用于測量放射性物體中鈹的量的裝置的制造方法
【專利摘要】本發明涉及用于測量放射性物體(5)中鈹的量的裝置，其特征在于，該裝置包括：中空圓筒，由能夠使中子熱能化的材料制成的部件(1)和能夠使放射性物體的劑量率降低的金屬部件(2)組成，所述中子由放射性物體發射，由能夠使中子熱能化的材料制成的部件具有一部分壁被去掉的中空圓筒形狀，金屬部件(2)包括實體部(2a)和凹陷部(2b)，實體部插入在對應于由能夠使中子熱能化的材料制成的部件被去掉的壁部分的空間中，凹陷部遠離實體部延伸且安置在由能夠使中子熱能化的材料制成的部件的壁內，與由能夠使中子熱能化的材料制成的部件接觸；伽馬輻射源(4)，安置在金屬部件的凹陷部的凹口中；以及至少一個中子檢測器(3)，放置在由能夠使中子熱能化的材料制成的部件的主體中。
【專利說明】
用于測量放射性物體中鈹的量的裝置
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種用于測量放射性物體，尤其是含壞廢料(dgchets plutonifgres) 中存在的鈹的量的裝置，該放射性物體以粉末形式容納在容器中。
【背景技術】
[0002] 鈹是這樣的金屬:其溯源性在可能含有它的物體，并且尤其是放射性物體中是必 需的。
[0003] 迄今為止，已知用于測量物體中存在的鈹的量的不同技術。
[0004] 在這些技術中，放射化學分析方法通過一些技術來實施。在這些技術中，存在電感 耦合等離子體質譜分析。該分析專用于氣體樣品。因此，對于液體，必須進行液體樣品的蒸 發。對于固體，則必須首先例如利用硝酸，使固體樣品溶解以形成液體樣品，并然后進行該 液體樣品的蒸發。在固體的情況下，還能夠通過施加激光束使表面處的固體間或地蒸發。在 任何情況下，一旦獲得氣體樣品，該樣品就通過放電而被轉化成等離子體。從等離子體中提 取離子，并通過質譜來確定它們的質量。
[0005] 放射化學分析方法可通過其它已知的技術來實施，例如熒光法(鈹從而與具有熒 光性質的配體形成絡合物）、激光誘導原子發射光譜法(在激發的作用下，發射可見光或紫 外線輻射）、紅外光譜法(將鈹提取(extrait)為通過紅外光譜儀測量其紅外線發射的化學 形式)等。
[0006] 所有這些技術都是侵入性的并且需要對研究物體進行采樣。對樣品的該操作帶來 了樣品的代表性問題。實際上，在待研究的物體是不均質的情況(廢料容器，具有復雜形狀 且表面難以接觸的物體的表面污染物)下，樣品的測定結果不能代表物體中含有的鈹的實 際量。這是一個缺點。
[0007]此外，與進行測量的時間相比，實施放射化學分析方法的技術常常非常延遲地傳 送測量結果。獲得測量結果的這種延遲也是一個缺點。
[0008] 其它已知的技術基于以下核反應：
[0009] 9Be+ y ^8Be+n
[0010]伽馬光子y轟擊鈹(9Be)。具有足夠能量的伽馬光子與鈹原子核相互作用產生光 中子n。然后對所產生的光中子進行計數，并且由計數信息推導出鈹的量。文件"D6 termination of beryllium by use of photonuclear activation techniques" (A.Moussavi-Zarandi/Applied Radiation and Isotopes 66(2008) ,158-161 頁）公開了 這類技術。含鈹材料的樣品被來自124Sb源的光子輻射。對由該輻射產生的光中子進行計數， 并由該中子計數確定樣品中存在的鈹的量。
[0011]這種技術的一個缺點是：它是侵入性的，并且它必須在小尺寸樣品上進行。因此， 關于所研究的物體中存在的鈹的量的信息不能代表鈹未均勻分布的大尺寸物體(例如具有 大于1升的體積的物體）中的情況。此外，在物體是放射性的情況下，由于物體的放射性對測 量的干擾而導致強的中子噪聲，諸如由钚(PU)的中子發射導致的噪聲。
[0012] 本發明的裝置不具有上述缺點。

【發明內容】

[0013] 實際上，本發明涉及一種用于測量放射性物體中鈹的量的裝置，所述裝置包括：
