用于确定物体的密度和尺寸特性的方法和系统以及在制造过程中检查核燃料芯块的应用

摘要

本发明涉及用于自动确定物体(100)的密度的系统，所述系统包括：用于确定物体(100)的有效尺寸(X)的单元(2)，用于确定由于通过所述物体(100)而衰减的光子束的强度(I)的单元(30)，采集、处理和分析单元(200)，传送所述物体(100)的装置(70、72、80、82、84、86、88)，调节所述物体(100)的位置的第一装置(74、76、78)，调节所述物体(100)的位置的第二装置(90、92、94、96、98)。本发明还涉及使用上述系统的方法，所述方法包括校准单元(2)和(30)的部件的步骤以及确定所述物体(100)的有效尺寸的步骤。所述步骤在所述物体组中的每个物体(100)上进行。

说明书

技术领域

本发明涉及非破坏性分析技术的领域。

更具体来说，本发明可应用于通过直线光子衰减自动确定物体的密度以及自动确定它们的尺寸特性的方法和系统。

其应用之一是检验和监控诸如UOX和/或MOX的核燃料芯块的物体制造和加工单元的正确操作，且尤其用于监控制造上述物体的再现性，这与物体的密度相关。

其也可用于确定轴向和径向密度梯度，因而用于作为非常精密的计算断层照相(CT)扫描仪。

背景技术

已经提出了用于确定密度、具体来说是确定地质采样的密度的非破坏性放射性核方法。在参考文献Been，K.的“Non-destructive Soil Bulkdensity Measurement by X-ray Attenuation”，《Geotechnical Testing Journal》GTJODJ，Vol.4，No.4，Dec.1981，PP 169-176中，作者提出在不力图精确地确定所涉及采样的尺寸的情况下通过使用X射线管的直线光子衰减的采样密度测量法。在参考文献Tan，S.-A和Fwa，T.-F的“Non-destructiveDensity Measurements of Cylindrical Specimens by Gamma-RayAttenuation”，《Journal of Testing Evaluation》JTEVA，Vol.19，No.2，March1991，PP.155-160中以及Tan，S.-A和Fwa，T.-F的“DensityMeasurements of Cylindrical Specimens with in a Mold by Gamma-Rays”，《Journal of Testing Evaluation》JTEVA，Vol.21，No.4，July 1993，PP.296-301中，作者提出通过使用伽马(gamma)辐射的直线光子衰减确定地质采样的密度的测量法。他们已经确定并证明采样的几何参数对密度测量法的精度的影响，但是他们没有提出精确地确定所述几何参数的解决方案。

要注意尽管上述文献涉及采样密度，但其目的实际上是确定所述物体每单位体积的质量。为简化说明，使用术语“密度”代替“每单位体积的质量”。

发明内容

本发明的目的在于通过确定各个所述物体相对于用作基准或标准的所述物体中的至少一个的已知密度的变化来确定属于给定物体组的物体的密度。

该所述物体的密度的确定利用包括通过伽马光子辐照(irradiation)的非破坏性核技术以及利用伽马光谱测定仪器来确定伽马光子束的强度而实现。

确定所述物体的密度需要先确定物体的至少一个有效尺寸。

与上述现有技术中所述的方法不同，本发明通过非常精确地测量待定密度物体的至少一个有效尺寸并使用该测得的有效尺寸来确定被测物体的密度而考虑了几何参数的影响。所述有效尺寸可以是宽度或直径，并对应于伽马光子束所通过的有效尺寸。

用于确定物体的有效尺寸的方法形成用以确定所述物体的密度的方法的一部分。其使用了红外辐射仪器来测量尺寸。

简单地回忆一下：通过光子衰减确定物体密度的物理原理包括以具有能量E的单频光子所组成的查询束(query beam)辐照物体。光子束的强度作为其所通过的物体的密度、其所通过的材料的厚度以及其所通过的物体的基本化学成分的函数而或多或少地衰减。该强度通过以下等式得出：

I＝I₀ exp(-μ_mρX)

其中：

—I是光子束的衰减强度，单位光子^-1，

—I₀是具有能量E的光子束的无衰减强度，单位光子^-1，

—μ_m是物体中具有能量E的光子的质量衰减系数，单位cm²·g^-1，

—ρ是待测物体的密度，单位g·cm^-3，

—X是光子束所通过的材料的厚度或物体的有效尺寸，单位cm。

直接推导出物体密度的表达式为：

$$ >>\rho >=>>>Ln>[>>>I>O>>I>>]>>>>\mu >m>>X>>>>$$

因此，如果已知在待测物体插入和没插入的情况下传输的强度、实际通过的物体的质量衰减系数μ_m和有效尺寸X，则能够确定所述物体的密度ρ。

本发明提出确定光子束所通过的物体的材料的厚度以及以能级E所传输的光子束的强度I，以及使用这些值来计算相对于至少一个参照标准物体的密度的该物体的密度ρ的相对变化。本发明的特点在于材料厚度(物体的有效尺寸)以及光子束的强度的确定是在大约1微米的精度的情况下作出的。

待测物体的密度ρ的相对变化利用下面的表达式得出：

$$ >>>\Delta \rho >\rho >>=>>>\rho >->>\rho >e>>>\rho >>=>>>x>e>>x>>[>1>=>>>>L>n>>>I>>I>e>>>>>>\mu >m>>>\rho >e>>>x>e>>>>]>>$$

