輻射防護(hù)知識(shí)
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1. 概述
核反應(yīng)堆回路放射性核素測(cè)量系統(tǒng)主要是對(duì)反應(yīng)堆回路中的裂變產(chǎn)物進(jìn)行連續(xù)“定時(shí)標(biāo)簽”式測(cè)量，實(shí)時(shí)顯示放射性核素活度濃度的變化，以監(jiān)測(cè)燃料元件的完整性。
該系統(tǒng)由P型同軸高純鍺探測(cè)器、數(shù)字化譜儀、電制冷系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)、電磁閥等組成。自帶核素分析功能軟件包，硬件接口開發(fā)工具包，便于用戶使用和實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)。
整個(gè)核素在線測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制、具有環(huán)境自屏蔽能力、設(shè)備自檢能力、開關(guān)電磁閥能力、數(shù)據(jù)自動(dòng)分析功能、活度濃度自動(dòng)輸出功能和數(shù)據(jù)管理功能等。
2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
將反應(yīng)堆回路水從回路引出，進(jìn)入到屏蔽鉛室中的檢測(cè)回路中，由高純鍺探測(cè)器測(cè)量檢測(cè)回路U型管中水的放射性。整個(gè)系統(tǒng)安裝在xxx工藝房間，系統(tǒng)在高約1.8米的鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上，安裝一個(gè)機(jī)柜，內(nèi)置準(zhǔn)直器、HPGe探測(cè)器，現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)源，鉛室，譜儀，PLC，溫濕度控制器，電制冷等設(shè)備模塊組件。通過遠(yuǎn)端控制PC（大于500米）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥和譜儀的精確控制。
存在于反應(yīng)堆回路中的反射性核素分為活化產(chǎn)物、活化腐蝕產(chǎn)物、裂變產(chǎn)物。回路中的γ放射性活度與可能發(fā)生在燃料元件上的包殼破損直接相關(guān)。例如判斷燃料破損可測(cè)量Xe-133/Xe-135活度的比值，評(píng)估破損燃料棒的燃耗可測(cè)量Cs-134/Cs-137活度比值。對(duì)于放射性核素的活度比值情況參考下面的圖表。
核素在線測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
3. 系統(tǒng)配置
3.1 P型同軸HPGe探測(cè)器
選用ORTEC，GEM系列探測(cè)器，型號(hào)為GEM40P4，技術(shù)指標(biāo)如下：
相對(duì)探測(cè)效率(NaI)：40%。
峰康比：64:1。
峰型參數(shù)：FW.1M\FWHM=1.9，F(xiàn)W.2M\FWHM=2.6。
晶體尺寸：直徑70mm、長(zhǎng)度40mm。
能量響應(yīng)范圍：40keV-10MeV。
能量分辨率：≤1.85keV(Co-60,1.33MeV);≤0.75keV（Co-57,122keV）。
端窗：超低本底碳纖維封裝，直徑83mm。
前放：晶體恢復(fù)管式高計(jì)數(shù)率反饋前放。
冷指：垂直可拆卸冷指，590mm-650mm，冷指≤5kg。
3.2 電制冷
X-COOLER-III電制冷是世界范圍內(nèi)迄今應(yīng)用最為廣泛的電制冷高純鍺技術(shù)，現(xiàn)已是接近零維護(hù)的第三代產(chǎn)品。其工作原理與家用冰箱、空調(diào)等類似。它與任何體積大小、采用PopTop結(jié)構(gòu)的ORTEC高純鍺探測(cè)器匹配。
技術(shù)指標(biāo)如下：
尺寸：壓縮機(jī)31.8cm*31.8cm*28cm；冷指：59cm-65cm。
重量：壓縮機(jī)16.4kg；冷指5kg。
輸入電源：交流220-240V，50Hz。
功耗：?jiǎn)?dòng)時(shí)小于500W,運(yùn)行時(shí)小于400W。
制冷劑：混合氣體，不含CFC。
