一种基于中子活化伽马能谱分析的铜渣成分含量检测装置的制作方法

1.本发明属于核辐射探测技术领域，尤其是热中子活化分析和瞬发伽马能谱探测技术领域，具体涉及一种基于中子活化伽马能谱分析的铜渣成分含量检测装置。


背景技术：

2.在冶金领域中，对原材料或者工艺过程材料成分的检测至关重要，实时有效的在线成分检测，能够有效的提高产品工艺品质、生产效率以及提升工艺流程的智能化水平。借助中子活化瞬发伽马分析技术，中子与待检测原料发生中子活化反应，通过探测和分析活化产生的瞬发伽马能谱，来实现物料成分及其含量的在线检测。无需复杂的化学分析方法，即可实时的获取材料的成分含量。由于中子具有很强的穿透能力，可穿透进入物料内部，实现全物料成分的非接触在线检测。
3.中子发生器产生高能的快中子，快中子与外层的石墨反射层发生散射，经过多次的散射逐渐慢化为能量较低的热中子，热中子从石墨反射层的孔道中射出，与待检测物料原子核发生辐射俘获反应，并释放出特征伽马射线。通过测量物料的活化伽马能谱，并对能谱中的能峰进行定性和定量分析即可获得物料中的成分含量。
4.受制于中子发生器的获取与工业使用集成问题，前期中子活化分析技术在国内水泥、煤炭和冶金行业中实际应用推广的进展极其缓慢。近年来，随着国家对于落后生产工艺改造升级的强力推动，以及环保督查力度的日趋加强，生产企业改造产线提高经济与环保效益的动力大幅度提高。国外的工业检测设备生产商，瞄准中国广大的应用市场前景，开始大力推动中子活化分析检测设备的研制和推广。针对各种应用场景，自主研发适合国内矿产资源生产使用领域的中子活化分析检测设备，对于打破国外技术垄断，提高制造行业装备的国产化率具有积极意义。
5.随着国内中子发生器研制技术的提升，紧凑型、高产额的小型氘氘中子发生器已经可以满足中子活化分析的需求，将小型中子发生器应用于工业物料成分的检测已经具备了可行性。相对于传统的中子活化分析采用cf-252放射源，中子发生器在关断后就没有中子和伽马辐射产生，便于现场的维护和操作，具有更高的辐射安全可控性。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于中子活化伽马能谱分析的铜渣成分含量检测装置，用于工业生产中铜渣成分及含量在线检测。
7.本发明采用的技术方案为：
8.一种基于中子活化伽马能谱分析的铜渣成分含量检测装置，包括伽马能谱探测器、伽马探测器屏蔽体、第一、第二中子反射层、热中子吸收体、铜渣、伽马射线屏蔽体、辐射屏蔽体、中子发生器、中子通量监测器；其中，一对所述伽马探测器屏蔽体均开设中心圆孔放置所述伽马能谱探测器，在所述中心圆孔前放置所述热中子吸收体；所述的第二中子反射层为上端开口且中空的长方体，其上端开口由所述伽马射线屏蔽体覆盖，并将所述中子
发生器包裹在内；所述的伽马射线屏蔽体位于所述中子发生器的正上方和所述铜渣的正下方，并紧贴所述伽马探测器屏蔽体；所述铜渣设置在一对所述伽马探测器屏蔽体之间，其正上方设置所述第一中子反射层；所述辐射屏蔽体包围所述的铜渣成分含量检测装置的最外围；所述中子通量监测器位于所述第一中子反射层、伽马探测器屏蔽体、伽马射线屏蔽体组成的腔体内，并紧挨所述铜渣。
9.所述中子发生器产生高通量和能量的中子，通过所述第一、第二中子反射层将中子的能量降低，并聚集至所述铜渣与其内元素发生中子活化反应；所述铜渣被活化后释放大量的瞬发伽马射线，所述伽马射线进入所述伽马能谱探测器被吸收并产生脉冲信号，通过记录所述脉冲信号的能量和强度，实现对铜渣成分含量的检测。
10.进一步地，所述伽马能谱探测器为溴化镧探测器，晶体的直径和长度均为7.62cm，对于661kev伽马射线的能量分辨率高于3.5％。
11.进一步地，所述的伽马探测器屏蔽体为铅硼聚乙烯材料制成，用于屏蔽大部分中子以及中子与周围材料产生的伽马射线，提高所述伽马能谱探测器对所述铜渣的伽马射线的测量信噪比。
12.进一步地，还包括中子发生器控制模块和伽马能谱测量和处理模块。
13.进一步地，所述的第一、第二中子反射层均为高纯石墨，厚度为5～15cm。
14.进一步地，所述的热中子吸收体为碳化硼，厚度为1cm。
15.进一步地，所述的伽马射线屏蔽体材料为含铅量高于99.99％的老铅，通过将多块燕尾形铅砖拼接而成，铅砖的厚度为5cm。
16.进一步地，所述的中子通量监测器为带有热中子转换涂层的碳化硅探测器，位于所述铜渣辐照的位置，通过实时探测热中子的强度实现对所述中子发生器源强波动的修正。
