浸入式中子成像设备以及使用所述设备的成像方法
【专利摘要】本发明涉及一种浸入在包含分析物的环境中的用于中子成像的设备，其特征在于，其包括第一转换器，所述第一转换器包括能够将热中子辐射转换为剩余贝塔辐射的第一材料，以及第二转换器，所述第二转换器包括能够将剩余贝塔辐射转换为光辐射的第二材料，所述第二转换器与所述第一转换器接触。本发明还涉及使用所述设备的浸入式中子成像方法。
【专利说明】浸入式中子成像设备以及使用所述设备的成像方法
[0001]本发明的【技术领域】为利用中子造影(neutronographique)成像的照射物体非破坏性测试。
[0002]中子造影是原理与X射线放射性造影类似的非破坏性测试技术。使用已调整的来自其源头的一束中子穿透被检查的物体来提供图像。
[0003]图1示意性地表示了传统的中子造影装置，其显示:置于慢化剂介质中(milieumoderateur)的中子源Sn,其旨在减小产生的中子的能量。准直器(collimateur)C的进入窗口被置于距离中子源计算好的距离上，该准直器调整粒子束。该图中显示了具有发散形状的准直器。准直器装备有过滤器(filtre)F，其由旨在充当伽马辐射的屏障的材料组成，而伽马辐射可以伴随中子传输。准直器包括吸收中子的内壁以及对于中子透明的充填气体。在准直器的出口，中子与被检查的物体Ob相互作用、传输通过被检查的物体Ob并且被探测器Dert吸收以形成图像。慢化剂元件的使用是必须的，因为，中子源一般发射快中子谱(spectre de neutrons rapides),而快中子谱非常难以适用于成像。所以，中子需要在介质中减速，而该介质即快中子源附近的慢化剂。可惜，该方法导致相当程度的强度损失，因为慢化剂对于中子不是完全透明的，而且其中总是发生寄生捕获(parasite capturer)。在慢化剂中，中子被连续的碰撞减速，伴之以能量向介质原子的传递。
[0004]由中子流如此分析和穿透的物体生成了对此物体特定的图像。确实，中子与物质的相互作用的特征在于散射以及吸收现象。特别地，中子具有通过金属结构探测介质中的氢原子的能力，而且 该分析可以由中子束在空间以及时间上的衰减入手。
[0005]研究用核反应堆(超高通量中子流(flux neutroniques tres importants)的产生者)是产生超高质量中子造影的最佳装置。实际上，在专用于生产非破坏性测试的装置中，研究用核反应堆占据非常重要的位置。
[0006]因为中子是间接电离粒子，它们的直接探测是相当困难的。为克服此障碍，探测器中使用了对于中子捕获具有非常大的横截面积(相互作用的概率)的材料，以取得高效率，与该捕获相伴的是可以激发传统探测器的电离粒子的二次发射(6mission secondaire):感光底片(films photographiques),闪烁体(scintillateurs)(随着与电离福射(光子或带电粒子)的相互作用而发射光的物质)。确实，闪烁发出的光不仅产生自吸收，还产生自其他类型的与电离辐射的相互作用，例如散射。
[0007]核领域中存在两种类型的中子造影装置:反应堆燃料池中的中子造影，其中的成像系统被尽可能接近池中的反应堆芯(coeur)地安装(此类系统是浸入式的，例如法国的OSIRIS中子造影系统或者荷兰佩縢(Petten)的HFR)，以及反应堆外的中子造影，其中的中子束从反应堆析出，以形成从反应堆燃料池出射的中子束(例如ORPHEE中子造影系统)。
[0008]OSIRIS是热功率为70兆瓦的实验反应堆。它是具有开放芯(coeur ouvert)的轻水池类型的反应堆，其主要目标是，进行测试，并且以高通量中子流照射用于大功率核电站的燃料元素和结构材料，以及产生放射性元素。
[0009]对于被照射的燃料元素的检查，由于进行检查的物体的照射性质的原因，显然浸入式中子造影是适宜的中子造影系统。[0010] 这种类型的高度照射物体浸入在反应堆燃料池的中子造影成像的严格的限制与用以形成中子造影图像的探测器的类型有关。因为其放射性的环境，该系统必须对伽马辐射不敏感，使得其只保存有用的信号(与热中子的相互作用)。当前，OSIRIS框架里为进行中子造影分析而使用的、并且安装在池底的设备主要由三部分组成:
[0011]-锥状准直器，其顶端稍微截断，铝合金板置于此处以形成中子的入口域；
[0012]-准直器的后部放有放置被检查物体的室；
