專(zhuān)利名稱(chēng)：檢測(cè)與鑒別裂變材料的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)與鑒別裂變材料的方法與裝置，在此方法中，裂變材料發(fā)射的中子輻射的強(qiáng)度用中子探測(cè)器加以測(cè)量。
裂變材料(例如钚、鈾和釷)可被用于裂變反應(yīng)，此時(shí)原子的重核分裂為兩個(gè)或更多的部分，這通常在用中子轟擊原子核時(shí)發(fā)生。一般地，裂變發(fā)生時(shí)常伴隨著中子或γ射線發(fā)射。由于裂變反應(yīng)包含有巨大的能量，不正確地使用裂變材料可導(dǎo)致對(duì)周?chē)h(huán)境的驚人破壞，因此裂變材料的非控制及非法的散布是極端危險(xiǎn)的。裂變材料從一個(gè)國(guó)家到另一個(gè)國(guó)家的非法運(yùn)輸通常是裝在大型集裝箱中進(jìn)行的。少量的裂變材料很容易藏匿在集裝箱中。這樣的集裝箱通常用肉眼檢查，而在這種情況下，很難檢查出少量裂變材料。
為了自動(dòng)地檢查集裝箱并檢測(cè)藏匿于其中的物體，業(yè)已發(fā)展了利用直線粒子加速器(如電子加速器)產(chǎn)生韌致輻射的方法來(lái)調(diào)查集裝箱里面的物品，并進(jìn)一步使靶相對(duì)于靶的檢查器件移動(dòng)以形成集裝箱內(nèi)含物體的像。
本發(fā)明的目的是消除現(xiàn)有技術(shù)的某些缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)適用于檢測(cè)和鑒別裂變物質(zhì)(如钚、鈾和釷)的方法和裝置，該方法和裝置利用了直線粒子加速器產(chǎn)生的韌致輻射和該韌致輻射產(chǎn)生的、來(lái)自裂變材料的緩發(fā)中子發(fā)射。本發(fā)明基本的新特征從所附的專(zhuān)利權(quán)利要求書(shū)中可明顯看出。
按照本發(fā)明，為了檢測(cè)和鑒別裂變材料，使用了運(yùn)行于7-10MeV的高能韌致輻射源；由此所產(chǎn)生的輻射射向被檢查的靶，如運(yùn)輸?shù)募b箱。當(dāng)韌致輻射轟擊裂變材料時(shí)，在輻射與材料之間發(fā)生光子與原子核的相互反應(yīng)，隨后發(fā)生中子發(fā)射。在光子與原子核相互反應(yīng)時(shí)發(fā)生光中子反應(yīng)和光裂變反應(yīng)，其特征是瞬發(fā)中子發(fā)射。在每一相互反應(yīng)的瞬發(fā)中子發(fā)射中，光中子反應(yīng)發(fā)射一個(gè)中子，光裂變反應(yīng)發(fā)射2.5個(gè)中子。光裂變反應(yīng)的進(jìn)一步結(jié)果是產(chǎn)生放射性裂變碎片，其中部分碎片所包含的β衰變能可超過(guò)原子核中的中子結(jié)合能。該β衰變能進(jìn)一步導(dǎo)致緩發(fā)中子發(fā)射。發(fā)射緩發(fā)中子的裂變碎片稱(chēng)為先驅(qū)物。裂變材料具有最低的帶中子發(fā)射的光核反應(yīng)閾能。光核反應(yīng)和光裂變反應(yīng)的反應(yīng)截面對(duì)于裂變材料而言是很大的，例如對(duì)于E＝8MeV的能量，其值分別為大約100和300mb(毫靶恩)。
按照本發(fā)明，對(duì)從裂變材料發(fā)射并穿過(guò)韌致輻射區(qū)的緩發(fā)中子發(fā)射用至少一個(gè)中子探測(cè)器加以檢測(cè)。按照本發(fā)明，所用的中子探測(cè)器最好是例如充3He或10B的中子探測(cè)器，或?qū)χ凶屿`敏的閃爍探測(cè)器。中子探測(cè)器最好借助于準(zhǔn)直器被安置在陰影位置，故韌致輻射對(duì)探測(cè)器的初級(jí)輻射基本上可被阻擋住。中子探測(cè)器特別被用來(lái)檢測(cè)緩發(fā)中子，這是因?yàn)榫彴l(fā)中子是僅為裂變材料所固有的。緩發(fā)中子的產(chǎn)額約為瞬發(fā)中子的1％，但由于暴露時(shí)間要長(zhǎng)得多且中子本底很低，探測(cè)的靈敏度是足夠高的。
