CN103163090A

CN103163090A - 一种用于反应堆厂房内部的钋气溶胶浓度检测***

Info

Publication number: CN103163090A
Application number: CN2013100416900A
Authority: CN
Inventors: 汪建业; 杨明翰; 徐鹏; 邵慧; 王亮
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2013-02-02
Filing date: 2013-02-02
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2033-02-02
Also published as: CN103163090B

Abstract

本发明涉及一种用于反应堆厂房内部的钋气溶胶浓度检测***，由激光光源（1）、干涉仪（2）、反应堆厂房墙壁（3）、接收望远镜（4）、光电转换装置（5）、角反射器（6）以及计算机处理***（7）组成；测量时，光源发出的激光首先通过干涉仪（2）调制，随后射入长程吸收光路中，通过安装在反应堆厂房墙壁（3）上的若干角反射器（6）反射传播，角反射器数量由反应堆厂房结构和吸收光路的长度决定，最后由接收望远镜（4）接收，光电转换装置（5）将接收的光信号转换成为电信号送入计算机处理***（7）生成傅里叶光谱，通过计算得出钋气溶胶的浓度。本发明使得对反应堆内生成的钋气溶胶进行快速、准确的测量成为可能，确保了反应堆内部及周边的安全。

Description

一种用于反应堆厂房内部的钋气溶胶浓度检测***

技术领域

本发明涉及核安全领域，具体涉及一种能够实时测量反应堆内钋气溶胶浓度的***。

背景技术

核反应堆一般会产生许多带有放射性的产物，因此，对核反应堆厂房的放射性检测是非常重要的，关系到在厂内的工作人员的生命安全，也关系到厂房周边的环境安全。

在某些反应堆中，会产生放射性物质钋210（以气溶胶的形式存在）。由于其一般在大气中的浓度极小而毒性极大，因此需要能够迅速有效的检测钋210浓度设备和方法。目前常用的检测方法为电化学法沉积处理后再通过α能谱仪检测（Kostadinoy K N等：J RadioanalChem42（2）:411~415,1978），但是其缺点是检测时间很长，估计约超过2h，无法满足实时高效的需求。

在环境光学中，经常利用傅里叶变换光谱进行大气常见污染物如SO2，NO等的浓度实时测量。傅里叶变换光谱是一种这样的技术：利用干涉光经过待测气体吸收后得到光强的傅里叶频谱，再通过反演得到待测气体浓度。其特点就是精度高，可实时测量。另外，相比较与传统的测量方法，傅里叶变换光谱测量对操作人员的要求和所需的成本都要大大的降低。

发明内容

本发明要解决的问题是：克服现有技术的不足，提供一种可以实时检测反应堆厂房内钋气溶胶浓度的***，利用傅里叶变换光谱的特点以及长程的吸收光路，实现对反应堆厂房内钋气溶胶的实时检测，保证厂房内工作人员的安全以及厂房周边环境的安全。

本发明的技术方案如下：一种用于反应堆厂房内部的钋气溶胶浓度检测***，由激光光源1、干涉仪2、反应堆厂房墙壁3、接收望远镜4、光电转换装置5、角反射器6以及计算机处理***7组成。

目前已知钋210的吸收峰为449.3nm、430.2nm和417.0nm。因此，为了保证钋气溶胶对于光的吸收量，该***中使用的光源采用中心波长为417~450nm的蓝紫光激光器。

钋气溶胶浓度检测***所需要的相干光由迈克尔逊干涉仪产生。

钋气溶胶浓度检测***中的长程吸收光路设计如下：

傅里叶变换光谱测量***主要基于的原理是比尔朗伯吸收定律：I=I₀·exp（-бcL），其中I表示接收光强，I₀表示出射光强，б表示待测气体吸收截面，c表示气体浓度。依据DavidM Haaland,Robert G Easterling.Application of new least-squares methods for the quantitativeinfrared analysis ofmulticomponent samples[J].Applied Spectroscopy，1982,36（6）:665-672，比尔朗伯吸收定律的线性使用限度为In（I0/I）≤0.7。设***的光电转换装置可感应到的光强为I，激光器的出射光强为I₀，钋气溶胶的吸收截面为б，反应堆厂房内标准空气中的钋气溶胶浓度为c_标准，结合比尔朗伯吸收定律，估算出***所需要的吸收光路L=ln（I₀/I）/（бc_标准），同时需要满足比尔朗伯定律的线性使用范围In（I₀/I）≤0.7。钋210在450nm左右的吸收截面约10^-14cm²量级，根据大量测试实验得到的数据，一般ln（I₀/I）约为10^-23量级左右。假设待测气体浓度约为10^-11-10^-12mg/m³左右（根据大气中钋210的最大允许浓度0.2Bq/m³），那么可以估算这时所需要的光路长度约为10²m量级，又由于一般反应堆运行时厂房内钋浓度会比正常大气中的浓度高很多，因此，完全可以满足实际堆内厂房的钋检测的需要。具体的光路设计要依据所要求测量的钋210浓度所决定。

