基于氦-3的中子多重性自适应测量装置及测量方法

本发明涉及核辐射探测，特别是涉及一种基于氦-3的中子多重性自适应测量装置及测量方法。

背景技术：

1、随着核工业的发展，世界范围内的铀、钚等材料越来越多，防止核扩散已经成为当今国际社会普遍关注的问题。由于铀、钚材料都可以产生裂变中子，因此，利用中子探测技术并结合同位素丰度对它们进行非破坏性分析，是核保障领域最常用的手段。在我国，对核设施中铀、钚物料的检测以及长期运行和退役过程中产生的大量放射性固体废物的分类、处理，逐渐成为一项艰巨的任务。在核辐射探测技术的发展中，中子测量技术成为了核辐射探测技术领域非破坏性分析技术的重要手段，在核保障领域，特别是核材料衡算方面具有重要意义。

2、中子具有穿透力强，且不容易被屏蔽的特点，在面向中、高密度，大体积样块分析时成为了唯一快速可行且能够同时满足探测技术，并在中低放固体放射性废物的分类检测中具有广阔的应用前景。在以上相关领域，u/pu物料的精确定量分析中，包括在常规样品分析、库房盘存、u/pu生产线闭合衡算等方面，该技术都发挥着积极的作用。

3、而中子多重性测量技术是一种通过测量核材料裂变中子的多重性分布，以实现对核材料进行准确定量分析的快速无损分析技术(nda)；测量过程中无需进行标样刻度，从而避免了标样使用可能对测量结果带来的影响。由于裂变中子在时间上具有相关性，故一次裂变事件中释放的中子数目具有一定的概率分布，即多重性分布；该方法可以区分裂变中子与非裂变中子，最大限度降低非裂变中子的干扰和基体材料对测量的影响。

4、中子多重性计数测量方法是最先进的一种核材料无损分析方法，虽然核材料发生裂变反应时产生的中子数目是随机的，但遵循统计规律，符合一定的概率分布；该概率分布就称之为中子多重性分布。通过核材料裂变发射的中子多重性分布信息的研究，就能够准确得到核材料的质量属性。基于氦-3的中子多重性测量装置采用氦-3作为中子探测器，测量装置的空腔中通常填满聚乙烯，裂变中子经过聚乙烯慢化成为热中子再被氦-3管探测，形成脉冲序列，通过符合分析方法得到中子总计数率以及多重计数率，代入中子多重性测量方程从而得到样品的有效质量，中子多重性测量用下列方程表示：

5、singles＝fενsf,1(1+α)m (1)

6、

7、

8、式中singles、doubles和triples分别为一重、二重、三重计数率，νsf,1、νsf,2和νsf,3分别是自发裂变发射中子数分布的一二三阶阶乘矩，νi1、νi2、和νi3分别是诱发裂变发射中子数分布的一二三阶阶乘矩，ε是探测器的中子探测效率，fd、ft分别是探测器二重三重符合门因子，m为增殖系数，α为中子数与自发裂变中子数的比值，f为自发裂变中子时的平均反应率。

9、为了使中子多重性测量技术能够满足不同测量对象的实际需要，通常需要根据拟测量对象的体积以及探测效率要求对中子多重性测量装置进行设计，但现有的测量设备存在以下问题：现有中子多重性测量设备都是根据测量腔的大小使用固定式设计，即氦-3计数管的数量、长度、间隔距离和布局方式都是固定的，当氦-3计数管数量、长度、间隔距离和布局方式固定后，在测量不同体积的测量对象时会导致探测效率不稳定，同时也不能因探测效率达不到检测要求而作出适应性调整。

技术实现思路

1、本发明目的就是针对现有技术中的不足，提供一种基于氦-3的中子多重性自适应测量装置及测量方法，在满足测量对象体积最大需求的前提下，通过装置的自适应系统，满足在测量不同体积的测量对象时对探测效率的需求。为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

