大中型挖泥船产量测试系统的理论分析与系统设计

摘要

核技术由于其特殊的优越性,近年来在工业、医学各领域获得了广泛的应用.它可以实现对物质厚度、密度和质量的非接触测量,实现对武器弹药的无损检测以及肿瘤的检测和治疗等等.但由于应用核技术可能导致的放射性污染,在设计核仪器仪表时,就需要特别关注系统的安全性.当前,提高测量精度,加强辐射防护,减小辐射污染是核仪表领域发展的重要趋势.挖泥船产量计是提高水利水运疏浚效率的重要设备,对国民生产有重要意义.该论文工作介绍产量计系统的设计和相关理论研究.首先我们介绍了产量计的工作原理.整个产量计系统由三部分组成,分别为γ射线密度计、电磁流量计和计算机系统.其中核心部分为γ射线密度计,它利用物质对γ射线的吸收机制实现对泥浆密度的实时在线测量.电磁流量计则通过测量泥浆流动时切割垂直于其运动方向的磁场所产生的感生电动势,实现流量的在线测量.计算机系统则实现数据的采集和处理.为实现系统的优化设计,我们利用Monte Carlo方法详细模拟了密度计系统的测量线性、传输特性、灵敏度、系统安全性以及测量精度,分析了影响它们的主要因数.在模拟过程中我们采用了GEANT4软件包,它是由欧洲核子研究中心的科学家利用现代软件工程和面向对象技术开发的粒子输运过程Monte Carlo模拟软件包.我们研究的结果验证了泥浆密度与射线强度衰减的关系,这是密度计实现密度测量的基本依据.并且通过适当的选择放射源、探测器和设计铅罐可以明显改善系统的安全性能,提高测量的精度和系统灵敏度.在理论分析的基础上,我们阐述了系统的前端设计,包括放射源的选择、源强的计算、铅罐的设计,探测器的选择以及前置放大器、高压电源的设计.在整个设计中,我们力求在保证测量精度的前提下,尽可能提高系统的安全性,加强对环境的保护,这符合当前全球对环保愈加重视的大趋势,同时我们也注意提高测量的灵敏度.其次,论文论述了系统的硬件和软件设计,基于良好性价比的考虑我们采用工业控制PC,设计了基于ISA总线的数据采集卡.在前期需求分析的基础上我们选择MS-DOS操作系统,在此平台上利用C语言编写了系统软件.整个软件采用模块化结构,层次分明,人机界面友好,易于使用和维护.用户通过功能按键调用相应的功能模块实现对应的功能.数据的采集通过BIOS软中断INTlCH实现,我们通过替换该中断的服务子程序实现每5秒91次的数据采集.同时,论文还给出了在调试过程中对系统的测试数据.包括高压坪和阈坪曲线,输出电路的线性、高压稳定性、仪器稳定性等.最后我们采用国内外通用的方法(实验室和工厂模拟试验),对系统进行模拟标定测试,详细的误差分析表明系统性能达到并超过了设计指标,在国内外各厂家生产的产量计中位居前列.在研制过程中作者提出了一种新的数据采集和处理算法,通过对该算法的详细研究表明,该算法可以显著的提高系统的测量精度和安全性能.此外,我们还探讨了应用BGO晶体替代NaI的可行性和其他相关的措施,以进一步提高系统的测量精度和安全性.最后,该文还就今后进一步发展的方向进行了讨论.整个产量计系统投入现场使用以来,工作稳定可靠,经受住了恶劣工况的考验,经济效果明显,受到了用户的好评.该论文的主要创新之处包括:1.首次利用Monte Carlo方法对系统进行了全面的模拟研究,采用GEANT4软件包实现对γ射线穿透管道过程的Monte Carlo模拟.由于软件模拟的快捷方便,我们得以克服实际实验中的局限和困难,对影响系统测量精度、灵敏度以及安全性的各种可能因数进行全面的分析.由此给出了大中型挖泥船泥浆密度计的理想的设计方案.2.首次研究了探测器周围环境泄漏辐射的剂量场分布.并详细分析了影响系统安全性的各种因数,首次在系统设计中将系统的安全性能作为与测量精度同等重要的指标.加强了对环境的保护,也有利于核技术的推广.3.首次研究了测量的灵敏度与各种因数的关系.特别是利用Monte Carlo方法分析了射线能量,放射源准直特性,管道直径,探测器等对系统灵敏度的影响.4.采用了独创的一体化结构,测量精度高,安装调试方便,不受恶劣工矿条件影响,耐磨、耐切割性能好,稳定可靠,维护量极小.5.设计了基于工业PC的数据采集和处理电路,开发了相应的系统软件,实现了多参数的实时在线测量.6.独立提出了一种新的数据处理算法.该算法可以显著提高系统测量的精度和安全性能.7.首次提出并论证了利用BGO晶体替代NaI晶体用于中低能γ射线计数测量的可行性.用作大中型挖泥船泥浆密度探测器将显著改善系统的测量精度和安全性.

目录

文摘

英文文摘

前言

致谢

第一章挖泥船产量计的工作原理

§1.1课题背景和国内外现状

§1.2物质对γ射线的吸收规律

§1.3 γ射线密度计的工作原理

§1.4电磁流量计的工作原理［3,5,73,74］

§1.5产量计的工作原理

第二章γ射线密度计的理论分析

§2.1 MONTE CARLO方法的基本原理［8,26,27］

§2.2 GEANT4软件包简介

§2.3 γ射线密度计响应特性的Monte Carlo模拟［10］

§2.4 γ射线密度计灵敏度的Monte Carlo模拟

§2.5 γ射线密度计安全性的Monte Carlo模拟

§2.6γ射线密度计测量精度的理论分析

第三章系统结构与前端设计

§3.1设计指标及要求

§3.2产量计整体结构框图

§3.3放射源的选择

§3.4铅罐的设计

§3.5测量管道的一体化设计

§3.6探测器的选择

§3.7高压电源的设计

§3.8密度、流量信号的处理、采集与输出

§3.9计算机的选型

§3.10软件的设计思想

第四章产量计硬件电路设计

§4.1探头前置电路的设计

§4.2高压电源电路的设计

§4.3密度信号的采集与处理电路的设计

§4.4流量信号的采集与处理电路的设计

§4.5输出电路设计

第五章系统软件设计

§5.1系统软件设计概述

§5.2中断服务程序设计

第六章系统性能测试与现场使用

§6.1系统性能测试

§6.2误差分析

§6.3现场使用情况

第七章提高系统安全性和测量精度的讨论

§7.1一种提高测量精度和系统安全性新算法的研究

§7.2 BGO晶体在 γ射线密度计系统中应用的可行性

§7.3其他改进方案

第八章总结和展望

在学期间发表论文情况

参考文献