一種sgs與tgs聯(lián)合測量裝置及準直器優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種SGS與TGS聯(lián)合測量裝置及準直器的優(yōu)化方法，該裝置包括探測系統(tǒng)、鉛屏蔽體、準直器、樣品測量平臺和投射屏蔽體，其中，所述探測系統(tǒng)固定在測量臺架上，探測器安裝在所述鉛屏蔽體中；所述準直器包括SGS準直器模塊或TGS準直器模塊中的一種，均安裝在所述鉛屏蔽體上；所述樣品測量平臺在準直器與投射屏蔽體之間，測量時，將樣品放置在所述樣品測量平臺上；在測量時，所述TGS準直器與SGS準直器能夠切換；所述TGS準直器與SGS準直器通過蒙特卡羅模擬方法進行優(yōu)化設計，確定形狀。本發(fā)明結合SGS與TGS各自測量要求，通過蒙特卡羅模擬方法，兼容SGS與TGS測量要求，能夠滿足SGS與TGS測量要求的聯(lián)合裝置；并且可在兩種測量模式中切換。
【專利說明】—種SGS與TGS聯(lián)合測量裝置及準直器優(yōu)化方法【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及核材料非破壞性分析(Non-Destructive Assay-NDA)【技術領域】，尤其涉及一種SGS與TGS聯(lián)合測量裝置。
【背景技術】
[0002]分段式Y掃描技術(Segmented Gamma-ray Scanner, SGS)與層析Y掃描測量技術(Tomographic Gamma Scanning, TGS作為重要的NDA技術，已經(jīng)廣泛應用于于核保障、核安保、國內(nèi)核材料管制以及放射性廢物分類檢驗等領域。SGS是為了測量核燃料循環(huán)過程中產(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技術之一。SGS裝置主要由探測系統(tǒng)、鉛屏蔽體、準直器、樣品旋轉平臺和透射源等部分組成，SGS分析技術是針對常規(guī)的Y能譜定量測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量分析技術。SGS技術采用樣品“旋轉測量”模式，通過對樣品“透射測量+自發(fā)射測量”的方法，實現(xiàn)感興趣核素的測量。
[0003]SGS技術在測量上采取徑向旋轉，軸向分段、逐段掃描測量的方式對被測非均勻樣品進行分段“均勻化”處理。這樣的均勻化處理不僅對“測量對象基體分布進行均勻化處理，同時也對物料分布進行了均勻化處理。在這樣的測量模式下，非均勻的被測樣品變成了“層均勻化”，在很大程度上解決了上述測量對象基體與物料非均勻分布校正問題。
[0004]TGS與SGS技術相類似，都是采用高純鍺Y探測器對物件所含放射性核素發(fā)射的伽瑪射線進行測量，同時還對一外置透射源穿過物件的伽瑪射線-透射射線進行測量。物件自發(fā)射線的測量是整個測量的基礎，而透射射線的測量用來對自發(fā)射線在被測物件內(nèi)的衰減進行校。TGS技術將發(fā)射CT (ECT)和透射CT (TCT)技術巧妙的結合起來，通過分別進行發(fā)射測量和透射測量，解決了 Y射線能譜測量中由于樣品介質(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量的準確度。
[0005]TGS對被測物件進行三維立體掃描，即不僅對被測物件進行軸向分段掃描，而且對每一層進行兩個相互垂直的水平方向的掃描(雙探測器通常采用的掃描模式)或一個水平方向掃描加一個旋轉掃描(單探測器通常采用的掃描模式)。這樣，實際上是將被測物件分割成若干較小單元的立體方柱，每個單元小立體方柱被當作一個均勻介質(zhì)體；通過對物件進行低分辨率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)密度圖像被用來對發(fā)射圖像進行點-點對應(point to point)的衰減校正。換句話說，TGS技術所采用的Y射線衰減校正是基于衰減介質(zhì)和放射性核素的實際分布的，對非均勻介質(zhì)及放射性核素非均勻分布的物件，其放射性核素測量的準確性得到很大的提高。這一 技術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量，其弱點是測量時間較長，測量費用高。
