CN103026264A - 用于监视位于手套箱中的核材料的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于支撑和附接至少一个电离辐射检测探针(1)的机械设备。其针对每个检测探针(1)包括：结束于准直仪固定器(5)的一个探针固定器(7)，该准直仪固定器能够支撑旨在划定检测探针(1)的观测场的准直仪(3)；以及旨在与手套箱(9)的手套端口(9.1)附接的附接设备(6)，其中探针固定器或每个探针固定器(7)与附接设备(6)协作。

Description

用于监视位于手套箱中的核材料的设备

技术领域

本发明涉及核材料的监视。在本文中，表述“核材料”是指包含显著浓度的铀、钚和钍的材料。

这些核材料在核燃料周期中在很多实验室或工厂中被处理。由安全限制来管控工业实践，特别为了管理关键性风险并且控制核材料的扩散，如在文献“FUNDAMENTAL SAFETY RULES RELATIVE TO BASIC NUCLEARINSTALLATIONS OTHER THAN NUCLEAR REACTORS RFS N°1.3.C OF 18OCTOBER 1984”中论述的那样。

背景技术

包含核材料、并且更具体地包含可裂变核材料(即能够核裂变的这种材料)的工业或研究设施的操作被组织构成在工作站中。工作站是具有划界轮廓的设施的一部分，并且其内具有有限质量的核材料。在本发明中工作站是手套箱。包含在工作站中的核材料的质量管理是控制关键性风险的方法之一。在工作站的入口和出口处使用借由称重操作而产生的质量预算来实现这种控制方法。为了防止核材料的过度积累，采取对工作站的常规检查以及必要时的清洗操作。这种控制方法实现简单并相对可靠。这种控制方法一般由被动的、非破坏性的核测量(例如伽玛光谱测量或中子或伽马计量)来完成。使用了非工业的、移动***，其需要安装在手套箱内部，并在操作结束处引导该***的去污。

然而，这些分析技术实现复杂，特别由于不标准的定位***，每次测量需要特定的分析，并且测量的解释需要复杂的后续处理，这使得无法从实时测量的结果中得到益处。

发明内容

本发明的目的实际上是提出一种机械设备，其支撑和附接用于检测手套箱内电离辐射的至少一个探针，从而能够容易且简单地并且在原位置监视在手套箱中的产生这种电离辐射的核材料。本发明的一个目的是能够对核材料采取实时监视。

本发明的另一个目的是能够以预定位置来在手套箱中放置一个或多个检测探针。

本发明的再另一个目的是能够使用不同观测场来进行多个测量。

要实现此，本发明提出了一种机械设备以支撑和附接至少一个电离辐射检测探针，该探针首先包括准直仪固定器，并且其次包括用于与手套箱的手套端口附接的设备。

更具体地，本发明是用于支撑和附接至少一个电离辐射检测探针的机械设备，其针对每个电离辐射检测探针包括：结束于准直仪固定器的探针固定器，该准直仪固定器能够支撑旨在划定检测探针的观测场的准直仪、以及旨在与手套箱的手套端口附接的附接设备，其中探针固定器或每个探针固定器与所述附接设备协作。

此外，为了能够容易地改变准直仪，以便给探针可调整的观测场，提供了将准直仪附接到圆柱对圆柱装配型的准直仪固定器的装置，以及至少一个球塞，其旨在由准直仪固定器或准直仪所保持的槽口来停止，以停止准直仪相对于准直仪固定器转动和滑动，准直仪是如此可互换的。

为了能够将电离辐射检测探针精确地定位在手套箱中，优选准直仪固定器装配有锁定装置，以将电离辐射检测探针锁定在位置中，使得其不能相对于准直仪固定器转动和滑动。

附接设备可以包括探针固定器穿过其的中心部分，其中该中心部分的边缘以凸缘为边缘，该凸缘装配有附接装置，该附接装置旨在与由手套箱的手套端口保持的组合附接装置协作，其中，这些附接装置是卡销或爪型的。通过这种方式，容易地安装在手套箱中支撑和附接电离检测探针的机械设备。