其中ρ_e是用作密度标准的物体的已知密度，而X_e是在标准密度情况下在物体中通过的有效尺寸。

在化学成分与待测物体相同的情况下，取决于物体的化学成分的质量衰减系数μ_m由一个或几个经过验证且完全已知的标准物体来确定。在一个将在下文描述的步骤中确定仪器的校准情况以确定由于通过标准物体所衰减的光子束的强度。

当待测物体具有圆形截面时，所通过的有效尺寸对应于其直径。当待测物体形状为平行六面体时，所通过的有效尺寸是物体的宽度。

在余下的描述中，当需要在物体100的组中区别物体i和/或在物体100的组中区别标准物体e时使用下面的符号：

—标记emas表示相对于具有标准密度的物体的大小，例如其有效尺寸X_emas，

—标记edim表示相对于具有标准尺寸的物体的大小，例如其有效尺寸X_edim。

根据本发明的第一方面，用于自动确定属于一物体组的物体的密度的系统包括：

—用以确定所述物体的有效尺寸的仪器，

—用以确定由于通过所述物体而衰减的光子束的强度的仪器，

—采集、处理和分析仪器，

—将物体传送到用于确定其有效尺寸的仪器并朝用于确定光子束的衰减强度的仪器传送的装置，

—调节物体相对于用于确定有效尺寸的仪器的位置的第一装置，

—调节物体相对于用于确定衰减光子强度的仪器的位置的第二装置，

所述第一和第二调节装置能够相对于一支撑板以1微米量级的精度移动物体，其中构成所述系统的元件安装在该支撑板上，

以及，物体相对于用于确定衰减强度的仪器的位置作为所述物体的有效尺寸的函数而被调节。

优选地，用于确定物体的有效尺寸的仪器是使用红外辐射的测量仪器。

优选地，用于确定由于穿过物体所衰减的光子束的强度的仪器是伽马(gamma)光谱测定仪器，其包括：

—由源和准直仪(collimator)构成的组件，

—由检测器和准直仪构成的组件，

—伽马光子采集和计数系统。

本发明使用了传送装置以及相对于用于确定物体的有效尺寸的仪器和/或相对于用于确定衰减强度的仪器来调节各个待测物体的位置的装置，所述位置调节装置能够提供1微米量级的精度。

根据本发明的第二方面，本发明涉及一种使用用于自动确定属于物体组的物体(100)的密度的系统的方法，且包括以下校准步骤：

—步骤1，校准用以确定物体的有效尺寸的仪器中的两组红外组件的位置，

—步骤2，校准用于确定由于通过物体所衰减的光子束的强度的伽马光谱测定仪器的辐照支撑的位置，

—步骤3，校准用于确定由于通过物体所衰减的光子束的强度的伽马光谱测定仪器源-检测器组件的测量，

以及，其包括实际确定物体的有效尺寸的步骤，其在所述物体组的每个物体上进行。

根据本发明，实际确定步骤包括：

—步骤4，确定待测物体的有效尺寸，

—步骤5，将物体传送到辐照支撑，

—步骤6，通过调节辐照支撑的位置而调节物体相对于源和相关联的检测器的位置，

—步骤7，确定通过物体传输的光子束的衰减强度，

—步骤8，对所获得的光谱的采集、处理和分析，

—步骤9，确定物体密度相对于一个或几个具有标准密度的物体的密度的相对变化

—传送步骤10，使物体返回其在转盘上的位置。

根据本发明的方法和设备具有快速、精确、自动或可自动操作以及易于使用的优点。

本发明的一个优点在于其联合了采用测微度量技术的直线光子衰减来克服与对所通过物体的厚度认识不足相关并直接影响确定密度的精度的不确定性。

具体来说，每个物体相对于用于确定由于通过所述物体而衰减的光子强度的仪器的位置作为物体的有效尺寸的函数进行调节，且该有效尺寸已由用于确定有效尺寸的仪器事先确定。

附图说明

在阅读下面在附图中示出的、作为非限制性示例给出的优选实施方式的详细描述之后，将更好地理解本发明，其中：

图1示出用于确定有效尺寸和用于确定物体密度的总体系统的示意性俯视图，

图2示出用于确定有效尺寸和用于确定物体密度的总体系统的示意性立体图，

图3、4和5示出用于借助于红外辐射确定物体的有效尺寸的设备的示意性俯视图，且为用以确定该有效尺寸的的方法中的三个阶段，

图6示出光子辐照源中的准直仪的立体剖视图，

图7示出伽马光子检测器中的准直仪的立体剖视图，

图8是示出采集和计数系统的示意图，

图9A和9B示出了用于确定物体密度的方法中的所有步骤；图9A说明了初步校准步骤，而图9B说明了实际确定步骤；

图10示出了该方法中的第一步骤，即校准仪器的位置以确定有效尺寸的步骤；

图11示出了该方法的第二步骤，即校准仪器的位置以确定衰减光子强度的步骤；

图12示出了该方法的第三步骤，即校准仪器的测量以确定衰减光子强度的步骤；

图13示出了该方法的第四步骤，即确定物体的有效尺寸的步骤；

图14示出了该方法的第九步骤，即确定相对于一个或几个标准物体的相对变化的物体密度的相对变化的步骤；

图15是示出相对于其中一个标准或基准物体的密度的给定物体组中的物体的密度的相对变化的图表，并比较了由本发明获得的密度的相对变化与物体制造商提供的理论密度的相对变化。

