阅读说明：本技术 核废物包装体双模同步扫描检测装置和检测方法 (Nuclear waste packaging body dual-mode synchronous scanning detection device and detection method ) 是由 石睿 庹先国 刘明哲 杨剑波 成毅 王磊 康玉宽 于 2019-10-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种核废物包装体双模同步扫描检测装置,包括转动平台,转动平台连接有转动驱动机构；转动平台的周围设置有第一升降平台、第二升降平台以及第三升降平台,第一升降平台上设置有平移平台,平移平台连接有平移驱动机构,且平移平台上设置有单HPGe探测器系统；第二升降平台上设置有透射源和准直器组件；第三升降平台上设置有矩阵探测器系统；矩阵探测器系统的矩阵探测器、透射源和准直器组件以及单HPGe探测器系统的单HPGe探测器均朝向转动平台。本发明与现有的单HPGe探测器相比,工作效率显著提高,与现有的阵列式的HPGe探测器相比,造价低,在兼顾经济性和普适性的同时,可显著提升TGS的扫描效率,缩短测量时间,提高层析γ扫描速度。(The invention discloses a dual-mode synchronous scanning detection device for a nuclear waste packaging body, which comprises a rotating platform, wherein the rotating platform is connected with a rotating driving mechanism; a first lifting platform, a second lifting platform and a third lifting platform are arranged around the rotating platform, a translation platform is arranged on the first lifting platform, the translation platform is connected with a translation driving mechanism, and a single HPGe detector system is arranged on the translation platform; a transmission source and a collimator assembly are arranged on the second lifting platform; a matrix detector system is arranged on the third lifting platform; the matrix detector, the transmission source and collimator assembly of the matrix detector system and the single HPGe detector of the single HPGe detector system are all oriented toward the rotating platform. Compared with the existing single HPGe detector, the invention has the advantages of obviously improving the working efficiency, having low manufacturing cost compared with the existing array type HPGe detector, obviously improving the scanning efficiency of TGS, shortening the measuring time and improving the chromatography gamma scanning speed while giving consideration to the economy and the universality.)

核废物包装体双模同步扫描检测装置和检测方法

技术领域

本发明属于核废物包装体放射性的测量及分析技术领域，尤其是一种核废物包装体双模同步扫描检测装置和检测方法。

背景技术

随着核工业体系的不断发展和繁荣，核废物堆积问题越来越突出。国际上在核安全保障及核废物检测领域面临的一个重要课题是：如何准确获取核废物中特殊核材料的核素种类、含量等关键技术参数。鉴于特殊核材料的特殊性和难于检测等特点，如何实现对核废物中特殊核材料的准确定性与定量无损检测分析，已成为核安全保障的关键科学问题和技术难点之一。分段γ扫描(Segmented Gamma Scanning,SGS)和层析γ扫描(TomographicGamma Scanning,TGS)是核废物无损检测分析的两大支撑技术，始于上世纪70-90年代。TGS技术较SGS技术更先进、更精确，不仅能够对核废物放射性进行定性和定量计算，而且可以得到放射性分布图像，反映的信息更丰富、应用前景更广，是目前针对核废物无损检测的主要研究方向之一。虽然TGS技术借鉴了医学CT和ECT原理，但由于核废物包装体的体积大、介质和核素分布不均匀、先验信息缺乏等特点，使得对核废物包装体的γ扫描分析存在其特有的难点，其中扫描效率低是目前TGS技术在应用中受限的重要原因之一。

目前，TGS设备探测系统主要采用单HPGe探测器，并且扫描方式均采用分步透射测量和发射测量，检测时间长、效率低。采用阵列式的多探测器检测能显著提高效率，但阵列式的HPGe探测器的价格昂贵，并且需要配备制冷设备不便于现场装配。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核废物包装体双模同步扫描检测装置和检测方法，基于矩阵闪烁体探测器发射测量和单HPGe探测器透射测量的双模同步扫描检测方式，在兼顾经济性和普适性的同时，可显著提升TGS的扫描效率，缩短测量时间，提高层析γ扫描速度。

