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1. 概述
核反應堆回路放射性核素測量系統(tǒng)主要是對反應堆回路中的裂變產(chǎn)物進行連續(xù)“定時標簽”式測量，實時顯示放射性核素活度濃度的變化，以監(jiān)測燃料元件的完整性。
該系統(tǒng)由P型同軸高純鍺探測器、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，便于用戶使用和實現(xiàn)二次開發(fā)。
整個核素在線測量系統(tǒng)能夠實現(xiàn)遠程控制、具有環(huán)境自屏蔽能力、設備自檢能力、開關電磁閥能力、數(shù)據(jù)自動分析功能、活度濃度自動輸出功能和數(shù)據(jù)管理功能等。
2. 系統(tǒng)設計
將反應堆回路水從回路引出，進入到屏蔽鉛室中的檢測回路中，由高純鍺探測器測量檢測回路U型管中水的放射性。整個系統(tǒng)安裝在xxx工藝房間，系統(tǒng)在高約1.8米的鋼結構平臺上，安裝一個機柜，內置準直器、HPGe探測器，現(xiàn)場校驗源，鉛室，譜儀，PLC，溫濕度控制器，電制冷等設備模塊組件。通過遠端控制PC（大于500米）可以實現(xiàn)對電磁閥和譜儀的精確控制。
存在于反應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。例如判斷燃料破損可測量Xe-133/Xe-135活度的比值，評估破損燃料棒的燃耗可測量Cs-134/Cs-137活度比值。對于放射性核素的活度比值情況參考下面的圖表。
核素在線測量系統(tǒng)結構框圖
3. 系統(tǒng)配置
3.1 P型同軸HPGe探測器
選用ORTEC，GEM系列探測器，型號為GEM40P4，技術指標如下：
相對探測效率(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、長度40mm。
能量響應范圍：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：晶體恢復管式高計數(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迄今應用最為廣泛的電制冷高純鍺技術，現(xiàn)已是接近零維護的第三代產(chǎn)品。其工作原理與家用冰箱、空調等類似。它與任何體積大小、采用PopTop結構的ORTEC高純鍺探測器匹配。
技術指標如下：
尺寸：壓縮機31.8cm*31.8cm*28cm；冷指：59cm-65cm。
重量：壓縮機16.4kg；冷指5kg。
輸入電源：交流220-240V，50Hz。
功耗：啟動時小于500W,運行時小于400W。
制冷劑：混合氣體，不含CFC。
連接軟管：壓縮機機箱和冷頭由3米長的軟管相連。
環(huán)境適應性：溫度：5℃-30℃；相對濕度：5%-95%，無冷凝。
對分辨率影響：500keV以下，相對液氮不超過10%；500keV以上，無影響。
電制冷主機通過軟管連接與探測器后位置可調為任意方位。
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：指標優(yōu)秀，功能齊全，各項參數(shù)等同于DSPEC-Pro；既可以直接連接探測器，也可以由DIM連接探測器；同時提供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。
自動最優(yōu)化功能：對于樣品活度水平完全未知的情況，可以通過軟件快速設置“自動最優(yōu)化”功能，由系統(tǒng)快速選定最佳的參數(shù)設置。
零死時間校正： 在譜獲取中，對于中子活化分析中計數(shù)率快速衰減、或是在線測量時突然出現(xiàn)的尖峰信號的情況，ZDT 方法采用ORTEC 精密的Gedcke-Hale 時鐘進行零死時間校正，以實現(xiàn)無損失計數(shù)。
低頻抑制器： LFR 是一項新型的數(shù)字化濾波技術，主要用來消除來自于機械制冷、電源電壓波動或接地不良等外部因素導致的低頻噪聲信號，從而使系統(tǒng)的分辨率得到進一步改善。用戶可根據(jù)情況選擇開啟或關閉此項功能。
道虧損校正/虛擬示波器：在系統(tǒng)采用相對效率較高的HPGe 探測器或遭遇中子損傷的探測器時，彈道虧損效應常導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置虛擬示波器輕松解決這一問題。