具体实施方式

图1和2分别示出了用于通过光子衰减确定物体组中各个物体100的密度的总体系统的优选实施方式的俯视图和立体图，通过确定该密度相对于用作标准密度或基准的所述物体中至少一个物体的密度的相对变化，利用初步确定所述物体100的有效尺寸X和辐照并通过所述物体100的光子束的强度I以确定该密度。

该系统包括以下部件：

—用于确定物体100的有效尺寸的仪器2

—用于确定由于通过物体100而衰减的光子束的强度的仪器30，

—采集、处理和分析仪器200，

—分别相对于尺寸确定仪器2和相对于密度确定仪器30的物体100的传送装置70、72、80、82、84、86、88和位置调节装置74、76、78、90、92、94、96、98。

图1在整体上示意性地示出采集、处理和分析仪器200。具体来说，其包括PC型计算机170，该PC型计算机上安装了运行用于根据本发明的确定物体100的密度的自动方法中的一系列指令和计算算法的专用软件。

参照图3、4和5，用于确定物体100的有效尺寸X的红外辐射仪器2包括：

—由第一红外发射器4和第一红外接收器6构成的第一红外组件4、6，

—由第二红外发射器8和第二红外接收器10构成的第二红外组件8、10。

这两组红外组件4、6和8、10设置为其所产生的红外辐射束的对应轴线12、14彼此平行且分开距离d。由制造商设定的该距离d选择为与待测物体100的有效尺寸具有相同级别的量级。其是可调节的。在所示示例中，红外束沿相同方向取向，但可想到不同的结构。

用于通过红外辐射确定物体100的有效尺寸X的仪器2包括由光电发射器16和光电接收器18构成的第三组件，该第三组件相对于第二红外组件8、10设置在第一红外组件4、6的输入侧，其所产生的光电束具有轴线19。在所示示例中，光电束的轴线19平行于红外束的轴线12、14，且位于与它们相同的平面内。还可想到不同的结构。

用于通过红外辐射确定物体100的有效尺寸的仪器2与相对于下面将描述的三组收发器组件4、6、8、10、16、18的传送装置和/或调节物体100的位置的装置相关联。

在操作过程中，用于确定物体100的有效尺寸的仪器2位于其中三组收发器组件4、6、8、10、16、18固定的位置中，移动物体100以相继地截取光电束、然后是第一红外束、再是第二红外束。

校准仪器2以建立两个红外辐射束的轴线12和14之间的距离d，其基本上与具有标准尺寸edim的一个或几个物体的有效尺寸X_edim相同。稍后将描述该校准。然后，在物体100(非标准)的有效尺寸的确定过程之后，物体相对于三组收发器组件4、6、8、10、16、18移动并通过至少一个如下的位置，即，在该位置中，物体仍然截取一半第一红外束(图5，标号22)且尚未截取整个第二红外束，留下的一部分未由物体100截取的第二束(图5，标号24)到达第二接收器10。

物体100的有效尺寸X由对应于此未被截取的束部分的红外响应RI推导出。该尺寸由以下关系式获得：

x＝A₄.(RI⁴)+A₃.(RI³)+A₂.(RI²)+A₁.(RI¹)+A₀，

其中，A₄、A₃、A₂、A₁、A₀是使用至少四个具有标准尺寸的物体edim获得的系数，且对于每个具有标准尺寸的物体应用该相同关系式，其中引入具有标准尺寸的各个所述物体edim的已知的有效尺寸X_edim和测得的红外响应RI_edim。

如图4所示，第三组件16、18的功能为：在沿着方向20的相对移动过程中，当物体100截取该第三组件16、18所产生的光电束时，自动触发对两个红外束22、24的强度的预先调节。该操作的目的在于消除诸如光学镜头变脏等环境干扰的影响。该操作的发生必须不迟于物体100上的自身测量操作之前的30秒。

确定物体100的有效尺寸X的精度取决于物体100相对于三组收发器组件4、6、8、10、16、18的相对移动的精度并由此取决于传送和/或位置调节装置的校准和性能，这些方面将在下面更详细地描述。

根据本发明，如图1、2和8所示，使用伽马光谱测定仪器30确定光子束的强度I，以确定辐照并通过物体100的光子束的强度。这包括：

—由光子辐照源和准直仪32形成的组件，其本身为已知类型，

—由检测器和准直仪40形成的组件，其本身为已知类型，

—采集和计数系统48，其本身为已知类型。

为简化说明，在下文光子辐照源被称为“源”。

确定装置30的不同部件受到与该总体系统所需性能以及系统的操作环境相关的一些限制。这些限制，尤其是与源强度、源类型以及采集和计数系统的性能相关的限制，如下所述：

—源强度必须使得测量结果的统计误差显著小于由于待测物体的密度相对于参照标准物体的密度的差异引起的计数变化，

—源能量必须能够反映对应于在待测物体的密度的微小变化的很好的对照，

—源的反射型半衰期寿命一定不能太短而使其在工业环境中是受限制的，

—最后，源的强度和能量必须与电子采集和计数系统的处理能力(无感时间、堆叠、饱和度等)相兼容。

在优选实施方式中，源由具有至少10mCi的放射性的¹³³Ba制成。为了避免无感时间和/或饱和度的影响，优选使用放射性不超过150mCi的源。测量耐久性与源的放射性成反比。

图6示出了与这些不同的约束相兼容的源-准直仪组件的准直仪32的示例实施方式。其包括用以保护靠近该源工作的人员的保护模板34，其限定了容置该源的腔室36。伽马光子束由准直仪狭缝(slit)38引导。

