专利名称:用于确定物体的密度和尺寸特性的方法和系统以及在制造过程中检查核燃料芯块的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及非破 坏性分析技术的领域。
更具体来说，本发明可应用于通过直线光子衰减自动确定物体的密度以及自动 确定它们的尺寸特性的方法和系统。
其应用之一是检验和监控诸如UOX和/或MOX的核燃料芯块的物体制造和加 工单元的正确操作，且尤其用于监控制造上述物体的再现性，这与物体的密度相关。
其也可用于确定轴向和径向密度梯度，因而用于作为非常精密的计算断层照相 (CT)扫描仪。
背景技术：
已经提出了用于确定密度、具体来说是确定地质采样的密度的非破坏性放射 性核方法。在参考文献 Been, K.的 “Non-destractive Soil Bulkdensity Measurement by X-ray Attenuation", 《Geotechnical Testing Journal》GTJODJ, Vol.4, No.4, Dec.1981, PP 169-176中，作者提出在不力图精确地确定所涉及采样的尺寸的情况 下通过使用X射线管的直线光子衰减的采样密度测量法。在参考文献Tan，S.-A 禾口 Fwa， Τ.-F 的 “Non—destructiveDensity Measurements of Cylindrical Specimens by Gamma-RayAttenuation” , 《Journal of Testing Evaluation》 JTEVA, Vol.19, No.2, March 1991, PP.155-160 中以及 Tan, S.-A 禾Π Fwa, T.-F 的 “DensityMeasurements of Cylindrical Specimens with in a Mold by Gamma-Rays”， 《Journal of Testing Evaluation》 JTEVA, Vol.21, No.4, July 1993，PP.296-301 中，作者提出通过使用伽马(gamma)辐 射的直线光子衰减确定地质采样的密度的测量法。他们已经确定并证明采样的几何参数 对密度测量法的精度的影响，但是他们没有提出精确地确定所述几何参数的解决方案。
要注意尽管上述文献涉及采样密度，但其目的实际上是确定所述物体每单位体 积的质量。为简化说明，使用术语“密度”代替“每单位体积的质量”。
发明内容
本发明的目的在于通过确定各个所述物体相对于用作基准或标准的所述物体中 的至少一个的已知密度的变化来确定属于给定物体组的物体的密度。
该所述物体的密度的确定利用包括通过伽马光子辐照(irradiation)的非破坏性核 技术以及利用伽马光谱测定仪器来确定伽马光子束的强度而实现。
确定所述物体的密度需要先确定物体的至少一个有效尺寸。
与上述现有技术中所述的方法不同，本发明通过非常精确地测量待定密度物体 的至少一个有效尺寸并使用该测得的有效尺寸来确定被测物体的密度而考虑了几何参数 的影响。所述有效尺寸可以是宽度或直径，并对应于伽马光子束所通过的有效尺寸。
用于确定物体的有效尺寸的方法形成用以确定所述物体的密度的方法的一部分。其使用了红外辐射仪器来测量尺寸。
简单地回忆一下通过光子衰减确定物体密度的物理原理包括以具有能量E的 单频光子所组成的查询束(query beam)辐照物体。光子束的强度作为其所通过的物体的 密度、其所通过的材料的厚度以及其所通过的物体的基本化学成分的函数而或多或少地 衰减。该强度通过以下等式得出
权利要求
1.用于自动确定属于物体组的物体(100)的密度的系统，其特征在于，其包括 -用于确定所述物体(100)的有效尺寸X的仪器(2)，-用于确定衰减的光子束强度I的仪器(30)，所述衰减是由于通过所述物体(100)， -采集、处理和分析仪器(200)，-将所述物体(100)传送到所述用于确定其有效尺寸X的仪器(2)并朝所述用于确定 衰减的光子束强度I的仪器(30)传送的装置(70、72、80、82、84、86、88)，_调节所述物体(100)相对于所述用于确定其有效尺寸X的仪器的位置的第一装置 (74、 76、 78)，_调节所述物体(100)相对于所述用于确定衰减的光子束强度的仪器(30)的位置的第 二装置(90、92、94、96、98)，且，所述第一和第二调节装置能够相对于支撑板(150)以1微米量级的精度移动所述 物体(100)，构成所述系统的元件安装在所述支撑板上，且，所述物体(100)相对于所述用于确定衰减的光子束强度I的仪器(30)的位置作 为所述物体(100)的有效尺寸X的函数而被调节。
