一种放射性材料的检测装置的制作方法

本实用新型总体上涉及射线检测技术领域，尤其涉及一种用于核燃料芯块富集度无源检测的检测装置。

背景技术：

核燃料棒是核电站反应堆燃料组件的关键组成部分，最基本单元是二氧化铀(UO2)燃料芯块。核燃料芯块富集度指的是芯块中²³⁵U的质量分数，核燃料芯块富集度不均匀或者混入异常芯块会导致核燃料棒发热不均匀，降低使用效率，甚至引起核燃料棒破裂，导致停堆，造成重大事故。因此，核燃料棒在出厂使用前必须逐个进行检测。目前核燃料芯块富集度检测方法可分为有源法和无源法两类。有源法采用慢化后的²⁵²Cf中子照射核燃料棒，热中子与²³⁵U和²³⁸U发生核反应，并伴随一系列的β衰变和γ衰变，通过分析活化后的γ射线能谱推算富集度。有源法的检测效率和检测精度较高，但需要使用昂贵且寿命较短的²⁵²Cf中子源，同时检测过的芯块放射性增强，需要静置较长时间。无源法采用²³⁵U的天然特征γ射线进行能谱分析，使用成本低，操作简单，属于无损检测。但由于核燃料棒的²³⁵U富集度一般较低，检测效率上低于有源法。

现有的无源检测装置中的探测器采用了中心开孔的闪烁体单端耦合光电倍增管的设计方案，例如题为“一种用于燃料棒丰度检测的γ探头及探头系统”的中国专利申请CN106596496A公开了采用光电倍增管接收闪烁体发出的荧光信号，单端输出的闪烁光的耗损较多，光输出的均匀性也较差，不利于γ射线能谱分析，且不能保证分析结果的精确度。同时由于光电倍增管受自身结构限制，体积通常较大(光接收面面积大于20mm*20mm)，难以对单个燃料芯块进行检查，在平行堆叠排列中造成的探测器死区也较大。此外，光电倍增管由于必须配置相应的高压电源才能正常工作，增加了使用复杂度。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本实用新型提出了一种新型检测装置，其能有效地对放射性材料发出的射线进行收集、检测，光输出性好，可以应用于核燃料芯块富集度的无源检测。

根据本实用新型的一示范性实施例，提供了一种放射性材料的检测装置，包括：闪烁体，具有中空环状一体结构，以用于将所述放射性材料容纳在所述中空环状一体结构的中空部分中，所述闪烁体将所述放射性材料发射的射线转换成闪烁光；多个光电转换器件，设置在所述闪烁体的外周表面，用于将所述闪烁光转化为电脉冲信号；信号处理单元，用于对所述电脉冲信号进行处理。

在一些实施例中，所述光电转换器件选自硅光电倍增管和光电二极管。

在一些实施例中，所述闪烁体在圆周方向上被隔板分成与所述多个光电转换器件对应的多个部分；所述隔板从所述闪烁体的外周表面向内表面延伸，但是不延伸到所述闪烁体的内表面，或者所述隔板从所述闪烁体的内表面向外周表面延伸，但是不延伸到所述闪烁体的外周表面。

在一些实施例中，所述多个光电转换器件均匀设置在所述闪烁体的外周表面上，所述隔板将所述闪烁体在圆周方向上均匀分成多个部分，使得每个光电转换器件位于所述闪烁体的对应部分外周表面的中心位置处。

在一些实施例中，所述隔板延伸的长度为闪烁体内外表面之间距离的20-80％，优选30-70％，更优选40-60％。

在一些实施例中，所述隔板由反光材料组成。

在一些实施例中，所述闪烁体的外周表面具有多边形形状，所述多个光电转换器件位于多边形的各顶点处。

在一些实施例中，所述闪烁体材料选自碘化铯(CsI)、碘化钠(NaI)、锗酸铋(BGO)、硅酸钇镥(LYSO)、钆铝镓基石榴石(GAGG)闪烁晶体中的一种或几种。

在一些实施例中，所述闪烁体的环状一体结构的内表面和/或外周表面覆盖有反光层。

在一些实施例中，所述装置还包括壳体，用于容纳所述闪烁体和光电转换器件。

在一些实施例中，所述装置还包括信号引出电路，用于将所述多个光电转换器件的电脉冲信号引出到所述信号处理单元，所述信号处理单元基于所述电脉冲信号确定所述放射性材料的富集度。