[0014] 中空圓筒，所述中空圓筒由能夠使中子熱能化的材料制成的部件和能夠使所述放 射性物體上的劑量率降低的金屬部件組成，所述中子由所述放射性物體放射，所述由能夠 使中子熱能化的材料制成的部件具有一部分壁被去掉的中空圓筒形狀，所述金屬部件包括 實體部和凹陷部，所述實體部插入在對應于所述由能夠使中子熱能化的材料制成的部件被 去掉的壁部分的空間中，所述凹陷部遠離所述實體部延伸且安置在所述由能夠使中子熱能 化的材料制成的部件的壁內，與所述由能夠使中子熱能化的材料制成的部件相接觸；
[0015] 伽馬輻射源，所述伽馬輻射源安置在所述金屬部件的凹陷部的凹口中；以及
[0016] 至少一個中子檢測器，所述至少一個中子檢測器放置在所述由能夠使中子熱能化 的材料制成的部件的主體中。
[0017] 根據本發明的進一步特征，所述中子檢測器為氦3氣量計。
[0018] 根據本發明的另一進一步特征，所述伽馬輻射源為點源。
[0019] 根據本發明的又一進一步特征，在所述輻射源為點源的情況下，所述裝置進一步 包括能夠使該源沿與所述中空圓筒的軸線基本平行的軸線移動的構件。
[0020] 根據本發明的又一進一步特征，所述伽馬輻射源為線源，所述線源連接到所述金 屬部件的凹陷部的凹口中并具有與所述中空圓筒的軸線基本平行的軸線。
[0021] 根據本發明的又一進一步特征，所述裝置包括能夠使所述放射性物體旋轉的構 件。
[0022] 根據本發明的又一進一步特征，所述伽馬輻射源為124Sb源。
[0023] 根據本發明的又一進一步特征，所述中空圓筒為中空旋轉圓筒。
[0024] 根據本發明的又一進一步特征，在所述中空圓筒為中空旋轉圓筒的情況下，多個 中子檢測器以與所述中空旋轉圓筒的圓形橫截面界定的圓的中心距離相等的方式均勻地 分布在所述由能夠使中子熱能化的材料制成的部件中。
[0025] 根據本發明的又一進一步特征，所述能夠使中子熱能化的材料為聚乙烯。
[0026] 根據本發明的又一進一步特征，所述金屬部件為鉛部件。
[0027] 根據本發明的又一進一步特征，在與所述圓筒的軸線垂直的橫截平面中，在所述 由能夠使中子熱能化的材料制成的部件中將所述金屬部件與中子探測器分開的距離小于 或等于5cm，并且，在所述由能夠使中子熱能化的材料制成的部件中將中子探測器與外表面 分開的距離大于或等于2cm，所述外表面界定所述由能夠使中子熱能化的材料制成的部件。 [0028]根據本發明的又一進一步特征，所述將所述金屬部件與中子探測器分開的距離小 于或等于3cm，并且，所述將中子探測器與外表面分開的距離大致為2cm~4cm，所述外表面 界定所述由能夠使中子熱能化的材料制成的部件。
[0029] 根據本發明的裝置被設計成最大限度地降低由物體的放射性造成的中子噪聲所 帶來的干擾。
[0030] 有利的是，本發明的裝置還能夠對在其內鈹未均勻分布的大的物體中存在的鈹的 量進行確定和量化。
【附圖說明】
[0031] 通過參考附圖閱讀以下描述，本發明的進一步特征和優點將更加明顯，在附圖中：
[0032] 圖1A和圖1B代表根據本發明的用于測量放射性物體中鈹的量的裝置的透視圖和 頂視圖；
[0033]圖2代表用于模擬根據本發明的裝置的主要構成元件的簡化結構的橫截面圖； [0034]圖3A和圖3B代表根據本發明的用于測量放射性物體中鈹的量的裝置的改進的頂 視圖和縱向橫截面圖。
【具體實施方式】
[0035]圖1A和圖1B代表根據本發明的優選實施方式的用于測量放射性物體中鈹的量的 裝置的透視圖和頂視圖。
[0036]本發明的裝置包括：
[0037] 中空圓筒塊狀物，該中空圓筒塊狀物由能夠使放射性物體所發射的中子熱能化的 材料的部件1和能夠使所述放射性物體上的劑量率降低的金屬部件2組成，所述金屬部件2 安置在該能夠使中子熱能化的材料的部件中，所述放射性物體5自身放置在所述中空圓筒 塊狀物的中空區中；
[0038] 伽馬輻射源4,所述伽馬輻射源4放置在金屬部件2的中空部的凹口中，并且向待研 究的物體發射伽馬輻射;以及
[0039] 至少一個中子檢測器3,所述至少一個中子檢測器3放置在由能夠使中子熱能化的 材料制成的部件1的主體中。
[0040] 根據本發明的優選實施方式，能夠使中子熱能化的材料為聚乙烯，金屬部件為鉛 部件，并且中子檢測器為氦3(3He)氣量計。然而，根據本發明的其它實施方式：