[0006]但上述兩種測量技術往往單獨使用，不能夠?qū)Χ喾N介質(zhì)進行測量。
[0007]鑒于上述缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過長時間的研究和實踐終于獲得了本創(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)合測量裝置，用以克服上述技術缺陷。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種SGS與TGS聯(lián)合測量裝置，該聯(lián)合測量裝置包括探測系統(tǒng)、鉛屏蔽體、準直器、樣品測量平臺和投射屏蔽體，其中，
[0010]所述探測系統(tǒng)固定在測量臺架上，探測器安裝在所述鉛屏蔽體中；所述準直器包括SGS準直器模塊或TGS準直器模塊中的一種，均安裝在所述鉛屏蔽體上；所述樣品測量平臺在準直器與投射屏蔽體之間，測量時，將樣品放置在所述樣品測量平臺上；所述SGS準直器將樣品軸向旋轉與垂直上升測量，以及TGS準直器將樣品軸向旋轉、平移與垂直上升測量要求的樣品測量平臺；在測量時，所述TGS準直器與SGS準直器能夠切換；
[0011]所述TGS準直器與SGS準直器通過蒙特卡羅模擬方法進行優(yōu)化設計，確定形狀。
[0012]進一步，所述TGS準直器對樣品透射測量，計算每個體素的線衰減系數(shù)；自發(fā)射測量，計算每個體素衰減校正系數(shù)；利用蒙特卡羅模擬方法建立衰減校正因子物理模型，針對特定測量對象，計算出當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準直器結構；當鄰層探測效率與當前層效率之比小于30%時，滿足要求的TGS準直器；
[0013]所述SGS準直器，基于蒙特卡羅算法，跟蹤模擬樣品中對于物料發(fā)射的特定能量射線在特定準直條件下在樣品中輸運過程，獲取經(jīng)過校正后物料發(fā)射Y射線總計數(shù)率的統(tǒng)計估計；跟蹤模擬蒙特卡羅方法在探測器及其屏蔽準直體中對于特定能量Y射線的輸運過程，獲取探測效率；通過蒙特卡羅模擬方法，針對特定測量對象與測量系統(tǒng)，按SGS準直器特定分層測量要求，SGS準直器滿足串擾小于40%，符合SGS準直器測量要求。
[0014]進一步，所述TGS準直器，根據(jù)下述透射方程計算每個體素衰減校正系數(shù):
[0015]
【權利要求】
1.一種SGS與TGS聯(lián)合測量裝置，其特征在于，該聯(lián)合測量裝置包括探測系統(tǒng)、鉛屏蔽體、準直器、樣品測量平臺和投射屏蔽體，其中， 所述探測系統(tǒng)固定在測量臺架上，探測器安裝在所述鉛屏蔽體中；所述準直器包括SGS準直器模塊或TGS準直器模塊中的一種，均安裝在所述鉛屏蔽體上；所述樣品測量平臺在準直器與投射屏蔽體之間，測量時，將樣品放置在所述樣品測量平臺上；所述SGS準直器將樣品軸向旋轉與垂直上升測量，以及TGS準直器將樣品軸向旋轉、平移與垂直上升測量要求的樣品測量平臺；在測量時，所述TGS準直器與SGS準直器能夠切換； 所述TGS準直器與SGS準直器通過蒙特卡羅模擬方法進行優(yōu)化設計，確定形狀。
2.根據(jù)權利要求1所述的SGS與TGS聯(lián)合測量裝置，其特征在于，所述TGS準直器對樣品透射測量，計算每個體素的線衰減系數(shù)；自發(fā)射測量，計算每個體素衰減校正系數(shù)；利用蒙特卡羅模擬方法建立衰減校正因子物理模型，針對特定測量對象，計算出當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準直器結構；當鄰層探測效率與當前層效率之比小于30%時，滿足要求的TGS準直器； 所述SGS準直器，基于蒙特卡羅算法，跟蹤模擬樣品中對于物料發(fā)射的特定能量射線在特定準直條件下在樣品中輸運過程，獲取經(jīng)過校正后物料發(fā)射Y射線總計數(shù)率的統(tǒng)計估計；跟蹤模擬蒙特卡羅方法在探測器及其屏蔽準直體中對于特定能量Y射線的輸運過程，獲取探測效率；通過蒙特卡羅模擬方法，針對特定測量對象與測量系統(tǒng)，按SGS準直器特定分層測量要求，SGS準直器滿足串擾小于40%，符合SGS準直器測量要求。
3.根據(jù)權利要求2所述的SGS與TGS聯(lián)合測量裝置，其特征在于，所述TGS準直器，根據(jù)下述透射方程計算每個體素衰減校正系數(shù):