根据所示的示例实施方式，源的准直仪32由铅(lead)制成，其外侧尺寸为高60mm、长60mm、宽60mm。源是具有10mCi的放射性的133Ba源，其容置在直径6.1mm、高9.5mm的腔室36中。准直仪狭缝38长30mm、宽6mm、高4mm。

图7示出了检测器-准直仪组件中的准直仪40。其包括：保护模板42，使得从源输出并发射到准直仪狭缝38之外的伽马射线不由检测器49检测；准直仪狭缝44；以及由保护模板42分隔的用以容置检测器49的腔室46。

在所示示例实施方式中，检测器49的准直仪40由铅制成，其外侧尺寸为直径140mm、长120mm，其内部尺寸为直径80mm、长200mm。准直仪狭缝高4mm、宽6mm、长30mm。

保护模板42中的铅可用更多地衰减伽马射线的钨代替，其优点在于减少了保护模板42的厚度，但缺点在于钨的价格高于铅的价格。

在下文中且为了简化说明，源-准直仪组件将简单地称为“源”并标以标号32，而检测器-准直仪组件将简单地称为“检测器”并标以标号40。

适当选择源-检测器的距离。

根据优选实施方式，图8所示采集和计数系统48包括：

—具有前置放大器的高纯度锗Ge二极管[HP]形式的检测器49，

—数字信号处理器(DSP)50，

—高压模块54，

—采集和接口网络模块(AIM)56，

—PC型数据采集计算机170(图1)。

可选地，采集和计数系统包括由液氮箱构成的低温保持器60，其保持Ge二极管[HP]的指形冷冻器在恒定温度，其优点在于最小化了多普勒效应并提供非常良好的信号解析，测量不会由于检测器49变热而受到干扰。

前置放大器优选地结合在Ge二极管[HP]中，其优点在于最小化了由于电缆导致的电容效应以及减小了电子背景噪声。其还过滤并形成信号。

然后，使用信号处理模块50将信号数字化并随后放到存储器中。

所获得的信息组形成了伽马光谱，即，将脉冲次数作为其能量的函数分配到不同通道中的直方图。

在信号处理模块50与采集、处理和分析仪器200之间、通过采集和接口网络模块56、收发器63、网卡59传递数据(箭头62)。在所示示例中，采集、处理和分析仪器200以及采集和计数系统48使用同一计算机170，但是可想到具有两台独立的计算机的结构。

该采集和计数系统48具体适用于高计数速率。

此外，对于使用用于确定辐照物体的光子束的强度的伽马光谱测定仪器30的其他限制涉及采集和计数系统48的计数时间，其必须考虑待测物体100的制造速率。

根据本发明，计数时间可以是系统输入数据或通过下面的理论关系式产生的计算结果：

$$ >>t>=>>>\alpha >2>>>A>>(>t>)>>·>>s>>4>\pi >>D>2>>>>·>ϵ>·>>\Sigma >P>>·>>R>0>>·>>>(sup>>R>O>>\beta >SEC>sup>>)>>2>>>>>$$

在此，立体角近似等于4πD²。

其中：

A(t)是源的放射性，单位Bq，

D是源与准直仪窗口之间的距离，单位mm，

S是检测器准直仪窗口的表面积，单位mm²，

α是计数遵循泊松分布的情况下的置信区间的宽度，

ε是光子检测器的总吸收效率，

I是由于通过物体而衰减的具有能量E的光子束的强度，单位γ·s^-1，

I₀是具有能量E的光子束的无衰减强度，单位γ·s^-1，$$ >>>R>O>>=>>I>>I>O>>>>$$是源输出的单频光子所通过的物体的传输系数，

∑是记录在测量光谱中的撞击总数，单位撞击，

P是包含在能量峰值E中的撞击总数，$$ >>>\beta >SEC>>=>>\beta >IO>>>$$是安全因子等于10时所赋予的β值，

此处$$ >>\beta >=>>\Delta \rho >\rho >>,>>$$

且此处ρ是物体的密度。

由于通过物体100而衰减的强度I的精度具体根据所述物体100相对于源32的位置而确定。因此，其取决于位置调节装置的性能和校准。这些方面将在下面更为详细地描述。

在整体地示出该系统的图1和图2中示出了不同传送装置70、72、80、82、84、86、88和位置调节装置74、76、78、90、92、94、96、98。它们的目的在于将物体100传送到用于确定或调节物体100相对于构成各确定仪器2、30的元件的相对位置的各仪器2、30。

支撑板150支撑总体系统的部件，即，用于确定有效尺寸的仪器2、用于确定束的衰减强度的仪器30、传送装置、第一调节装置和第二调节装置。在图2中通过坐标系统152示意性地示出移动方向。在支撑板150的水平面(X，Y)或沿着垂直于支撑板150的水平面(X，Y)的竖直方向Z进行移动。

传送装置70，72设计为将物体100传送到第一位置，在该第一位置，仪器2确定所述物体100的有效尺寸。它们包括由步进电机72致动的水平转盘70，步进电机72和转盘70均安装在支撑板150上。在所示示例中，转盘70包括十二个物体位置。

