专利名称：钚部件属性测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属核基础及其技术装备领域，涉及一种钚部件属性测量方法及装置，用于 核裁军核查钚部件的钚存在属性、武器级钚属性(即钚丰度属性)和钚年龄属性的Gamma 射线综合测量系统，为进一步推动核弹头认证技术的发展建立了研究平台。
背景技术：
近年来，在美、俄及国际原子能机构的双边或多边核透明活动的推动下，在深度、 不可逆核裁军核查技术研究的牵引下，核弹头和核部件的核查技术得到迅速的发展，2000 年8月，在LANL举行了裂变材料透明技术演示(FMTTD)，演示的核心设备是带有信息屏障的 属性测量系统(AMS/IB)。FMTTD成功地说明了 AMS/IB所具有的可靠信息屏障完全可将其 应用于敏感对象的核查而不泄漏保密信息，同时也说明了 AMS/IB的建立可以满足核查方 全面认证核查系统运行状态的需要，FMTTD的成功在敏感对象的核查技术研究方面具有里 程碑意义。AMS/IB通过钚部件6个属性的探测来认证密封容器的内装物是否为申报的钚部 件。这6个属性分别是判断核查对象是否有钚材料的钚存在属性、判断钚材料是否为武器 级的武器级属性、判断是新钚还是老钚的钚年龄属性、判断钚材料是否大于特定质量的质 量属性、判断钚材料是否具有武器钚部件形状的对称性属性以及判断钚材料不是氧化钚而 是金属钚的氧化钚不存在属性。从探测技术角度而言，利用高分辨Gamma谱仪所获取的高分辨Gamma能谱数据以 及实验室有关分析软件(如美国研发的PC/FRAM和MGA软件)，可以分析判断核查对象是否 具有前三个属性，但对于钚部件的认证而言，仅仅通过技术手段获取相关属性是不够的，必 须充分考虑到敏感对象核查的特殊要求，即在不泄漏核部件敏感设计信息的前提下探测核 部件，PC/FRAM和MGA软件的入侵性太强，不能满足核查要求，FMTTD提供了可以借鉴的敏感 对象核查技术的有关概念，但其相关技术细节却需要探索和创新。在不泄漏核部件敏感设计信息的前提下探测核部件是研制钚部件属性的高分辨 Gamma谱仪测量系统的基本出发点。信息屏障技术为敏感对象的核查提供了技术途径。信 息屏障是指在对敏感对象的现场核查中，用来防止东道国的保密信息泄漏给核查方，同时 又能确保核查方对核查对象进行独立、准确测量的技术与过程。从这一定义可以看出，信息 屏障具有双重作用一是防止东道国的保密信息以任何方式泄漏给核查方；二是使核查方 确信核查结果是准确、可靠的。第一个要求的实现需要用到稳妥的屏障技术，第二个要求的 实现则需要用到令人信服的认证技术。信息屏障技术中的“屏障”和“认证”两者缺一不可。 “防泄密”和“可认证”是系统设计的两大原则，贯穿于系统设计的各个环节。在相关领域，美国国家实验室在LA-UR-99-5611上作了具有信息屏蔽的属性测 量系统的技术演示并可被用于技术核查的报道，并在First International Conference OnMicrochannels and Minichannels (2003)上作了一种用于测量钚年龄的器件，可用于检 测核武器而不泄露敏感信息的报道，但未公开具体技术手段。
在国内的《同位素》(2001年)上有Gamma能谱法测定铀、钚同位素丰度的报道， 在《核技术》(2003年)上有两种钚同位素丰度无损分析技术方法的实验比较研究的报道， 在《核技术》(2006年)上有氧化钚属性测量技术研究的报告，在《核技术》(2006年)上有 Gamma能谱解谱技术研究的报告。这些报道所涉及的技术手方案还不完善，不能满足核部件 核查的要求。综上所述，目前尚无公知的集钚部件属性分析技术、信息屏障技术与认证、系统运 行自动化于一体的成套核部件核查技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于核裁军核查的钚部件的钚存在属性、武器级钚属 性(即钚丰度属性)和钚年龄属性的Gamma射线测量方法及装置，为进一步推动核弹头认 证技术的发展建立研究平台。