设***所使用的两个厂房墙壁分别为A与B，以A或B作为y轴，A或B的垂直方向作为x轴，由于设计的光路是在两个平行墙壁AB之间来回传播，那么实际光路中两个相邻的角反射器（即一面墙壁上的角反射器和另一面墙上接收该镜反射光的角反射器）之间的距离为：L₀=（（L_间距）²+（L’）²）^1/2，其中，L_间距表示反应堆墙壁之间的间距，L’表示两相邻角反射器之间的y轴向距离。由于一般L’较小，可以忽略，这样可以大致估算出所需要的反射器数量约为N=L/L_间距+1。

每个角反射器安置的位置由如下方法确定：

（1）安放的高度与之前的安置好的角反射器和光源一致；

（2）安放的次序为两墙面间交替安放，以使得光能在两墙面间交替传播；

（3）每个角反射器在水平方向上与光路中上一个角反射器的距离设定为ΔL，这里设定ΔL/L_间距=tan0.0872，以使得水平方向上有足够的距离校准光路，同时又不会使得实际光路与设计光路偏差过大。

为了能够减少因为长程光路引起的激光光斑扩散，光路的接受端使用反向安装的接收望远镜将激光聚束，耦合进入PIN光电二极管中。

光电二极管将接收的干涉光强信号传输入计算机中。以固定的速率移动迈克尔逊干涉仪的动镜，这样就可以得到干涉光强随时间的变化曲线I（δ），其中δ表示迈克尔逊干涉仪造成的光程差。随后，计算机将该变化曲线做傅里叶变换：B（v）为生成的傅里叶频谱。随后再基于标准频谱图利用非线性最小二乘法：

迭代计算出使得目标函数x最小的a，即可反演出待测的钋气溶胶浓度。以上的计算均由计算机完成，因此在计算速度上均有保证，可以达到实时的要求。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明所采用的傅里叶变换光谱法具有分辨率高、抗噪能力强的优点，尤其适合痕量物质的检测；

（2）本发明连续出光，连续测量，因此可以达到实时测量的效果，可以连续检测待测物质的浓度变化；

（3）本发明采用是光谱法测量，它是一种无损检测方法，不影响厂房内部的正常运作，对于进入厂房内部的人员也不会产生任何影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，其中包括激光光源1、干涉仪2、反应堆厂房墙壁3、接收望远镜4、光电转换装置5、角反射器6以及计算机处理***7。

图2为本发明的原理方框图。蓝紫光激光器发出激光，经过干涉仪调制，穿过含有钋气溶胶的空气的开放式长程吸收光路，通过接收与转换，形成电信号输入计算机，进行傅里叶变换得到傅里叶吸收光谱，进过计算机的拟合计算，得到待测的钋气溶胶浓度。

具体实施方式

如图1所示，***有激光光源1、干涉仪2、反应堆厂房墙壁3、接收望远镜4、光电转换装置5、角反射器6以及计算机处理***7组成；其中反应堆厂房墙壁3中的角反射器6数量由以下方法确定：

首先，利用比尔朗伯定律I=I₀·exp（-бcL）,其中I₀表示激光光源出射光强，I表示经过吸收后接收的光强，б表示待测气体的吸收截面，L表示光路长度，c表示待测气体浓度，和实际所需要达到的测量精度估算出所需要的吸收光路的长度L，并且利用反应堆墙壁之间的距离L_间距估算实际光路所需要的角反射器数量N=L/L_间距+1；

角反射器6的布置由如下方法确定：

安放的高度与之前的安置好的角反射器和光源一致；

安放的次序为两墙面间交替安放，以使得光能在两墙面间交替传播；

每个角反射器在水平方向上与光路中上一个角反射器的距离设定为ΔL，这里满足ΔL/L_间距＝tan0.0872即可，以使得水平方向上有足够的距离校准光路，同时又不会使得实际光路与设计光路偏差过大。

长程吸收光路角反射器6的调节方式如下：

（1）固定好***的激光光源和干涉仪，选定好激光的初始入射角度；

（2）将***的激光光源发出的光作为准直光，射向光路中的第一个角反射器，调节其反射器的角度，使得准直激光能够耦合到光路的第二个角反射器中，随后固定第一个角反射器角度；

