L边界密度计研制及其在乏燃料后处理中的应用研究

发布时间：2020-04-10 04:30

【摘要】：在乏燃料后处理中,U、Np、Pu浓度的准确测量对核材料衡算和控制分析具有重要意义。放射性测量技术被广泛应用于U、Np、Pu浓度的非破坏性分析。它是通过测量待测对象发出α射线、γ射线以及特征X射线的能量、强度进行定性、定量分析。常用的放射性测量方法有α计数/能谱法、γ能谱法、γ吸收法、X射线荧光分析法和混合式K边界/X荧光法。α计数/能谱法是利用钚同位素的α放射性,通过测量不同同位素产生的不同能量α射线的强度确定钚同位素比,它是定性或定量分析锕系元素的有力手段。但是,α计数/能谱法容易受α放射性核素的干扰,而且需要与质谱分析联合使用才能确定钚含量。γ能谱法是通过钚同位素产生不同能量γ射线的强度确定钚含量;γ吸收法则是利用同位素放射源照射待测对象,通过测量透射γ射线的强度确定待测对象浓度。γ能谱法需要专门的同位素分析软件,如PC/FRAM和MGA计算钚同位素丰度,γ吸收法一般用于在线分析,而且不能对待测对象进行定性分析。X射线荧光分析法是通过测量待测对象自发或激发产生的特征X射线强度确定U、Np、Pu浓度。X射线荧光分析法虽然能准确、快速地测量样品中U、Np、Pu浓度,但它不能用于高浓度样品(如100g/L)的分析。混合式K边界/X荧光法常被用于1AF中U、Pu浓度分析,它不仅能够准确测量高浓度的U样品,而且能够测量U、Pu混合样品中U、Pu浓度,是常用的核材料衡算和控制分析方法。论文在K边界测量技术基础上,采用FAST-SDD探测器,自主研制了数字化L边界密度计,应用于乏燃料后处理中U、Np、Pu浓度分析。在硬件电路设计上,测量系统简化了MCA中的核脉冲信号处理电路,采用ADC、FPGA和MCU组合方式实现核脉冲信号的数字采集和脉冲成形处理。探测器输出信号首先经过C-R电路转换为指数衰减型核脉冲信号;然后,在前端电路中进行幅度放大,使之适合于ADC采样;经ADC数字化后的核脉冲信号被送入FPGA中完成数字滤波成形处理和幅度甄别,生成谱数据;最后,谱数据通过MCU上传至上位机软件。数字电路设计采用快、慢双通道并行处理结构,快通道用于获取探测器产生的真实计数率,慢通道采用12.8μs梯形脉冲成形用于生成高能量分辨率能谱。同时,为了实现核脉冲信号的偏置和幅度数字可调,在前端电路中设计了偏置调节电路和程控增益放大电路。通过MCU与DAC协同工作实现偏置、增益数字调节。考虑到将数字化L边界密度计拓展应用于U、Np、Pu浓度的在线分析中,MCU对外提供适用于远距离传输的CAN总线通讯接口。在核脉冲信号数字处理技术上,采用梯形脉冲成形算法,兼顾测量系统的能量分辨率和计数率。为改善梯形脉冲成形效果,将硬件电路中分布电阻、分布电容对核脉冲信号上升沿的影响等效为R-C电路作用,根据建立的R-C电路数学模型,采用逆变换方法消除分布电阻、分布电容对核脉冲信号上升沿的影响。针对成形后仍然存在堆积的脉冲,通过成形脉冲下降沿变化趋势判断是否发生堆积,结合成形脉冲上升时间和宽度测量方法,对成形后仍然存在堆积,但第二个脉冲幅度已经恢复的堆积脉冲进行识别,提高计数率。基于快、慢双通道并行处理结构,在快通道中采用反演变换方法得到入射射线在探测器中产生的单位冲激信号,并以单位冲激信号的总计数率作为探测器产生的真实计数率对慢通道中的脉冲丢失进行校正。与采用较短成形时间常数的梯形脉冲相比,单位冲激信号具有更小的宽度,因此它能够减小快通道中堆积脉冲所引起的快通道总计数率偏小对校正结果的影响。配制不同浓度的水相U、Np、Pu标准样品,建立了适用于水相、有机相样品的U、Np、Pu浓度测量工作曲线。通过标准样品本身和配制的有机相U、Np、Pu样品验证了数字化L边界密度计的重复性、准确度及稳定性。实验结果表明,数字化L边界密度计对U、Np、Pu样品测量相对误差绝对值小于4%,对于浓度高于10g/L的样品测量精密度优于0.5%,满足核材料控制分析要求。
【图文】：

Canberra公司生产的HKED结构示意图

电荷灵敏前置放大器,阻容,电荷,探测器

图 2-7 电荷灵敏前置放大器对于阻容反馈型电荷灵敏前置放大器，探测器输出电荷在Cf上累积过程中，通过 Rf释放部分电荷，使得输出信号的幅度小于电荷在 Cf上的积分。由此引起的信号幅度亏损称为弹道亏损。由于探测器的极间电容以及电荷收集时间的影响其输出信号表现为较小的上升沿，一般为纳秒级；为避免热噪声对信号的影响同时增加反馈深度，Rf通常取 109Ω 以上，Cf常取 0.1 至几个 pf，因此 τf较大，输出脉冲信号表现为较大的下降沿，，如图 2-8 所示。幅度时间图 2-8 阻容反馈型电荷灵敏前置放大器输出信号
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL24

【参考文献】