連接軟管：壓縮機(jī)機(jī)箱和冷頭由3米長(zhǎng)的軟管相連。
環(huán)境適應(yīng)性：溫度：5℃-30℃；相對(duì)濕度：5%-95%，無冷凝。
對(duì)分辨率影響：500keV以下，相對(duì)液氮不超過10%；500keV以上，無影響。
電制冷主機(jī)通過軟管連接與探測(cè)器后位置可調(diào)為任意方位。
3.3 數(shù)字化譜儀DSPEC-50
DSPEC-50是ORTEC于成立50周年之際推出的新款數(shù)字化譜儀。它的主要特點(diǎn)：指標(biāo)優(yōu)秀，功能齊全，各項(xiàng)參數(shù)等同于DSPEC-Pro；既可以直接連接探測(cè)器，也可以由DIM連接探測(cè)器；同時(shí)提供USB2.0和以太接口；大屏幕彩色液晶可以連續(xù)顯示狀態(tài)和譜圖信息。
自動(dòng)最優(yōu)化功能：對(duì)于樣品活度水平完全未知的情況，可以通過軟件快速設(shè)置“自動(dòng)最優(yōu)化”功能，由系統(tǒng)快速選定最佳的參數(shù)設(shè)置。
零死時(shí)間校正： 在譜獲取中，對(duì)于中子活化分析中計(jì)數(shù)率快速衰減、或是在線測(cè)量時(shí)突然出現(xiàn)的尖峰信號(hào)的情況，ZDT 方法采用ORTEC 精密的Gedcke-Hale 時(shí)鐘進(jìn)行零死時(shí)間校正，以實(shí)現(xiàn)無損失計(jì)數(shù)。
低頻抑制器： LFR 是一項(xiàng)新型的數(shù)字化濾波技術(shù)，主要用來消除來自于機(jī)械制冷、電源電壓波動(dòng)或接地不良等外部因素導(dǎo)致的低頻噪聲信號(hào)，從而使系統(tǒng)的分辨率得到進(jìn)一步改善。用戶可根據(jù)情況選擇開啟或關(guān)閉此項(xiàng)功能。
道虧損校正/虛擬示波器：在系統(tǒng)采用相對(duì)效率較高的HPGe 探測(cè)器或遭遇中子損傷的探測(cè)器時(shí)，彈道虧損效應(yīng)常導(dǎo)致分辨率變差甚至惡化（尤其在高能端），ORTEC 數(shù)字化譜儀可以通過其內(nèi)置虛擬示波器輕松解決這一問題。
數(shù)字化門控基線恢復(fù)器、list Mode。
最大數(shù)據(jù)通過率：＞100kcps,在增強(qiáng)通過率模式下＞130kcps。
增益漂移：絕大多數(shù)情況下＜35ppm/℃。
零點(diǎn)漂移：絕大多數(shù)情況下 ＜3ppm/℃。
道漂：在連續(xù)24h測(cè)量時(shí)，道數(shù)偏移≤1道。
顯示/接口：LED顯示，Ethernet 和USB2.0接口。
非線性積分：≤ 0.025%。
非線性微分：≤ 1%。
死時(shí)間校正：按Gedcke-Hale 法活時(shí)校正，精度（隨峰面積而變化） <+3%。
計(jì)數(shù)率顯示：在譜儀和電腦上顯示，僅使用MAESTRO-32 MCA軟件就可完成所有功能。
脈沖分辨率：好于500ns。
3.4 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)源
采用活度為8×103Bq的Co-60標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)源，外直徑為25mm，活度不確定度≤2.0%（k=2），放在帶有一定鉛屏蔽厚度的和磁吸開關(guān)的源罐中，用于不定期對(duì)探測(cè)器進(jìn)行校驗(yàn)。具體安裝的時(shí)候可以采用推入式或磁開關(guān)打開式兩種方法來實(shí)現(xiàn)。
3.5 準(zhǔn)直系統(tǒng)
準(zhǔn)直系統(tǒng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠快速準(zhǔn)確的調(diào)整進(jìn)入探頭的γ射線通量。擬在U型管鉛屏蔽上截取一條寬為14mm，長(zhǎng)為70mm的狹縫，并使其正對(duì)檢測(cè)旁路U型管。再設(shè)計(jì)兩個(gè)有一定厚度的鉛板，利用電機(jī)精確控制其與狹縫的重合度，從而改變準(zhǔn)直孔孔徑，實(shí)現(xiàn)D2mm×W14mm，D10mm×W14mm，D30mm×W14mm，D50mm×W14mm等多種變化。
3.6 γ射線屏蔽系統(tǒng)