2、一种基于氦-3的中子多重性自适应测量装置，包括探测组件、控制系统、测量腔、框架及供电模块，所述探测组件包括中子多重性探测器和探测器屏蔽体，所述探测器屏蔽体包括2组外层探测器屏蔽体及2组内层探测器屏蔽体，所述外层探测器屏蔽体设置在内层探测器屏蔽体的外侧，所述外层探测器屏蔽体和内层探测器屏蔽体内各设置有1组中子多重性探测器，所述中子多重性探测器为氦-3计数管，所述氦-3计数管设置在外层探测器屏蔽体及内层探测器屏蔽体的凹槽内；

3、所述控制系统包括电动推杆控制器、电动推杆及转台，所述转台设置于外层探测器屏蔽体和内层探测器屏蔽体的内部，所述中子多重性探测器的一端与电动推杆相连接，所述电动推杆通过电动推杆控制器设置于转台上；所述测量腔包括试样品上室和试样品下室，所述测量腔设置于内层探测器屏蔽体包裹的中央位置；

4、所述框架包括测量腔支架、测量腔底座及测量腔外侧架，所述测量腔外侧架设置于外层探测器屏蔽体的外侧，所述测量腔外侧架上设置有供电模块，所述测量腔支架的下侧依次设置试样品上室、试样品下室及测量腔底座，所述测量腔支架与探测器屏蔽体之间还设置有电子学盒、转台控制器及工控机，所述工控机通过通信端口分别与电子学盒、转台控制器及电动推杆控制器相连接，所述电子学盒通过线缆分别与各个氦-3计数管相连接。

5、优选的，所述氦-3计数管的数量大于或等于46支，长度大于或等于40cm；

6、优选的，所述氦-3计数管为双层结构且等间隔分布，所述氦-3计数管的总数n为偶数时，内层所述氦-3计数管的数量为n/2，外层所述氦-3计数管数量也为n/2；所述氦-3计数管的总数n为奇数时，内层所述氦-3计数管的数量为(n-1)/2，外层所述氦-3计数管的数量为(n+1)/2。

7、优选的，所述外层探测器屏蔽体与内层探测器屏蔽体采用双层分离结构。

8、优选的，所述电子学盒设置在转台控制器的上侧。

9、优选的，所述凹槽的数量与氦-3计数管的数量相匹配，所述凹槽的长度是氦-3计数管长度的1.2倍。

10、优选的，所述试样品上室和试样品下室组成尺寸大于或等于φ400mm×400mm的圆筒形结构。

11、优选的，所述测量腔支架、测量腔底座及测量腔外侧架的内侧均附有多层结构，所述多层结构为石墨和聚乙烯组成的双层结构。

12、优选的，所述测量腔支架、测量腔底座及测量腔外侧架的材料为不锈钢。

13、利用中子多重性自适应测量装置所实现的测量方法，包括以下步骤：

14、s1、连接设备，使探测组件和控制系统运转通电；

15、s2、打开测量腔支架和试样品上室，将待测样品置于测量腔内，关闭测量腔支架和试样品上室；

16、s3、打开工控机，输入待测样品长、宽、高的最大值以及氦-3计数管的数量、长度数值；

17、s4、参数设定，工控机根据输入待测样品长、宽、高的最大值以及氦-3计数管数量、长度的数值，与预存的最适应氦-3计数管的伸缩长度，以及旋转角度方案进行自适应，并生成电动推杆伸缩的伸缩控制信号，以及转台的转台旋转角度控制信号；

18、s5、转台控制器根据接收到的转台旋转角度控制信号控制转台旋转；

19、s6、电动推杆控制器根据接收到的伸缩控制信号控制电动推杆伸缩；

20、s7、开启电子学盒，对测量的初始状态进行设置并进行计数状态清零；

21、s8、启动电子学盒的测量程序；

22、s9、记录测量数据，输出电子学盒测量程序得到的测量数据，并关闭电子学盒；

23、s10、关闭工控机，将测量腔支架和试样品上室打开，将待测样品取出。

24、本发明的有益效果：

25、本发明的中子多重性自适应测量装置可以根据测量试样的体积自适应对系统进行调整，满足对装置测量腔尺寸达到φ400mm×400mm的要求，通过装置的自适应系统，同时满足在测量不同体积的测量对象时对探测效率的需求。