(shí)，所述TGS準(zhǔn)直器與SGS準(zhǔn)直器能夠切換；
[0011]所述TGS準(zhǔn)直器與SGS準(zhǔn)直器通過(guò)蒙特卡羅模擬方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定形狀。
[0012]進(jìn)一步，所述TGS準(zhǔn)直器對(duì)樣品透射測(cè)量，計(jì)算每個(gè)體素的線衰減系數(shù)；自發(fā)射測(cè)量，計(jì)算每個(gè)體素衰減校正系數(shù)；利用蒙特卡羅模擬方法建立衰減校正因子物理模型，針對(duì)特定測(cè)量對(duì)象，計(jì)算出當(dāng)前層樣品與臨層樣品的效率比；根據(jù)特定的分塊尺寸，調(diào)節(jié)TGS準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)；當(dāng)鄰層探測(cè)效率與當(dāng)前層效率之比小于30%時(shí)，滿足要求的TGS準(zhǔn)直器；
[0013]所述SGS準(zhǔn)直器，基于蒙特卡羅算法，跟蹤模擬樣品中對(duì)于物料發(fā)射的特定能量射線在特定準(zhǔn)直條件下在樣品中輸運(yùn)過(guò)程，獲取經(jīng)過(guò)校正后物料發(fā)射Y射線總計(jì)數(shù)率的統(tǒng)計(jì)估計(jì)；跟蹤模擬蒙特卡羅方法在探測(cè)器及其屏蔽準(zhǔn)直體中對(duì)于特定能量Y射線的輸運(yùn)過(guò)程，獲取探測(cè)效率；通過(guò)蒙特卡羅模擬方法，針對(duì)特定測(cè)量對(duì)象與測(cè)量系統(tǒng)，按SGS準(zhǔn)直器特定分層測(cè)量要求，SGS準(zhǔn)直器滿足串?dāng)_小于40%，符合SGS準(zhǔn)直器測(cè)量要求。
[0014]進(jìn)一步，所述TGS準(zhǔn)直器，根據(jù)下述透射方程計(jì)算每個(gè)體素衰減校正系數(shù):
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種SGS與TGS聯(lián)合測(cè)量裝置，其特征在于，該聯(lián)合測(cè)量裝置包括探測(cè)系統(tǒng)、鉛屏蔽體、準(zhǔn)直器、樣品測(cè)量平臺(tái)和投射屏蔽體，其中， 所述探測(cè)系統(tǒng)固定在測(cè)量臺(tái)架上，探測(cè)器安裝在所述鉛屏蔽體中；所述準(zhǔn)直器包括SGS準(zhǔn)直器模塊或TGS準(zhǔn)直器模塊中的一種，均安裝在所述鉛屏蔽體上；所述樣品測(cè)量平臺(tái)在準(zhǔn)直器與投射屏蔽體之間，測(cè)量時(shí)，將樣品放置在所述樣品測(cè)量平臺(tái)上；所述SGS準(zhǔn)直器將樣品軸向旋轉(zhuǎn)與垂直上升測(cè)量，以及TGS準(zhǔn)直器將樣品軸向旋轉(zhuǎn)、平移與垂直上升測(cè)量要求的樣品測(cè)量平臺(tái)；在測(cè)量時(shí)，所述TGS準(zhǔn)直器與SGS準(zhǔn)直器能夠切換； 所述TGS準(zhǔn)直器與SGS準(zhǔn)直器通過(guò)蒙特卡羅模擬方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SGS與TGS聯(lián)合測(cè)量裝置，其特征在于，所述TGS準(zhǔn)直器對(duì)樣品透射測(cè)量，計(jì)算每個(gè)體素的線衰減系數(shù)；自發(fā)射測(cè)量，計(jì)算每個(gè)體素衰減校正系數(shù)；利用蒙特卡羅模擬方法建立衰減校正因子物理模型，針對(duì)特定測(cè)量對(duì)象，計(jì)算出當(dāng)前層樣品與臨層樣品的效率比；根據(jù)特定的分塊尺寸，調(diào)節(jié)TGS準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)；當(dāng)鄰層探測(cè)效率與當(dāng)前層效率之比小于30%時(shí)，滿足要求的TGS準(zhǔn)直器； 