按照本發(fā)明，所用的直線粒子加速器最好運(yùn)行于脈沖模式。于是可使韌致輻射脈沖的頻率范圍在，例如，50-500Hz，而韌致輻射的脈沖寬度約為1.5μs。那么兩個(gè)相繼脈沖之間的間隔為2.000-20.000μs。若不考慮為了阻擋韌致輻射而把中子探測(cè)器安裝在準(zhǔn)直器的陰影區(qū)，則在加速器屏蔽室上散射的韌致輻射脈沖將在中子探測(cè)器中產(chǎn)生電離。其結(jié)果是寬度約10μs的高幅度脈沖出現(xiàn)在檢測(cè)系統(tǒng)的輸出中。在高幅度脈沖期間，中子的探測(cè)是不可能的，因此本發(fā)明使用了時(shí)間選擇單元。該時(shí)間選擇單元可閉鎖檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行，并在韌致輻射脈沖結(jié)束后重新打開(kāi)時(shí)間窗口。時(shí)間窗口的寬度在150-200μs的范圍內(nèi)。
按照本發(fā)明，被檢查材料(如運(yùn)輸集裝箱)的整個(gè)體積用韌致輻射加以輻照。若檢測(cè)到緩發(fā)中子通量的實(shí)質(zhì)性變化，則該變化相應(yīng)的材料位置被加以確定。在材料的整個(gè)體積被輻照之后，材料被送回到相應(yīng)于中子變化的位置。在該位置上用韌致輻射再次輻照一段長(zhǎng)時(shí)間(30-60s)以鑒別有問(wèn)題的材料。為進(jìn)行裂變材料的鑒別，韌致輻射先被中斷，然后測(cè)量緩發(fā)中子通量至少一分鐘。
下面對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的解釋?zhuān)瑸榇艘萌缦赂綀D

圖1所示為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的局部側(cè)視橫截面。
圖2為與圖1實(shí)施例相連的中子檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)間選擇單元運(yùn)行框圖。
圖3借助于時(shí)域坐標(biāo)說(shuō)明圖2時(shí)間選擇單元的運(yùn)行原理。
按圖1，直線粒子加速器1產(chǎn)生韌致輻射束2，該束穿過(guò)準(zhǔn)直器3上的縫隙，輻照集裝箱4。點(diǎn)閃爍探測(cè)器5與成像處理器一起被用于產(chǎn)生集裝箱4中物體的像。若集裝箱4中含有裂變材料6，則當(dāng)裂變材料落入韌致輻射2的輻照區(qū)時(shí)，裂變材料6會(huì)產(chǎn)生瞬發(fā)中子發(fā)射。該中子用充He探測(cè)器7檢測(cè)，He的摩爾質(zhì)量是3。為了軟化中子產(chǎn)生的能譜，探測(cè)器7浸沒(méi)在含H介質(zhì)8(如水或石蠟)中，這樣可以保證高的探測(cè)效率。準(zhǔn)直器3安裝在中子探測(cè)器7和粒子加速器1之間，以阻擋韌致輻射2對(duì)探測(cè)器的初級(jí)輻照。為了保證足夠高的中子發(fā)射閾能，準(zhǔn)直器3可最好用鋼制作。
在檢查期間，集裝箱4在粒子加速器1的掃描韌致輻射場(chǎng)中移動(dòng)。在普通情況下，中子探測(cè)器7記錄下一定量的中子發(fā)射本底。若在集裝箱移動(dòng)期間中子通量突然增加，一個(gè)特殊的檢查單元標(biāo)記下集裝箱4與可疑物體所在處相應(yīng)的精確位置。于是在檢查了整個(gè)集裝箱4之后，集裝箱4被送回到所標(biāo)記的位置，發(fā)射光中子的材料被加以鑒別。為進(jìn)行鑒別，可疑物體6用韌致輻射輻照30-60s。若物體6含有裂變材料，則在輻照期間裂變碎片的總量可積累到接近飽和的水平，其產(chǎn)生的緩發(fā)中子在關(guān)掉加速器1后被檢測(cè)1-2min。如果緩發(fā)中子通量可以忽略，則可疑物體所包含的元素只有低的光中子反應(yīng)閾能，即該元素不是裂變材料。
在圖2中，中子探測(cè)器7由高壓?jiǎn)卧?2供電。探測(cè)器7所接收的脈沖經(jīng)由放大器13和甄別器14之后進(jìn)入時(shí)間選擇單元15。時(shí)間選擇單元15由粒子加速器控制系統(tǒng)16控制。在時(shí)間窗口打開(kāi)時(shí)到達(dá)的脈沖被計(jì)數(shù)器17所記錄。