本发明围绕建立一套钚部件属性Gamma射线综合测量系统的目标，先后开展了信 息屏障、高分辨Gamma能谱的解谱、属性分析、高分辨Gamma谱仪的自动控制等关键技术的 研究，在深入掌握钚材料丰度和年龄的实验探测技术和数据分析技术以及信息屏障的概念 和设计要求的前提下，研制了钚部件属性的高分辨Gamma谱仪测量系统。根据信息屏障的要求，商用解谱软件和钚材分析软件不能移植到本测量系统中， 须根据物理原理自行研发高分辨Gamma能谱的解谱分析技术和属性分析技术，编制专用分 析软件。同时，系统运行(能谱采集、数据分析、结果显示)需要自动化。本测量系统的主 要设计有三点。首先，要准确测量3个属性(钚的存在、钚的丰度和钚的年龄)。其次，必须 采取多层防御的信息屏障技术，防止敏感信息在核查过程中泄漏。最后，需要兼顾核查方的 认证需求，确保系统的软件、硬件、设计功能具有可检查性。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种钚部件属性测量装置，包括钨光圈及其开度调节机构，用做钚部件Gamma射线采样通道；Gamma射线探测器，对应Gamma射线采样通道，用于探测Gamma射线，将其转换成电 脉冲信号；多道分析仪，用于分析来自射线探测器的电脉冲信号，得到有关该Gamma射线源 的谱数据；解谱器，用于分析计算谱数据，得到钚部件属性特征参数值；主控制器，用于控制上述各部件的工作过程。所述钨光圈由两块带三角开口的钨板组成，三角开口的边长为68mmX 68mm，两块 钨板上的三角开口相向，共同组成一正方形开口，构成Gamma射线通道，正方形的两对角线 分别呈垂直、水平方向；钨板厚度为25mm，用密度为17. 5g/cm3的钨基合金铸造而成；所述钨光圈的开度调节机构包括一具有正、反螺纹段的丝杆，其正、反螺纹段各配 有一螺母，丝杆通过轴承支承于支架上，丝杆的一端连接驱动器；两块带三角开口的钨板分 别固定在两螺母上，丝杆旋转，带动两钨板随螺母做相向或反向运动，从而调节钨光圈的开 度；支架上布置有两个接近开关，分别检测钨光圈的最大开度和最小开度。所述Gamma射线探测器由探头和射线/电脉冲变送器组合构成，该探头采用高纯锗探头，探头套有钨重屏蔽套，使被测射线只能从探头正面进入，避免射线和电磁干扰从侧 面进入。所述多道分析仪采用具有8192道谱线分析能力的分析仪。所述钥匙盘具有存储模块、读写模块、数据清除模块，存储模块采用软硬件加密后 的I2C存储器，用于存储系统运行参数和钚谱解谱分析计算入口参数，只有在该钥匙盘插入 本测量装置的接口上时，测量装置经过自检正常后才会进入测量过程；该读写模块由PC机 控制其运行，PC机存有读写程序，可对钥匙盘数据进行读写修改，读写程序设有密码；该数 据清除模块在测量过程结束，拔下钥匙盘后，可自动清除所有的原始测量数据。一种钚部件属性测量方法，包括步骤A.用探测器探测钚部件辐射出的Gamma射线，通过调整探测器光圈开度，获得某 一确定光通量的Gamma射线，将其装换成相应的电脉冲信号数据；B.用多道分析仪分析该电脉冲信号数据，得到有关该光通量Gamma射线源的谱数 据；C.用解谱器分析计算该谱数据，得到钚部件属性的特征参数值，判断、计算其属性 值；D.判断结束后，自动清除测量装置中的所有原始测量数据。所述步骤C的解谱方法进一步包括步骤a.根据谱数据得到射线能谱曲线，该曲线具有单峰、开复合峰、闭复合峰；所谓单 峰是指谱数据互不重叠、峰位独立的能峰；所谓开复合峰，是指两个或两个以上的能峰部分 重叠，但峰位独立可辨的复合峰；所谓闭复合峰则是指两个或两个以上的能峰完全重叠，只 拥有一个峰位，即所谓的“馒头峰”；b.计算峰面积-在没有核素库的情况下确定单峰、开复合峰、闭复合峰的峰位，并计算单峰、开复 合峰各子峰的峰面积；-引入闭复合峰的结构信息后计算闭复合峰各子峰的峰面积；c.利用239Pu的若干较强单峰作相对效率曲线，计算24°Pu和239Pu的原子比η和 年龄τ。d.判断属性①.钚存在属性判断=239Pu的几个较强单能峰(如129，203，375，413keV)是否同 时存在，是则判定钚存在；②.钚丰度属性判断选取24qPu的642. 35keV和239Pu的645. 95keV能峰来求解 η，并考察是否小于给定阈值0.1，若大于给定阈值ο. 1，则判定钚丰度为武器级；③.钚年龄属性判断分解208. OlkeV能峰的241AM和237U贡献量，计算钚材料中 241AM的含量，推算自AM，Pu分离起迄今所经历的时间τ，并与阈值进行比较，由此判定钚年 龄。本发明的技术效果用本发明的方法及装置测量钚属性，技术指标如下①钚存在属性判断准确率100%②钚丰度属性测量相对精度11%