所述SGS準(zhǔn)直器，基于蒙特卡羅算法，跟蹤模擬樣品中對(duì)于物料發(fā)射的特定能量射線在特定準(zhǔn)直條件下在樣品中輸運(yùn)過(guò)程，獲取經(jīng)過(guò)校正后物料發(fā)射Y射線總計(jì)數(shù)率的統(tǒng)計(jì)估計(jì)；跟蹤模擬蒙特卡羅方法在探測(cè)器及其屏蔽準(zhǔn)直體中對(duì)于特定能量Y射線的輸運(yùn)過(guò)程，獲取探測(cè)效率；通過(guò)蒙特卡羅模擬方法，針對(duì)特定測(cè)量對(duì)象與測(cè)量系統(tǒng)，按SGS準(zhǔn)直器特定分層測(cè)量要求，SGS準(zhǔn)直器滿足串?dāng)_小于40%，符合SGS準(zhǔn)直器測(cè)量要求。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的SGS與TGS聯(lián)合測(cè)量裝置，其特征在于，所述TGS準(zhǔn)直器，根據(jù)下述透射方程計(jì)算每個(gè)體素衰減校正系數(shù):
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的SGS與TGS聯(lián)合測(cè)量裝置，其特征在于，所述TGS準(zhǔn)直器自發(fā)射測(cè)量樣品，各個(gè)體素的發(fā)射測(cè)量問題用下面的線性方程來(lái)描述:
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的SGS與TGS聯(lián)合測(cè)量裝置，其特征在于，所述SGS準(zhǔn)直器確定Y射線出射位置；按照平均自由程原則，確定Y射線在樣品中下一次與樣品發(fā)生散射的位置；直至Y射線離開探測(cè)器系統(tǒng)； 通過(guò)對(duì)大量Y射線的跟蹤模擬確定能譜的發(fā)射Y射線經(jīng)過(guò)樣品散射吸收后能譜變化和強(qiáng)度變化的統(tǒng)計(jì)估計(jì)，得到經(jīng)過(guò)樣品吸收后能量沒有發(fā)生變化的Y射線份額。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的SGS與TGS聯(lián)合測(cè)量裝置，其特征在于， 所述SGS準(zhǔn)直器根據(jù)蒙特卡羅模擬方法的計(jì)算衰減校正因子物理模型，依靠隨機(jī)抽樣來(lái)模擬TGS發(fā)射測(cè)量的實(shí)際情況，將在第i個(gè)測(cè)量位置第j個(gè)有源體素發(fā)射的探測(cè)器所張立體角內(nèi)每一條Y射線穿越空間第k個(gè)體素的徑跡長(zhǎng)度都計(jì)算出來(lái)，然后按如下公式計(jì)算衰減校正系數(shù):
7.一種SGS與TGS準(zhǔn)直器的優(yōu)化方法，其特征在于，將SGS與TGS準(zhǔn)直器聯(lián)合同一裝置中，TGS準(zhǔn)直器根據(jù)上層體素與當(dāng)前層體素探測(cè)效率之比進(jìn)行分塊；SGS準(zhǔn)直器根據(jù)樣品臨層探測(cè)效率與當(dāng)前層效率之比進(jìn)行分層； 該優(yōu)化的具體過(guò)程為: 步驟a，TGS準(zhǔn)直器對(duì)樣品透射測(cè)量，該具體過(guò)程為: 步驟al，TGS準(zhǔn)直器透射測(cè)量，計(jì)算每個(gè)體素的線衰減系數(shù)； 步驟a2，TGS準(zhǔn)直器自發(fā)射測(cè)量，計(jì)算每個(gè)體素衰減校正系數(shù)； 步驟b，利用蒙特卡羅模擬方法建立衰減校正因子物理模型，針對(duì)特定測(cè)量對(duì)象，計(jì)算出當(dāng)前層樣品與臨層樣品的效率比； 