第一调节装置74、76、78设计为调节物体100相对于用于测量物体100的有效尺寸的两组红外组件4、6和8、10的位置。

调节装置74是沿着X方向取向的滑动件，用于确定尺寸的红外辐射仪器2的基座26和转盘70沿着该滑动件放置。

两组红外组件4、6和8、10安装在基座26上使得红外束的轴线12、14平行于方向X。对于尺寸大致都是相同级别的量级的给定物体组，基座26和转盘70沿方向X的相对位置优选地在给定物体组的一系列测量开始时彻底地固定。

调节装置76是致动器，其功能是将第一红外组件4、6沿Y方向带近或带离第二红外组件8、10。第一红外组件4、6沿Y方向的该移动提供了以大约1微米的精度相对两个红外辐射束定位物体100以确定其有效尺寸X(直径或厚度)的方式。

调节装置78是致动器，其功能是沿Z方向移动基座26。该移动的幅度相对较小，以便阻止基座26从滑动件74出来。基座26沿Z方向的移动提供了以大约1微米的精度获得用以确定其有效尺寸X的物体100的尺寸的方式。

传送装置70、72、80、82、84、86、88也实现将物体100从其第一位置朝其第二位置移动的功能，在该第一位置，仪器2确定有效尺寸X，在该第二位置，仪器30确定光子束的衰减强度I。它们包括由其步进电机72驱动的转盘70。几个物体100位于转盘70上的圆周上，所述板70的旋转实现两个同时的动作，即首先传送物体100到其第一测量位置以及其次将前一物体100从其第一测量位置移开而在进行角度A的角位移后将其带到中间位置。在图1和2所示的示例中，该角度A为90度。传送装置还包括操作臂80，其抓取安装于转盘70上处于其中间位置的物体100并将其传送到位于源的准直仪32以及检测器的准直仪40之间的辐照支撑90上。在图2示出的示例中，操作臂80包括铰接在中间段84上的抓取夹82，而中间段84自身铰接在能够沿支撑板150的X方向、沿着导轨88平移的致动器86上。夹82的拉紧/变松运动及其绕段84的枢转运动以及段84相对于致动器86的枢转运动通过致动器(未示出)进行控制。

第二调节装置90、92、94、96、98的功能在于调节物体100相对于伽马光谱测定仪器的源32和检测器40的位置以确定将通过所述物体100的束的强度。它们包括辐照支撑90，物体100安装在该辐照支撑90上。该辐照支撑90具有带有V形横截面的顶面92，或者如下任何其他等同方式，即使得物体100自动安装在所述辐照支撑90上的稳定平衡位置中、具体来说使其不能沿支撑板150的X方向相对辐照支撑90移动。辐照支撑90借助于滑动件94沿支撑板150的X方向定位，该滑动件94优选地与滑动件74对准。对于给定物体100的组，该定位在对应于给定物体组的一系列测量开始时彻底地完成。辐照支撑90可借助于致动器96沿着支撑板150的Y方向移动以及借助于致动器98沿着垂直于支撑板150的Z方向移动。使用致动器96和98所进行的位置调节使物体(沿Z方向)在对应的源32和检测器40的准直仪的狭缝之间大致居中。

此外，需要以大约1微米的精度沿着Y方向定位物体，使得光子束的强度I确切地以已确定了其有效尺寸X的物体尺寸进行测量。该定位通过带动物体直到其停止在辐照支撑90的顶面92上而完成。例如，其可通过使用鼓风设备(未示出)的鼓风操作而被带到与该止挡相接触，该鼓风设备将压缩空气沿Y方向迫压到物体上，以便将其迫压到与辐照支撑90的止挡93相接触。

图1示出通过适当连接装置180在不同致动器76、78、86、96、98以及控制和操纵单元160之间的连接，其中所述致动器以自由平移方式移动部件以及移动旋转转盘70的步进电机72。这些单元160控制系统的机械和自动操作，且通过其他适当连接装置190连接到采集、处理和分析仪器200的计算机170的系统单元172。

现在将描述通过与选择为标准或基准密度且形成物体100的同一组的一部分的一个或几个密度ρ_emas相比较来确定给定物体100的组中的各物体的密度ρ的方法。

该方法与解释自动实现该方法中的不同步骤的一系列指令的算法一起使用。

根据本发明的方法包括：初步校准步骤，其在开始给定物体组上的一系列测量之前彻底地完成；以及实际确定步骤，其在所述物体组中的各物体100上进行。该方法中的所有步骤示意性地示于图9A和9B中。

校准步骤遵循预定的时序(chronology)并涉及该系统的以下部件：

—步骤1：校准用于确定物体100的有效尺寸的仪器2中的两组红外组件4、6和8、10的位置，

—步骤2：校准用于确定由于通过物体100所衰减的光子束的强度的伽马光谱测定仪器30的辐照支撑90的位置，

——步骤3：校准仪器30的源-检测器组件32、40的测量。

两组红外组件4、6和8、10的定位校准步骤1示于图10中。

该校准步骤1包括相对于第二红外组件8、10沿第一红外组件4、6的Y方向调节位置以便将分别由两个发射器4、8所发射的红外束之间的距离d作为具有标准尺寸edim的一个或几个物体的精确已知有效尺寸X_edim的函数而固定。实践中，距离d通过如下方式确定：将第一红外组件4、6沿Y方向远离第二红外组件8、10步进地移动，第二红外组件保持固定在位置Y_FIX，且对第一红外组件4、6的每个位置测量物体的红外响应。