γ射線是由貝克勒爾和維拉德在1900年進(jìn)行鈾和鐳康普頓散射實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的，它是一種比α粒子和β粒子穿透能力更強(qiáng)的粒子。γ射線穿過一定厚度的物體后，能量會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)指數(shù)衰減的規(guī)律，具體滿足下面的規(guī)律：
I=I0Be-μR。
（注：B,累計(jì)因子；R，吸收體厚度；μ，衰減系數(shù)；I，輻射量。）
整個(gè)屏蔽系統(tǒng)采用低本底鉛制，分塊嵌入式，單個(gè)鉛屏蔽模塊重量≤20kg。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管路布置和探頭尺寸進(jìn)行安裝。
采用低本底鉛制、分塊嵌入式、單個(gè)鉛屏蔽模塊重量≤30kg。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行安裝。對(duì)隔墻外側(cè)的并聯(lián)旁路整體鉛屏蔽，與隔墻垂直的管路長(zhǎng)度為50mm-100mm，側(cè)面鉛屏蔽層厚度為40mm，中間設(shè)有70mmD×14mmW的狹縫。準(zhǔn)直部分為鉛結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為70mm，通過調(diào)整狹縫的重合度實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直孔孔徑變換，最大重合度時(shí)準(zhǔn)直狹縫尺寸為70mmD×14mmW，最小重合度時(shí)準(zhǔn)直狹縫尺寸為2mmD×14mmW，準(zhǔn)直狹縫尺寸的其他變化至少包括10mmD×14mmW，30mmD×14mmW，50mmD×14mmW，鉛屏蔽層厚度為40mm；探頭用圓柱形空腔結(jié)構(gòu)鉛屏蔽，空腔直徑為85mm，鉛屏蔽層厚度為80mm，長(zhǎng)度為140mm，在冷指后端裝直徑為100mm，厚為30mm的鉛屏蔽塊。
優(yōu)化方
案：在準(zhǔn)直部分和探頭部分?jǐn)M采用密度更大，屏蔽效果更好的鎢合金。在鉛屏蔽上使用錯(cuò)層安裝結(jié)構(gòu)，使得對(duì)γ射線的屏蔽效果更好。
3.7 電磁閥和手動(dòng)閥
電磁閥：QNC級(jí),水介質(zhì)，溫度范圍40℃-70℃，設(shè)計(jì)壓力≥20MPa,通徑尺寸為?14×2mm，失效狀態(tài)為常開，直流電源信號(hào)控制，閥門啟閉頻率極高，DC24V控制，長(zhǎng)期無內(nèi)外泄漏。
手動(dòng)閥：QNC級(jí),水介質(zhì)，溫度范圍40℃-70℃，設(shè)計(jì)壓力≥20MPa,通徑尺寸為?14×2mm，長(zhǎng)期無內(nèi)外泄漏。
3.8 西門子S7-200 PLC
備有功能部件，可實(shí)現(xiàn)至少6路的模擬或數(shù)字信號(hào)輸出控制；可與計(jì)算機(jī)通訊（RS-485）或遠(yuǎn)程通訊（Ethernet）,與其他控制部分通訊；可遠(yuǎn)程啟動(dòng)或停止相關(guān)的信號(hào)
3.9 溫控裝置
采用閉路制冷，可在外部密閉環(huán)境下（溫度為40℃左右）控制內(nèi)部溫度在10-30℃，內(nèi)部設(shè)計(jì)溫濕度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)柜設(shè)備內(nèi)的溫度，并把溫濕度數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端控制室的PC端顯示。溫控裝置的工作電壓：AC220V,制冷功率為1000W。
溫度濕度控制流程
1, PLC通過ADC模塊采集溫度變送器和濕度變動(dòng)器4~20mA輸出信號(hào);
2, PLC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫度和濕度值;
3, 上位機(jī)將設(shè)置的目標(biāo)溫度和濕度值發(fā)送到PLC;
4, PLC根據(jù)當(dāng)前溫度濕度值和目標(biāo)溫度濕度值實(shí)時(shí)計(jì)算出排風(fēng)裝置的控制量和除濕機(jī)構(gòu)的控制量, 形成閉環(huán)控制系統(tǒng), 達(dá)到控制要求.