步驟C，根據(jù)特定的分塊尺寸，調(diào)節(jié)TGS準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)；當(dāng)鄰層探測(cè)效率與當(dāng)前層效率之比小于30%時(shí)，滿足要求的TGS準(zhǔn)直器； 所述SGS準(zhǔn)直器的優(yōu)化過(guò)程為: 步驟d，基于蒙特卡羅算法，跟蹤模擬樣品中對(duì)于物料發(fā)射的特定能量射線在特定準(zhǔn)直條件下在樣品中輸運(yùn)過(guò)程，獲取經(jīng)過(guò)校正后物料發(fā)射Y射線總計(jì)數(shù)率的統(tǒng)計(jì)估計(jì)； 步驟e，跟蹤模擬蒙特卡羅方法在探測(cè)器及其屏蔽準(zhǔn)直體中對(duì)于特定能量Y射線的輸運(yùn)過(guò)程，獲取探測(cè)效率； 步驟f，通過(guò)蒙特卡羅模擬方法，針對(duì)特定測(cè)量對(duì)象與測(cè)量系統(tǒng)，按SGS準(zhǔn)直器特定分層測(cè)量要求，SGS準(zhǔn)直器滿足串?dāng)_小于40%，符合SGS準(zhǔn)直器測(cè)量要求。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的SGS與TGS準(zhǔn)直器的優(yōu)化方法，其特征在于，上述步驟al具體過(guò)程為: 在物品外外加一個(gè)透射源，通過(guò)物體在透射源與探測(cè)器間運(yùn)動(dòng)測(cè)量，計(jì)算出衰減系數(shù)分布圖； 透射方程可表示為:
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的SGS與TGS準(zhǔn)直器的優(yōu)化方法，其特征在于，上述步驟b具體過(guò)程為: 步驟dl，確定Y射線出射位置；由于SGS假設(shè)物料在樣品中是均勻分布的，因此Y射線的出射位置是按照均勻分布的抽樣模型抽樣確定的； 步驟d2，按照平均自由程原則，按照公式:
P=-1n ξ /ΣT 確定Y射線在樣品中下一次與樣品發(fā)生散射的位置； 其中，P為當(dāng)前Y射線具體輸運(yùn)距離，ξ為(O，1)均勻分布隨機(jī)數(shù)，Στ為樣品對(duì)于Υ射線的宏觀總截面；ΣΤ也可以稱作樣品對(duì)Υ射線的線吸收系數(shù)，或稱Y射線在樣品中的線衰減系數(shù)，用μ L表示； 步驟d3，重復(fù)步驟d2直至Y射線離開探測(cè)器系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的SGS與TGS準(zhǔn)直器的優(yōu)化方法，其特征在于，上述步驟e具體過(guò)程為: 步驟el，確定Y射線入射位置；要考慮到實(shí)際探測(cè)器具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)對(duì)于Y射線輸運(yùn)的影響； 步驟e2，按照平均自由程原則，確定Y射線在探測(cè)器系統(tǒng)中下一次發(fā)生散射的位置； 步驟e3，按照探測(cè)器系統(tǒng)中不同介質(zhì)的特性，確定Y射線與介質(zhì)的作用類型； 步驟e4，繼續(xù)跟蹤入射Y射線或Y射線與介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的次級(jí)粒子直至其能量低于跟蹤閾值或從模擬系統(tǒng)中逃逸。
【文檔編號(hào)】G01N23/06GK103901052SQ201410102454
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】郜強(qiáng), 王仲奇, 甘霖 申請(qǐng)人:中國(guó)原子能科學(xué)研究院