基于NaI探测器阵列的核废物桶TGS自动检测软件设计
发布时间：2021-06-08 04:50
随着我国核能与核技术的大力发展,对中低放射性桶装固体核废物的检测需求逐渐增加。层析γ扫描（Tomographic Gamma Scanning,TGS）能够对非均匀分布的较高密度桶装核废物样品进行定性（核素种类）、定量（活度）和定位（活度分布）分析,较分层γ扫描（Segmented Gamma Scanning,SGS）更精确。然而,传统基于单探测器的TGS系统扫描检测效率低、耗时长,基于探测器阵列的扫描方式,可以显著提高检测效率。本文针对探测器阵列TGS检测的自动控制和数据分析方法开展研究,基于探测器阵列检测平台开发TGS自动检测软件系统,为整个系统的研发提供重要支撑。主要研究内容及成果如下:（1）根据TGS技术原理,基于NaI探测器阵列构建核废物桶TGS自动检测系统。以团队自主研发的机械装置和PLC构成系统的机械控制模块,将多通道采集卡和NaI探测器阵列结合一次性采集多个测量位置的核脉冲。（2）为提高核脉冲峰值检测速度、降低重叠脉冲带来的误差,分析系统采集到的核脉冲幅度与时间宽度特征,改进传统的单阈值峰值检测方法并验证其可行性与合理性。改进之后的单阈值法由于在一个周期中阈值随幅度上...
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2.1分层Fig2.1Layering
2TGS检测原理及系统搭建9个体素的活度，iD表示第i个测量点的光子计数率。衰减矫正之后，发射方程为：jjijiSFD1j（2-7）ijijijAEF（2-8）k)exp(Akijkijt（2-9）式中ijF为衰减矫正后的效率刻度矩阵；ijA表示在第i个测量点，第j个体素内核素发出的γ射线衰减因子；ijkt表示在第i个探测点，第j个体素内核素发出的γ射线在进入探测器前在第k个体素内的线衰减厚度；k表示第k个体素的线衰减系数。发射重建就是通过γ光子计数率求公式2.7的解，因此γ能谱的测量和分析是图像重建的基础，也是TGS检测的关键。2.3阵列式TGS自动检测系统结构TGS自动检测系统物理上由探测器阵列、多通道采集卡、机械装置和计算机四个部分组成，系统结构如图2.2所示。其中，自主研发的机械装置和PLC构成了系统的机械控制模块，多道采集卡和NaI探测器阵列则主要负责数据采集。通过在PC端的编程，使机械运动、数据采集与数据处理的协同作业完成整个废物桶探测流程。图2.2系统结构Fig2.2SystemStructure2.3.1NaI探测器阵列放射性测量必然离不开探测器，现有的探测器主要有闪烁体探测器、气体探测器、热释光探测器和半导体探测器。闪烁体探测器主体是闪烁体和光电倍增管，按化学性质不同可以分为有机和无机晶体两大类：无机晶体闪烁体大多由碘化物构成，有机晶体闪烁体由有机氢化物构成。闪烁探测器性能稳定，使用方便，成本低。气体探测器能量分辨率差，结构简单。热释光探测器测量对象广泛、灵敏度高、体积小，在剂量
西南科技大学硕士学位论文10测量领域应用广泛。半导体探测器的主要优点是能量分辨率高、固有统计涨落小，对于气体探测器而言尺寸孝响应时间快，主要缺点在于抗辐照性能不够好，而且常用的HPGe(高纯锗)探测器受温度条件限制，需要液氮制冷，使用非常不便。采用探测器阵列可以显著提高TGS检测效率，但阵列式的HPGe探测器的成本过高，并且需要配备制冷设备不便于现场装配。系统使用北京滨松公司生产的NaI探测器构建探测器阵列，主要参数如表2.1。NaI探测器能量分辨率不及半导体探测器（NaI探测器分辨率大约为7%，HPGe小于0.3%，CdZnTe小于3%)，但是性价比更高且便携性更好。NaI探测器已经实现了国产化，购买、维修都比进口更方便。与其他的闪烁体探测器相比较，从价格、性能综合来看，NaI探测器都适合用来组成探测器阵列。表2.1探测器参数Tab2.1Detectorparameters项目范围探测器参数闪烁体尺寸7575mm能量分辨率(137Cs)≤8.5％本底计数率(50KeV～2MeV）≤300min-1输入参数输入电压11.5~12.5V输入电流≤60mA输出参数输出信号极性负极性输出信号幅度(Max)6V环境参数工作温度0~40℃保存温度-20~+55℃湿度≤95%探测器主要组成部分如图2.3，γ粒子进入位于探测器前端的闪烁体，粒子损失的部分能量会电离或激发闪烁体的原子、分子。退激过程中发射出的光子穿过闪烁体、光导，然后在光电倍增管的阴极被转化成光电子，经由倍增极倍增后的光电子在光电倍增管阳极形成电脉冲。最后，这些微小的电脉冲通过前置放大电路作为探测器的信号输出。图2.3NaI探测器结构图Fig2.3NaIdetectorstructurediagram