[0041] 能夠使中子熱能化的材料可以是石蠟或水或石墨等；
[0042] 金屬可以是除鉛以外的金屬；以及
[0043] 中子檢測器可以是除氦3(3He)氣量計以外的儀表，例如，硼沉積氣量計。
[0044]聚乙烯部件1具有一部分壁被去掉的中空圓筒形狀。鉛部件2包括實體部2a和凹陷 部2b，該實體部2a插入在與聚乙烯部件1的被去掉的壁部分對應的空間中，該凹陷部2b遠離 該固體部延伸且安置在聚乙烯部件1的壁內，與該聚乙烯部件接觸。伽馬輻射源4安置在鉛 部件2的凹陷部的凹口中。至少一個中子檢測器（圖1B示出了 11個檢測器)放置在聚乙烯部 件1的主體中。
[0045]鉛部件2的功能是在中子檢測器處限制劑量率。鉛部件具有為此選擇的厚度。對于 氦3氣量計，例如，劑量率限值為0. lmGy/h伽馬。鉛部件2也能夠保護操作者免于伽馬輻射源 的輻射。還可預期的是：用于阻止靠近裝置的屏蔽區和/或隔離區來用于這種保護。鉛部件2 的優點還在于(如果有必要的話)限制除鈹以外的其它元素(例如聚乙烯中存在的氘）中的 背景光中子產率。伽馬輻射源4為點源或線源。當該源為點源時，本發明的裝置優選包括能 夠保證其沿著圓筒的軸線移動的構件。當該源為線源時，例如通過使用放置在鉛部件的凹 口中的不銹鋼管來將其連接到鉛部件。優選地，線源比所研究的物體的高度更長(例如兩倍 長）。根據本發明的特定實施方式，本發明的裝置還包括能夠使所研究的物體繞中空圓筒的 軸線旋轉的構件。
[0046]在上述特定實施方式中，由于可移動的伽馬輻射點源或伽馬輻射線源的存在以及 能夠使所研究的物體旋轉的構件的存在，根據本發明的裝置能夠均勻地輻照物體，從而最 大限度地降低與物體中鈹的分布相關的不確定性。
[0047]當使用多個檢測器3(如圖中所示)時，它們優選地均勻地布置在繞物體5在聚乙烯 部件1的同一圓周上。
[0048]伽馬輻射源優選為124Sb源。有利的是，124Sb源具有促進以下核反應的1691keV的主 輻射：
[0049] 9Be+y-8Be+n。
[0050]此反應的觸發閾值為1666keV，而不會激發所研究的物體中可能存在的、閾值遠遠 大于該能級的其它元素。此核反應中發射的光中子因此具有約25keV(1691keV~1666keV) 的能量。
[0051]中子檢測器3對由此核反應產生的中子n進行計數。以本身已知的方式，對中子的 計數通過校準乘以由數值模擬測量或計算的系數能夠確定物體中存在的鈹的量。
[0052]本發明的裝置有利地能夠使對光中子的檢測優先于對所測量的物體同時發射的 中子的檢測。這使得信噪比能夠很大幅度地提高，并從而很大幅度地提高無背景噪聲的信 號的統計準確度。
[0053]參與中子背景噪聲的中子來自所發射的中子的平均能量為約2MeV的自發裂變，或 者來自所發射的中子的平均能量大于IMeV，例如4.2MeV(在強阿爾法發射體(如238Pu、241Am 等）的存在下，9Be(a，n)的反應)的反應(a，n)。
[0054]通過合理地選擇中子檢測器在聚乙烯部件厚度中的位置來獲得最佳信噪比性能。 [0055]圖2代表用于模擬本發明的裝置的主要構成元件的簡化結構的橫截面圖。
[0056] 用于模擬所選擇的結構為金屬粉末的球狀物S，其半徑為r且環繞有一系列的球形 層，即：厚度eo的鉛層&、厚度的的第一聚乙烯層C 2、厚度eH的氦3氣體層C3以及厚度的的第二 聚乙烯層C4。有利的是，圖2中所示的結構能夠對在本發明的裝置中放置在氦3氣量計前面 和后面的聚乙烯層的厚度進行優化。球狀物S的半徑r等于4.3cm，并且氦3氣體層的厚度e H 等于2.54cm。如前所述，鉛層&具有為限制在檢測器處的放射劑量率而選擇的例如為lcm的 厚度eo。據認為，中子在金屬粉末的球狀物中均勻地發射。兩個能譜被用于模擬，即，25keV 的中子代表來自鈹上的反應（Y，n)的光中子，以及對應于24()Pu的自發裂變的中子的光譜 (其組成顯著不利的背景噪聲源）。
[0057] 下文中的表1示出了 ：基于厚度的和厚度e2,由鈹上的反應（y，n)所發射的中子的 檢測效率的值。如本領域技術人員已知，具有給定能譜的中子檢測效率被定義為所檢測到 的計數的數目與能譜中所發射的中子的數目之間的比值。