本发明的目的是这样实现的：核废物包装体双模同步扫描检测装置，包括转动平台，所述转动平台连接有转动驱动机构；所述转动平台的周围设置有第一升降平台、第二升降平台以及第三升降平台，所述第一升降平台上设置有平移平台，所述平移平台连接有平移驱动机构，且平移平台上设置有单HPGe探测器系统；所述第二升降平台上设置有透射源和准直器组件；所述第三升降平台上设置有矩阵探测器系统；所述矩阵探测器系统的矩阵探测器、透射源和准直器组件以及单HPGe探测器系统的单HPGe探测器均朝向转动平台。

进一步地，还包括第一支撑架，所述第一支撑架上设置有竖直的第一传动丝杆，所述第一传动丝杆连接有带动第一传动丝杆转动的第一电机；所述第一升降平台与第一支撑架在竖直方向上滑动配合，且第一传动丝杆与第一升降平台螺纹配合。

进一步地，所述第一支撑架上设置有竖直的第一导向柱，第一导向柱的两侧面向内凹陷形成滑槽，所述第一升降平台的两端设置有第一滑套，所述第一滑套的内壁设置有凸块，所述第一滑套的凸块位于第一导向柱的滑槽内并与滑槽滑动配合。

进一步地，所述第一升降平台的上方设置有水平的第二传动丝杆，所述第二传动丝杆连接有第二电机，所述平移平台与第一升降平台滑动配合，且平移平台与第二传动丝杆螺纹连接。

进一步地，还包括第二支撑架，所述第二支撑架上设置有竖直的第三传动丝杆，所述第三传动丝杆连接有带动第三传动丝杆转动的第三电机；所述第二升降平台与第二支撑架在竖直方向上滑动配合，且第三传动丝杆与第二升降平台螺纹配合。

进一步地，还包括第三支撑架，所述第三支撑架上设置有竖直的第四传动丝杆，所述第四传动丝杆连接有带动第四传动丝杆转动的第四电机，所述第三升降平台与第三支撑架在竖直方向上滑动配合，且第四传动丝杆与第三升降平台螺纹配合。

进一步地，所述第二升降平台上表面设置有水平的第一导轨，所述透射源和准直器组件的底部与第一导轨滑动配合。

进一步地，所述第三升降平台上包括多层水平的安装板，每层安装板上表面设置有第二导轨，所述矩阵探测器系统包括多个闪烁体探测器，每个闪烁体探测器的底部与第二导轨滑动配合，以便于调节相邻两闪烁体探测器之间的距离。

进一步地，还包括底座，所述转动平台、第一升降平台、第二升降平台以及第三升降平台均安装在底座上。

采用上述核废物包装体双模同步扫描检测装置的检测方法，包括以下步骤：

A、将核废物包装体进行整装，确定待测样品的分层数，每一层对应一个探测高度；

B、调节第一升降平台、第二升降平台以及第三升降平台的高度，使得单HPGe探测器系统、透射源和准直器组件和矩阵探测器系统朝向待测样品的第一个探测高度位置处，再调节平移平台的水平位置，使得单HPGe探测器系统处于第一个水平探测位置，且透射源对准单HPGe探测器的中心；

C、启动HPGe探测器系统、透射源和准直器组件和矩阵探测器系统，HPGe探测器系统和矩阵探测器系统同时开始测量γ能谱，完成第一个探测角度处的第一个水平探测位置的透射测量和发射测量；

D、移动HPGe探测器系统至各个水平探测位置，再次进行探测，直至完成第一个探测角度处所有水平探测位置处的透射测量和发射测量；

E、转动平台转动设定的角度，进入下一个探测角度位置；

F、根据步骤C、D和E记载的方法，测量下一个探测角度位置处所有水平探测位置处的透射测量和发射测量；直至核废物包装体转动一周，完成所有探测角度位置处的透射测量和发射测量，此时完成了第一层样品的扫描；

G、同步上升第一升降平台、第二升降平台以及第三升降平台，进入第二层样品的扫描，使得单HPGe探测器系统、透射源和准直器组件和矩阵探测器系统朝向待测样品的下一个探测高度位置处，根据步骤C至F记载的方法，完成第二层样品的扫描；

H、重复步骤G，直到完成核废物包装体所有探测高度位置处的γ能谱测量。

本发明的有益效果是：本发明将单HPGe探测器系统和矩阵探测器系统集成在一起，单HPGe探测器和矩阵探测器系统同步工作，与现有的单HPGe探测器相比，工作效率显著提高，与现有的阵列式的HPGe探测器相比，造价低，在兼顾经济性和普适性的同时，可显著提升TGS的扫描效率，缩短测量时间，提高层析γ扫描速度。