【参考文献】：
期刊论文
[1]PLC控制技术在工业自动化中的应用分析[J]. 刘耀武. 化工管理. 2020(11)
[2]基于蒙卡模拟的分段γ扫描无源效率刻度方法[J]. 郑洪龙,庹先国,苟家元,吴耀,左伟,郭雨非,何琳,刘艳芳,黄聪,阳林锋,刘伟. 强激光与粒子束. 2020(04)
[3]低本底伽马能谱仪闪烁探测器的智能化温控系统设计[J]. 武旭东,王玮,李婷,段金松,麻金龙. 世界核地质科学. 2020(01)
[4]基于Matlab GUI的数字化伽马能谱仪实验设计[J]. 吴和喜,张庆,徐辉,刘义保. 实验技术与管理. 2019(12)
[5]基于自适应阈值的心音分段算法研究[J]. 曾劲云,何培宇,潘帆. 四川大学学报(自然科学版). 2019(05)
[6]一种基于微分阈值法的脉搏波特征点提取优化算法[J]. 周莹,曹美媛,谷红霞,曾丽萍. 工业控制计算机. 2019(08)
[7]蒙特卡罗法模拟γ谱仪无源效率刻度[J]. 姚剑锋,马英杰,刘易鑫. 核电子学与探测技术. 2019(04)
[8]一种实时核脉冲信号峰值检测方法及能谱分析[J]. 袁源,张流强,罗小丽,李盈霖. 核技术. 2019(02)
[9]桶装核废物在线检测控制系统操控软件设计[J]. 陈林,庹先国,张贵宇,彭英杰,李杉. 核电子学与探测技术. 2018(05)
[10]废物桶活度测量的半层析γ扫描技术[J]. 饶开源,顾卫国,唐新海,王德忠,马元巍. 核技术. 2018(05)
博士论文
[1]基于压缩感知理论的核废物桶TGS图像重建技术研究[D]. 郑洪龙.中国工程物理研究院 2019
[2]中低放射性废物改进型γ扫描技术及活度重建算法研究[D]. 刘诚.上海交通大学 2013
硕士论文
[1]基于FPGA的数字多道脉冲幅度分析器关键技术与系统实现[D]. 任印权.东华理工大学 2019
[2]基于FPGA的数字化伽马能谱测量系统[D]. 汤建文.东华理工大学 2019
[3]核废物桶SGS检测无源效率刻度修正技术研究[D]. 李志刚.成都理工大学 2019
[4]层析γ扫描透射图像迭代重建算法的改进研究[D]. 何艾静.成都理工大学 2019
[5]低本底γ能谱分析软件的开发[D]. 罗琼.成都理工大学 2019
[6]体源效率刻度及污染物快速检测方法研究[D]. 姚剑锋.成都理工大学 2019
[7]基于SiPM读出的紧凑型溴化铈伽马能谱仪研制[D]. 胡天宇.成都理工大学 2018
[8]核电厂低中放废物桶改进型伽马扫描技术研究[D]. 饶开源.上海交通大学 2018
[9]基于FPGA的数字多道脉冲幅度分析器[D]. 孙尚清.东华理工大学 2017
[10]基于探测效率刻度提高分段伽马扫描探测精度的研究[D]. 熊洁梅.上海交通大学 2017
本文编号：3217733
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2.1分层Fig2.1Layering
2TGS检测原理及系统搭建9个体素的活度，iD表示第i个测量点的光子计数率。衰减矫正之后，发射方程为：jjijiSFD1j（2-7）ijijijAEF（2-8）k)exp(Akijkijt（2-9）式中ijF为衰减矫正后的效率刻度矩阵；ijA表示在第i个测量点，第j个体素内核素发出的γ射线衰减因子；ijkt表示在第i个探测点，第j个体素内核素发出的γ射线在进入探测器前在第k个体素内的线衰减厚度；k表示第k个体素的线衰减系数。发射重建就是通过γ光子计数率求公式2.7的解，因此γ能谱的测量和分析是图像重建的基础，也是TGS检测的关键。2.3阵列式TGS自动检测系统结构TGS自动检测系统物理上由探测器阵列、多通道采集卡、机械装置和计算机四个部分组成，系统结构如图2.2所示。其中，自主研发的机械装置和PLC构成了系统的机械控制模块，多道采集卡和NaI探测器阵列则主要负责数据采集。通过在PC端的编程，使机械运动、数据采集与数据处理的协同作业完成整个废物桶探测流程。图2.2系统结构Fig2.2SystemStructure2.3.1NaI探测器阵列放射性测量必然离不开探测器，现有的探测器主要有闪烁体探测器、气体探测器、热释光探测器和半导体探测器。闪烁体探测器主体是闪烁体和光电倍增管，按化学性质不同可以分为有机和无机晶体两大类：无机晶体闪烁体大多由碘化物构成，有机晶体闪烁体由有机氢化物构成。闪烁探测器性能稳定，使用方便，成本低。气体探测器能量分辨率差，结构简单。热释光探测器测量对象广泛、灵敏度高、体积小，在剂量
