一种量热计、吸收剂量的测量系统及方法与流程

本发明涉及脉冲中子、γ射线混合场吸收剂量测量技术领域，特别是涉及一种量热计、吸收剂量的测量系统及方法。

背景技术：

量热法测量中子、γ射线的吸收剂量是国际通用的绝对测量方法。国外主要的中子、γ射线的吸收剂量标准测量装置是石墨量热计和水吸收体量热计，石墨中的碳原子序数与人体主要物质水的平均原子序数相当，辐射吸收特性与人体组织具有一定的等效性；由于人体80％以上的成分是水，水吸收体的辐射特性与人体等效性最好。

目前，国外主要应用热散失补偿型量热计测量中子、γ射线的吸收剂量，其电阻测量方法用惠斯登电桥法。

如图1所示，图1是一种石墨热散射补偿型量热计的剖面图。它是由高纯反应堆级的石墨制成，分为吸收体103、外套102、外罩101等层，层与层之间有微小的间隙。热散失补偿型量热计可对芯体散失的热量自动补偿，精度较高，基本上所有基准辐射剂量量热计都采用该结构。

如图2所示，图2为测量量热计芯子中热敏电阻阻值的惠斯登电桥的线路图。图2中，R_c为热敏电阻，R_x为可调成已知阻值的电阻器，R₁和R_J是阻值已知的固定电阻器。所有电阻的种类相同，而且阻值足够大，消耗在R_c的电功率可以忽略不计。当调定R_x以产生零电流读值时，R_c/R_x＝R₁/R_J，由此便可确定R_c的阻值。量热计核心部件量热计核心系统按准绝热方式工作，即芯体、外壳、外罩均受均匀射束的照射，根据设计，芯体与外壳的热容量Δmc相等，芯体、外壳和屏蔽体将由均匀的剂量而受到同等的加热。辅加的电能可以补充给屏蔽体以补偿其热量损失。这样，从芯体损失的热量可以忽略不计，以致在芯体中测得的ΔT可以用在电标定期间所观测到的“芯体+外壳”的ΔT来正确地判读。

电标定时，只对芯体加热。芯体散失的热量被外壳吸收的热量所补偿，而外壳向外罩的散失只需较小的修正。在电标定时芯体和外壳作为一个整体也是绝热的。在电标定时芯体中消耗的电能可表示为：

E_e＝(Δmc)_cΔT_c+(Δmc)_jΔT_j＝Δmc(ΔT_c+ΔT_j)

式中(Δmc)_c和(Δmc)_j是芯体和外壳的热容量，根据设计它们等于Δmc，ΔT_c和ΔT_j是电标定时芯体和外壳的温升。芯体和外壳的测温热敏电阻，兼加热用途。测量芯体和外壳温升之和的惠斯通电桥线路如图3所示。

在该电路中将芯体和外壳中的热敏电阻R_c和R_j接到电桥的两个相对的臂上，R、R₁、R_x是已知的可调电阻。选择两个热敏电阻使R_c、R_j相等。在电桥达到起始平衡的条件下，

R_jR_c＝R₁R_x

当芯体被电阻丝加热或受到辐照，芯体和外壳中的热敏电阻发生电阻变化ΔR_c和ΔR_j时，调节R_x为R_x－ΔR_x使电桥重新达到平衡。这时有

(R_j-ΔR_j)(R_c-ΔR_c)＝R₁(R_x-ΔR_x)

利用上式并设R₁＝R_x＝R_c＝R_j，于是得到

${\mathrm{\ΔR}}_x={\mathrm{\ΔR}}_j+{\mathrm{\ΔR}}_c-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_j{\mathrm{\ΔR}}_c}{R_1}$

对于小的阻值改变ΔR_c和ΔR_j，上式中的可忽略不计。这样ΔR_x就等于芯体和外壳中的热敏电阻阻值的改变之和。当电加热或辐射能全部保留在芯体中时，ΔR_c＝ΔR_x，ΔR_j＝0。当芯体中的部分热量转移到外壳时，|ΔR_c|<|ΔR_x|，|ΔR_j|>0。这样，能量在芯体和外壳之间转移对ΔRx的影响极小。