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③钚年龄属性测量相对精度3. 4%上述指标已经超过美国国家实验室技术演示的指标，是世界领先水平。另外，装置集钚部件属性分析技术、信息屏障技术与认证、系统运行自动化于一 体，自动化水平高，人机对话次数少，安全性、可靠性、稳定性好。
图1是本钚部件属性测量原理2本钚部件属性测量的结构框3是钨光圈及其开度调节机构的结构示意4是主控制器外部硬件接口示意5是钚能谱解谱分析计算单元ARM9外部硬件接口连接6是测量系统电源供电回路7是主控制器ARM7与多道分析仪DSPEC的IPX通信硬件接口框8是钥匙盘读写器硬件接口原理图
具体实施例方式参见图1、图2 本钚部件属性测量装置，包括钨光圈及其开度调节机构，用做钚部件Gamma射线采样通道；Gamma射线探测器，对应Gamma射线采样通道，用于探测Gamma射线，将其转换成电 脉冲信号；多道分析仪，用于分析来自射线探测器的电脉冲信号，得到有关该Gamma射线源 的谱数据；该多道分析仪采用具有8192道谱线分析能力的分析仪。解谱器，用于分析计算谱数据，得到钚部件属性特征参数值；钥匙盘，用于屏蔽采样数据和各种分析计算数据；主控制器，用于控制上述各部件的工作过程。上述部件均布置在射频屏蔽柜内。参见图3 钨光圈由两块带三角开口的钨板组成，三角开口的边长为68mm X 68mm， 两块钨板上的三角开口相向，共同组成一正方形开口，构成Gamma射线通道，正方形的两对 角线分别呈垂直、水平方向；钨板厚度为25mm，用密度为17. 5g/cm3的钨基合金铸造而成；钨光圈的开度调节机构包括一具有正、反螺纹段的丝杆，其正、反螺纹段各配有一 螺母，丝杆通过轴承支承于支架上，丝杆的一端连接驱动器；两块带三角开口的钨板分别固 定在两螺母上，丝杆旋转，带动两钨板随螺母做相向或反向运动，从而调节钨光圈的开度； 支架上布置有两个接近开关，分别检测钨光圈的最大开度和最小开度。Gamma射线探测器由探头和射线/电脉冲变送器组合构成，该探头采用高纯锗探 头，探头套有钨重屏蔽套，使被测射线只能从探头正面进入，避免射线和电磁干扰从侧面进 入。钥匙盘具有存储模块、读写模块、数据清除模块，存储模块采用软硬件加密后的 I2C存储器，用于存储系统运行参数和钚谱解谱分析计算入口参数，只有在该钥匙盘插入本 测量装置的接口上时，测量装置经过自检正常后才会进入测量过程；该读写模块由PC机控
7制其运行，PC机存有读写程序，可对钥匙盘数据进行读写修改，读写程序设有密码；该数据 清除模块在测量过程结束，拔下钥匙盘后，可自动清除所有的原始测量数据。本发明中将信息屏障技术与辐射探测技术进行了有机结合，融合了多属性测量技 术，实现了 Gamma射线综合测量系统的集成，可满足核裁军核查技术的需要。本发明中研究开发了高分辨Gamma钚谱的解谱技术、钚属性分析技术，并编写了 以32位微处理器ARM为核心的钚能谱解谱、钚属性分析计算专用软件，完成了钚存在、年龄 和丰度3个属性的准确测量。本发明中实现了防止外部电磁干扰(采用射频屏蔽柜)、外部Gamma射线干扰(采 用钨重屏蔽体)、电源隔离滤波(防止通过电源加载信号)、钥匙盘加密授权技术等信息屏 障技术，使得核查中的“屏障”和“认证”两者缺一不可的环节得到有机结合，突破了本测量 系统在实际核查应用中的一个关键技术。参见图4至图8 本发明中实现了系统运行自动化及其测量结果显示自动化。尽量 减少了人机交互的次数。本测量系统提供的人机交互共有三次第一次是插上钥匙盘，开启 系统；第二次是按下测量按钮，启动测量；第三次是拔取钥匙盘，关闭系统。