为了能够调整在手套箱中设置电离辐射检测探针的深度、并且调整其观测场的角度对准，附接设备可以装配有锁定装置，以锁定探针固定器，使得其不相对于附接设备转动和滑动。

再次地，针对控制电离辐射检测探针的观测场的角度对准的目地，附接设备可以包括锁定装置以锁定中心部分，使得其不能相对于凸缘转动。

为了非常精确地设置准直仪相对于探针固定器以及探针固定器相对于附接设备的角度位置，准直仪固定器和/或附接设备可以装配有水准仪。

本发明还涉及位于手套箱中的核材料监视设备。其包括以此方式为特征的机械支撑和附接设备，和位于探针固定器中的至少一个电离辐射检测探针，其中，这个探针具有对从准直仪固定器发射的电离辐射敏感的检测器，和用于处理和显示由电离辐射检测探针发送的信号的***。当准直仪被附接到准直仪固定器时，检测器被容纳在准直仪中。

检测器可以有利地由CdTe或CdZnTe制成，因为这些材料对电离辐射是敏感的。

探针优选是X和/或伽马光谱的探针，其中X光谱关注较弱的能级，更具体地小于120keV的能级。

本发明还涉及手套箱，该手套箱装配有以此方式为特征的用于监视核材料的设备。

本发明还涉及以此方式为特征的用于监视核材料的设备，以识别存在于所监视的核材料中的一个或多个放射性元素。

本发明还涉及以此方式为特征的用于监视核材料的设备的使用，以确定所监视的核材料的放射性。

本发明还涉及以此方式为特征的用于监视核材料的设备的使用，以估计所监视的核材料的保留或去污因子上的变化。

附图说明

参照所附图示，基于阅读仅作为指示且并无限制意思而给出的实施例的示例描述，本发明将被更好地理解，在该图示中：

图1A、1B在三维空间中示出形成本发明目的的具有两个电离辐射检测探针的核材料监视设备的示例，其使用用于支撑和附接探针的机械设备，其附接装置装配有卡销；

图2A示出根据本发明的用于支撑和附接电离辐射检测探针的机械设备的示例的准直仪固定器，其中准直仪固定器故意没有准直仪；

图2B、2C示出根据本发明的用于支撑和附接至少一个电离辐射检测探针的机械设备的准直仪固定器和其可互换的准直仪的示例；

图3示出根据本发明的其一个手套端口装配有核材料监视设备的手套箱，其具有两个电离辐射检测探针，其中每个探针与准直仪关联；

图4A1、4A2、4B至4D是示出手套箱的手套端口与用于附接机械支撑和附接设备的设备之间耦接的细节的各种视图，其中该附接设备是爪型的；

图5是将固有效率示出为两个电离辐射检测探针的能量的函数的曲线图，其体积是60mm³或1mm³；

下面描述的各个图示的相同、相似或等同部分具有相同的数字标号，以更容易地使从一个图示移动到另一个图示。

在图式中表示的各个部分不一定以统一标尺表示，以为了使图示更可读。

在这些图示中，公知的结构没有详细表示，以不会不必要地担负过多描述。

具体实施方式

参照图1A、1B，其在三维空间中示出形成本发明目的的核材料监视设备的两个视图。形成本发明目的的核材料监视设备旨在监视位于手套箱9中的核材料。手套箱9仅可在图3中看到。

手套箱9是密封外壳，其装配有至少一对(手套端口类型的)孔9.1，其中孔9.1中的每个以密封的方式装配有操纵手套9.2，使得操作者能够在没有污染风险的情况下在手套箱中介入。手套可由袖子取代，以使设备或废物能够被引入或除去。在这种情况下，袖子以密封的方式附接到孔。图3仅示出手套，但也可以想象到，袖子类似于切掉手指的手套。

核材料监视设备首先包括至少一个电离辐射检测探针1，并且其次包括机械设备10以在手套箱9的孔9.1中支撑和附接电离辐射检测探针1。电离辐射检测探针1自然连接到***11以处理和显示由电离辐射检测探针1发送的信号。用于检测电离辐射的探针1包括对电离辐射敏感的检测器2。在图1A、1B中，检测探针1仅是部分可见的。

优选使用X和/或伽马光谱探针。X光谱关注比伽马光谱更弱的能级，并且更具体地低于120Kev的能级。在描述的其余部分中，当使用表述“检测探针”时，这意味着这可以是任何类型的电离辐射检测探针。