上述的热损失补偿量热计存在一下问题：

1、系统复杂，上述系统主要是电加热刻度中应用的，实质上是比热容测量的过程。如果使用比热容精确已知的材料做量热计芯体和外壳，则可以省略该过程。

2、惠斯登电桥通过调平，才能得到电阻值的变化量，需要过程和时间，这个过程中热敏电阻仍然在发热，该热量造成的电阻变化会引起误差。

3、辐照后热平衡的重新建立，量热计结构，如图1，是整体上绝热的，芯体向外壳，外壳向外罩传热均困难，在测量时绝热是好的，但在辐照结束后，量热计应当重新与外界建立热平衡，需经一段时间才能再次使用。

综上所述，如何解决现有量热计测量过程中测量等待时间长和测量存在误差是本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种量热计、吸收剂量的测量系统及方法，该量热计、吸收剂量的测量系统及方法能够解决现有量热计测量过程中测量等待时间长和测量存在误差的问题，实现快速有效地精确测量脉冲中子、γ射线混合场的吸收剂量。

为实现上述目的，本发明提供了一种量热计，包括中心球，与所述中心球同心设置的空心球，所述空心球由由内向外依次设置的内层壳、绝热层和外层壳构成；所述中心球内设有第一热敏电阻；所述内层壳与所述中心球间隔设置；所述绝热层与所述外层壳之间嵌设有第二热敏电阻；所述空心球分为两个活动连接的半球壳，其中一个所述半球壳设有通孔，所述通孔连接有含有导线的穿线管，所述第一热敏电阻的引线通过所述通孔与所述导线相连接。

可选的，所述内层壳与所述中心球之间设有若干球形支撑点。

可选的，所述中心球设有安装所述第一热敏电阻的安装孔，所述安装孔与所述第一热敏电阻的间隙填充有铝粉，所述安装孔的孔口采用胶体封闭。

可选的，两个所述半球壳扣合面的一端通过旋转轴连接，两所述半球壳可绕所述旋转轴开启或关闭。

可选的，所述绝热层的材质为泡沫聚乙烯。

本发明的另一目的在于提供一种脉冲中子、γ射线混合场吸收剂量的测量系统，包括上述量热计，所述量热计包括中心球，与所述中心球同心设置的空心球，所述空心球由由内向外依次设置的内层壳、绝热层和外层壳构成；所述中心球内设有第一热敏电阻；所述内层壳与所述中心球间隔设置；所述绝热层与所述外层壳之间嵌设有第二热敏电阻；所述空心球分为两个活动连接的半球壳，其中一个所述半球壳设有通孔，所述通孔连接有含有导线的穿线管，所述第一热敏电阻的引线通过所述通孔与所述导线相连接；

还包括电路切换器，所述电路切换器包括一单刀双掷开关、第一控制电路及第二控制电路，所述单刀双掷开关包括第一输入端和第二输入端和输出端，所述第一输入端与所述第一热敏电阻的检测端相连接，所述第二输入端与所述第二热敏电阻的检测端相连接，所述输出端连接有热敏电阻检测装置，所述热敏电阻检测装置用于测量所述第一热敏电阻和所述第二热敏电阻的电阻值；所述第一控制电路与所述第一输入端相连接，所述第二控制电路与所述第二输入端相连接，所述第一控制电路与所述第二控制电路分别连接计算机；所述计算机用于控制所述第一控制电路和所述第二控制电路的通断，并控制所述热敏电阻检测装置检测所述第一热敏电阻和所述第二热敏电阻的电阻值，并通过所述电阻值计算获得所述中心球的温度变化和吸收剂量。