在一些实施例中，在所述信号引出电路的位于所述多个光电转换器件的阴极处设置有隔离滤波元件。

本实用新型与现有技术相比，至少具有如下优点：

1)本实用新型提出的环状闪烁体一体结构的多端读出方法可以提高环状闪烁体的光输出并提高光输出均匀性；

2)本实用新型采用的小尺寸光电转换器件及环状探测器结构设计，极大方便了对放射性材料的检测；

3)本实用新型采用晶体部分切槽以及设置隔板将环状闪烁体分成多个部分的设计方法，进一步提高了闪烁体的光输出率，提高了检测精度。

本实用新型的其它优点将从下面参照附图对具体实施方式的描述而变得显然。

附图说明

图1为本实用新型的放射性材料检测装置的一个实施例的示意图；

图2为本实用新型的放射性材料检测装置的一个实施例的改进示意图；

图3为本实用新型的放射性材料检测装置的一个实施例的又一改进示意图；

图4为本实用新型的放射性材料检测装置的另一个实施例的示意图；

图5为本实用新型的放射性材料检测装置的另一个实施例的改进示意图；

图6为本实用新型的放射性材料检测装置的另一个实施例的又一改进示意图；

图7为本实用新型的放射性材料检测装置的配置电路示意图；

图8为本实用新型的放射性材料检测装置的信号处理流程图。

具体实施方式

为了便于所属领域技术人员理解本实用新型的基本原理，以下将结合附图对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，本实用新型并不局限于这些示范性实施例的精确形式。此外，附图中的元件不一定是按比例绘制的。例如，图中的一些元件尺寸可以相对于另一些元件被放大以帮助改善对本实用新型的实施例的理解。

图1是根据本实用新型第一实施例的放射性材料检测装置示意图。如图1所述，检测装置包括中空环状一体结构的闪烁体1，多个光电转换器件2，以及信号处理单元(未示出)。

在此实施例中，放射性材料为核燃料芯块。闪烁体1具有中空环状一体结构，以用于将燃料芯块容纳在中空环状结构的中空部分中，闪烁体1将燃料芯块发射的γ射线转换成闪烁光。本文中使用“中空环状一体结构”，其含义为环状闪烁体是由整块环状晶体加工而成，而非由多块晶体拼接成环的方式得到。对于多块晶体拼接而成的环状闪烁体，由于晶体本身的差异性，容易造成光输出不均匀，而且后续需要多套电路单独读出各个闪烁体晶体的光输出，增加了系统的复杂性。本实用新型采用“中空环状一体结构”并配合多个光电转换器件的多端读出方式，有效地提高环状闪烁体的光输出率并提高光输出均匀性。

中空环状闪烁体的内表面和外周表面可以具有多种形状，包括但不限于圆环、方环、或多边形环，例如中空环状结构形成为内圆外圆、内圆外方、内方外圆的环状结构。典型地，例如在本实施例中，环状闪烁体的内环为圆环，外环也为圆环(除光输出面外)。闪烁体的轴向(即核燃料芯块通过闪烁体中空部分的方向)的长度应与核燃料芯块高度相当或小于单个核燃料芯块高度，优选为7-14mm之间，以满足对单个燃料芯块进行检查；闪烁体的内环尺寸的选择应满足核燃料棒能顺利通过，即内环为圆形时，闪烁体内环直径应大于核燃料棒直径，内环为方形时，其边长应大于核燃料棒直径，在图1所示的实施例中，闪烁体的内环半径优选为12-20mm之间。闪烁体外环半径和内环半径之差应不小于所采用的闪烁体材料对²³⁵U的能量为186keV的天然特征γ射线的一个衰减长度。当闪烁体的内环为方环或者多边形环时，内外环面间的最短距离应不小于所采用的闪烁体材料对²³⁵U的能量为186keV的天然特征γ射线的一个衰减长度。如果内外环面间的厚度太薄，探测效率就会降低，而从成本角度考虑，内外环面间的距离也不宜太大。