[0059]表 1
[0060]表1的第一列由不同值的厚度ei組成，并且第一行由不同值的厚度仍組成。每個交 叉點（ei，e2)與相應的檢測效率值相關聯。從表1可見，無論值ei和值e2如何，檢測效率總高 于15%，這是非常令人滿意。還應注意的是，對于一組e2值，在ei增加時，檢測效率經過最大 值。這是由于兩個拮抗作用:聚乙烯中的中子的減速(或熱能化），促進其被氦3檢測；以及同 一聚乙烯中的熱能化的中子的吸收。此外，對于固定的幻值，應注意的是，在e 2增加時，檢測 效率增加并然后達到漸近值。這是由于位于氦3后面的聚乙烯對于厚度仍的最低值起著反 射器的作用，此反射器在超過一定厚度時不再發揮作用，中子然后被吸收并且不再能返回 到氦3儀表。
[0061 ]此外，下面的表2示出了 ：基于厚度幻和厚度e2，24()PU的自發裂變的中子的檢測效 率。厚度ei也存在于該表的第一行中，而厚度的存在于第一列中，各個交叉點（ei，e2)給出了 相關的檢測效率值。
[0063]
[0064] 表 2
[0065] 應注意的是，對于一組厚度的，檢測效率隨著厚度ei而增加，然而所研究的厚度ei 的變化范圍（〇~5cm)不能夠觀察到由光中子觀察到的效率最大值（參照表1)。這是由于 24()Pu的自發裂變的中子的較高能量:隨后，在大于5cm的厚度的下，獲得了最佳檢測效率。如 果厚度 ei被設定，在厚度防增加時，先觀察到檢測效率增加以及隨后飽和(參照表1)。
[0066] 考慮到本發明的裝置的良好的檢測靈敏度，有利的是能夠僅部分地犧牲光中子的 檢測效率并且能夠有利于光中子的檢測效率與自發裂變的中子的檢測效率的比率。
[0067]下面的表3示出了表1和表2中給出的檢測效率的比率。
[0068] 該表的第一行中示出了厚度ei，第一列中示出了厚度e2。
[0069] 各個交叉點(ei，e2)與檢測效率的比值相關。
[0072] 表 3
[0073] 從表3可見，對于最小厚度幻和仍，檢測效率的比值R取最高值。此外，在這些情況 (小的厚度ejPe2)下，光中子的檢測效率還取最低值(參照表1)。因此，通過使比值R和光中 子的檢測效率的值的折衷來做出最佳厚度的和⑵的選擇。
[0074]也應注意，在沒有聚乙烯的情況下(這種情況未在表1~3中示出，并且其中的厚度 ei和厚度e2均為零），對可預期的鈹量的測量來說，檢測效率將變得太低(通常低于1% )。 [0075]通過非限制性的實例，在圖1A和圖1B示出的裝置中，選擇等于1.5cm的厚度ei和等 于3cm的厚度e2。對于這個實例，該裝置的其它尺寸為：
[0076] 中空圓筒的高度H: 30cm，
[0077] 中空圓筒的內徑dl: 10? 6cm，
[0078]安置成與聚乙烯部件接觸的鉛凹陷部件的壁厚：1cm，
[0079]線源的長度:25cm(該源在中空圓筒的中心處），
[0080] 中子檢測器的直徑D:2.54cm，
[0081]具有4巴壓力的氦3氣體填充的中子檢測器的高度:25cm，
[0082]所研究的物體的高度：11 cm(該物體在中空圓筒的中心處）。
[0083] 本發明的結構能夠實施用于測量鈹的量的方法，該方法有利地是簡單的并且使由 所測量的物體的固有中子發射造成的噪聲最小化，并且產生可靠且準確的結果。
[0084] 在本身已知的方式中，利用本發明的裝置實來測量鈹的量的方法包括測量由放射 性物體發射的固有中子噪聲的步驟。這種測量是在沒有輻射源的情況下進行。然后，從在輻 射源的存在下測量的信號中減去固有噪聲。如本領域技術人員所已知的，減去固有噪聲在 所測得的有用信號中引入統計上的不確定性。有利的是，這種不確定性通過本發明的裝置 而大大降低。
[0085] 也有利的是，在沒有伽馬輻射源的情況下，本發明的裝置能夠進行被動中子計數。 還能夠測量物體中存在的壞量。在這種情況下，通常必須對中子重合度_( coincidences )進 行測量，以已知的方式從在阿爾法發射體的存在下由輕核（如鈹或氧的原子核）上的反應 (a，n)造成的背景噪聲中分辨出在自發裂變反應期間由钚發射的有用信號。在本身已知的 方式中，這種重合度測量需要存在至少兩個中子檢測器并且能夠控制中子符合的處理電子 器件。然后，聚乙烯準圓筒1完全被鎘板6覆蓋，以本身已知的方式限制在檢測裝置中的中子 的使用壽命，并從而促進對中子重合度的分析(參見圖3A和圖3B)。盡管出于促進光中子檢 測的目的而對聚乙烯塊1中的檢測器3的布置進行的最優化損害了由放射性物體自發發射 的中子的檢測，但是有利地由放射性物體自發發射的中子的檢測效率仍然(對于圖1示出的 裝置，通常大于20%)足以對中子重合度進行分析。