附图说明

图1是本发明的整体示意图；

图2是第一升降平台的示意简图；

图3是第一导向柱与第一滑套的配合示意图；

图4是平移平台的示意图；

图5是第三升降平台的示意图；

图6是透射源和准直器组件的安装示意图；

图7是转动平台的示意图；

图8为闪烁体探测器探测器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的核废物包装体双模同步扫描检测装置，包括转动平台1，所述转动平台1连接有转动驱动机构；所述转动平台1的周围设置有第一升降平台2、第二升降平台3以及第三升降平台4，所述第一升降平台2上设置有平移平台21，所述平移平台21连接有平移驱动机构，且平移平台21上设置有单HPGe探测器系统22；所述第二升降平台3上设置有透射源和准直器组件31；所述第三升降平台4上设置有矩阵探测器系统41；所述矩阵探测器系统41、透射源和准直器组件31以及单HPGe探测器系统22均朝向转动平台1。

转动平台1上表面水平，用于固定核废物包装体100，转动平台1可绕中心线转动，具体地，可以采用带减速器的伺服电机作为转动驱动机构，带动转动平台1每次转动特定的角度，以便于实现在多个角度下对核废物包装体100进行检测。核废物包装体100一般包装成为圆柱体形或者长方体形，为了便于固定核废物包装体100，如图7所示，在转动平台1上设置了四个定位夹块，可采用气缸、液压缸或者电缸等元件作为动力，带动四个定位夹块直线移动，使得四个定位夹块夹紧核废物包装体100的侧面，实现对核废物包装体100的夹持和松开。

第一升降平台2和第二升降平台3分别位于转动平台1左右两侧，检测时，单HPGe探测器系统22和透射源和准直器组件31位于核废物包装体100的两侧，保证单HPGe探测器系统22能够准确接收透射源发射的γ射线。第一升降平台2、第二升降平台3以及第三升降平台4均可以升降，以便于调节单HPGe探测器系统22、透射源和准直器组件31和矩阵探测器系统41的高度，实现在多个高度下对核废物包装体100进行检测。此外，将单HPGe探测器系统22安装在一个能够水平移动的平移平台21上，可改变单HPGe探测器系统22的水平位置，实现在多个水平探测位置处对核废物包装体100进行检测。

本发明将单HPGe探测器系统22和矩阵探测器系统41集成在一起，单HPGe探测器系统22和矩阵探测器系统41可以同步工作，与现有的单HPGe探测器相比，工作效率显著提高，与现有的阵列式的HPGe探测器相比，造价低，在兼顾经济性和普适性的同时，可显著提升TGS的扫描效率，缩短测量时间，提高层析γ扫描速度。

第一升降平台2、第二升降平台3以及第三升降平台4的升降可以通过气缸、液压缸等现有的各种动力机构作为动力，作为优选的实施方式：如图2所示，还包括第一支撑架23，所述第一支撑架23上设置有竖直的第一传动丝杆24，所述第一传动丝杆24连接有带动第一传动丝杆24转动的第一电机25；所述第一升降平台2与第一支撑架23在竖直方向上滑动配合，且第一传动丝杆24与第一升降平台2螺纹配合。第一支撑架23可以是各种形式的支撑架体，如门型支架、H形支架、田字形支架等等，只要能够保证稳定地支撑即可。第一传动丝杆24的两端可通过轴承安装在第一支撑架23上，第一电机25采用伺服电机，可通过联轴器、减速器、皮带、齿轮等各种常见的连接方式与第一传动丝杆24相连，用于带动第一传动丝杆24转动。第一升降平台2与第一支撑架23在竖直方向上滑动配合，该配合对第一升降平台2进行定位，保证第一升降平台2只能够上下移动，当第一电机25带动第一传动丝杆24转动时，在螺纹的作用下，第一升降平台2即可上下移动，实现第一升降平台2高度的调节。采用伺服电机作为升降的动力，可以利用现有的控制设备方便、精确地控制第一升降平台2的升降高度，保证检测的准确性。此外，第一电机25与减速器配合，可以保证第一升降平台2缓慢、稳定地移动。