在設(shè)計(jì)方面，具體可采用下面的方案:
采用頂裝式機(jī)柜空調(diào)，完美的靜音設(shè)計(jì)符合對(duì)噪音要求較高的場(chǎng)所，具有高壓、低壓、過熱過流等保護(hù)功能，核心部件壓縮機(jī)與風(fēng)機(jī)等均采用國際知名品牌，能滿足不同工作環(huán)境的需求。
3.10 UPS電源
UPS電源，220V,1000W時(shí)，持續(xù)供電不低于2小時(shí)，在線供電模式,配備奧克松的12V100AH蓄電電池32塊
3.11 機(jī)柜
采用英國RadiationShieldinginc公司的高強(qiáng)度專業(yè)輻射屏蔽機(jī)柜，進(jìn)行改裝，擬放在鋼平臺(tái)上，單開門結(jié)構(gòu)，采用模塊化安裝，內(nèi)部作保溫和除濕處理，使用不銹鋼或高強(qiáng)度鋼材，并做噴粉處理，安裝板用鍍鋅鋼板，靜態(tài)承重≥800kg。同時(shí)對(duì)機(jī)柜采用密封和恒溫處理，保證溫濕度符合工作環(huán)境的要求。
3.12 GammaSharpγ能譜分析軟件
GammaSharpγ能譜分析軟件是中智核安科技有限公司傾6年時(shí)間打造的新一代γ能譜分析軟件，GammaSharp在集成當(dāng)今國際上主要的能譜分析軟件產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，形成了自身鮮明的特色，即以自動(dòng)分析為導(dǎo)航，在選擇性精密交互分析的基礎(chǔ)上輸出分析結(jié)果。GammaSharp代表了中智核安科技有限公司的能譜分析水平。
GammaSharp集成硬件控制、能譜獲取、數(shù)據(jù)分析、報(bào)告生成和質(zhì)量控制于一體的專業(yè)軟件，可以同時(shí)獲取10個(gè)能譜數(shù)據(jù)，與windows7、windows8和windous XP良好兼容。采用國內(nèi)成熟軟件，并進(jìn)行源碼整合，提供集硬件控制、數(shù)據(jù)獲取、能譜分析（內(nèi)含無源效率刻度軟件）一體化軟件平臺(tái)，并提供二次開發(fā)的軟件端口?？筛鶕?jù)需求，進(jìn)行功能和界面定制。
GammaSharp的功能
譜儀控制：可實(shí)現(xiàn)的參數(shù)設(shè)置包括：增益細(xì)調(diào)、啟動(dòng)數(shù)字化穩(wěn)譜、調(diào)節(jié)高壓、顯示實(shí)時(shí)間/活時(shí)間、設(shè)置上下甄別閾等；
? 能量刻度：通過單峰擬合精確定位峰位，用戶根據(jù)預(yù)先了解的知識(shí)確定峰位對(duì)應(yīng)的能量，軟件提供核素峰信息實(shí)時(shí)查詢功能；
? 尋峰：采用一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)方法尋找孤立峰，在峰形擬合的基礎(chǔ)上，采用Mariscotti方法尋峰進(jìn)行二次尋峰，以確定重峰峰位；
? 效率刻度：軟件提供兩種功能，一是調(diào)用實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的效率刻度曲線，二是采用與本軟件無縫連接的GammaCalib無源效率刻度軟件的計(jì)算結(jié)果，由于采用了無源效率刻度，在譜分析中不再需要各種復(fù)雜的校正功能，如立體角校正和衰減校正等；
? 峰擬合：通過峰擬合扣除本底，分辨重峰，獲得凈計(jì)數(shù)率。GammaSharp提供優(yōu)秀的重峰解析功能，采用擬牛頓方法和蒙特卡羅方法等數(shù)值計(jì)算方法，可以精確解析20重峰。采用非線形本底扣除方式，自動(dòng)適應(yīng)能譜的變化趨勢(shì)。峰形采用高斯函數(shù)或者高斯函數(shù)加前后指數(shù)函數(shù)拖尾擬合峰形，對(duì)于畸變的峰形有優(yōu)秀的擬合能力；
? 活度計(jì)算：對(duì)于同一核素的不同的γ峰，同時(shí)考慮分支比、效率刻度因子，通過加權(quán)平均計(jì)算活度。在活度計(jì)算過程中同時(shí)考慮測(cè)量過程的核素衰減和死時(shí)間校正等；
? 最小可探測(cè)限計(jì)算：內(nèi)置Currie MDA，KTA MDA，PISO MDA，Critical level等分析方法供選擇；
? 不確定度分析：綜合計(jì)算探測(cè)效率不確定度、計(jì)數(shù)率不確定度給出能譜測(cè)量結(jié)果的不確定度；
? 分析用核素庫：來自ENSF（Evaluated nuclear structure data file），有3000多種放射性同位素的譜線系，用戶在使用過程中可以實(shí)時(shí)查詢譜線信息。