2.如权利要求
1所述的系统，其特征在于，所述采集、处理和分析仪器(200)包括计 算机(170)，所述计算机上安装了运行用于确定物体(100)的密度的自动方法中的一系列 指令和计算算法的专用软件。
3.如权利要求
1或2所述的系统，其特征在于，所述采集、处理和分析仪器(200)给 出所述物体(100)的密度P相对于属于同组物体(100)中的至少一个标准密度物体emas
4.如权利要求
1所述的系统，其特征在于，所述用于确定物体(100)的有效尺寸的仪 器⑵包括-由第一红外发射器(4)和第一红外接收器(6)构成的第一红外组件(4、6)， -由第二红外发射器(8)和第二红外接收器(10)构成的第二红外组件(8、10)， 所述两组红外组件(4、6 ； 8、10)彼此分开已知距离d，并发射彼此平行的红外束， 且，所述物体(100)的有效尺寸X由所述物体(100)沿着大致垂直于两个束的轴 线(12、14)的方向移动而顺次地截取第一红外束和第二红外束时所获得的红外响应推导 出，所述红外响应对应于在截取第一红外束的一半(22)时尚未由所述物体(100)截取的 第二红外束的一部分(24)。
5.如权利要求
4所述的系统，其特征在于，所述用于确定所述物体(100)的有效尺寸 X的仪器(2)还包括第三光电收发器组件(16、18)，其相对于所述第二红外组件(8、10) 设置在所述第一红外组件(4、6)的输入侧并意图对两个红外束的强度做预先的调整。
6.如权利要求
4或5所述的系统，其特征在于，在测量Q次红外响应RI(q)之后利用 以下关系式得出所述物体(100)的有效尺寸X，其中，q介于1到Q之间χ = A4. (average RI (q)) 4+A3. (average RI (q))3+A2. (averageRI (q)) 2+Al. (average RI (q))'+A0,其中，入、A1, A2、A3、A4是事先对至少四个具有为测量红外响应RIfedim)的标准尺 寸的物体edim应用该相同关系式而得出的系数。
7.如权利要求
1所述的系统，其特征在于，所述用于确定衰减的光子束强度的仪器 (30)是伽马光谱测定仪器，其包括-由源和准直仪形成的组件(32)， -由检测器和准直仪形成的组件(40)， -伽马光子采集和计数系统(48)。
8.如权利要求
7所述的系统，其特征在于，所述采集和计数系统(48)包括 -高密度锗检测器，-前置放大器(50)， -数字信号处理器DSP (52)， -高压模块(54)， _网络模块(56)， -数据采集计算机(170)， -低温保持器(60)。
9.如权利要求
4所述的系统，其特征在于，所述传送装置(70、72、80、82、84、 86、88)包括转盘(70)和驱动所述转盘(70)的步进电机(72)。
10.如权利要求
1所述的系统，其特征在于，所述传送装置包括抓取臂(80)。
11.如权利要求
10所述的系统，其特征在于，所述抓取臂(80)是装配意图抓取和放 下所述物体(100)的端部夹(82)的铰接臂。
12.如权利要求
3所述的系统，其特征在于，所述第一调节装置包括-第一滑动件(74)，用以将所述用于确定所述物体(100)的有效尺寸X的仪器(2)的 基座(26)沿着方向X固定位置；-第一致动器(76)，用以将所述第一红外组件(4、6)沿垂直于X方向的Y方向带近 或带离所述用于确定所述物体(100)的有效尺寸X的仪器(2)的所述第二红外组件(8、 10)；-第二致动器(78)，用以将所述用于确定所述物体(100)的有效尺寸X的仪器(2)的 所述基座(26)沿垂直于平面(X，Y)的方向Z移动。
13.如权利要求
4所述的系统，其特征在于，所述第二调节装置包括辐照支撑(90)， 所述物体(100)安装在其上，处于所述用于确定通过物体(100)的衰减的光子束强度的仪 器(30)中的源(32)和检测器(40)之间。
14.如权利要求
13所述的系统，其特征在于，所述第二调节装置包括 -第二滑动件(94)，用以沿着方向X固定辐照支撑(90)；-第三致动器(96)，用以沿X方向在所述用于确定通过物体(100)的衰减的光子束强 度的仪器(30)中的源(32)和检测器(40)之间移动所述辐照支撑(90)，-第四致动器(98)，用以沿垂直于平面(X、Y)的方向Z在所述用于确定通过物体 (100)的衰减的光子束强度的仪器(30)中的源(32)和检测器(40)之间移动所述辐照支撑 (90)。
15.使用如权利要求