第一升降平台2与第一支撑架23的配合形式有多种，比如在第一支撑架23上设置竖直的导向柱，导向柱外套有滑套，滑套与第一升降平台2固定连接，或者在第一支撑架23上设置燕尾槽，在第一升降平台2上设置燕尾形的滑块，滑块位于滑槽中并与滑槽滑动配合。优选的，如图3所示，所述第一支撑架23上设置有竖直的第一导向柱26，第一导向柱26的两侧面向内凹陷形成滑槽，所述第一升降平台2的两端设置有第一滑套27，所述第一滑套27的内壁设置有凸块，所述第一滑套27的凸块位于第一导向柱26的滑槽内并与滑槽滑动配合。

同样的，第二升降平台3以及第三升降平台4也可以采用类似的结构，具体地，还包括第二支撑架32，所述第二支撑架32上设置有竖直的第三传动丝杆33，所述第三传动丝杆33连接有带动第三传动丝杆33转动的第三电机；所述第二升降平台3与第二支撑架32在竖直方向上滑动配合，且第三传动丝杆33与第二升降平台3螺纹配合。还包括第三支撑架44，所述第三支撑架44上设置有竖直的第四传动丝杆45，所述第四传动丝杆45连接有带动第四传动丝杆45转动的第四电机，所述第三升降平台4与第三支撑架44在竖直方向上滑动配合，且第四传动丝杆45与第三升降平台4螺纹配合。第二支撑架32和第三支撑架44采用各种能够稳定支撑的架体结构。第三传动丝杆33的两端通过轴承安装在第二支撑架32上，并通过联轴器等传动机构连接第三电机，第四传动丝杆45的两端通过轴承安装在第三支撑架44上，并通过联轴器等传动机构连接第四电机，第三电机和第四电机也为伺服电机，分别用于带动第二升降平台3和第三升降平台4升降。

此外，第三传动丝杆33、第四传动丝杆45以及第一传动丝杆24均可以采用滚珠丝杆。

平移驱动机构可以是液压缸、气缸等现有的驱动设备，优选的，如图4所示，平移驱动机构包括设置在所述第一升降平台2上方的第二传动丝杆28，第二传动丝杆28水平设置，所述第二传动丝杆28连接有第二电机29，所述平移平台21与第一升降平台2滑动配合，且平移平台21与第二传动丝杆28螺纹连接。第二电机29通过联轴器等与第二传动丝杆28相连，用于带动第二传动丝杆28转动，进而驱动平移平台21水平移动。

平移平台21与第一升降平台2的滑动配合、第三升降平台4与第三支撑架44在竖直方向上的滑动配合以及第二升降平台3与第二支撑架32在竖直方向上的滑动配合均可以采用类似于如图3所示的第一升降平台2与第一支撑架23的滑动配合方式，或者采用现有的各种滑动配合方式。

如图6所示，所述第二升降平台3上表面设置有水平的第一导轨35，所述透射源和准直器组件31的底部与第一导轨35滑动配合，透射源和准直器组件31可沿着第一导轨35滑动，从而调节透射源和准直器组件31的水平位置。透射源和准直器组件31的位置调节可采用气缸、液压缸或者电机带动的滚珠丝杆机构作为动力，也可以由人工手动调节，并通过紧固螺钉等对透射源和准直器组件31的位置进行固定。

如图5所示，所述第三升降平台4包括多层水平的安装板42，每层安装板42上表面设置有第二导轨43，所述矩阵探测器系统41包括多个闪烁体探测器，如图8所示，每个闪烁体探测器包括探测器本体411和准直器，探测器本体411为现有设备，且探测器本体411位于准直器内部。每个闪烁体探测器的底部与第二导轨43滑动配合，以便于调节相邻两闪烁体探测器之间的距离。安装板42一般为两层，每层安装板42上均设置了多个闪烁体探测器。每个闪烁体探测器均可沿着第二导轨43滑动，从而调节相邻两闪烁体探测器之间的距离。闪烁体探测器的移动可由人工手动进行调节，也可以采用电机或者气缸等动力设备及进行自动化调节。

闪烁体探测器和透射源和准直器组件31的水平位置均可调节，以适应核废物包装体100的大小和位置变化。为了准确控制闪烁体探测器和透射源和准直器组件31的位置，可以设置位置传感器对闪烁体探测器和透射源和准直器组件31的位置进行检测，配合控制系统，以精确调整闪烁体探测器和透射源和准直器组件31的位置。