闪烁体1的材料可用碘化铯(CsI)、碘化钠(NaI)、锗酸铋(BGO)、硅酸钇镥(LYSO)、钆铝镓基石榴石(GAGG)闪烁晶体等。所属领域的技术人员可以理解，闪烁体材料不限于上述示例，而是可以根据放射性材料的辐射射线而进行相应的选择或调整。

在闪烁体1的外周面上可设置有多个光输出面用于耦合多个(≥2个)光电转换器件2，用于减少闪烁光在环状闪烁体内部由于多次反射、光传播路径复杂而造成的光损失现象，增大光输出并提高光输出均匀性。

光电转换器件2用于接收闪烁光并将闪烁光转化为电脉冲信号，背景技术部分提及的现有技术一般采用光电倍增管作为光电转换器件，其尺寸较大，难以实现对单个燃料芯块进行检查。不同于现有技术，本实用新型的光电转换器件优选采用硅光电倍增管、光电二极管等小尺寸器件，其中光电二极管可选择雪崩光电二极管、PIN光电二极管等。以硅光电倍增管为例，其常规接收面面积为3mm*3mm，最小甚至可达到1mm*1mm，同时其增益均匀性优于光电倍增管，无需提供高压电源，不受磁场影响，环境适应性更好。通过采用新型的小尺寸光电转换器件制作的用于核燃料芯块富集度无源检测的探测器可克服现有技术中光输出均匀性差，且难以对单个燃料芯块进行检查的不足，同时省去了高压电源，提高了探测器稳定性。闪烁体1和光电转换器件2之间可以直接接触，只要使得闪烁光到达硅光电倍增管、光电二极管的阴极表面，在实际使用中，闪烁体1和光电转换器件2之间还可以填充光学硅脂，其可以提高光收集效率，同时还可以对光电转换器件起到缓冲固定作用。

收集的电脉冲信号，经由信号引出电路4输入至信号处理单元，信号引出电路4用于为光电转换器件2提供供电输入和信号输出，其具体结构将在下面详细描述。信号处理单元用于对收集的电脉冲信号进行处理，信号处理单元示例性地包括前置放大器、滤波器、模数转换器件，对脉冲信号进行放大并转换为数字信号，对其进行信号甄别后再利用例如多道分析仪形成能谱，并获得脉冲计数。根据能谱以及脉冲计数率的变化可以获知放射性材料的辐射强度、富集度等材料性质。相应地，本实用新型的放射性材料也不限于核燃料芯块，还可包括放射性气体、放射性液体、受核污染的土壤等，本实用新型的检测装置可用于检测、评估核泄漏造成的核污染情况。

图2为根据实施例1的检测装置的优化方式。为了进一步提高光输出效率，闪烁体的表面覆盖有反光层11。具体而言，环状闪烁体1的内环表面和/或外周表面(除光输出面外)可包覆反光材料用于提高闪烁光收集效率，包覆反光材料可用BaSO4、TiO2或其他类似的漫反射材料，也可用高反射膜、铝箔或其他类似的镜面反射材料。本实施例中，反光层材料的厚度优选为0.2～2mm之间，内环面侧的反光层材料的厚度更优选为0.2-0.5mm，以减少对核燃料芯块放出的γ射线的吸收。优选上述反光层由壳体3固定在闪烁体的内表面和/或外周表面上，壳体3的内环面31与闪烁体的内环面的形状相适应，以固定和支撑闪烁体及反光层材料，并防止核燃料芯块5与闪烁体直接接触。优选地，探测器壳体3的内环面31可用铝、塑料、碳纤维或其他类似轻质材料加工，其厚度应在满足机械强度要求下尽可能薄，以减少对核燃料芯块放出的γ射线的吸收，优选为0.5mm～1mm之间。在实际检测过程中，还需尽量避免燃料芯块5直接和探测器壳体3相碰撞而造成测量不准甚至引起燃料芯块和探测器的破损，为此需要在燃料芯块外侧设置一段空气层或者塑料的保护层。将环状闪烁体1和光电转换器件2整体紧凑封装于探测器壳体3后，盖上封盖进行密封以实现避光处理，封盖可用铝、塑料、碳纤维或其他类似轻质材料加工，也可采用钨、铅、不锈钢或其他类似重金属材料加工以降低来自除被检测核燃料芯块5以外的其他核燃料芯块带来的辐射干扰，优选为钨合金。