4.根據(jù)權利要求3所述的SGS與TGS聯(lián)合測量裝置，其特征在于，所述TGS準直器自發(fā)射測量樣品，各個體素的發(fā)射測量問題用下面的線性方程來描述:
5.根據(jù)權利要求2所述的SGS與TGS聯(lián)合測量裝置，其特征在于，所述SGS準直器確定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射線離開探測器系統(tǒng)； 通過對大量Y射線的跟蹤模擬確定能譜的發(fā)射Y射線經(jīng)過樣品散射吸收后能譜變化和強度變化的統(tǒng)計估計，得到經(jīng)過樣品吸收后能量沒有發(fā)生變化的Y射線份額。
6.根據(jù)權利要求2或5所述的SGS與TGS聯(lián)合測量裝置，其特征在于， 所述SGS準直器根據(jù)蒙特卡羅模擬方法的計算衰減校正因子物理模型，依靠隨機抽樣來模擬TGS發(fā)射測量的實際情況，將在第i個測量位置第j個有源體素發(fā)射的探測器所張立體角內(nèi)每一條Y射線穿越空間第k個體素的徑跡長度都計算出來，然后按如下公式計算衰減校正系數(shù):
7.一種SGS與TGS準直器的優(yōu)化方法，其特征在于，將SGS與TGS準直器聯(lián)合同一裝置中，TGS準直器根據(jù)上層體素與當前層體素探測效率之比進行分塊；SGS準直器根據(jù)樣品臨層探測效率與當前層效率之比進行分層； 該優(yōu)化的具體過程為: 步驟a，TGS準直器對樣品透射測量，該具體過程為: 步驟al，TGS準直器透射測量，計算每個體素的線衰減系數(shù)； 步驟a2，TGS準直器自發(fā)射測量，計算每個體素衰減校正系數(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，針對特定測量對象，計算出當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準直器結構；當鄰層探測效率與當前層效率之比小于30%時，滿足要求的TGS準直器； 所述SGS準直器的優(yōu)化過程為: 步驟d，基于蒙特卡羅算法，跟蹤模擬樣品中對于物料發(fā)射的特定能量射線在特定準直條件下在樣品中輸運過程，獲取經(jīng)過校正后物料發(fā)射Y射線總計數(shù)率的統(tǒng)計估計； 步驟e，跟蹤模擬蒙特卡羅方法在探測器及其屏蔽準直體中對于特定能量Y射線的輸運過程，獲取探測效率； 步驟f，通過蒙特卡羅模擬方法，針對特定測量對象與測量系統(tǒng)，按SGS準直器特定分層測量要求，SGS準直器滿足串擾小于40%，符合SGS準直器測量要求。
8.根據(jù)權利要求7所述的SGS與TGS準直器的優(yōu)化方法，其特征在于，上述步驟al具體過程為: 在物品外外加一個透射源，通過物體在透射源與探測器間運動測量，計算出衰減系數(shù)分布圖； 透射方程可表示為:
9.根據(jù)權利要求7或8所述的SGS與TGS準直器的優(yōu)化方法，其特征在于，上述步驟b具體過程為: 步驟dl，確定Y射線出射位置；由于SGS假設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為當前Y射線具體輸運距離，ξ為(O，1)均勻分布隨機數(shù)，Στ為樣品對于Υ射線的宏觀總截面；ΣΤ也可以稱作樣品對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，重復步驟d2直至Y射線離開探測器系統(tǒng)。
10.根據(jù)權利要求9所述的SGS與TGS準直器的優(yōu)化方法，其特征在于，上述步驟e具體過程為: 步驟el，確定Y射線入射位置；要考慮到實際探測器具有復雜的結構對于Y射線輸運的影響； 步驟e2，按照平均自由程原則，確定Y射線在探測器系統(tǒng)中下一次發(fā)生散射的位置； 步驟e3，按照探測器系統(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】G01N23/06GK103901052SQ201410102454
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權日:2014年3月19日
【發(fā)明者】郜強, 王仲奇, 甘霖 申請人:中國原子能科學研究院