本文選題：層析γ掃描 + 蒙特卡羅　； 參考：《成都理工大學》2014年博士論文

【摘要】：我國核工業(yè)發(fā)展幾十年中,各試驗基地積累了大量核廢物；國家對核電項目的重啟,促進了整個核工業(yè)鏈的發(fā)展,隨之而來的核廢物也將急劇增加。隨著核廢物的積累,其已成為阻礙核工業(yè)發(fā)展和威脅我國國家安全的一大隱患。受到歷史和技術條件的限制,大量的核廢物成分標簽遺失或破損,其中核素種類、含量、分布等關鍵信息缺失,為了安全、有效的對核廢物進行處置和處理,必須先對核廢物含有的核素進行定性和定量檢測,再進行分類處置�；瘜W破壞法分析很難取得有代表性的樣品,統(tǒng)計準確度極低,無損分析(Non-Destructive Assay, NDA)技術(有源、無源中子分析,有源、無源γ射線分析和量熱分析法)能夠在樣品化學形態(tài)和物理性質(zhì)不發(fā)生改變的情況下準確分析樣品中的放射性核素種類、含量,被認為是目前核廢物最為理想的分析技術。作為一種通過γ射線測量對樣品進行定性、定量分析的NDA方法,層析γ掃描(Tomographic Gamma Scanner,TGS)技術利用γ射線透射掃描重建出樣品的線衰減系數(shù)矩陣,解決了γ射線發(fā)射掃描過程中由于樣品介質(zhì)分布不均勻而引起的衰減校正不準確的問題,大幅提高了非均勻樣品中核素含量分析的準確度。國外從上世紀80年代末提出TGS技術,發(fā)展至今基本成熟,研制出多種型號的TGS系統(tǒng),并成功應用于超鈾、非均勻樣品中放射性核素含量的精確分析。我國起步較晚加上國外的技術壟斷,至今尚未研制出一套具有自主知識產(chǎn)權的TGS系統(tǒng),該技術的發(fā)展遠遠無法滿足實際工程需求,成為現(xiàn)今亟需解決的關鍵技術難題。本文根據(jù)國家杰出青年科學基金“核地球物理勘探技術儀器開發(fā)及應用研究(編號：41025015)”和國家自然科學基金“桶裝非均勻核廢物中鈾钚無損定量分析關鍵技術研究(編號：41274109)”的研究需求,在深入研究前人工作的基礎上,以TGS系統(tǒng)透射圖像重建和發(fā)射圖像重建為研究核心,研制完成了一套廢物桶層析γ掃描硬件系統(tǒng),并在準直器設計、數(shù)據(jù)預處理、幾何系數(shù)矩陣(系統(tǒng)矩陣)構建、無源效率刻度、透射和發(fā)射圖像重建等方面開展新算法和新方法研究。主要研究成果和結論如下：(1)TGS系統(tǒng)總體設計根據(jù)TGS系統(tǒng)的測量原理,討論了透射源和探測系統(tǒng)的選擇原則,成功研制了包括：屏蔽和準直器,放射源垂直升降,廢物桶(樣品)水平移動和旋轉(zhuǎn),探測器垂直升降,探測器水平移動平臺等模塊的TGS機械系統(tǒng)；開發(fā)了基于伺服電機和PLC控制的TGS機械控制系統(tǒng),實現(xiàn)了γ射線掃描測量自動化控制。(2)TGS系統(tǒng)準直器的蒙特卡羅優(yōu)化設計利用蒙特卡羅模擬與實驗相結合的方法,通過探測器死層和冷指修正,建立了TGS探測器模型,并對TGS系統(tǒng)的放射源準直器、探測器準直器優(yōu)化設計。獲得放射源準直器最優(yōu)參數(shù)：外徑為25.04cm的圓柱型,準直孔直徑為1.04cm,孔深為12cm；探測器準直器最優(yōu)參數(shù)：準直孔直徑為3.1cm,深度為18.6cm,截面幾何形狀為旋轉(zhuǎn)30°后的直徑3.1cm圓形外切的正六邊形為最佳截面。(3)實驗測量及數(shù)據(jù)預處理首先對自主開發(fā)的TGS測量系統(tǒng)進行調(diào)試,包括能量刻度、穩(wěn)定性測試、放射源源強校正等。然后利用平移不變小波變換對原始測量的γ能譜進行光滑,提高了原始數(shù)據(jù)的優(yōu)質(zhì)因子,降低了γ能譜數(shù)據(jù)的統(tǒng)計漲落。采用理論計算與實驗相結合計算γ射線全能峰高斯標準差,并建立了簡化、通用的HPGe探測器響應函數(shù)模型,并成功應用于探測效率分別為30%、50%、70%的HPGe探測器。最后設計并完成了TGS衰減系數(shù)測量、透射掃描測量、效率刻度等測量實驗。