[0013]-位于室的后部的支撑物，其放置着金属盒(cassettem6tallique),该金属盒中包括能够将中子流转换为β辐射的转换器。该盒为中子转换器提供了隔离舱(caissond’ isolement)，该中子转换器被设计成在照射阶段是浸入的。
[0014]整个装置是可移动的，其可以相对反应堆芯向前或向后移动。该技术被称为转移技术，因为放射显影图像是通过下面两个连续的步骤得到的:
[0015]-照射转换器；
[0016]-将盒转移出池后曝光感光底片，使得转换器的β辐射放射强度成像。
[0017]在将该系统的一部分转移出反应堆池后，允许只保留中子信号的该方法是基于这两个步骤产生的图像的:可激发的转换器被暴露于被检测的中子流的下游，然后该转换器被转移到池外以对其放射强度(贝塔放射强度)成像，其提供被检测物体的中子吸收的传输图像。其优点在于，可以直接在反应堆芯附近检测物体而不用将物体从池中移出，以及可以对高放射性物体成像，因为感光底片从来不在高放射性物体附近。这样，OSIRIS实验设备中的被照射的燃料棒可以在照射之前以及之后经历中子造影，这样就可以看到燃料状态的变化以及照射的效果。
[0018]但是，可以在这些条件下产生中子造影图像的系统需要使用可转移到反应堆燃料池外的由铝合金或其他(可激发的)金属材料组成的照射盒式的系统。该盒的激发给此测量过程带来了严格的限制(来自OSIRIS实验的反馈):操作员的处理时间、放射量测定。
[0019]另外，目前使用的通过转移来中子造影的方法需要将中子转换为剩余贝塔辐射(rayonnement beta remanent)的初级转换器应用于可以产生图像的第二个系统(放射显影底片或射线发光存储屏幕)，这需要将这两个元件尽可能完美地接触以最优化图像分辨率(使用真空箱等)，以及许多由操作员执行的操作。
[0020]由于这个原因，并且在用非破坏方法测试照射物体以及利用中子造影成像这个更一般的背景下，本发明的一个主题是一种浸入式的、通过样本(尤其是被照射的核燃料)的改进的中子成像来进行非破坏测试操作的新型设备。
[0021]有益地，本发明涉及反应堆燃料池中的浸入式中子造影(其目标尤其是在未来的RJH反应堆的中子造影系统中的应用)，本发明提供允许在反应堆燃料池中的高中子通量以及高伽马通量的环境下取得高分辨率中子造影图像的设备，本发明使用了可转移到该池外的系统，同时保证相关结构的最小激发，以确保对操作所述转移成像系统的操作员的最佳福射保护。
[0022]精确的说，本发明的第一个主题是浸入在包含待分析的样本的介质中的用于中子成像的设备，其特征在于，其包括第一转换器，所述第一转换器包括能够将中子辐射转换为剩余贝塔辐射的第一材料，以及第二转换器，所述第二转换器包括能够将剩余贝塔辐射转换为光辐射的第二材料，所述第二转换器与所述第一转换器持久接触。[0023]根据本发明的一种变体，所述设备还包括支撑物，所述支撑物包括氢化物质，所述第一和第二转换器位于其上，所述支撑物对于光辐射是透明的。
[0024]根据本发明的一种变体，所述第一材料包括镝。
[0025]根据本发明的一种变体，所述第二转换器包括闪烁体材料，所述闪烁体材料是包含钆的、可以是Gd2O2S (Tb)(可以用铽掺杂)类型的化合物。
[0026]根据本发明的一种变体，所述闪烁体材料混有有机粘合剂。
[0027]根据本发明的一种变体，所述第一转换器的厚度在一百微米的量级。
[0028]根据本发明的一种变体，所述第二转换器的厚度在十微米的量级。
[0029]根据本发明的一种变体，包括氢化物质的所述透明支撑物是聚甲基丙烯酸甲酯类型，其可以具有的厚度在几毫米的量级。
[0030]本发明的第二个主题为防漏系统，所述系统包括对所述介质防漏的舱，所述舱包含根据本发明的所述设备。
[0031]根据本发明的一种变体，所述舱由具有低中子流激活的材料组成，所述材料可以
是铝合金。
[0032]本发明的第三个主题是浸入介质的用于中子成像的方法，其使用本发明的防漏系统，其特征在于，所述方法包括下述步骤:
[0033]-所述防漏系统浸入包括待分析的样本的液体介质；
[0034]-中子流对所述系统的照射；
[0035]-从所述液体介质移出所述系统；
[0036]-移除所述防漏舱；
[0037]-记录所述第二转换器产生的闪烁。
[0038]有利地，待分析的物体自身不直接位于液体介质中(该液体介质可以是水)，而是被引入到室中，该室位于准直器末端和照射盒之间。该室填充有压缩空气以清理水。