【主權項】
1. 一種用于測量放射性物體(5)中鈹的量的裝置，其特征在于，所述裝置包括： 中空圓筒，所述中空圓筒由能夠使中子熱能化的材料制成的部件（1)和能夠使所述放 射性物體上的劑量率降低的金屬部件(2)組成，所述中子由所述放射性物體發射，所述由能 夠使中子熱能化的材料制成的部件具有一部分壁被去掉的中空圓筒形狀，所述金屬部件 (2) 包括實體部(2a)和凹陷部(2b )，所述實體部(2a)插入在對應于所述由能夠使中子熱能 化的材料制成的部件被去掉的壁部分的空間中，所述凹陷部(2b)遠離所述實體部延伸且安 置在所述由能夠使中子熱能化的材料制成的部件的壁內，與所述由能夠使中子熱能化的材 料制成的部件相接觸； 伽馬輻射源(4)，所述伽馬輻射源(4)安置在所述金屬部件的凹陷部的凹口中；以及 至少一個中子檢測器(3)，所述至少一個中子檢測器(3)放置在所述由能夠使中子熱能 化的材料制成的部件的主體中。2. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述中子檢測器(3)為氦3氣量計。3. 根據權利要求1或2所述的裝置，其中，所述伽馬輻射源(4)為點源。4. 根據權利要求3所述的裝置，所述裝置進一步包括能夠使該源(4)沿與所述中空圓筒 的軸線基本平行的軸線移動的構件。5. 根據權利要求1或2所述的裝置，其中，所述伽馬輻射源(4)為線源，所述線源連接到 所述金屬部件(2)的凹陷部的凹口中并具有與所述中空圓筒的軸線基本平行的軸線。6. 根據前述權利要求中任一項所述的裝置，所述裝置包括能夠使所述放射性物體旋轉 的構件。7. 根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述伽馬輻射源(4)為124Sb源。8. 根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述中空圓筒為中空旋轉圓筒。9. 根據權利要求8所述的裝置，其中，多個中子檢測器(3)以與所述中空旋轉圓筒的圓 形橫截面界定的圓的中心距離相等的方式均勾地分布在所述由能夠使中子熱能化的材料 制成的部件(1)中。10. 根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述能夠使中子熱能化的材料為聚 乙烯。11. 根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述金屬部件(2)為鉛部件。12. 根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，在與所述圓筒的軸線垂直的橫截平 面中，在所述由能夠使中子熱能化的材料制成的部件中，所述金屬部件（2)與中子探測器 (3) 分開的距離(ei)小于或等于5cm;并且，在所述由能夠使中子熱能化的材料制成的部件 中，中子探測器(3)與外表面分開的距離（e 2)大于或等于2cm，所述外表面界定所述由能夠 使中子熱能化的材料制成的部件。13. 根據權利要求12所述的裝置，其中，所述金屬部件(2)與中子檢測器(3)分開的距離 (ei)小于或等于3cm;并且，所述中子檢測器(3)與外表面分開的距離(e 2)大致為2cm~4cm， 所述外表面界定所述由能夠使中子熱能化的材料制成的部件。
【文檔編號】G01T1/167GK105917250SQ201580004999
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年1月26日
【發明人】塞德里克·卡拉斯科, 貝特朗·佩羅, 亞闌·馬里安尼, 塞巴斯蒂安·科拉, 尼古拉斯·索雷爾
【申請人】原子能和替代能源委員會