X和/或伽马光谱探针1使光谱已知，即由核材料发射的X和/或伽马辐射的能量分布。在装配到X和/或伽马光谱探针1的检测器2中得到的光谱反映了X和/或伽马辐射的不同的基本相互作用。

又参照图2A、2B、2C。该电离辐射检测探针1沿轴线xx’延伸而在形状上是细长的。对源于核材料的电离辐射敏感的检测器2位于探针的一端处。该检测器2将接收到的电离辐射转变成电信号。旨在传送电信号以能够由处理和显示***11进行处理的电导体1.1在达探针1的另一端是可接近的。

检测器2例如可以由半导体材料(例如CdTe或CdZnTe)制成，因为这些材料是对X和伽马辐射敏感的。这个检测器2可以呈现旋转对称的圆柱形状。

检测探针1优选是准直的。准直仪3旨在限制由检测器2看到的空间部分，即其观测场。准直仪3以立体角的值为特征，该值划定了检测探针1的检测器2的观测场。检测器2的体积可以变化，但是，可使用相同的准直仪。该体积可以是例如在1mm³和1500mm³之间。

检测探针1旨在与手套箱中的机械支撑和附接设备10一起使用，这也是本发明的一个目的。为本发明的一个目的的检测探针1的机械支撑和附接设备10，包括以准直仪固定器5结束的探针固定器7，以及具有手套箱9的手套端口9.1的附接设备6。

检测探针1可从探针固定器7拆下。为了揭示十分不同水平的放射性，检测探针1的范围必须是可用的，其检测器2具有不同的体积。

准直仪固定器5旨在保持准直仪3。图2A中可看出，位于探针固定器7中的检测探针1可在不存在准直仪的情况下操作。在此配置中，准直仪固定器5没有固持准直仪3。检测探针1的检测器2自准直仪固定器5出现。

探针固定器7优选为围绕主轴线制造的管状部分。检测探针1旨在被***在探针固定器7中。探针固定器7可以由不锈钢制成。它具有必须附接到准直仪固定器5的第一开口端，以及第二端，检测探针1的电导体1.1可到达该第二端，以电连接到处理和显示***11。

准直仪固定器5是管状部分。其围绕主轴线制造并且比探针固定器7更厚。其两端开口。其旨在围绕探针1滑动，如同探针固定器7。该准直仪固定器5旨在一端附接到探针固定器7的一端，并且该准直仪固定器5的另一端附接到准直仪3。其延伸探针固定器7。准直仪固定器5可以由不锈钢制成，如同探针固定器7一样。其必须具有比准直仪3更强的机械性能。

准直仪3具有屏蔽功能。它可以由铜或铜合金制成，因为铜具有比钢更好的衰减因数。准直仪3包括当检测器2位于准直仪3中时电离辐射可通过其到达检测器2的孔。准直仪的其余部分(即其本体)围绕检测器，并具有抵抗电离辐射的屏蔽功能。

如图2B所示，准直仪3有利地被制成为是可拆卸的，即，它可容易地从准直仪固定器5拆卸。对于给定的检测探针1，可随后存在具有不同孔值以及因此不同立体角值的多个准直仪3。还可以没有准直仪，而使准直仪固定器5空闲。能够使用可变立体角的可互换的准直仪3的使用非常有利于使核材料监视设备适用于手套箱的尺寸，即，首先是在手套箱的台面板与穿过手套端口的中心的轴线之间的高度，并且其次是沿该轴线测量的台面板的深度。

图2A示出了准直仪固定器5和穿过其的检测探针1，以露出检测器2，而没有准直仪。图2B示出探针1、准直仪固定器5、以可拆卸的方式安装在准直仪固定器5中的准直仪3，以及旨在安装在准直仪固定器5中的、具有不同立体角的一系列其它准直仪3。图2C示出以沿轴线XX′为纵向截面的、图2B的不同元件。

准直仪3是看不见的管状部分。其围绕主轴线制造。其在其端部之一处封闭，其另一端必须附接到准直仪固定器5。封闭端可以具有球形、扁平形或其它帽形形状。球形帽有利地在空间方面使检测器2周围的材料厚度均匀。