两个红外组件4、6和8、10的位置校准步骤1首先包括操作员利用交互式模块输入一组输入参数。这些参数包括：

—具有微位移的部件的配置；管理它们的动态特性(位置、速度、加速度)的致动器76，78，

—转盘70的配置，即，占据转盘70上不同位置的物体的性质；专用物体100，或标准尺寸物体edim，或标准密度物体emas，或自由位置，

—转盘70上标准尺寸物体edim所占据的位置，对于所示示例，该位置编号为从1到12，

—相对于物体基座，对应于物体edim上的尺寸Z_edim，沿仪器2的基座26的Z方向的位置Z_measure，

—限制第一红外组件4、6沿Y方向的移动间隔的位置Y(1)和Y(N)，

—用第一红外组件4、6沿Y方向的移动的μm数表达的步距INT(必须是整数)。

于是，用以校准两组红外组件4、6和8、10的位置的步骤1包括以下自动操作：

a)通过致动器78的致动而将基座26沿Z方向移动，直到Z_measure位置，

b)转盘70角位移而相对于仪器2传送标准尺寸物体edim，直到其初始测量位置，

c)通过致动器76的致动而将第一红外组件4、6沿Y方向移动，直到其开始位置Y(1)，

d)第一红外组件4、6以连续的增量INT沿Y方向步进移动，移离固定在位于位置Y(1)和Y(N)之间的位置Y_FIX处的第二红外组件8、10，且同时如下确定对应于每个位置Y(n)的物体edim的红外响应RI(n)：

d-1)转盘70角位移而将标准尺寸物体edim传送到其最终测量位置，

d-2)测量所述标准尺寸物体edim的红外响应RI(n)，

d-3)转盘70角位移而将标准尺寸物体edim带到其初始测量位置，

e)计算最佳红外响应$$ >>>RI>OPT>>=>>>>RI>MAX>>->>RI>MIN>>>2>>>$$

其中：RI_MIN是红外响应的最小饱和度；在校准开始时刻，两组红外组件4、6和8、10之间的分离距离远小于标准尺寸物体edim的有效尺寸X_edim；因此，当第一红外束的50％被物体edim截取时，第二红外束100％被该物体edim截取；于是，第一红外响应具有同样的所谓“饱和的”值RI_MIN，

以及：RI_MAX是红外响应的最大饱和度；在校准结束时刻，两组红外组件4、6和8、10之间的分离距离远大于标准尺寸物体edim的有效尺寸X_edim；因此，当第一红外束的50％被物体edim截取时，0％的第二红外束被该物体edim截取；于是，最后的红外响应具有同样的所谓“饱和的”值RI_MAX，

f)计算第一红外组件4、6相对于第二红外组件8、10的最佳位置Y_OPT；最佳红外响应RI_OPT介于两个先前计算出的分别对应于第一红外组件4、6的两个位置Y(j)和Y(k)的连续红外响应值RI(j)和RI(k)之间；最佳位置Y_OPT如下由这些值推导出：

如果则Y_OPT＝Y(j)

如果$$ >>>>>RI>OPT>>->RI>>(>j>)>>>>>RI>OPT>>->RI>>(>k>)>>>>>>1>,>>$$则Y_OPT＝Y(k)

上述操作a)到f)可使用所需数量的标准尺寸物体进行重复。

在用以校准两组红外组件4、6和8、10的位置的步骤1结束时，形成第一校准文件，其具体包括大致对应于物体的有效尺寸的两组红外组件4、6和8、10的最佳距离d，d＝||Y_FIX-Y_OPT||。

用于确定由于通过物体100而衰减的光子束的强度的伽马光谱测定仪器30的辐照支撑90的位置校准步骤2示意性地示于图11中。

该校准步骤2包括：调节相对于源32和相关联的检测器40的沿辐照支撑90的Z方向的位置，以便作为一个或几个标准密度物体emas的精确已知密度ρ的函数沿辐照支撑90的顶面92的Z方向固定位置Z_OPT，其中，在该顶面92上定位了光子束所通过的物体100。实践中，通过逐渐沿Z方向移动辐照支撑90并对辐照支撑90的每个位置辐照安装在该辐照支撑90上的标准密度物体emas若干次来确定位置Z_OPT。其通过计算四阶多项式回归的最小值来确定。其包括确定各标准密度物体emas的有效尺寸X_emas的步骤。