插上钥匙盘后， 系统自动完成设备准备的相关任务，譬如核查设备的授权使用、系统自检、探测器自动加高 压、根据源强大小自动调节钨光圈的开合度等。钥匙盘的作用是双重的，一方面是授权使用 系统，另一方面是给系统提供初始化参数。系统自检包括钥匙盘认证、故障诊断、读取钥匙 盘参数等内容，如果系统自检发现异常，故障指示灯将被点亮，系统会暂停运行。钨光圈的 开合度由控制器根据源强大小自动调节，保证了高精度测量的适应性。当光圈调节完毕，光 圈指示灯会亮起，系统处于指令等待状态。本测量系统的工作流程如下A.用探测器探测钚部件辐射出的Gamma射线，通过调整探测器光圈开度，获得某 一确定光通量的Gamma射线，将其装换成相应的电脉冲信号数据；B.用多道分析仪分析该电脉冲信号数据，得到有关该光通量Gamma射线源的谱数 据；C.用解谱器分析计算该谱数据，得到钚部件属性的特征参数值，判断、计算其属性 值；D.判断结束后，自动清除测量装置中的所有原始测量数据。所述步骤C的解谱方法进一步包括步骤a.根据谱数据得到射线能谱曲线，该曲线具有单峰、开复合峰、闭复合峰；所谓单 峰是指谱数据互不重叠、峰位独立的能峰；所谓开复合峰，是指两个或两个以上的能峰部分 重叠，但峰位独立可辨的复合峰；所谓闭复合峰则是指两个或两个以上的能峰完全重叠，只 拥有一个峰位，即所谓的“馒头峰”；b.计算峰面积-在没有核素库的情况下确定单峰、开复合峰、闭复合峰的峰位，并计算单峰、开复 合峰各子峰的峰面积；-引入闭复合峰的结构信息后计算闭复合峰各子峰的峰面积；c.利用239Pu的若干较强单峰作相对效率曲线，计算24°Pu和239Pu的原子比η和 年龄τ。
d.判断属性①.钚存在属性判断=239Pu的几个较强单能峰(如129，203，375，413keV)是否同 时存在，是则判定钚存在；②.钚丰度属性判断选取24qPu的642. 35keV和239Pu的645. 95keV能峰来求解 η，并考察是否小于给定阈值0.1，若大于给定阈值ο. 1，则判定钚丰度为武器级；③.钚年龄属性判断分解208. OlkeV能峰的241AM和237U贡献量，计算钚材料中 241AM的含量，推算自AM，Pu分离起迄今所经历的时间τ，并与阈值进行比较，由此判定钚年 龄。本测量装置的操作过程如下第一步通过钥匙盘专用读写器给钥匙盘写入系统运行参数。第二步在控制柜上插上钥匙盘，按下继电器按钮，打开电源开关，系统启动运行。第三步约2 3分钟后，面板上的光圈调整灯亮(表示光圈调节完毕)，按下正 式测量按钮，即可开始正式测量。第四步在PCl上启动“分析报告程序”(通信线接到C0M1)，一段时间后(约几十 分钟，可设定)，在PCI上显示分析结果(样品年龄、丰度和存在属性)，该分析结果存储在 PCl的“C:/PU. TXT”文件中；同时在控制柜的面板上可看到分析结果的红绿灯显示。第五步若不调节光圈又要重复测量，则按下正式测量按钮，即可。若需重新调节 光圈再测量，则按下复位测量按钮，即可。第六步若要退出该系统并关总电源，拔下钥匙盘(功能是清除DSPEC的谱数 据、关高压、关总电源)即可。
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权利要求
一种钚部件属性测量装置，包括钨光圈及其开度调节机构，用做钚部件Gamma射线采样通道；Gamma射线探测器，对应Gamma射线采样通道，用于探测Gamma射线，将其转换成电脉冲信号；多道分析仪，用于分析来自射线探测器的电脉冲信号，得到有关该Gamma射线源的谱数据；解谱器，用于分析计算谱数据，得到钚部件属性特征参数值；主控制器，用于控制上述各部件的工作过程。
2.根据权利要求1所述的钚部件属性测量装置，其特征在于，所述钨光圈由两块带三 角开口的钨板组成，三角开口的边长为68mm X 68mm，两块钨板上的三角开口相向，共同组成 一正方形开口，构成Gamma射线通道，正方形的两对角线分别呈垂直、水平方向；钨板厚度 为25mm，用密度为17. 5g/cm3的钨基合金铸造而成；所述钨光圈的开度调节机构包括一具有正、反螺纹段的丝杆，其正、反螺纹段各配有一 螺母，丝杆通过轴承支承于支架上，丝杆的一端连接驱动器；两块带三角开口的钨板分别固 定在两螺母上，丝杆旋转，带动两钨板随螺母做相向或反向运动，从而调节钨光圈的开度； 支架上布置有两个接近开关，分别检测钨光圈的最大开度和最小开度。