准直仪3旨在容纳检测探针1的检测器2。准直仪内部的凹口体积被选择为，使得能够容纳不同体积的检测器。其包括优选锥形的侧向通孔3.1，以划定检测器2的观测场。圆锥体的立体角等于准直仪3的立体角。

通孔3.1围绕与准直仪3的主轴线垂直的轴线制造。在图2C中可看到这些轴。在图2B和2C中，示出了五个不同的准直仪3，其立体角分别为10°，30°，50°，70°和90°。因此，所覆盖的角度范围在10°至90°之间，以20°间隔。当然其它值也是可以预想到的。

在图1A、1B中，检测探针1、准直仪固定器5、准直仪3和探针固定器7以共轴的方式一个套着另一个地装配。

准直仪3和准直仪固定器5由紧固件8而彼此附接。该紧固件8首先包括圆柱对圆柱装配，其次包括固定装置。准直仪3和准直仪固定器5使用圆柱对圆柱装配而相对于彼此安装。要做到这点，准直仪3装配有母柱状部分3.1，该母柱状部分3.1穿入到由准直仪固定器5保持的公柱状部分5.1中。当然，准直仪固定器5可以被设想为与母柱状部分装配，并且准直仪3可以被设想为与公柱状部分装配。该安装使准直仪在当碰到准直仪固定器时能够停止。

当装配到彼此中时，准直仪固定器5和准直仪3由固定装置8.1例如至少一个球塞而防止滑动或转动，该球塞旨在穿过母柱状部分3.1的径向通孔3.2、并抵靠公柱状部分5.1中的槽口5.2以达到停止。在图中示出了彼此直径上相反的两个球塞8.1，以使在准直仪3和准直仪固定器5之间转动锁定的可靠性得到改善。在准直仪固定器5的公柱状部分5.1中，示出了一系列的规则分布的槽口5.2，其使准直仪3的通孔3.1相对于准直仪固定器5的角度位置能够调整。在图2A中，示出了12个槽口5.2。这个数量不是限制性的。准直仪3的孔相对于准直仪固定器5的角度位置的调整使得能够跟通过从立体角并因此的从检测探针的观测场来排除寄生伽玛放射源而能够避免该放射源。当机械支撑装置10被设计为用于多个检测探针1时，准直仪3的孔的角度位置的调整使每个检测探针1的视觉场能够被不同地对准，从而覆盖手套箱9的台面板的最大可能面积，如图3中示出的那样。

在准直仪固定器5中，锁定装置5.3还被设置为防止检测探针1滑动或转动。它们仅在图2B和2C是可见的。

这些锁定装置5.3可以包括螺钉，其径向穿入到准直仪固定器5的钻孔中，并且在被锁定时其一端抵靠检测探针1而达到停止。

机械支撑和附接设备10还包括能够与手套箱9的手套端口9.1附接的附接设备6。当核材料监视设备滑入手套箱9的手套端口9.1时手套9.2或袖子保持在适当位置。在本文中，我们继续使用术语“手套端口”，即使它具有袖子。

附件设备6包括由凸缘包围6.2的中心部分6.1，该凸缘6.2必须附接到手套箱9的手套端口9.1。再次参照图1A、图1B以及图3。这种手套口9.1形成边缘有环9.5，该环9.5可装配有(通常三个)凸耳9.3。对于其部分，在这些图中凸缘6.2装配有卡销型附接件6.3、匹配凸耳9.3。一个或多个探针固定器7横穿中心部分6.1。对于多个探针固定器7，存在单个附接设备6。中心部分6.1以完整盘形状表示，但具有一个或多个孔，其每个引入探针固定器7之一。该中心部分6.1类似于百叶窗。它插上手套端口9.1。有孔的中心部分是可能的，具有提供静态密封的手套。中心部分6.1的唯一作用是支撑和定位探针固定器或每个探针固定器7。