17.本发明的检测装置具有以下优点：
18.1、本发明采用安全可控的小型氘氘中子发生器作为活化反应的中子发生器，相对于传统的具有持续放射性的cf-252同位素中子源，具有更高的辐射安全性。
19.2、本发明采用高纯石墨制成的中子反射层，相对于无反射层时，待辐照铜渣的热中子通量要提高30％，中子发生器的中子利用效率更高，中子活化反应几率提高约30％。
20.3、本发明的伽马能谱探测器采用能量分辨率更好和发光衰减时间更短的溴化镧探测器，能够有效的改善伽马能谱的峰形、提高重峰的分辨能力，同时能够提高可探测的计数率水平。且采用两个伽马能谱探测器分布在待测铜渣两侧，能够有效的解决铜渣分布不均匀的影响。
21.4、本发明采用优化的结构设计以及屏蔽组合，有效的提高检测装置的信噪比，提高装置成分含量检测的精度。伽马探测器采用铅硼聚乙烯材料包裹，能够很好的屏蔽干扰的中子和伽马射线，包括从发生器直射或散射的中子、中子与周围结构材料反应产生的次级伽马射线等。同时伽马探测器屏蔽体的开孔的外面放置热中子吸收体，避免散射中子进入探测器与晶体发生活化反应。伽马探测器及探测器屏蔽体与中子出射的孔道呈90度角度摆放，避免中子直射对探测器测量的影响。
22.综上所述，本发明的基于中子活化伽马能谱分析的铜渣成分含量检测装置，采用辐射安全性更高的中子发生器；伽马能谱探测器采用能量分辨率更高、发光衰减更短的大
尺寸溴化镧探测器，通过安装2个伽马能谱探测器，修正铜渣物料摆放不均的影响；通过在溴化镧探测器外包裹铅硼聚乙烯屏蔽体，在探测器前端放置热中子吸收体，以及系统结构和探测器布局的优化设计，有效降低散射中子和次级伽马射线对测量的干扰，显著提高物料瞬发伽马射线测量信噪比，可实现铜渣成分及含量的快速、精确测量。
附图说明
23.图1为本发明的基于中子活化伽马能谱分析的铜渣成分含量检测装置的结构示意图。
24.其中，1.伽马能谱探测器，2.伽马探测器屏蔽体，3.第一中子反射层，4.热中子吸收体，5.铜渣，6.伽马射线屏蔽体，7.第二中子反射层，8.辐射屏蔽体，9.中子发生器，10.中子通量监测器，11.中子发生器控制模块，12.伽马能谱测量和处理模块。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
26.本发明的基于中子活化伽马能谱分析的铜渣成分含量检测装置包括伽马能谱探测器1、伽马探测器屏蔽体2、第一、第二中子反射层3和7、热中子吸收体4、铜渣5、伽马射线屏蔽体6、辐射屏蔽体8、中子发生器9、中子通量监测器10、中子发生器控制模块11、伽马能谱测量和处理模块12。其中，一对所述伽马探测器屏蔽体2均开设中心圆孔放置所述伽马能谱探测器1，在中心圆孔前放置所述热中子吸收体4；所述的第二中子反射层7为上端开口且中空的长方体，其上端开口由所述伽马射线屏蔽体6覆盖，并将所述中子发生器9包裹在内；所述的伽马射线屏蔽体6位于所述中子发生器9的正上方和所述铜渣5的正下方，并紧贴所述伽马探测器屏蔽体2；所述铜渣5设置在一对所述伽马探测器屏蔽体2之间，其正上方设置所述第一中子反射层3；所述辐射屏蔽体8包围所述的铜渣成分含量检测装置的最外围；所述中子通量监测器10位于所述第一中子反射层3、伽马探测器屏蔽体2、伽马射线屏蔽体6组成的腔体内，并紧挨所述铜渣5。
27.所述中子发生器9产生高通量和能量的中子，通过第一、第二中子反射层3和7将中子的能量降低，并聚集至所述铜渣5与铜渣内元素发生中子活化反应。所述铜渣5被活化后释放大量的瞬发伽马射线，所述伽马射线进入所述伽马能谱探测器1被吸收并产生脉冲信号，通过记录脉冲信号的能量和强度，实现对铜渣成分含量的检测。
28.所述伽马能谱探测器1为溴化镧探测器，探测器晶体的直径和长度均为7.62cm，所述溴化镧探测器的前端紧贴所述热中子吸收体4；所述的热中子吸收体4材料为碳化硼，直径为15cm，厚度为1cm。优选的，其对于661kev伽马射线其能量分辨率高于3.5％。
29.所述的伽马探测器屏蔽体2为铅硼聚乙烯材料，铅的质量百分含量为70％，硼的质量百分含量为10％，聚乙烯的质量百分含量为20％。所述伽马探测器屏蔽体2外形为中空的长方体，用于屏蔽大部分中子以及中子与周围材料产生的伽马射线，提高所述伽马能谱探测器1对所述铜渣5的伽马射线的测量信噪比。优选的，所述伽马能谱探测器1在所述伽马探