本发明的又一目的在于一种脉冲中子、γ射线混合场吸收剂量的测量方法，利用所述的测量系统进行脉冲中子、γ射线混合场吸收剂量的测量；

所述测量方法包括：

获取两所述半球壳打开时所述第一热敏电阻和所述第二热敏电阻的阻值；

当所述第一热敏电阻的阻值和所述第二热敏电阻的阻值相等时，关闭两所述半球壳；

控制所述电路切换器切换至测量所述第一热敏电阻的阻值，获得本底值；

控制所述电路切换器切换至测量所述第二热敏电阻的阻值，同时对所述量热计进行脉冲辐照；

控制所述电路切换器切换至测量辐照后的所述第一热敏电阻的阻值，获得测量值；

根据所述本底值和测量值计算所述中心球的温度变化及吸收剂量。

可选的，所述获取两所述半球壳打开时所述第一热敏电阻和所述第二热敏电阻的阻值，具体包括：

利用所述热敏电阻检测装置同时测量所述第一热敏电阻和所述第二热敏电阻的阻值。

可选的，所述控制所述电路切换器切换至测量所述第一热敏电阻的阻值，获得本底值，具体包括：

输入控制信号至所述第一控制电路，打开所述第一输入端；

控制所述热敏电阻检测装置测量所述第一热敏电阻的阻值。

可选的，所述控制所述电路切换器切换至测量所述第二热敏电阻的阻值，具体包括：

输入控制信号至所述第二控制电路，打开所述第二输入端；

控制所述热敏电阻检测装置测量所述第二热敏电阻的阻值。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的量热计将第一热敏电阻设于中心球内部，第二热敏电阻设于外层壳与绝热层之间，并通过导线引出，能够实现两热敏电阻阻值的直接测量，省去了繁琐的电桥电路，减小了热敏电阻工作时因发热而引起的自身温度漂移的影响，提高了吸收剂量测量精度。再有，本量热计中心球外部的空心球是两个活动连接的半球壳，能够使中心球方便的与环境充分接触，使量热计经过辐照后再次使用前，能够与周围环境充分接触，使中心球与环境温度快速达到热平衡，量热计在一次测量结束后可以迅速进行再次测量，提高了测量效率，同时也能够提高测量精度。对于本发明提供的脉冲中子、γ射线混合场吸收剂量的测量系统及方法，是通过利用本发明提供的量热计作为量热计探头，放置于混合场中接受辐照，在测量前热敏电阻检测装置始终测量第二热敏电阻的电阻值，在脉冲辐射前，通过电路切换器将测量电路从第二热敏电阻切换到第一热敏电阻，这样既保证了热敏电阻检测装置能够不间断地测量，杜绝了第一热敏电阻持续发热导致的自身温度的漂移的问题，且对第二热敏电阻的阻值有了监测手段，进一步提高了热敏电阻阻值的测量精度，进而提高了吸收剂量的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中石墨热散射补偿型量热计的剖面图；

图2为现有技术中测量量热计芯子中热敏电阻阻值的惠斯登电桥的线路图；

图3为现有技术中测量芯体和外壳温升之和的惠斯通电桥线路图；

图4为本发明实施例提供的量热计的剖面图；

图5为本发明实施例提供的电路切换器的电路原理图；

图6为本发明实施例提供的吸收剂量的测量方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图4所示，本发明提供了一种量热计，包括中心球401，与中心球401同心设置的空心球，空心球由由内向外依次设置的内层壳402、绝热层403和外层壳404构成；中心球401内设有第一热敏电阻405；内层壳402与中心球401间隔设置；绝热层403与外层壳404之间嵌设有第二热敏电阻406；空心球分为两个活动连接的半球壳412、413，其中一个半球壳413设有通孔408，通孔408连接有含有导线的穿线管409，第一热敏电阻405的引线通过通孔与导线相连接。

本实施例中，中心球401采用直径为6mm的铝球，材质采用工业纯铝Al100，铝材料能够较快的散热，能够更显著和更快的反应经过辐照后温度的变化，因此选用铝材料更能提高检测精度。

本发明提供的量热计将第一热敏电阻405设于中心球401内部，第二热敏电阻406设于外层壳404与绝热层403之间，并通过导线引出，能够实现两热敏电阻阻值的直接测量，省去了繁琐的电桥电路，减小了热敏电阻工作时因发热而引起的自身温度漂移的影响，提高了吸收剂量测量精度。再有，本量热计中心球401外部的空心球是两个活动连接的半球壳412、413，能够使中心球401方便的与环境充分接触，使量热计经过辐照后再次使用前，能够与周围环境充分接触，使中心球401与环境温度快速达到热平衡，量热计在一次测量结束后可以迅速进行再次测量，提高了测量效率，同时也能够提高测量精度。