图3显示了根据实施例1的检测装置的更为优化的实施方式。为了进一步控制闪烁光的传播路径，发明人发现在闪烁体1圆周方向上利用隔板6分成与所述多个光电转换器件2对应的多个部分，可以有效地提高光输出并提高光输出均匀性。隔板6可通过在整块环状闪烁体晶体的圆周上切槽加工而设置，隔板6插入所述切槽内，隔板6优选选择Al等反光材料制成。

应当注意的是，所述隔板6从所述闪烁体的外周表面向内表面延伸，但是不延伸到所述闪烁体的内表面，或者所述隔板从所述闪烁体的内表面向外周表面延伸，但是不延伸到所述闪烁体的外周表面。如果隔板6延伸至闪烁体的内表面或外周表面，形成的结构将是多块闪烁体晶体的拼接结构，如前所述，由于晶体本身的差异性，反而造成光输出不均匀。隔板6延伸的长度为闪烁体内外表面之间距离的20-80％，优选30-70％，更优选40-60％，如果延伸长度低于20％，则提升光输出性并不显著，如果延伸长度大于80％，则容易造成闪烁体的结构不稳固，反而可能导致光输出不均匀。对于内外环均为圆形的情况，闪烁体内外表面之间距离即为内外环半径之差，对于内外环不同为圆形的情况，闪烁体内外表面之间距离为隔板自其在一端环面起点至沿其方向的延伸线与另一端环面相交位置的长度。

图4显示了根据本实用新型另一实施例的放射性材料检测装置示意图。如图4所述，检测装置包括中空环状一体结构的闪烁体1，多个光电转换器件2，壳体3，信号引出电路4以及信号处理单元(未示出)。

闪烁体由整块晶体切割加工形成，采用中心开孔方式，待检测的燃料棒等放射性材料放入闪烁体的中空部分。闪烁体的内环面采用圆形环，外环面为多边形环面，具体地，例如四边形环面、六边形环面。

所属领域技术人员可以理解，闪烁体的内外环可以是多边形环，例如为五边形、六边形等多边形结构，而不必须是圆环或正多边形环，特别是外环面。采用外环面为多边形环的闪烁体，其和圆环相比，能够减少光子在圆弧环面上造成的多次全反射，因此相比于实施例1，本实施例的检测器的结构配置能进一步改善光的传播路径从而提高光输出性。

多个光电转换器件2位于闪烁体1外环面的顶点处，光电转换器件2对应闪烁体1的光输出面设置，两者可直接接触，闪烁光到达光电转换器件的阴极表面即可，为了对光电转换器件起到缓冲固定作用并提高光收集效率，闪烁体和光电转换器件之间还可以填充光学硅脂。

如图5所述，在闪烁体1的外环面的非光输出面部分设置有反光层，反光层的材料可用BaSO4、TiO2或其他类似的漫反射材料，也可用高反射膜、铝箔或其他类似的镜面反射材料。方形或多边形外环面相对于弧形外环面，反光层能够与外环面更好地贴合，也能减少闪烁光的损耗。优选地，闪烁体1的内环面也可设置有反光层，其材料可选择与外环面反光层相同的材料，也可选择不同的反光材料，内环面反光层的厚度优选小于外环面反光层的厚度，例如0.3-0.5mm。

闪烁体1的外侧设置有壳体3，壳体3也形成为中空的结构，其内外环的形状与闪烁体1的内外环面的形状相适应，壳体3的内环面31可用铝、塑料、碳纤维或其他类似轻质材料加工，其厚度应在满足机械强度要求下尽可能薄，以减少对核燃料芯块放出的γ射线的吸收。环状闪烁体1和光电转换器件2整体封装在壳体内，提高了检测器的结构紧凑性，可以方便地对单个燃料芯块进行无源检测。