测器屏蔽体2中的位置可根据测量需求进行调整。
30.所述的热中子吸收体4的材料为碳化硼，碳化硼材料中的硼核素具有很高的热中子辐射俘获截面，吸收中子的同时释放的伽马射线能量不会干扰所述铜渣5的测量，有效的避免热中子进入所述伽马能谱探测器1。优选的，所述的热中子吸收体4的厚度为1cm。
31.所述的伽马射线屏蔽体6材料为铅含量高于99.99％的老铅，具有较低的放射性本底以及较少的杂质，优选采用长宽厚为20*10*5cm的铅块拼接而成。所述伽马射线屏蔽体6屏蔽和吸收大量由中子与周围材料反应产生的伽马射线，避免周围其他材料产生的伽马射线进入所述伽马能谱探测器1，有效的提高铜渣伽马射线的测量信噪比。由于所述中子发生器9产生的快中子经过反射层的多次散射已经降低了一定的能量，铅材料制成的所述伽马射线屏蔽体6可以进一步将中子的能量降低到热区，避免了中子过度慢化导致通量损失，同时可以有效的屏蔽干扰伽马射线对铜渣成分含量测量的影响。
32.所述的第二中子反射层7为上端开口且中空的长方体，材料为高纯石墨，厚度为15cm，其将所述中子发生器9包裹在内，所述第二中子反射层7的上端开口使得中子在所述第二中子反射层7内多次散射后从所述上端的方形开口处出射。所述第二中子反射层7能够将中子发生器9产生的4π角度发散的中子汇集到上端的方形开口处出射，方形开口外放置待检测的所述铜渣5。所述的第二中子反射层7能够提高待检测铜渣5的中子通量水平，有效的提高中子发生器9的利用率。优选的，所述的第一、第二中子反射层3、7均为高纯石墨，厚度为5～15cm。
33.所述的辐射屏蔽体8为高密度聚乙烯材料组成的长方体，材料厚度为15cm，将所述铜渣成分含量检测装置的主要组成部分：伽马能谱探测器1、伽马探测器屏蔽体2、第一、第二中子反射层3和7、热中子吸收体4、铜渣5、伽马射线屏蔽体6、中子发生器9以及中子通量监测器10包裹在内。所述辐射屏蔽体8用于屏蔽和吸收从所述中子发生器9泄露到周边环境中的中子和伽马射线，有效的降低所述铜渣成分含量检测装置的周围辐射剂量当量。
34.所述的中子发生器9为小型氘氘中子发生器，通过加速氘离子轰击氘核，反应产生高通量的能量为2.45mev的中子。
35.所述的中子通量监测器10为具有热中子转换涂层的碳化硅探测器。所述中子通量监测器10的输出信号与所述伽马能谱探测器1的输出信号同时接入所述伽马能谱测量和处理模块12。所述的伽马能谱测量和处理模块12包括所述伽马能谱探测器1的供电、信号处理、采集和分析，通过所述中子通量监测器10的信号计数率对所述伽马能谱探测器1的测量结果进行修正。所述的中子通量监测器10靠近待检测的铜渣样品，用于监测所述中子发生器9源强波动，并通过实时探测热中子的强度实现对中子发生器9源强波动的修正。
36.所述的中子发生器控制模块11包括高压、离子源、冷却以及真空的控制，提供所述中子发生器9运行所需的条件及进行运行控制，保证所述中子发生器9稳定高效的产生中子。整个装置的测量过程是：通过所述中子发生器控制模块11为所述中子发生器9提供所需的高压、离子源、冷却以及真空，令所述中子发生器9内部发生氘氘核反应并产生能量较高的快中子。快中子从所述中子发生器9内部向四周出射，在所述第二中子反射层7内被散射并降低能量，经过多次的散射后从所述第二中子反射层7的上端的方形开口处朝着所述铜渣5方向出射。中子穿过所述伽马射线屏蔽体6时能量被进一步降低，且中子与所述中子发生器9结构材料产生的绝大多数伽马射线能够被很所述伽马射线屏蔽体6吸收。能量较低的
低能中子穿透进入所述铜渣5内部，与铜渣5中的原子核发生中子活化反应，并释放出能量从几百kev到10mev的瞬发伽马射线。所述铜渣5活化产生的伽马射线被所述伽马能谱探测器1接收，产生与伽马射线能量相对应的脉冲幅度信号。所述信号经过所述伽马能谱测量和处理模块12转变成数字信号并进行采集，通过程序对所述伽马能谱探测器1以及所述中子通量监测器10的信号进行采集分析。由于不同核素经过中子活化后产生的特征伽马射线能量不同，因此可以通过不同的伽马射线能量区分不同的核素，同时，特征伽马射线强度与铜渣5中该元素的含量成正比，通过标准样品的测量建立标定的元素含量与特征伽马射线强度的关系，从而可以通过对铜渣5的伽马射线能量和强度的分析，实现对铜渣成分含量的检测。
37.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。