(4)廢物桶透射圖像重建模型研究分別采用代數(shù)迭代(Algebraic reconstruction technique ART)、Richardson迭代和EM (Expectation Maximizaxtion EM)迭代三種算法對3×3模型進行圖像重建,結果表明在采用相同系統(tǒng)矩陣時,EM算法的重建結果明顯優(yōu)于其他兩種迭代算法,本文選擇最優(yōu)的EM算法作為透射圖像重建算法。文中創(chuàng)新地提出了以體素中心法構建透射圖像重建系統(tǒng)矩陣模型。通過調(diào)節(jié)樣品模型中體素的材料和幾何分布,研究了系統(tǒng)矩陣的計算方法對重建結果的影響。研究結果表明：在體素密度較低、排布較為分散時,平均徑跡法重建效果最優(yōu)；當體素中含有線衰減系數(shù)較大的體素時,體素中心法對線衰減系數(shù)較大的體素重建效果最優(yōu)；“點-點”模型隨體素分布和材料的變化不明顯。最后利用實際測量實驗數(shù)據(jù),調(diào)節(jié)適當?shù)乃沙谝蜃咏⒘嘶贓M迭代算法的廢物桶透射圖像重建模型。(5)放射源發(fā)射圖像重建模型研究利用蒙特卡羅方法和實驗測量對核廢物桶γ射線發(fā)射測量進行了虛擬刻度；通過121.78keV、244.69keV等多能量γ射線衰減系數(shù)擬合的方法對透射圖像重建的線衰減系數(shù)進行校正,得到發(fā)射測量γ射線能量的衰減系數(shù)；建立了體素中心法Y射線發(fā)射測量的線衰減系數(shù)修正系統(tǒng)矩陣模型；創(chuàng)建了基于有序子集期望值最大化(Order Subset Expectation Maximizaxtion OSEM)重建算法的發(fā)射圖像重建模型,最后利用3×3x3模型分別對有、無衰減物質(zhì)時進行重建。當模型有衰減物質(zhì)時,其重建相對誤差為10.6%-18.4%,無衰減物質(zhì)時,單點源、多點源其重建相對誤差為0-2.2%,絕大部分低于0.5%。利用放射源發(fā)射多能量γ射線,建立了“金屬小球”模型,對重建后的放射源活度進行自吸收修正,大幅提高了重建的準確度。本文的創(chuàng)新點主要如下：(1)利用蒙特卡羅方法設計了適用于廢物桶檢測的TGS系統(tǒng)放射源準直器與探測器準直器結構。(2)利用平移不變小波變換對TGS測量數(shù)據(jù)平滑,并構建了簡化、通用的HPGe探測器響應函數(shù)模型,討論了相關參數(shù)與能量的函數(shù)關系。(3)建立了體素中心法計算TGS系統(tǒng)透射測量系統(tǒng)模型和放射源發(fā)射測量的線衰減系數(shù)修正系統(tǒng)矩陣模型,并建立了基于EM迭代算法的透射圖像重建模型和基于發(fā)射掃描分層為子集劃分原則的OSEM算法發(fā)射圖像重建模型。
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【學位授予單位】：成都理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TP391.41

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 朱榮保;核安全保障非破壞性分析研究與發(fā)展(Ⅰ)[J];核化學與放射化學;1990年02期

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1 ;“21世紀初輻射防護論壇”第四次會議暨低中放廢物管理和放射性物質(zhì)運輸學術研討會[A];“21世紀初輻射防護論壇”第四次會議暨低中放廢物管理和放射性物質(zhì)運輸學術研討會論文集[C];2005年

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1 劉靜;Genie 2000平臺下的SGS無損檢測信息系統(tǒng)研究[D];成都理工大學;2012年

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本文編號：1765290