3.根据权利要求1所述的钚部件属性测量装置，其特征在于，所述Gamma射线探测器由 探头和射线/电脉冲变送器组合构成，该探头采用高纯锗探头，探头套有钨重屏蔽套，使被 测射线只能从探头正面进入，避免射线和电磁干扰从侧面进入。
4.根据权利要求1所述的钚部件属性测量装置，其特征在于，所述多道分析仪采用具 有8192道谱线分析能力的分析仪。
5.根据权利要求1所述的钚部件属性测量装置，其特征在于，所述钥匙盘具有存储模 块、读写模块、数据清除模块，存储模块采用软硬件加密后的I2C存储器，用于存储系统运行 参数和钚谱解谱分析计算入口参数，只有在该钥匙盘插入本测量装置的接口上时，测量装 置经过自检正常后才会进入测量过程；该读写模块由PC机控制其运行，PC机存有读写程 序，可对钥匙盘数据进行读写修改，读写程序设有密码；该数据清除模块在测量过程结束， 拔下钥匙盘后，可自动清除所有的原始测量数据。
6.一种钚部件属性测量方法，包括步骤A.用探测器探测钚部件辐射出的Gamma射线，通过调整探测器光圈开度，获得某一确 定光通量的Gamma射线，将其装换成相应的电脉冲信号数据；B.用多道分析仪分析该电脉冲信号数据，得到有关该光通量Gamma射线源的谱数据；C.用解谱器分析计算该谱数据，得到钚部件属性的特征参数值，判断、计算其属性值；D.判断结束后，自动清除测量装置中的所有原始测量数据。
7.根据权利要求6所述的钚部件属性测量方法，其特征在于，所述步骤C的解谱方法进 一步包括步骤a.根据谱数据得到射线能谱曲线，该曲线具有单峰、开复合峰、闭复合峰；所谓单峰是 指谱数据互不重叠、峰位独立的能峰；所谓开复合峰，是指两个或两个以上的能峰部分重 叠，但峰位独立可辨的复合峰；所谓闭复合峰则是指两个或两个以上的能峰完全重叠，只拥 有一个峰位，即所谓的“馒头峰”；b.计算峰面积-在没有核素库的情况下确定单峰、开复合峰、闭复合峰的峰位，并计算单峰、开复合峰 各子峰的峰面积；-引入闭复合峰的结构信息后计算闭复合峰各子峰的峰面积；c.利用239Pu的若干较强单峰作相对效率曲线，计算24°Pu和239Pu的原子比η和年龄τ οd.判断属性①.钚存在属性判断=239Pu的几个较强单能峰(如129，203，375，413keV)是否同时存 在，是则判定钚存在；②·钚丰度属性判断选取240Pu的642.35keV和239Pu的645. 95keV能峰来求解n，并 考察是否小于给定阈值0. 1，若大于给定阈值0. 1，则判定钚丰度为武器级；③.钚年龄属性判断分解208.OlkeV能峰的241AM和237U贡献量，计算钚材料中241AM 的含量，推算自AM，Pu分离起迄今所经历的时间τ，并与阈值进行比较，由此判定钚年龄。
全文摘要
本发明公开一种钚部件属性测量方法及装置，装置包括钨光圈及其开度调节机构，用做钚部件Gamma射线采样通道；Gamma射线探测器，对应Gamma射线采样通道，用于探测Gamma射线，将其转换成电脉冲信号；多道分析仪，用于分析来自射线探测器的电脉冲信号，得到有关该Gamma射线源的谱数据；解谱器，用于分析计算谱数据，得到钚部件属性特征参数值；主控制器，用于控制上述各部件的工作过程。测量方法包括步骤A.用探测器探测钚部件辐射出的Gamma射线，通过调整探测器光圈开度，获得某一确定光通量的Gamma射线，将其装换成相应的电脉冲信号数据；B.用多道分析仪分析该电脉冲信号数据，得到有关该光通量Gamma射线源的谱数据；C.用解谱器分析计算该谱数据，得到钚部件属性的特征参数值，判断、计算其属性值；D.判断结束后，自动清除测量装置中的所有原始测量数据。
文档编号G01T1/00GK101936922SQ200910059830
公开日2011年1月5日 申请日期2009年6月30日 优先权日2009年6月30日
发明者刘泾, 刘素萍, 吴斌, 张海涛, 李磊民, 聂诗良, 郝樊华, 韩宾 申请人:西南科技大学