校准仪器30的辐照支撑90的位置的步骤2首先包括操作员利用交互式模块输入一组输入参数的步骤。这些参数包括：

—具有微位移的部件的配置；用于管理它们的动态特性(位置、速度、加速度)的致动器96、98，

—转盘70的配置，即，占据转盘70上不同位置的物体的性质；专用物体100，或标准尺寸物体edim，或标准密度物体emas，或自由位置，

—转盘70上标准密度物体emas所占据的位置，对于所示示例，该位置编号为从1到12，

—测量持续时间或计数时间，

——限制辐照支撑90沿Z方向的移动间隔的位置Z(1)和Z(N)，

——对于辐照支撑所占据的各个位置Z(i)，i＝1，...，N，通过物体而衰减的光子强度的测量的数目M。

于是，用以校准仪器30的辐照支撑90的位置的步骤2包括以下自动操作：

a)根据下面将描述的步骤4，确定标准密度物体的有效尺寸X_emas，

b)转盘70角位移一定角度A，以将标准密度物体emas传送到其由抓取臂80抓取的中间位置，

c)将物体emas定位在辐照支撑90上，其包括以下子操作：

c-1)通过致动器98的致动而将辐照支撑90向下沿Z方向移动，

c-2)通过致动器86的致动将操作臂80从其等待位置移动到竖直地与物体emas的中间位置对准，

c-3)通过致动器86的致动，该操作臂80抓取物体emas，然后传送物体直到其竖直地与辐照支撑90的顶面92对准，

c-4)通过致动器98的致动，向上沿Z方向移动辐照支撑90，直到位置Z(1)，

c-5)通过致动器86的致动，利用操作臂80将物体emas向下放到辐射支撑90的顶面92上，

c-6)通过致动器86的致动，移动并返回操作臂80，直到其等待位置，

c7)沿Y方向迫压物体emas使其与顶面92上的止挡接触，例如通过如下发生的鼓风操作进行迫压：

—向下沿Z方向移动辐照支撑90，直到所谓的鼓风位置，在该鼓风位置中，物体面对设置在系统中的鼓风设备，

—沿Y方向将压缩空气从鼓风设备送到物体emas上，以便将其迫压到与辐照支撑90上的止挡93接触，

d)实际调节辐照支撑90相对于源32和相关联的检测器40的位置，其包括以下子操作：

d-1)沿Z方向在预定位置Z(1)和预定位置Z(N)之间步进移动辐照支撑90，

d-2)对于各个位置Z(i)，i＝1，...，N，通过光子束辐射标准密度物体emas M次，其产生了一组衰减强度I(i，j)的值，其中，i＝1，...，N，N表示由辐照支撑90占据的连续位置Z(i)的数目，且j＝1，...，M，M表示在每个位置Z(i)处进行的辐照数目，

d-3)相对于衰减强度I(i，j)从位置Z(i)的四阶多项式回归计算辐照支撑90的最佳位置Z_OPT，该四阶多项式回归是预定的并集成(integrated)为采集、处理和分析仪器200的数据项，

e)利用与上述子操作c-1)到c-6)的反向顺序相同的操作程序返回传送具有标准密度的物体emas，

在完成用于确定由于通过物体100而衰减的光子束的强度的伽马光谱测定仪器30的辐照支撑90的位置校准步骤2之后，形成第二校准文件，其具体包括辐照支撑90沿Z方向的最佳位置Z_OPT。

用以校准伽马光谱测定仪器30的测量的步骤3包括以下自动操作：

a)测量由于通过作为基准的标准密度物体emas而衰减的光子强度I_emas，

b)计算标准密度物体的质量衰减系数μ_m，且然后使用以下关系式计算该物体组中的所有物体的质量衰减系数：

$$ >>>\rho >emas>>=>>1>>>\mu >m>>xemas>>>·>>L>n>>>>I>emas>>>I>O>>>>$$

在校准伽马光谱测定仪器30的测量以确定由于通过物体100而衰减的光子束的强度的步骤3结束时，形成第三文件，其具体包括由于通过标准密度物体emas而衰减的光子强度I_emas。

实际确定步骤还遵循预定的时序并涉及以下操作：

—步骤4：确定待测物体100的有效尺寸X，

—步骤5：将物体100向辐照支撑90传送，

—步骤6：通过调节辐照支撑90的位置而调节物体100相对于源32和相关联的检测器40的位置，

—步骤7：确定通过物体100传递的光子束的衰减强度I，

—步骤8：对所获得的光谱的采集、处理和分析，

—步骤9：确定物体100的密度相对于一个或几个具有标准密度物体emas的密度的相对变化

—步骤10：将物体100返回传送到其在转盘70上的位置。

确定待测物体100的有效尺寸X的步骤4示意性地示于图13中。其首先包括操作员利用交互式模块输入一组输入参数。这些参数包括：

—具有微位移的部件的配置；用于管理它们的动态特性(位置、速度、加速度)的致动器76，78，

—转盘70的配置，即，占据转盘70上不同位置的物体的性质；专用物体100，或标准尺寸物体edim，或标准密度物体emas，或自由位置，

—转盘70上物体100所占据的位置，对于所示示例，该位置编号为从1到12，

—相对于物体基座，对应于物体100上的尺寸Z_edim沿仪器2的基座26的Z方向的位置Z_measure，

—对每个标准尺寸物体edim(n)(n＝1，...，N，其中N为标准尺寸物体的数量)的红外测量的数目P，

——对物体100的红外测量的数目Q。

确定待测物体100的有效尺寸X的步骤4还使用了包含在由步骤1输出的第一校准文件中的数据。

于是，确定待测物体100的有效尺寸X的步骤4包括以下自动步骤：

a)通过致动器78的致动而将基座26沿Z方向移动，直到位置Z_measure，

b)通过致动器76的致动而将第一红外组件4、6沿Y方向移动，直到如下定义的位置Y_measure，

Y_measure＝Y_OPT+(X_eaim-X_edimAVE)