? 軟件考核：采用國際上16家實(shí)驗(yàn)室的100條比對(duì)能譜對(duì)軟件進(jìn)行了考核，分析結(jié)果精度滿足；
? 界面：全中文界面或者全英文界面；
? 分析流程：首先全自動(dòng)分析，用戶根據(jù)全自動(dòng)分析的結(jié)果，選擇關(guān)注的核素和能峰，然后進(jìn)行高精密交互分析，然后輸出報(bào)告。一般情況下全自動(dòng)分析的功能已經(jīng)滿足用戶需求。在交互分析功能中，允許用戶為樣品添加注釋、刪除譜中的偽峰、加入自動(dòng)處理過程未被檢出的峰，改變擬合峰形等；
? 報(bào)告輸出：以TXT、PDF、HTML和XML等格式輸出報(bào)告。
3.13 Angle V3.0無源效率刻度軟件包
Angle V3.0是一款應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室高純鍺γ譜儀的無源效率刻度軟件。其原理是基于對(duì)于每套實(shí)驗(yàn)室譜儀，由標(biāo)準(zhǔn)電源刻度的完整效率曲線，結(jié)合絕對(duì)算法與相對(duì)算法，并由無數(shù)實(shí)驗(yàn)修正，以“效率轉(zhuǎn)換”方法推演其它形式樣品的效率刻度曲線。該方法在較大程度上排除了采用純粹的蒙特卡洛方法情況下，對(duì)探測(cè)器參數(shù)輸入偏差而引起的較大誤差。 通常在探測(cè)器長(zhǎng)時(shí)間使用或經(jīng)維修后特性發(fā)生變化情況下，用戶可隨時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)源完成對(duì)系統(tǒng)的重新“表征”。
軟件具有完整的記憶存檔功能，當(dāng)以上某一條件發(fā)生變化時(shí)，用戶可調(diào)取以前的刻度文件，從發(fā)生變化的步驟開始進(jìn)行新曲線的刻度。
具體完成實(shí)際樣品的效率刻度曲線的步驟如下：
1，輸入探測(cè)器信息：名稱/類型/高度/直徑/內(nèi)接觸極孔直徑與深度/內(nèi)外接觸極材料與厚度/死層厚度/導(dǎo)出極材料與尺寸等。
2，輸入樣品容器信息（對(duì)柱狀源與馬林杯或帶支架樣品）：名稱/形狀/材料/（內(nèi)外）直徑/高度/壁厚等。
3，輸入樣品信息：名稱/材料/重量/高度/直徑等。
4，存儲(chǔ)以上信息并創(chuàng)建效率曲線。
5，命名獲得的效率曲線并導(dǎo)入GammaVision。
3.14 硬件接口開發(fā)工具包
A11-B32軟件開發(fā)者工具包為軟件開發(fā)者提供控件說明和接口程序，可控制ORTEC多道產(chǎn)品，也可直接讀取硬件中的原始信息自定義用戶分析軟件。該工具包提供三種控件模式（VB，VC，Labview），方便用戶開發(fā)利用。
3.15 集成控制部分
完全按照技術(shù)規(guī)格書的要求，可在中文Windows7上運(yùn)行，操作界面為中文界面，能實(shí)時(shí)顯示核素活度濃度的數(shù)據(jù)、數(shù)字譜儀系統(tǒng)的狀態(tài)、電磁閥狀態(tài)，各種核素活度的變化趨勢(shì)曲線和讀數(shù)等。采用工業(yè)化組態(tài)軟件，遠(yuǎn)端控制室通過電腦可以方便的控制譜儀系統(tǒng)、溫濕度調(diào)節(jié)和電磁閥的開關(guān)。
3.15.1 主控界面
在主控界面以時(shí)間為x軸，3個(gè)電磁閥的開閉狀態(tài)為y軸，曲線方式顯示3個(gè)電磁閥的開啟時(shí)序；通過PLC的ADC模塊讀取安裝在機(jī)柜內(nèi)的濕度變送器的模擬信號(hào)，并以數(shù)字方式將經(jīng)過轉(zhuǎn)換的相對(duì)濕度實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控界面；按照設(shè)置時(shí)間參數(shù)提前開啟電制冷系統(tǒng)，再開啟數(shù)字化譜儀系統(tǒng)； 直觀方式顯示探測(cè)器的工作狀態(tài)；直觀方式顯示數(shù)字化譜儀和電制冷系統(tǒng)的工作狀態(tài)；
3.15.2 參數(shù)設(shè)置界面
設(shè)置各電磁閥打開延遲周期， 以秒為單位；設(shè)置各電磁閥關(guān)閉延遲周期， 以秒為單位；設(shè)置電制冷裝置的提前開啟時(shí)間，以分鐘為單位；
3.15.3 活度濃度的輸出界面
以折線的方式動(dòng)態(tài)顯示一段時(shí)間內(nèi)指定核素活度的變化趨勢(shì)曲線，最大顯示曲線大于8條；顯示核素曲線根據(jù)用戶要求通過選擇鍵進(jìn)行勾選；測(cè)試完成后自動(dòng)將譜圖保存在
數(shù)據(jù)庫中；保存的每條測(cè)試數(shù)據(jù)均帶有時(shí)間標(biāo)簽；
3.15.4 軟件開發(fā)工具和相關(guān)界面
VC++