13所述的用于自动确定属于物体组的物体(100)的密度的系统的 方法，其特征在于，其包括以下步骤-步骤1，校准所述用于确定物体(100)的有效尺寸的仪器(2)中的两组红外组件(4、6 ； 8、10)的位置，-步骤2，校准所述用于确定由于通过物体(100)而衰减的光子束强度的仪器(30)的 辐照支撑(90)的位置，-步骤3，校准所述用于确定衰减的光子束强度的仪器(30)的所述源-检测器(32、 40)组件的测量，且，包括实际确定物体(100)的有效尺寸X的步骤，该步骤在所述物体组的每个物体 (100)上进行。
16.如权利要求
15所述的方法，其特征在于，所述系统包括包含在传送装置中的转盘 (70)，所述校准步骤1包括操作员利用交互式模块输入一组输入参数，这些参数包括-包括两个致动器(76、78)的具有微位移的部件的配置， -所述转盘(70)的配置，即，占据转盘上不同位置的物体的性质， -所述转盘(70)上每个标准尺寸物体edim所占据的位置，-沿所述用于确定所述物体(100)的有效尺寸X的仪器(2)的基座(26)的Z方向的^measure，-限制所述第一红外组件(4、6)沿Y方向的移动间隔的位置Y(I)和Y(N)， -所述第一红外组件(4、6)沿Y方向的移动步距INT。
17.如权利要求
16所述的方法，其特征在于，所述校准步骤1还包括以下操作a)将所述基座(26)沿Z方向移动，直到Zmeasure位置，b)所述转盘(70)角位移以将标准尺寸物体edim相对于仪器(2)传送，直到其初始测量位置，C)将所述第一红外组件(4、6)沿Y方向移动，直到其开始位置Y(I)，d)将所述第一红外组件(4、6)以连续的增量INT沿Y方向步进移动，将其移离固定 在位于位置Y(I)和Y(N)之间的位置Tfix处的所述第二红外组件(8、10)，并同时确定 对应于每个位置Y (η)的所述标准尺寸物体edim的红外响应RI (η)e)计算最佳红外响应RIcjpt,f)计算所述第一红外组件(4、6)相对于所述第二红外组件(8、10)的最佳位置 Yopt ο
18.如权利要求
17所述的方法，其特征在于，所述用于步进移动的操作d)包括以下 子步骤d-Ι)所述转盘(70)角位移以将标准尺寸物体edim传送到其最终测量位置， d-2)测量所述标准尺寸物体edim的红外响应RI (η)，d-3)所述转盘(70)角位移以将所述标准尺寸物体edim带到其初始测量位置。
19.如权利要求
17或18所述的方法，其特征在于，所述最佳红外响应RIcjpt用以下关 系式得出
20.如权利要求
17所述的方法，其特征在于，所述计算最佳位置Ycjpt的操作f)由如下得出如果
21.如权利要求
15所述的方法，其特征在于，所述系统包括包含在传送装置中的转盘 (70),所述校准步骤2包括操作员利用交互式模块输入一组输入参数的步骤，这些参数 包括-具有微位移的部件的配置，包括两个致动器(96、98)， -所述转盘(70)的配置，S卩，占据转盘上不同位置的物体的性质， -所述转盘(70)上每个标准密度物体emas所占据的位置， _测量持续时间或计数时间，_限制辐照支撑(90)沿Z方向的移动间隔的位置Z(I)和Z(N)， -对于所述辐照支撑所占据的各个位置Z(i)，i=l，…，N，由于通过各标准密度物 体而衰减的光子强度的测量的数目M。
22.如权利要求
21所述的方法，其特征在于，所述校准步骤2还包括以下操作a)确定各标准密度物体emas的有效尺寸Xenms,b)所述转盘(70)角位移一角度(A)，以将所述标准密度物体emas传送到其由抓取臂 (80)抓取的中间位置，c)将所述标准密度物体emas定位在辐照支撑(90)上d)实际调节所述辐照支撑(90)相对于源(32)和相关联的检测器(40)的位置，e)将所述具有标准密度的物体emas返回传送到所述转盘(70)上。
23.如权利要求
22所述的方法，其特征在于，所述用以将物体emas定位到辐照支撑 (90)上的操作c)包括以下子操作C-1)将所述辐照支撑(90)向下沿Z方向移动，c-2)将所述抓取臂(80)从其等待位置移动到竖直地与所述标准密度物体emas的中间 位置对准，c-3)所述抓取臂(80)抓取所述标准密度物体emas，然后传送所述标准密度物体直到 其竖直地与所述辐照支撑(90)的顶面(92)对准，c-4)向上沿Z方向移动所述辐照支撑(90)，直到位置Z(I)，c-5)利用所述抓取臂(80)将所述标准密度物体emas向下放到所述辐照支撑(90)的 所述顶面(92)上，c-6)移动并返回所述抓取臂(80)，直到其等待位置，c-7)沿Y方向迫压所述标准密度物体emas使其与所述顶面(92)上的止挡接触。
24.如权利要求