作为一种可选的实施方式，内层壳402与中心球401之间设有若干球形支撑点410。采用球形支撑点410是为了使中心球401与内层壳402形成点接触，减少中心球401与内层壳402之间的传热，更有效的保证了中心球401吸热和散热的独立性，保证了温度变化的准确，提高检测精度。

作为一种可选的实施方式，中心球401设有安装第一热敏电阻405的安装孔411，安装孔411与第一热敏电阻405的间隙填充有铝粉，安装孔411的孔口采用胶体封闭。这样第一热敏电阻405能够与中心球401充分接触，同时采用与中心球401材质相同的铝粉作为填充介质更能准确反映中心球401温度的变化，提高第一热敏电阻405的测量精度，同时在安装孔411的孔口采用胶体封闭，该胶体的流动性以不能流入铝粉过深为宜，以避免胶体与铝粉混合导致第一热敏电阻405与混合有胶体的铝粉接触，进而影响第一热敏电阻405的感应精度的问题发生。

作为一种可选的实施方式，两个半球壳412、413扣合面的一端通过旋转轴连接，两半球壳412、413可绕旋转轴开启或关闭。具体的，在其中一半球壳412上设有双连接耳，另一半球壳413上设有单连接耳，单连接耳设于双连接耳之间并且三个叠放的连接耳设有贯通的通孔，旋转轴设于该通孔内，实现旋转连接两半球壳412、413，而在于旋转轴相对的另一端，两半球壳412、413上分别设有连接板，两连接板通过螺栓和螺母连接，当需要打开空心球时，将螺栓和螺母打开即可，方便打开和关闭空心球，在辐照后，将空心球打开，中心球401与环境可以进行充分的热交换，比较热敏电阻温度，当两热敏电阻对应的温度相等时，将结构关闭，即可达到绝热测量之目的。当然两半球壳412、413的旋转开合结构还可以是其他结构，如铰链连接的方式。该两半球的结构能够实现中心球401与环境温度的快速均衡，加快了测量速度，并且能够使中心球401充分与外界环境相接触，保证中心球401温度变化的准确度，提高测量精度。

作为一种可选的实施方式，绝热层403的材质为泡沫聚乙烯，该绝热材料的比热与铝比较接近，能够起到更好的绝热效果，提高测量精度。

本发明的另一目的在于提供一种脉冲中子、γ射线混合场吸收剂量的测量系统，包括上述量热计，量热计包括中心球401，与中心球401同心设置的空心球，空心球由由内向外依次设置的内层壳402、绝热层403和外层壳404构成；中心球401内设有第一热敏电阻405；内层壳402与中心球401间隔设置；绝热层403与外层壳404之间嵌设有第二热敏电阻406；空心球分为两个活动连接的半球壳412、413，其中一个半球壳413设有通孔408，通孔408连接有含有导线的穿线管409，第一热敏电阻405的引线通过通孔408与导线相连接；

如图5所示，还包括电路切换器，电路切换器包括一单刀双掷开关501、第一控制电路505及第二控制电路506，单刀双掷开关501包括第一输入端502和第二输入端503和输出端504，第一输入端502与第一热敏电阻405的检测端相连接，第二输入端503与第二热敏电阻406的检测端相连接，输出端504连接有热敏电阻检测装置，热敏电阻检测装置用于测量第一热敏电阻405和第二热敏电阻406的电阻值；第一控制电路505与第一输入端502相连接，第二控制电路506与第二输入端503相连接，第一控制电路505与第二控制电路506分别连接计算机；计算机用于控制第一控制电路505和第二控制电路506的通断，并控制热敏电阻检测装置检测第一热敏电阻405和第二热敏电阻406的电阻值，并通过电阻值计算获得中心球401的温度变化和吸收剂量。