作为图4A1和4A2中所示的一个变型，手套端口9.1形成边缘有环9.5，该环9.5外部设置有一个或多个凹槽9.41或一个或多个凸珠9.42。凹槽9.41凹进而凸珠9.42凸出。凸缘6.2设置有径向爪6.40、6.50，其以至少凸珠9.42支撑环9.5的外部。参照图4B、4C、4D。在爪6.40、6.50中，至少一个参考的爪6.50是可调的，如在图4D中示出的那样；另一个爪或另多个爪6.40被固定。可调的爪6.50处于两个部分中：一个固定部分6.51，其固接到凸缘6.2；以及一个移动部分6.52，其具有弯曲端，该弯曲端旨在啮合凹槽9.41(在这个情况中的第二个凹槽，其最接近手套箱)以使附接最优化。如果环9.5不是具有凹槽，而是具有一个或多个凸珠9.42(如图4A2所示)，则移动部分6.52由凸珠之一支撑(例如，第二个凸珠，其最接近手套箱)。螺旋夹持装置6.53被设置为，当移动部分6.52的弯曲端在适当位置时，抵靠固定部分6.51而保持移动部分6.52。

中心部分6.1可相对于凸缘6.2转动，尤其是当凸缘6.2被附接在手套箱的手套端口9.1中并防止在该手套端口9.1中转动的时候。然后，检测器被放置在手套箱中。设置了装置6.4以防止中心部分6.1相对于凸缘6.2转动。这可以是可拧入到凸缘6.2中的至少一个滚花螺钉6.4，当拧入时其头部使中心部分6.1相对于凸缘6.2固定。优选地在中心部分6.1周围分布具有多个滚花螺钉。滚花螺钉的益处在于在其头部中其具有大的肩部以提供大的夹持面积。

图中示出了直径上彼此相反的两个这样的螺钉。螺钉的轴线大致平行于轴线XX′。附接设备6，并且更具体地其中心部分6.1，装配有水准仪6.5，使得可以确定中心部分分6.1相对于水平和/或竖直的角度对准。

每个探针固定器7可在紧固之前相对于附接设备6滑动和转动。其可在附接设备6的中心部分分6.1中滑动。设置了锁定装置6.5以防止每个探针固定器7相对于附接设备6滑动和转动，这使在附接设备6固接到手套箱之后，手套箱中的检测器的位置相对于手套端口的深度能够调整。对于每个探针固定器7，例如可由能够用手拧入及拧出的指旋螺钉来实现这些锁定装置6.5。该指旋螺钉被拧入到附接设备6的中心部分6.1上的凸起6.10中。其端部啮合探针固定器7上的凹槽，从而防止转动或滑动。该凹槽在图中不可见。用于防止转动或滑动的这种类型的装置在机械学中是传统技术。

自然地，每个检测探针1旨在用高电压和低电压供电，优选独立地供电；没有示出这个电源，以为了不使图负担过多。每个检测探针1旨在连接到用于处理和显示由探针发送的信号的***11。

优选由CdZnTe或CdTe制成的探针，因为其在低能量下比在高能量下具有更高的效率，同时具有满意的分辨率，如在图5中示出的那样。在光谱中，分辨率等于半高度处的峰的宽度；其必须是足以能够被读取的。例如，在镅241的情况下，这种宽度小于1keV。此外，这些检测器的结构是足够紧凑的，这意味着当其被容纳在准直仪中时，其可作为单个单元或多个单元而被引入到手套箱的标准手套端口中。

图5是使用由CdZnTe制造的、体积为1mm³和60mm³的检测器获得的。可看出横坐标的标尺覆盖了0至1400keV的范围。还应回想起，锕系元素(其原子质量数大于锕(即227)的放射性元素)具有峰值在0和300keV之间的能量伽马射线。例如，钚或其后代的两个特性线对于镅241具有59.54keV的能级，对于铀237具有208keV的能级。

借由位于离检测器给定距离处的本地化的测量标准源(其放射性是已知的)实验地确定在给定检测器的能量E处在每平方厘米中的固有效率K(E)。对于使用测量标准源而得到的光谱的每个显著的峰，计算了计量率(metering rate)，并且其在检测器的中心处与测量标准通量率相关。检测器的固有效率满足公式K(E)＝S(E)/Tc xΦ(E)，其中，S(E)是能级E处的能量峰的净面积，Tc是以秒表示的光谱的采集时间，而Φ(E)是检测器的中心处的通量流速(伽马/cm²/s)。

以传统的方式处理光谱。

使操作者以两种方式知道手套箱中的核材料的量如何改变。对于光谱中存在的每行，提供了在峰的净面积和峰的顶部处的对应能量。

方式之一是获得FD保留或去污因子，而另一个是直接读取光谱，该光谱致使确定了包含在准直仪的立体角中的核材料的放射性。该角度可在大小和位置上变化，以便覆盖整个手套箱。