22或23所述的方法，其特征在于，所述实际调节辐照支撑(90)相对 于源(32)和相关联的检测器(40)的位置的操作d)包括以下子操作d-Ι)沿Z方向在两个预定位置Z(I)和Z(N)之间步进移动所述辐照支撑(90)，d-2)对于各个位置Z(i)，i = l，…，N，通过光子束辐射标准密度物体emas M次， 其产生了一组衰减强度I(i，j)的值，其中，i=l，…，N，N表示由所述辐照支撑(90) 占据的连续位置Z (i)的数目，且j = l，…，M，M表示在每个位置Z (i)处进行的辐照 的数目，d-3)相对于衰减强度I(i，j)从位置Z⑴的四阶多项式回归计算所述辐照支撑(90) 的最佳位置ZQPT，该四阶多项式回归是预定的并集成为采集、处理和分析仪器(200)的数 据项。
25.如权利要求
15所述的方法，其特征在于，所述用以校准用于确定衰减的光子束强 度的仪器(30)的测量的步骤3包括以下自动操作a)测量由于通过标准密度物体emas而衰减的光子强度I_s，b)使用以下关系式计算所述标准密度物体的质量衰减系数
26.如权利要求
15所述的方法，其特征在于，所述系统包括包含在传送装置中的转盘 (70),所述实际确定步骤还包括-步骤4，确定所述待测物体(100)的有效尺寸X， -步骤5，将所述物体(100)向所述辐照支撑(90)传送，-步骤6，通过调节所述辐照支撑(90)的位置而调节所述物体(100)相对于源(32) 和相关联的检测器(40)的位置，-步骤7，确定通过所述物体(100)传输的光子束的衰减强度I， -步骤8，对所获得的光谱的采集、处理和分析，-步骤9，确定所述物体(100)的密度P相对于一个或几个具有标准密度物体emas Δρ的密度的相对变化厂 ，-传送步骤10，将所述物体(100)返回传送到其在所述转盘(70)上的位置。
27.如权利要求
26所述的方法，其特征在于，所述确定待测物体(100)的有效尺寸X 的步骤4包括操作员利用交互式模块输入一组输入参数，这些参数包括-所述转盘(70)的配置，S卩，占据转盘上不同位置的物体的性质； -所述转盘(70)上所述物体(100)所占据的位置，-沿所述用于确定所述物体(100)的有效尺寸X的仪器(2)的所述基座(26)的Z方向的位置 ■^measure，-对每个标准尺寸物体edim(n)的红外测量的数目P，
28.如权利要求
27所述的方法，其特征在于，所述用于确定待测物体(100)的有效尺 寸X的步骤4还包括以下操作a)将基座(26)沿Z方向移动，直到位置Zmeasure，b)将第一红外组件(4、6)沿Y方向移动，直到如下定义的位置Ym6asure:Ymeasure = YOPT+ (^edim_^edimAVE)，胃 Ψ Yopt是在校准步骤1中获得的最佳位置，Xedim是在校准步骤1中使用的标准尺寸物体edim的尺寸，XedimAVE是所有标准尺寸物体edim的有效平均尺寸，C)测量N个标准尺寸物体edim (η), η = 1，…，N的红外响应RI (ρ)，重复P次， P= 1，…，P,其产生一组值RI(n，ρ), d)实际计算所述物体(100)的有效尺寸。
29.如权利要求
28所述的方法，其特征在于，所述用以实际计算物体(100)的有效尺 寸X的操作d)如下进行d-Ι)使用N个具有标准尺寸的物体edim中的每个物体的有效尺寸Xalim (η)的 四阶多项式回归，作为所述具有标准尺寸的物体edim(n)的红外响应的平均值RIedimAVE =
30.如权利要求
1-14中任一项所述的系统的应用，其用于测试正在制造的物体 (100)。
31.如权利要求
15-29中任一项所述的方法的应用，其用于测试正在制造的物体 (100)。
32.如权利要求
30所述的应用，其中，所述物体(100)是核燃料芯块。
33.如权利要求
31所述的应用，其中，所述物体(100)是核燃料芯块。
专利摘要
本发明涉及用于自动确定物体(100)的密度的系统，所述系统包括用于确定物体(100)的有效尺寸(X)的单元(2)，用于确定由于通过所述物体(100)而衰减的光子束的强度(I)的单元(30)，采集、处理和分析单元(200)，传送所述物体(100)的装置(70、72、80、82、84、86、88)，调节所述物体(100)的位置的第一装置(74、76、78)，调节所述物体(100)的位置的第二装置(90、92、94、96、98)。本发明还涉及使用上述系统的方法，所述方法包括校准单元(2)和(30)的部件的步骤以及确定所述物体(100)的有效尺寸的步骤。所述步骤在所述物体组中的每个物体(100)上进行。
文档编号G01N33/00GKCN1942752 B发布类型授权 专利申请号CN 200580012036
公开日2011年4月13日 申请日期2005年4月6日
发明者埃马纽埃尔·帕扬, 阿卜杜拉·利奥西 申请人:原子能委员会, 核材料总公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (4),