[0039]根据本发明的一种变体，待分析的样本为已被照射或未被照射的核燃料，其未被照射的情况对应于在照射之前进行的中子造影检查。阅读下面的描述后本发明会被更好地理解，其他益处也会变得明显，下面的描述是以非限制性的例子和附图呈现的，其中:
[0040]-图1为根据现有技术的中子成像设备的示意图；
[0041]-图2为根据本发明的、包含第一和第二转换器的防漏系统的示意图。
[0042]-图3图示了记录闪烁的一个步骤，该闪烁是根据本发明的中子成像方法中的第二转换器产生的。
[0043]本发明会在反应堆燃料池中的照射物体的中子成像分析的框架下描述，但是其也可以应用于浸入在介质中的样本的非破坏测试的情况。
[0044]图2图示了本发明 使用的、被设计为浸入在产生中子的反应堆的池中的设备的一个例子。该设备包括第一转换器C1以及与第一转换器接触的第二转换器C2。根据此例子，第二转换器在支撑物S3的表面上。当中子流Fn通过设备的整体，其在第一转换器的第一材料中遇到中子捕获部位P1，在第二转换器C2的第二材料中遇到中子捕获部位P2并在支撑物S3的材料中遇到中子慢化部位P3。
[0045]第一转换器的材料是这样的:其能够在典型地为几小时的衰减时间里产生剩余β辐射。[0046]第一转换器被设置为紧密接触第二贝塔-光(bgta-lumiSre)转换器(闪烁体)，而该第二贝塔-光转换器进一步具有很强的中子吸收。该第二转换器从而具有三重功能:
[0047]-中子造影照射期间，当其被置于反应堆燃料池中的照射盒中时，通过吸收穿过初级转换器的剩余热中子流(大约中子流的85% )来减小该盒的激发；其然后被用作中子屏障，以保护位于中子流下游(en aval)的可激发结构(照射盒的靠后的面)；
[0048]-仍然是中子造影照射期间，通过吸收源自在初级转换器下游发生的势散射事件的寄生中子流，减低最终图像上的噪声从而提高图像质量；
[0049]-一旦被转移出池并转移出中子流，通过转换已被激发的初级转换器所发射的贝塔辐射以及记录其闪烁信号，提供中子造影图像。其与初级转换器的紧密接触可以保证图像的最佳均匀性和空间分辨率。
[0050]初级转换器和次级转换器的组合装置进一步被置于透明刚性支撑物之上，该透明刚性支撑物的角色是三重的:
[0051]-使尺寸大但是厚度很有限的板具有一定硬度，该透明刚性支撑物从而允许容易地操纵该组合装置；
[0052]-通过其氢化化合物(compos6shydrogenes)将快中子减速,从而降低快中子对照射盒的激发影响；
[0053]-通过吸收来自初级转换器的剩余贝塔辐射，在操作该组合装置时确保加强生物防护，但不会吸收次 级转换器产生的光信号。
[0054]如此形成的设备被集成到防漏舱(caisson 6tanche)B内，如图2所示,其形成允许该两个转换器的组合装置的浸入的、不会降解并且不会与浸入介质相互作用的完美防漏系统。防漏密封的作用还在于，避免中子在其从准直器的起始处到转换器的路径上遇到水，否则不可能得到正确的图像。
[0055]因此下述部件是防漏的而且充满气体(氦或空气):准直器，容纳被检测物体的室以及容纳转换器的盒。
[0056]为了记录闪烁，防漏舱从浸入介质移出，而支撑物和转换器从其中取出。
[0057]图3图示了通过照相机型设备民记录闪烁的步骤。图像实际上是通过记录次级转换器产生的闪烁而生成的，所述照相机的位置使其直视覆盖次级转换器的透明支撑物的表面，而不必使用反射图像的系统，这大大简化了广泛用于直接中子造影的、使用镜子(使照相机离轴放置，从而保护照相机的电路免于剩余中子或伽马辐射)的此类读取方法。
[0058]图3示出了剩余贝塔辐射Fe，由于该辐射在捕获中心P1有几小时的衰减时间，该剩余贝塔辐射的传输转而允许在闪烁中心P4产生光辐射Fp
[0059]第一转换器的第一材料可以由例如镝组成，而转换器的厚度可以为大约150微米。
[0060]第二转换器的第二材料可以包括例如混有有机粘结剂的Gd2O2S(Tb) (Gadox)。第二转换器的厚度可以为大约10微米。
[0061]透明支撑物可以由Plexiglas? (聚甲基丙烯酸甲酯或PMMA)组成，其厚度为5毫米。
[0062]这样，中子吸收转换器(:2以及支撑物S3都提供了屏蔽照射盒以及吸收散射中子的功能。所提供的技术方案具有如下优点:通过使用具有多重角色的部件，本方案其使系统花费下降；而同时，本方案避免了使用与操作员接触的有毒的中子吸收材料(镉)。