为了对给定的放射性元素估计保留或去污因子，这种放射性元素的显著能级Ei处的峰的净面积被确定在两个给定瞬时处，t0和t1，其中t1晚于t0。假设核材料的质量在这两个瞬时之间改变了。对于时间纠正的这些面积(计量率)被称为N_0Ei和N_1Ei。在瞬时t0和瞬时t1之间用于能量Ei的保留或去污因子FD为比率N_0Ei/N_1Ei。

可由这种方式来识别在所监视的核材料中存在的一个或多个放射性元素，并且该核材料存在于手套箱中。

Claims (14)

1.一种用于支撑和附接用来检测电离辐射的至少一个探针(1)的机械设备，其特征在于，针对每个检测探针(1)，包括：结束于准直仪固定器(5)的探针固定器(7)，所述准直仪固定器能够支撑旨在划定所述检测探针(1)的观测场的准直仪(3)；旨在与手套箱(9)的手套端口(9.1)附接的附接设备(6)，其中所述探针固定器或每个探针固定器(7)与所述附接设备(6)协作；以及准直仪(3)和附接装置(8)，其将所述准直仪(3)附接到所述圆柱对圆柱装配型的准直仪固定器(5)，具有至少一个球塞(8.1)，以旨在抵靠由所述准直仪固定器(5)或所述准直仪(3)所保持的槽口(5.2)来停止，以防止所述准直仪(3)相对于所述准直仪固定器(5)转动和滑动，其中所述准直仪(3)可被拆卸从而能够调整所述检测探针(1)的观测场。

2.根据权利要求1所述的机械设备，其中，所述准直仪固定器(5)装配有锁定装置(5.3)，以防止所述检测探针(1)相对于所述准直仪固定器(5)转动和滑动。

3.根据权利要求1或2中的任一项所述的机械设备，其中，所述附接设备(6)包括所述探针固定器(7)穿过其的中心部分(6.1)，其中这个中心部分(6.1)以凸缘(6.2)形成边缘，所述凸缘(6.2)装配有附接装置(6.3)，所述附接装置旨在与由所述手套箱的手套端口(9.1)保持的组合附接装置(9.3，9.41，9.42)协作，其中，这些附接装置(6.3)是卡销或爪型的。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的机械设备，其中，所述附接设备(6)包括锁定装置(6.5)，以防止所述探针固定器(7)转动和滑动。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的机械设备，其中，所述附接设备(6)包括锁定装置(6.4)，以防止所述中心部分(6.1)相对于所述凸缘(6.2)滑动或转动。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的机械设备，其中，所述附接设备(6)装配有水准仪(5.4，6.5)。

7.一种位于手套箱(9)中的核材料监视设备，其特征在于，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的机械支撑和附接设备，位于所述探针固定器(7)中的至少一个电离辐射检测探针(1)，其中，这个电离辐射检测探针(1)具有对从所述准直仪固定器(5)发射的所述电离辐射敏感的检测器(2)，和用于处理和显示由所述电离辐射检测探针(1)发送的信号的***(11)。

8.根据权利要求7所述的核材料监视设备，其中，当所述准直仪被附接到准直仪固定器(5)时，所述检测器(2)被容纳在所述准直仪(3)中。

9.根据权利要求7或8中的任一项所述的核材料监视设备，其中，所述电离辐射检测探针(1)是X和/或伽马光谱探针。

10.根据权利要求7至9中的任一项所述的核材料监视设备，其中，所述检测器(2)由CdTe或CdZnTn制成。

11.一种手套箱(9)，其特征在于，其装配有根据权利要求7至10中的任一项所述的核材料监视设备。

12.根据权利要求7至10中的任一项所述的核材料监视设备的使用，以识别在所述所监视的核材料中存在的一个或多个放射性元素。

13.根据权利要求7至10中的任一项所述的核材料监视设备的使用，以确定所述所监视的核材料的放射性。

14.根据权利要求7至10中的任一项所述的核材料监视设备的使用，以估计所述所监视的核材料的保留或去污因子上的变化。

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