數(shù)字化門控基線恢復器、list Mode。
最大數(shù)據(jù)通過率：＞100kcps,在增強通過率模式下＞130kcps。
增益漂移：絕大多數(shù)情況下＜35ppm/℃。
零點漂移：絕大多數(shù)情況下 ＜3ppm/℃。
道漂：在連續(xù)24h測量時，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%。
死時間校正：按Gedcke-Hale 法活時校正，精度（隨峰面積而變化） <+3%。
計數(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)場校準源
采用活度為8×103Bq的Co-60標準點源，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的源罐中，用于不定期對探測器進行校驗。具體安裝的時候可以采用推入式或磁開關打開式兩種方法來實現(xiàn)。
3.5 準直系統(tǒng)
準直系統(tǒng)采用電機驅動，能夠快速準確的調整進入探頭的γ射線通量。擬在U型管鉛屏蔽上截取一條寬為14mm，長為70mm的狹縫，并使其正對檢測旁路U型管。再設計兩個有一定厚度的鉛板，利用電機精確控制其與狹縫的重合度，從而改變準直孔孔徑，實現(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年進行鈾和鐳康普頓散射實驗中首次發(fā)現(xiàn)的，它是一種比α粒子和β粒子穿透能力更強的粒子。γ射線穿過一定厚度的物體后，能量會呈現(xiàn)出一個指數(shù)衰減的規(guī)律，具體滿足下面的規(guī)律：
I=I0Be-μR。
（注：B,累計因子；R，吸收體厚度；μ，衰減系數(shù)；I，輻射量。）
整個屏蔽系統(tǒng)采用低本底鉛制，分塊嵌入式，單個鉛屏蔽模塊重量≤20kg。根據(jù)現(xiàn)場管路布置和探頭尺寸進行安裝。
采用低本底鉛制、分塊嵌入式、單個鉛屏蔽模塊重量≤30kg。根據(jù)現(xiàn)場情況進行安裝。對隔墻外側的并聯(lián)旁路整體鉛屏蔽，與隔墻垂直的管路長度為50mm-100mm，側面鉛屏蔽層厚度為40mm，中間設有70mmD×14mmW的狹縫。準直部分為鉛結構，長度為70mm，通過調整狹縫的重合度實現(xiàn)準直孔孔徑變換，最大重合度時準直狹縫尺寸為70mmD×14mmW，最小重合度時準直狹縫尺寸為2mmD×14mmW，準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構鉛屏蔽，空腔直徑為85mm，鉛屏蔽層厚度為80mm，長度為140mm，在冷指后端裝直徑為100mm，厚為30mm的鉛屏蔽塊。
優(yōu)化方
案：在準直部分和探頭部分擬采用密度更大，屏蔽效果更好的鎢合金。在鉛屏蔽上使用錯層安裝結構，使得對γ射線的屏蔽效果更好。
3.7 電磁閥和手動閥
電磁閥：QNC級,水介質，溫度范圍40℃-70℃，設計壓力≥20MPa,通徑尺寸為?14×2mm，失效狀態(tài)為常開，直流電源信號控制，閥門啟閉頻率極高，DC24V控制，長期無內外泄漏。
手動閥：QNC級,水介質，溫度范圍40℃-70℃，設計壓力≥20MPa,通徑尺寸為?14×2mm，長期無內外泄漏。
3.8 西門子S7-200 PLC
備有功能部件，可實現(xiàn)至少6路的模擬或數(shù)字信號輸出控制；可與計算機通訊（RS-485）或遠程通訊（Ethernet）,與其他控制部分通訊；可遠程啟動或停止相關的信號
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）控制內部溫度在10-30℃，內部設計溫濕度傳感器，能夠實時監(jiān)測機柜設備內的溫度，并把溫濕度數(shù)據(jù)傳送到遠端控制室的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器4~20mA輸出信號;
2, PLC將模擬信號轉換成溫度和濕度值;
3, 上位機將設置的目標溫度和濕度值發(fā)送到PLC;
4, PLC根據(jù)當前溫度濕度值和目標溫度濕度值實時計算出排風裝置的控制量和除濕機構的控制量, 形成閉環(huán)控制系統(tǒng), 達到控制要求.