[0063]制造时，将两个转换器以及刚性透明氢化支撑物紧密接触保证了得到非常好的空间分辨率，这是由于次级转换器所需的厚度减小了(大约10微米，不需要两个转换器的表面之间的任何额外的表面层)。相对于现有方法所允许的最佳空间分辨率(从初级转换器转移到薄X射线底片)，提高2倍的空间分辨率是可以达到的。
[0064]其具有的优点还有，因为其不需要将两个部件接触(使用真空箱等)，大大减小了测量过程的时长。 [0065]另外，转换器C2吸收中子的能力有益于获取高质量图像，因为其消除了从设备后部后向散射到转换器C1的不需要的中子。
[0066]使用不可激发的透明氢化支撑物有益于减小盒的激发，而盒的激发是由于热化(thermalisant)入射中子谱快速部分的快中子反应((η, ρ)或(η,2η)型中子激发反应)，这就允许了使用包括所有能量中子的中子谱。
[0067]这些反应是激发反应类型的反应，该类型的反应从入射的快中子产生放射性元素并对应于:
[0068]-(η, ρ)产生原子序数减I的同位素,而质量数守恒。
[0069]_(η，2η)产生具有相同原子序数的同位素，但其质量数减I。
[0070]这些反应只存在于超过特定能量的中子中，高能、快中子。
[0071]转移出池后，透明氢化支撑物对来自初级转换器的贝塔辐射的生物防护提供了这样的可能性，即操作员的操作中很少或者没有辐射暴露。
[0072]氢化支撑物对于次级转换器发射的闪烁光的透明性允许对应于初级转换器的全部的表面被直接成像，而不必使用任何复杂的光学器件也不需要额外的像现有方法中那样的数字化步骤。
【权利要求】
1.一种浸入在包含待分析的样本的介质中的用于中子成像的设备，其特征在于，所述设备包括第一转换器(C1)，所述第一转换器包括第一材料，所述第一材料能够通过该材料的中子激发将热中子辐射转换为剩余贝塔辐射，所述设备还包括第二转换器(C2),所述第二转换器包括第二材料，所述第二材料能够通过捕捉来吸收热中子辐射并且能够将剩余贝塔辐射转换为光辐射，所述第二转换器与所述第一转换器接触。
2.根据权利要求1所述的用于中子成像的设备，其特征在于，所述设备还包括支撑物(S3)，所述支撑物包括氢化物质，所述第二转换器位于所述氢化物质上，所述支撑物对于所述光辐射是透明的。
3.根据权利要求1和2中任意一项所述的用于中子成像的设备，其特征在于，所述第一材料包括镝。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的用于中子成像的设备，其特征在于，所述第二转换器包括闪烁体材料，所述闪烁体材料是包括钆的、可以是Gd2O2SCTb掺杂)类型的化合物。
5.根据权利要求4所述的用于中子成像的设备，其特征在于，所述闪烁体材料混有有机粘合剂。
6.根据前述权利要求中的一项所述的用于中子成像的设备，其特征在于，所述第一转换器的厚度在一百微米的量级。
7.根据前述权利要求中的一项所述的用于中子成像的设备，其特征在于，所述第二转换器的厚度在十微米的量级。
8.根据权利要求2至7中任意一项所述的用于中子成像的设备，其特征在于，所述支撑物包括具有氢化物质的、聚甲基丙烯酸甲酯类型的透明材料，所述支撑物可以具有的厚度在几毫米的量级。
9.一种浸入在介质中的用于中子成像的防漏系统，其特征在于，所述系统包括如权利要求2至8中的一项所述的设备以及对于所述介质防漏的舱(B)，所述舱包含第一转换器(C1)、第二转换器(C2)以及支撑物(S3)。
10.一种浸入在介质中的用于中子成像的方法，所述方法使用如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述方法包括下述步骤: -所述系统浸入包括待分析的样本的液体介质； -中子流对所述系统的照射； -从所述液体介质移出所述系统； -从所述防漏舱移出所述转换器； -记录所述第二转换器(C2)产生的闪烁。
11.根据权利要求10所述的中子成像方法，其特征在于，所述待分析的样本是核燃料。
【文档编号】G01N21/62GK103946338SQ201280057140
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年11月21日 优先权日:2011年11月22日
【发明者】E·西蒙 申请人:原子能和能源替代品委员会