透射源和准直器组件31包括投射源和准直器，投射源为现有设备，准直器用于模拟某种实验开口条件,实现在不同尺寸探测端面的情况下，穿过中间圆柱物体来探测放射源，进而研究放射源的特性。准直器材质为铅，准直孔内径为75mm，外径为175mm，深75mm；准直孔孔壁为黄铜，厚度2mm，用于增加准直孔的机械强度，同时屏蔽放射源激发的准直器材料的特征X射线，减少射线的干扰。准直器完全包裹探测器灵敏体。

闪烁体探测器也设置了准直器，准直器材质为铅，准直孔内径为5.2mm，深度为120mm，厚度为120mm；准直孔孔壁设置有一层黄铜层，黄铜层厚度2mm，用于增加准直孔的机械强度，同时屏蔽放射源激发的准直器材料的特征X射线，减少射线的干扰。

此外，闪烁体探测器的端部还设置了保护框6，保护框由4块铅板围成矩形腔体。

转动平台1、第一升降平台2、第二升降平台3以及第三升降平台4可以分别为一个部件，使用时分别固定在检测平台上，但需要调节转动平台1、第一升降平台2、第二升降平台3以及第三升降平台4的位置以满足检测条件，使用不便。因此，作为优选的技术方案，本发明还包括底座5，底座5可以是一块厚度较大的板材，所述转动平台1、第一升降平台2、第二升降平台3以及第三升降平台4均安装在底座5上，具体地，转动平台1的底部、第一升降平台2的第一支撑架23、第二升降平台3的第二支撑架32以及第三升降平台4的第三支撑架44可通过螺栓连接或者焊接连接等方式固定在底座5上，从而将各个设备集成一个整体，使用更加方便。

在对核废物包装体100进行检测时，需要分别在多个角度、多个高度以及多个水平位置进行检测，具体地：

核废物包装体双模同步扫描检测装置的检测方法，包括以下步骤：

A、将核废物包装体100进行整装，确定待测样品的分层数，每一层对应一个探测高度，如最下方的一层为第一层，上一层为第二层，依次类推；

B、调节第一升降平台2、第二升降平台3以及第三升降平台4的高度，使得单HPGe探测器系统22、透射源和准直器组件31和矩阵探测器系统41朝向待测样品的第一个探测高度位置处，再调节平移平台21的水平位置，使得单HPGe探测器系统22处于第一个水平探测位置，且透射源和准直器组件31中的透射源对准单HPGe探测器系统22中的单HPGe探测器的中心。

C、启动单HPGe探测器系统22、透射源和准直器组件31和矩阵探测器系统41，单HPGe探测器系统22和矩阵探测器系统41同时开始测量γ能谱，完成第一个探测角度处的第一个水平探测位置的透射测量和发射测量，发射测量是对核废物包装体100发射出的射线进行测量，透射测量是对透射源发射出的射线进行测量。

D、移动单HPGe探测器系统22至各个水平探测位置，再次进行探测，直至完成第一个探测角度处所有水平探测位置处的透射测量和发射测量.

E、转动平台1转动设定的角度，进入下一个探测角度位置。

F、根据步骤C、D和E记载的方法，测量下一个探测角度位置处所有水平探测位置处的透射测量和发射测量；直至核废物包装体100转动一周，完成所有探测角度位置处的透射测量和发射测量，此时完成了第一层样品的扫描。

G、同步上升第一升降平台2、第二升降平台3以及第三升降平台4，进入第二层样品的扫描，使得单HPGe探测器系统22、透射源和准直器组件31和矩阵探测器系统41朝向待测样品的下一个探测高度位置处，根据步骤C至F记载的方法，完成第二层样品的扫描。

H、重复步骤G，直到完成核废物包装体100所有探测高度位置处的γ能谱测量。

因此，本装置能够在多个角度、多个高度以及多个水平位置对核废物包装体100进行检测，能够满足检测要求。此外，本装置结构相对简单，造价低于现有的阵列式的HPGe探测器，功能优于现有的单HPGe探测器，在兼顾经济性和普适性的同时，可显著提升TGS的扫描效率，缩短测量时间，提高层析γ扫描速度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。