本发明提供的吸收剂量的测量系统中，热敏电阻检测装置采用高精密的数字多用表，省去了现有技术中的惠斯登电桥，通过该数字多用表进行测量的测量精度取决于数字多用表的测量的准确度，本实施例中采用Aglient3458型数字多用表，该数字多用表位数为8位半，最小电阻测量精度约0.001欧姆。对于热敏电阻的选择，热敏电阻首先应选择尽可能小的尺寸；然后挑选适用的阻值，精密的小型热敏电阻应阻值范围一般处于1k～100k欧姆范围，在该范围内，10k欧姆左右的电阻，配合Aglient3458A DMM档位的使用，DMM在不同测量档位下，其电流值不同，这样选择阻值可以使欧姆热最少，而使电阻自发热的影响最小，以提高测量热敏电阻阻值的精度。

量热计的热敏电阻在工作时的发热，会引起自身温度的漂移，因此，应尽可能的减少热敏电阻通电时间，但数字多用表在测量时总是要有一定的预热时间，这存在一定的矛盾。

本测量系统在测量前数字多用表始终测量球壳外的电阻值，在脉冲测量前短时间内，使用电路切换器，将测量电路从球壳外电阻切换到核心球内电阻，这样既保证了多用表的不间断测量，杜绝了内电阻持续发热，且对球壳外电阻的阻值有了监测手段，可进行本底监测。

电路切换器应保证切换快，以及对电路影响小，经实验，选定Aglient8765单刀双掷开关501为切换器主元件，具体电路图如图5所示。利用计算机向电路切换器的第一控制电路505和/或第二控制电路506发送TTL信号，实现电路切换功能。

本实施例提供的脉冲中子、γ射线混合场吸收剂量的测量系统通过上述量热计作为量热计探头，放置于混合场中接受辐照，在测量前热敏电阻检测装置始终测量第二热敏电阻406的电阻值，在脉冲辐射前，通过电路切换器将测量电路从第二热敏电阻406切换到第一热敏电阻405，这样既保证了热敏电阻检测装置能够不间断地测量，杜绝了第一热敏电阻405持续发热，且对第二热敏电阻406的阻值有了监测手段，进一步提高了热敏电阻阻值的测量精度，进而提高了吸收剂量的测量精度。

本发明的又一目的在于一种脉冲中子、γ射线混合场吸收剂量的测量方法，如图6所示，利用的测量系统进行脉冲中子、γ射线混合场吸收剂量的测量；

测量方法包括：

步骤601：获取两半球壳412、413打开时第一热敏电阻405和第二热敏电阻406的阻值；

步骤602：当第一热敏电阻405的阻值和第二热敏电阻406的阻值相等时，关闭两半球壳412、413；

步骤603：控制电路切换器切换至测量第一热敏电阻405的阻值，获得本底值；

步骤604：控制电路切换器切换至测量第二热敏电阻406的阻值，同时对量热计进行脉冲辐照；

步骤605：控制电路切换器切换至测量辐照后的第一热敏电阻405的阻值，获得测量值；

步骤606：根据本底值和测量值计算中心球401的温度变化及吸收剂量。

作为一种可选的实施方式，获取两半球壳412、413打开时第一热敏电阻405和第二热敏电阻406的阻值，具体包括：

利用热敏电阻检测装置同时测量第一热敏电阻405和第二热敏电阻406的阻值。

作为一种可选的实施方式，控制电路切换器切换至测量第一热敏电阻405的阻值，获得本底值，具体包括：

输入控制信号至第一控制电路505，打开第一输入端502；

控制热敏电阻检测装置测量第一热敏电阻405的阻值。

作为一种可选的实施方式，控制电路切换器切换至测量第二热敏电阻406的阻值，具体包括：

输入控制信号至第二控制电路506，打开第二输入端503；

控制热敏电阻检测装置测量第二热敏电阻406的阻值。

本发明提供的脉冲中子、γ射线混合场吸收剂量的测量方法，是通过利用本发明提供的量热计作为量热计探头，放置于混合场中接受辐照，在测量前热敏电阻检测装置始终测量第二热敏电阻406的电阻值，在脉冲辐射前，通过电路切换器将测量电路从第二热敏电阻406切换到第一热敏电阻405，这样既保证了热敏电阻检测装置能够不间断地测量，杜绝了第一热敏电阻405持续发热导致的自身温度的漂移的问题，且对第二热敏电阻406的阻值有了监测手段，进一步提高了热敏电阻阻值的测量精度，进而提高了吸收剂量的测量精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。