一种基于固态锰池的中子出射率测量装置及测量方法与流程

1.本发明属于中子出射率测量领域，特别涉及一种基于固态锰池的中子出射率测量装置，还涉及一种基于固态锰池的中子出射率测量方法。


背景技术：

2.放射性同位素温差发电器(radioisotope thermoelectric generator，rtg)是一种基于热电转换技术将放射性同位素(热源)衰变产生的热能直接转换为电能的供电装置。目前已广泛应用于人造卫星和空间探测。
3.在空间应用领域，rtg热源芯块的原材料通常为氧化钚(puo2)粉末，其中的钚同位素(
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pu、
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pu、
240
pu、
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pu、
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pu等)会自发产生裂变与衰变：自发裂变产生中子，衰变产生的α粒子与
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o、
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o发生(α，n)反应也会产生中子。为了降低中子辐照剂量，通常需要在手套箱中对氧化钚粉末进行氧置换，使氧化钚中的
17
o、
18
o被大量置换成
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o，以减少(α，n)反应，降低中子出射率，进而减轻中子辐照剂量。
4.为了实现对氧置换过程的监测，确保氧置换工艺的有效性，需对氧化钚粉末置换前后中子出射率进行测量、对比。目前国际上常见的测量中子出射率的方法有(1)金箔活化法，(2)bonner球法，(3)裂变计数法，(4)锰浴法。其中金箔活化法适用于加速器、反应堆等中子出射率较大的源；bonner球法适用于中子出射率较大的点源，需要构造合适的慢化体系，对场地需求较大；裂变计数法适用于cf源等自发裂变材料，无法对
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o、
18
o(α，n)反应产生的中子进行计数；锰浴法是国际通用并推荐的中子源出射强度绝对测量方法，但是该方法需要建造巨大容器盛装含锰溶液，并建造相应的循环流动系统，对成本、场地、安全性、操作都有较高的要求与约束条件。由于氧化钚放射性强，毒性大，对氧化钚粉末的中子出射率测量须满足就近、快速、设备安全可靠的原则。由此可见，上述方法均不适用于氧化钚粉末的中子出射率监测场景。
5.虽然在国外，美国从上个世纪60年代率先开展了一系列rtg
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pu同位素热源的氧置换工艺研究；在国内，中国工程物理研究院核物理与化学研究所自2018年也开展了
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pu同位素热源氧置换工艺研究，但均未见
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pu同位素热源氧置换工艺有效性检测的相关报道。
6.为了测量钚同位素热源中子出射率，验证
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pu同位素热源氧置换工艺的有效性，亟需设计一种用于钚同位素热源中子出射率测量的装置及方法。