在設計方面，具體可采用下面的方案:
采用頂裝式機柜空調，完美的靜音設計符合對噪音要求較高的場所，具有高壓、低壓、過熱過流等保護功能，核心部件壓縮機與風機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，持續(xù)供電不低于2小時，在線供電模式,配備奧克松的12V100AH蓄電電池32塊
3.11 機柜
采用英國RadiationShieldinginc公司的高強度專業(yè)輻射屏蔽機柜，進行改裝，擬放在鋼平臺上，單開門結構，采用模塊化安裝，內部作保溫和除濕處理，使用不銹鋼或高強度鋼材，并做噴粉處理，安裝板用鍍鋅鋼板，靜態(tài)承重≥800kg。同時對機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年時間打造的新一代γ能譜分析軟件，GammaSharp在集成當今國際上主要的能譜分析軟件產(chǎn)品優(yōu)點的基礎上，形成了自身鮮明的特色，即以自動分析為導航，在選擇性精密交互分析的基礎上輸出分析結果。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、報告生成和質量控制于一體的專業(yè)軟件，可以同時獲取10個能譜數(shù)據(jù)，與windows7、windows8和windous XP良好兼容。采用國內成熟軟件，并進行源碼整合，提供集硬件控制、數(shù)據(jù)獲取、能譜分析（內含無源效率刻度軟件）一體化軟件平臺，并提供二次開發(fā)的軟件端口?？筛鶕?jù)需求，進行功能和界面定制。
GammaSharp的功能
譜儀控制：可實現(xiàn)的參數(shù)設置包括：增益細調、啟動數(shù)字化穩(wěn)譜、調節(jié)高壓、顯示實時間/活時間、設置上下甄別閾等；
? 能量刻度：通過單峰擬合精確定位峰位，用戶根據(jù)預先了解的知識確定峰位對應的能量，軟件提供核素峰信息實時查詢功能；
? 尋峰：采用一階導數(shù)、二階導數(shù)方法尋找孤立峰，在峰形擬合的基礎上，采用Mariscotti方法尋峰進行二次尋峰，以確定重峰峰位；
? 效率刻度：軟件提供兩種功能，一是調用實驗測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算結果，由于采用了無源效率刻度，在譜分析中不再需要各種復雜的校正功能，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，自動適應能譜的變化趨勢。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，對于畸變的峰形有優(yōu)秀的擬合能力；
? 活度計算：對于同一核素的不同的γ峰，同時考慮分支比、效率刻度因子，通過加權平均計算活度。在活度計算過程中同時考慮測量過程的核素衰減和死時間校正等；
? 最小可探測限計算：內置Currie MDA，KTA MDA，PISO MDA，Critical level等分析方法供選擇；
? 不確定度分析：綜合計算探測效率不確定度、計數(shù)率不確定度給出能譜測量結果的不確定度；
? 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時查詢譜線信息。
? 軟件考核：采用國際上16家實驗室的100條比對能譜對軟件進行了考核，分析結果精度滿足；
? 界面：全中文界面或者全英文界面；
? 分析流程：首先全自動分析，用戶根據(jù)全自動分析的結果，選擇關注的核素和能峰，然后進行高精密交互分析，然后輸出報告。一般情況下全自動分析的功能已經(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、加入自動處理過程未被檢出的峰，改變擬合峰形等；
? 報告輸出：以TXT、PDF、HTML和XML等格式輸出報告。
3.13 Angle V3.0無源效率刻度軟件包
Angle V3.0是一款應用于實驗室高純鍺γ譜儀的無源效率刻度軟件。其原理是基于對于每套實驗室譜儀，由標準電源刻度的完整效率曲線，結合絕對算法與相對算法，并由無數(shù)實驗修正，以“效率轉換”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，對探測器參數(shù)輸入偏差而引起的較大誤差。 通常在探測器長時間使用或經(jīng)維修后特性發(fā)生變化情況下，用戶可隨時用標準點源完成對系統(tǒng)的重新“表征”。
軟件具有完整的記憶存檔功能，當以上某一條件發(fā)生變化時，用戶可調取以前的刻度文件，從發(fā)生變化的步驟開始進行新曲線的刻度。
具體完成實際樣品的效率刻度曲線的步驟如下：
1，輸入探測器信息：名稱/類型/高度/直徑/內接觸極孔直徑與深度/內外接觸極材料與厚度/死層厚度/導出極材料與尺寸等。
2，輸入樣品容器信息（對柱狀源與馬林杯或帶支架樣品）：名稱/形狀/材料/（內外）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，存儲以上信息并創(chuàng)建效率曲線。
5，命名獲得的效率曲線并導入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
完全按照技術規(guī)格書的要求，可在中文Windows7上運行，操作界面為中文界面，能實時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曲線和讀數(shù)等。采用工業(yè)化組態(tài)軟件，遠端控制室通過電腦可以方便的控制譜儀系統(tǒng)、溫濕度調節(jié)和電磁閥的開關。
3.15.1 主控界面
在主控界面以時間為x軸，3個電磁閥的開閉狀態(tài)為y軸，曲線方式顯示3個電磁閥的開啟時序；通過PLC的ADC模塊讀取安裝在機柜內的濕度變送器的模擬信號，并以數(shù)字方式將經(jīng)過轉換的相對濕度實時顯示監(jiān)控界面；按照設置時間參數(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)設置界面
設置各電磁閥打開延遲周期， 以秒為單位；設置各電磁閥關閉延遲周期， 以秒為單位；設置電制冷裝置的提前開啟時間，以分鐘為單位；
3.15.3 活度濃度的輸出界面
以折線的方式動態(tài)顯示一段時間內指定核素活度的變化趨勢曲線，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行勾選；測試完成后自動將譜圖保存在
數(shù)據(jù)庫中；保存的每條測試數(shù)據(jù)均帶有時間標簽；
3.15.4 軟件開發(fā)工具和相關界面
VC++