圖3說(shuō)明韌致輻射脈沖與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。在時(shí)刻t0韌致輻射脈沖產(chǎn)生，形成脈沖21。曲線22代表瞬發(fā)中子通量的時(shí)間分布。在t1-t2時(shí)段即時(shí)間窗口內(nèi)，圖2中的時(shí)間選擇單元是打開(kāi)的，脈沖23可通過(guò)，該脈沖起因于探測(cè)器中的中子俘獲。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)和鑒別運(yùn)輸貨物中的裂變材料的方法，該方法用直線粒子加速器(1)產(chǎn)生的韌致輻射(2)輻照被檢查的材料，使用至少一個(gè)中子探測(cè)器(7)并通過(guò)韌致輻射(2)手段檢測(cè)被檢查材料發(fā)射的緩發(fā)中子通量，在測(cè)量緩發(fā)中子通量期間韌致輻射被中斷，其特征在于1)當(dāng)中子通量發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化時(shí)，材料(4)相對(duì)于探測(cè)器(7)的位置被確定，2)在檢查了材料的整個(gè)體積之后，材料(4)被送回到按照中子通量變化所確定的相對(duì)于探測(cè)器(7)的位置上，3)在該確定的位置上，材料(4)再次用韌致輻射(2)輻照，以鑒別產(chǎn)生中子通量的材料，4)為了鑒別裂變材料(6)，用至少一個(gè)中子探測(cè)器(7)檢測(cè)裂變材料所發(fā)射的緩發(fā)中子。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是韌致輻射(2)的能量大小在7-10MeV范圍內(nèi)。
3.按照權(quán)利要求1或2的方法，其特征是韌致輻射(2)由一臺(tái)脈沖運(yùn)行的粒子加速器(1)所產(chǎn)生。
4.按照權(quán)利要求1、2或3的方法，其特征是用充3He探測(cè)器(7)檢測(cè)緩發(fā)中子通量。
5.按照權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)的方法，其特征是為鑒別材料(4)用韌致輻射(2)輻照材料的時(shí)間至少為30s。
6.按照權(quán)利要求1-5中任何一項(xiàng)的方法，其特征是中子探測(cè)器記錄單元(17)的運(yùn)行由粒子加速器的控制系統(tǒng)(16)控制。
7.按照權(quán)利要求6的方法，其特征是在中斷韌致輻射(2)之后檢測(cè)緩發(fā)中子通量時(shí)使用寬度在150-200μs范圍內(nèi)的時(shí)間窗口。
8.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的一種裝置，該裝置由直線粒子加速器(1)、準(zhǔn)直器(3)、把被檢查材料(4)移動(dòng)到直線粒子加速器發(fā)射的韌致輻射區(qū)去的設(shè)備、以及檢測(cè)被檢查材料所發(fā)射的輻射的設(shè)備(7)，其特征是準(zhǔn)直器(3)安裝在中子探測(cè)器(7)與粒子加速器(1)之間，且浸沒(méi)在介質(zhì)(8)中以阻擋韌致輻射(2)對(duì)中子探測(cè)器(7)的初級(jí)輻照。
9.按照權(quán)利要求8的裝置，其特征是準(zhǔn)直器(3)用鋼制作。
10.按照權(quán)利要求8或9的裝置，其特征是中子探測(cè)器(7)浸沒(méi)在含H的介質(zhì)(8)中。
11.按照權(quán)利要求8、9或10的一種裝置，其特征是介質(zhì)(8)為水。
12.按照權(quán)利要求8-11中任何一項(xiàng)的一種裝置，其特征是中子探測(cè)器(7)是充3He的。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種從運(yùn)輸物品之中檢測(cè)與鑒別裂變材料的方法和裝置。在此方法中,被檢查的材料(4)用直線粒子加速器(1)產(chǎn)生的韌致輻射(2)加以輻照。按照本發(fā)明,用韌致輻射(2)檢查的材料(4)所發(fā)射的緩發(fā)中子通量在中斷韌致輻射(2)之后被至少一個(gè)中子探測(cè)器(7)加以檢測(cè)。若中子通量有實(shí)質(zhì)上的變化發(fā)生,則材料(4)相對(duì)于探測(cè)器的位置被加以確定。在貨物整個(gè)體積被檢查之后,材料(4)被送回到按照中子通量相對(duì)于探測(cè)器(7)的變化所確定的位置處。在這個(gè)被確定的位置上,材料(4)再次用韌致輻射(2)輻照,以鑒別產(chǎn)生中子通量的材料。為了鑒別有疑問(wèn)的裂變材料(6),至少一個(gè)中子探測(cè)器(7)被用來(lái)檢測(cè)從裂變材料發(fā)射出的緩發(fā)中子。
文檔編號(hào)G01T3/00GK1196797SQ96197052
公開(kāi)日1998年10月21日 申請(qǐng)日期1996年9月11日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月18日
發(fā)明者?；べ惼だ?申請(qǐng)人:麥托雷克國(guó)際公司