西南科技大学硕士学位论文10测量领域应用广泛。半导体探测器的主要优点是能量分辨率高、固有统计涨落小，对于气体探测器而言尺寸孝响应时间快，主要缺点在于抗辐照性能不够好，而且常用的HPGe(高纯锗)探测器受温度条件限制，需要液氮制冷，使用非常不便。采用探测器阵列可以显著提高TGS检测效率，但阵列式的HPGe探测器的成本过高，并且需要配备制冷设备不便于现场装配。系统使用北京滨松公司生产的NaI探测器构建探测器阵列，主要参数如表2.1。NaI探测器能量分辨率不及半导体探测器（NaI探测器分辨率大约为7%，HPGe小于0.3%，CdZnTe小于3%)，但是性价比更高且便携性更好。NaI探测器已经实现了国产化，购买、维修都比进口更方便。与其他的闪烁体探测器相比较，从价格、性能综合来看，NaI探测器都适合用来组成探测器阵列。表2.1探测器参数Tab2.1Detectorparameters项目范围探测器参数闪烁体尺寸7575mm能量分辨率(137Cs)≤8.5％本底计数率(50KeV～2MeV）≤300min-1输入参数输入电压11.5~12.5V输入电流≤60mA输出参数输出信号极性负极性输出信号幅度(Max)6V环境参数工作温度0~40℃保存温度-20~+55℃湿度≤95%探测器主要组成部分如图2.3，γ粒子进入位于探测器前端的闪烁体，粒子损失的部分能量会电离或激发闪烁体的原子、分子。退激过程中发射出的光子穿过闪烁体、光导，然后在光电倍增管的阴极被转化成光电子，经由倍增极倍增后的光电子在光电倍增管阳极形成电脉冲。最后，这些微小的电脉冲通过前置放大电路作为探测器的信号输出。图2.3NaI探测器结构图Fig2.3NaIdetectorstructurediagram
【参考文献】：
期刊论文
[1]PLC控制技术在工业自动化中的应用分析[J]. 刘耀武. 化工管理. 2020(11)
[2]基于蒙卡模拟的分段γ扫描无源效率刻度方法[J]. 郑洪龙,庹先国,苟家元,吴耀,左伟,郭雨非,何琳,刘艳芳,黄聪,阳林锋,刘伟. 强激光与粒子束. 2020(04)
[3]低本底伽马能谱仪闪烁探测器的智能化温控系统设计[J]. 武旭东,王玮,李婷,段金松,麻金龙. 世界核地质科学. 2020(01)
[4]基于Matlab GUI的数字化伽马能谱仪实验设计[J]. 吴和喜,张庆,徐辉,刘义保. 实验技术与管理. 2019(12)
[5]基于自适应阈值的心音分段算法研究[J]. 曾劲云,何培宇,潘帆. 四川大学学报(自然科学版). 2019(05)
[6]一种基于微分阈值法的脉搏波特征点提取优化算法[J]. 周莹,曹美媛,谷红霞,曾丽萍. 工业控制计算机. 2019(08)
[7]蒙特卡罗法模拟γ谱仪无源效率刻度[J]. 姚剑锋,马英杰,刘易鑫. 核电子学与探测技术. 2019(04)
[8]一种实时核脉冲信号峰值检测方法及能谱分析[J]. 袁源,张流强,罗小丽,李盈霖. 核技术. 2019(02)
[9]桶装核废物在线检测控制系统操控软件设计[J]. 陈林,庹先国,张贵宇,彭英杰,李杉. 核电子学与探测技术. 2018(05)
[10]废物桶活度测量的半层析γ扫描技术[J]. 饶开源,顾卫国,唐新海,王德忠,马元巍. 核技术. 2018(05)
博士论文
[1]基于压缩感知理论的核废物桶TGS图像重建技术研究[D]. 郑洪龙.中国工程物理研究院 2019
[2]中低放射性废物改进型γ扫描技术及活度重建算法研究[D]. 刘诚.上海交通大学 2013
硕士论文
[1]基于FPGA的数字多道脉冲幅度分析器关键技术与系统实现[D]. 任印权.东华理工大学 2019
[2]基于FPGA的数字化伽马能谱测量系统[D]. 汤建文.东华理工大学 2019
[3]核废物桶SGS检测无源效率刻度修正技术研究[D]. 李志刚.成都理工大学 2019
[4]层析γ扫描透射图像迭代重建算法的改进研究[D]. 何艾静.成都理工大学 2019
[5]低本底γ能谱分析软件的开发[D]. 罗琼.成都理工大学 2019
[6]体源效率刻度及污染物快速检测方法研究[D]. 姚剑锋.成都理工大学 2019
[7]基于SiPM读出的紧凑型溴化铈伽马能谱仪研制[D]. 胡天宇.成都理工大学 2018
[8]核电厂低中放废物桶改进型伽马扫描技术研究[D]. 饶开源.上海交通大学 2018
[9]基于FPGA的数字多道脉冲幅度分析器[D]. 孙尚清.东华理工大学 2017
[10]基于探测效率刻度提高分段伽马扫描探测精度的研究[D]. 熊洁梅.上海交通大学 2017
本文编号：3217733
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