（3）依照步骤（2），调节第N-1个角反射器的角度，使准直激光能够耦合进第N个角反射器中（N<角反射器数），接着固定第N-1个反射镜的角度；

（4）调节吸收光路的最后一个角反射器的角度，使得准直激光能够耦合进作为光接收装置的望远镜，固定最后一个角反射器的角度；

（5）调节望远镜的摆放角度，使得准直激光能够耦合进入光电转换装置。

本发明的钋气溶胶浓度检测***的具体测量步骤如下：

先利用***的激光器发出的激光作为准直光调节长程光路中若干个角反射器的角度，直到激光能很好的耦合进接收望远镜中；随后再开启计算机处理***，以固定的速率移动干涉仪上的动镜；激光器发出的蓝紫光通过干涉仪进入长程吸收光路，由望远镜接收，光电转换装置将干涉光强转换，送入计算机处理***中形成干涉图，此干涉图表示的就是干涉光的光强I，再做傅里叶变换

形成傅里叶频谱图，其中v与δ分别表示波数与干涉仪造成的光程差，I（δ）表示光强分布，B₀表示光谱分布；再基于合成校准光谱，利用非线性最小二乘法拟合出钋容胶的浓度：

其中a表示浓度参数，B_j表示测量得到的光谱，B_cal（v_j,a）表示校准光谱，x为目标函数，最终，通过不断的迭代得到一个能使得目标函数x最小的a,这样就算出了钋气溶胶的浓度。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于反应堆厂房内部的钋气溶胶浓度检测***，其特征在于包括：激光光源（1）、干涉仪（2）、反应堆厂房墙壁（3）、接收望远镜（4）、光电转换装置（5）、角反射器（6）以及计算机处理***（7）；经过干涉仪（2）调制后的光穿过含有钋气溶胶的空气的开放式长程吸收光路，由接收望远镜（4）接收后由光电转换装置（5）将光信号转换为电信号，再将转换形成的电信号输入计算机处理***（7）进行傅里叶变换得到傅里叶吸收光谱：

其中，v与δ分别表示波数与干涉仪造成的光程差，I（δ）表示光强分布，B₀表示光谱分布；然后基于合成校准光谱，利用非线性最小二乘法计算出钋容胶的浓度：

其中a表示浓度参数，B_j表示测量得到的光谱，B_cal（v_j,a）表示校准光谱，x为目标函数，利用迭代的方法找到一个a，使得目标函数x最小。

2.根据权利要求1所述的用于反应堆厂房内部的钋气溶胶浓度检测***，其特征在于：所述激光光源（1）采用中心波长为417~450nm的蓝紫光激光器。

3.根据权利要求1所述的用于反应堆厂房内部的钋气溶胶浓度检测***，其特征在于：所述的开放式长程光路具体结构设计如下：

（1）将反应堆厂房作为气室，使得***所用的吸收光路成为开放式的吸收光路；

（2）在反应堆厂房内部的两平行墙壁上分别安置N个角反射器（6），通过安装了角反射器（6）的两墙面间不断交替反射的方式在有限的厂房空间内延长光路；

（3）利用比尔朗伯定律I=I₀·exp（-бcL）,其中I₀表示激光光源（1）出射光强，I表示经过吸收后接收的光强，б表示待测气体的吸收截面，L表示光路长度，c表示待测气体浓度，和实际所需要达到的测量精度估算出所需要的吸收光路的长度L，并且利用反应堆墙壁（3）之间的距离L_间距计算实际光路所需要的角反射器（6）数量N=L/L_间距+1；

（4）每个角反射器（6）安置的位置由如下方式确定：

安放的高度与之前的安置好的角反射器（6）和光源一致；

每个角反射器（6）在水平方向上与光路中上一个角反射器的距离设定为ΔL，

此处设定ΔL/L_间距=tan0.0872，以使得水平方向上有足够的间距用以校准光路，同时又不会使得实际光路与设计光路偏差过大；

（5）光路末端利用反向安置的接收望远镜作为接收装置，使得光在长程传播后聚束。

4.根据权利要求3所述的用于反应堆厂房内部的钋气溶胶浓度检测***，其特征在于：所述接收望远镜（4）的调节方法如下：

a.固定好***的激光光源（1）和干涉仪（2），选定好激光的初始入射角度；

b.将***的激光光源（1）发出的光作为准直光，射向光路中的第一个角反射器（6），调节其反射镜的角度，使得准直激光能够耦合到光路的第二个角反射器（6）中，随后固定第一个角反射器（6）角度；

c.依照步骤b，调节第N-1个角反射器（6）的角度，使准直激光能够耦合进第N个角反射器（6）中（N<角反射器数），接着固定第N-1个反射器（6）的角度；

d.调节吸收光路的最后一个角反射器的角度，使得准直激光能够耦合进作为光接收装置的望远镜，固定最后一个角反射器（6）的角度；

e.调节接收望远镜的摆放角度，使得准直激光能够耦合进入光电转换装置。

5.根据权利要求1所述的用于反应堆厂房内部的钋气溶胶浓度检测***，其特征在于：所述的***的光电转换装置使用增强型PIN光电二极管作为光电转换装置（5），将聚束后的光耦合进光电探测器，转化为电信号输入计算机处理***（7）。