本实施例检测装置的其他部件与图1-3所示的第一实施例相似，此处不再赘述。

图6显示了根据实施例2的检测装置的优化的实施方式。为了进一步控制闪烁光的传播路径，在闪烁体1圆周方向上利用隔板分成与所述多个光电转换器件对应的多个部分，可以有效地提高光输出并提高光输出均匀性。隔板可通过在整块环状闪烁体晶体的圆周上切槽加工而设置，隔板插入所述切槽内，隔板可例如选择Al等反光材料制成。

此实施例中，隔板从所述闪烁体的内表面向外周表面延伸，但是不延伸到所述闪烁体的外周表面，即不形成为多块闪烁体拼接成环的方式。隔板延伸的长度为闪烁体内外表面之间距离的20-80％，优选30-70％，更优选40-60％，如果延伸长度低于20％，则提升光输出性并不显著，如果延伸长度大于80％，则容易造成闪烁体的结构不稳固，反而容易导致光输出不均匀。

虽然图6显示的多个光电转换器件(本实施例中，为4个)均匀设置在闪烁体的外周多边形表面的顶点处，可以理解的是，其也能设置在例如闪烁体的外周表面的边上，相应地，隔板设置在例如延伸至多边形各个顶点的方向。

图7显示了应用于本实用新型实施例的光电转换器件的配置电路示意图。参考图1-6，由闪烁体1发出的闪烁光经光输出面入射至多个光电转换器件2的阴极从而产生电脉冲信号，电脉冲信号经过信号引出电路4进行输出(OutPut)引出到信号处理单元。信号引出电路4可与光电转换器件2通过直接焊接、接插件连接、信号线连接或其他类似方式连接。在信号引出电路4上还可为光电转换器件2提供供电滤波和信号滤波，以提高信号质量。

多个光电转换器件2可独立使用多个信号引出电路4或者共用一个信号引出电路4。在多个光电转换器件2共用一个信号引出电路4时，多个光电转换器件2之间可能存在相互电磁串扰，导致噪声增大，为了去除静电和噪声干扰，优选在信号引出电路4的位于多个光电转换器件2的阴极处设置有隔离滤波元件。如图7所示，四个光电转换器件的阳极相互耦接，并连接至信号处理单元，在多个光电转换器件的阴极处设置有电容(C1-C4)并耦接至接地，同时各光电转换器件的阴极通过电阻(R1-R4)耦接至偏置电压(Vbias)，当一个信号引出电路上的光电转换器件(例如硅光电倍增管)上有信号产生时，由于设置了偏置电阻(R1-R4)，其不足以明显改变偏置电压，因此其他并联的信号引出电路就不会受到明显串扰。多个光电转换器件通过隔离滤波偏置的方式并联组成光电转换阵列整体输出，既能够实现对闪烁体多端闪烁光的同步输出，又降低了各光电转换器件之间的电磁串扰问题。优选地，在电路的偏置电压(Vbias)处也设置有电容元件并耦接至接地，以便去除电路中的干扰信号。

图8显示了本实用新型的放射性材料检测装置的信号处理流程图。光电转换器件阵列(1、2……n)设置在闪烁体的外周表面，将闪烁光转化为电脉冲信号，多个光电转换器件可共用一个信号引出电路并输出至信号处理单元。信号处理单元对收集的电脉冲信号进行处理，示例性地，其包括前置放大器、滤波器、模数转换器，其中前置放大器将脉冲信号放大至量程范围，滤波器对信号进行滤波，提高信号质量，模数转换器对滤波电信号进行采样，对其进行信号甄别(例如数字滤波)后再利用例如多道分析仪等数据处理器形成能谱，并确定脉冲计数。根据能谱以及脉冲计数率的变化可以获知放射性材料的性质，例如根据能谱的峰位对应的能量识别出被测样品中含有的放射性元素种类，并且由峰的净面积计算出放射性元素的富集度等材料性质。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在不脱离本实用新型的范围和思想的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化和修改。即本实用新型的范围由所附权利要求及其等价物定义。