技术实现要素：

7.为达此目的，提出了一种基于固态锰池的的中子出射率测量装置及测量方法：
8.一种基于固态锰池的的中子出射率测量装置，包括伽马探测器、电子学模块、数据处理模块，其特征在于，所述测量装置还包括固态锰池；所述固态锰池为具有中空腔体结构的容器，用于盛放待测中子源；所述伽马探测器用于伽马测量，测量时位于固态锰池中空腔体内；所述伽马探测器依次与电子学模块、数据处理模块相连，所述电子学模块和数据处理
模块位于固态锰池外。
9.优选的，所述固态锰池结构包括内侧的活化层、慢化层和最外层的吸收层；所述活化层的材质为高纯锰，所述慢化层的材质为聚乙烯，所述吸收层的材质为高纯镉。
10.优选的，所述活化层为多层，每一层活化层的材料属性和厚度相同；所述慢化层为多层，每一层慢化层材料属性和厚度相同；所述吸收层为一层；所述活化层与慢化层交替排列，所述每一层活化层均被慢化层所包裹；
11.优选的，所述高纯锰的纯度为≥99.95％，所述高纯镉的纯度为≥99.95％。
12.优选的，所述测量装置用于钚同位素热源中子出射率测量。
13.一种基于固态锰池的的中子出射率测量装置的测量方法，所述测量方法包括如下步骤：
14.s1，将待测中子源置于固态锰池内，待活化达到稳态平衡后将待测中子源移出固态锰池；
15.s2，连接并调试伽马探测器、电子学模块、数据处理模块后，将伽马探测器置于固态锰池内进行伽马射线计数；
16.s3，采集伽马探测器3的能谱数据，并进行数据处理，最终获得待测中子源的中子出射率。
17.优选的，步骤s1中待测中子源为氧化钚粉末，所述氧化钚粉末先封装如入罐后置于固态锰池内。
18.优选的，其特征在于，步骤s1中氧化钚粉末活化时间不低于2.57
×
5小时。
19.本发明所述测量装置和测量方法的工作原理为：
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pu自发裂变产生的中子以及氧化钚中的
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o、
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o与
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pu衰变产生的α粒子发生(α，n)反应产生的中子经过慢化层中的h核素慢化，提升与活化层中
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mn发生俘获反应的几率，慢化中子与
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mn发生
55
mn(n，γ)
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mn反应，
56
mn发生β衰变后生成
56m
fe，该过程的半衰期仅为2.57h，
56m
fe随即退激产生846kev的gamma射线。利用伽马探测器测量gamma射线计数，结合半衰期、固态锰池的平均俘获截面求解出氧化钚的中子出射率。
20.本发明的有益效果为：(1)本发明创造性地运用固态锰池代替传统的金箔活化法、bonner球法、裂变计数法、锰浴法实现了
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pu同位素热源中子出射率测量，填补了国内外
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pu同位素热源中子出射率测量和氧化钚氧置换工艺监测的技术空白。(2)本发明所述装置和方法，采用固态锰池作为测量核心部件，并配合电子学模块和远程数据处理模块，实现远程测量与监测，安全可靠，极大降低氧化钚样品放射性测量的操作风险；(3)本发明所述装置和方法，搭建简单、操作方便，极大降低了研发投入和成本。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。下面结合附图对本发明做详细说明。
22.图1基于固态锰池的的中子出射率测量装置；
23.图2固态锰池结构示意图；
24.图3固态锰池俯视图；
25.图4支撑平台剖视图；
26.图5支撑平台俯视图；
27.图6移动支架结构示意图1；
28.图7移动支架结构示意图2；
29.图8底座结构示意图3；
30.图中：1、固态锰池，2、支撑平台，3、伽马探测器，4、电子学模块，5、数据处理模块，6、移动支架，7、活化层，8、慢化层，9、吸收层，71、第一活化层，72、第二活化层，81、第一慢化层，82、第二慢化层，83、第三慢化层，10、凹槽，12、底座，13、支撑杆，14、移动杆，15、固定环，16、螺孔，17、第一旋转螺母，18、第二旋转螺母，19、第三旋转螺母。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。
32.实施例一
33.一种基于固态锰池的的中子出射率测量装置，如图1所示，包括固态锰池1、支撑平台2、伽马探测器3、电子学模块4、数据处理模块5、移动支架6。其中，固态锰池1与移动支架6放置于支撑平台2上；移动支架6用于固定伽马探测器3，使伽马探测器3在进行伽马测量时探头能够伸入固态锰池1的中空腔体内；伽马探测器3与电子学模块4关联，通过usb线连接数据处理模块5，伽马探测器3、电子学模块4与数据处理模块5共同构成伽马测量功能。
34.其中固态锰池1为具有中空腔体的方形池，内部细分为三种结构层，如图2所示，具体包括内侧的活化层7、慢化层8和最外层的吸收层9。所述的活化层7为高纯锰材料，本实施例中高纯锰纯度≥99.95％，经过压制后切割成尺寸适当的锰板，然后搭接成具有中空腔体的方形池结构，同样所述的慢化层8为聚乙烯材料，也为具有中空腔体的方形池结构。所述最外层的吸收层9由高纯镉材料压制而成，也为具有中空腔体的方形池结构。
35.为保证测试效果，本实施例中活化层7加工成多层结构：第一活化层71、第二活化层72，针对每一层单独的活化层其材料属性相同、厚度一致；慢化层8也加工成多层结构：第一慢化层81、第二慢化层82、第三慢化层83，针对每一层单独的慢化层其材料属性相同、厚度一致；多层活化层和慢化层交替布置，其中多层慢化层将与吸收层包裹住。如图中所示，方形固态锰池由内到外依次贴合设置：第一慢化层81、第一活化层71、第二慢化层82、第二活化层72、第三慢化层83、吸收层9，每一层活化层内侧和外侧均有慢化层将其包裹。图2中的中空方形池结构也可以做成其他具有开口的中空腔体容器结构，如圆桶形、球形等。
36.其中支撑平台2，如图3所示，为不锈钢薄板，用于支撑固态锰池1和放置移动支架6，支撑平台上设置有凹槽10，用于放置固态锰池1与移动支架6，保持固态锰池1与移动支架6的相对位置保持不变。
37.伽马探测器3、电子学模块4、数据处理模块5可用现有的商用成熟产品。测量时伽马探测器3的探头伸入至固态锰池1中，实现伽马测量；电子学模块4与前端伽马探测器3匹配，将伽马探测器3的输出电信号经过整形、放大后输出至后端数据处理模块5，数据处理模块5将前端电子学模块4的输出信号进行模数转换后形成能谱，显示在电脑上。
38.移动支架6为不锈钢加工支架，如图4所示，支架分为三个部分：底座12、支撑杆13、移动杆14、固定环15。底座12放置于支撑平台2的凹槽10内，底座12偏离中心位置有螺孔16，支撑杆13通过该螺孔16固定在底座12上；支撑杆13上从顶部向下有刻度标识，精确到mm；移动杆14在支撑杆13上的位置可变，通过第一旋转螺母17紧固在支撑杆13上，移动杆14上有刻度标识，精确到mm，从远离支撑杆11处有固定环15，固定环15在移动杆12上的位置可变，通过第二旋转螺母18固定，另一个第三旋转螺母19将伽马探测器尾部进行固定，从而保持伽马探测器3的探头能够伸入到固态锰池中心位置。
39.测量时，其步骤如下：(1)将固态锰池1放置到支撑平台2上固定凹槽；(2)将封装入罐的氧化钚粉末置于固态锰池1的中空腔体内，放置不低于(2.57
×
5)小时，待活化达到稳态平衡后将氧化钚粉末罐取出；(3)将移动支架6的底座12放置到支撑平台2的凹槽10内，安装好支撑杆13；(4)将移动杆14通过第一旋转螺母17固定在支撑杆13上，将伽马探测器3通过第二旋转螺母18与第三旋转螺母19固定在移动杆15上，通过第一旋转螺母17调节移动杆14的高度，使伽马探测器3的探头伸入固态锰池1的中空区；(5)将电子学模块4、数据处理模块5与伽马探测器3连接；(6)采集伽马探测器3的能谱数据，并进行数据处理，最终获得氧化钚的中子出射率。