其中：

Y_OPT是在校准步骤1中获得的最佳位置，该值包含在第一校准文件中，

X_edim是在校准步骤1中使用的标准尺寸物体的尺寸，该值包含在第一校准文件中，

X_edimAVE是所有标准尺寸物体edim的有效平均尺寸，该值由制造商给出，

c)测量N个标准尺寸物体edim(n)，n＝1，...，N的红外响应RI(p)，重复P次，p＝1，...，P，其产生一组值RI(n，p)，

d)如下计算物体100的有效尺寸X：

d-1)计算有效尺寸X_edim(n)已知的各标准尺寸物体edim(n)的红外响应的平均值$$ >>>RI>edimAVE>>=>>>\Sigma RI>>>(>n>,>p>)>>>>P>>,>>$$并使用有效尺寸X_edim(n)的四阶多项式回归计算如下关系式的系数A₀，A₁，A₂，A₃，A₄：

x_edim(n)＝A₄.(RI_edimAVE(N))⁴+A₃.(RI_edimAVE(n))³+A₂.(RI_edimAVE(n))²+A₁.(RI_edimAVE(n))¹+A₀，

d-2)测量待测物体100的红外响应RI(q)，重复Q次，q＝1，...，Q，且计算这些红外响应的平均值$$ >>RI>=>>>\Sigma RI>>(>q>)>>>Q>>,>>$$并通过如下关系式计算所需物体100的有效尺寸X：

x＝A₄.(RI)⁴+A₃.(RI)³+A₂.(RI)²+A₁.(RI)¹+A₀

将待测物体100向辐照支撑传送的步骤5是自动步骤，其重复上述详细描述的校准步骤2的子步骤b)和c)的程序。

调节物体100相对于源32和相关联的检测器40的位置的步骤6是自动步骤，其重复上述详细描述的校准步骤2的子步骤d)。

确定由于通过物体100而衰减的光子束的光子强度I的步骤7包括随后以本质上是已知的方式进行采集、处理和解释的放射性活度测量。

对所获得的光谱的采集、处理和分析的步骤8是自动步骤，其利用了通过位于采集、处理和分析仪器200上的专用软件来执行的本身已知的计算算法。

确定物体100的密度相对于一个或几个具有标准密度物体emas的密度的相对变化的步骤概括地示于图14中。其是自动计算步骤，其中使用等式$$ >>>\Delta \rho >\rho >>=>>>x>emas>>x>>[>1>->>>L>>n>>I>>I>emas>>>>>>>\mu >m>>>\rho >emas>>>x>emas>>>>]>>$$以及在上述步骤中确定的数据。

将物体100返回传送到其在转盘70上的位置的步骤10是自动步骤，其重复上述详细描述的校准步骤2的子步骤e)。

刚刚所述的方法利用专用软件实现。该软件包括五个独立的模块和一个主交互式菜单，操作员通过该菜单选择使五个模块之一执行。五个模块包括以下功能：

—第一模块：确定物体的密度以实际确定密度，其包括校准步骤3以及步骤4到10，

—第二模块，确定物体的有效尺寸，

—第三模块，校准仪器的位置以确定有效尺寸，

—第四模块，校准仪器的位置以确定衰减光子强度，

—第五模块，管理数据文件。

示例

已经测试了上述的系统和过程。

源是具有至少10mCi的放射性的133Ba。采集持续时间为20分钟量级。

在具有以下特性(直径、高度和密度)的一组7芯块氧化铀(UO₂)上进行测量，如表I所给出的：

  芯块号：i  1  2  3(标准)  直径(mm)  8.165  8.143  8.166  高度(mm)  11.54  11.44  11.27  密度(g.cm³)  10.260±0.003  10.130±0.003  9.900±0.003  标准差异(g.cm³)  1.99×10^-2  1.98×10^-2  1.96×10^-2

                             表I

  芯块号：i  1  2  3(标准)  直径(mm)  8.165  8.143  8.166  高度(mm)  11.54  11.44  11.27  密度(g.cm³)  10.260±0.003  10.130±0.003  9.900±0.003  标准差异(g.cm³)  1.99×10^-2  1.98×10^-2  1.96×10^-2

                          表I(接续)

芯块3用作标准芯块。

测量的目的是利用根据本发明的系统和过程精确地确定芯块(1，2，4，5，6和7)的密度相对于标准芯块(芯块3)的密度的相对变化。可应用以下关系式：

$$ >>>\Delta \rho >\rho >>=>>x>>x>i>>>[>1>->>>>L>n>>>(>>>I>i>>I>>)>>>>>\mu >m>>\rho x>>>]>->1>>$$

假定为“未知”的芯块的直径通过确定有效尺寸的步骤获得，在芯块直径的情况下，借助于红外辐射。

六个芯块中每一个的通过伽马光谱测定仪器获得的计数结果示于表II中。如上所述谨慎地考虑方法时序而获得。

  芯块号：i  1  2  3(标准)  直径(mm)  8.165  8.143  8.166  高度(mm)  11.54  11.44  11.27  密度(g.cm³)  10.260±0.003  10.130±0.003  9.900±0.003  标准差异(g.cm³)  1.99×10^-2  1.98×10^-2  1.96×10^-2

                               表II

测得的密度变化的标准差异通过不确定性传播计算(uncertaintypropagation calculation)进行估计。表III是将这些结果与芯块制造商给出的理论值相比较的表。

  芯块号：i  1  2  3(标准)  直径(mm)  8.165  8.143  8.166  高度(mm)  11.54  11.44  11.27  密度(g.cm³)  10.260±0.003  10.130±0.003  9.900±0.003  标准差异(g.cm³)  1.99×10^-2  1.98×10^-2  1.96×10^-2

                               表III

  芯块号：i  1  2  3(标准)  直径(mm)  8.165  8.143  8.166  高度(mm)  11.54  11.44  11.27  密度(g.cm³)  10.260±0.003  10.130±0.003  9.900±0.003  标准差异(g.cm³)  1.99×10^-2  1.98×10^-2  1.96×10^-2

                          表III(接续)

这些结果通过图15中的图表示出。圆圈表示由测量得出的的值，而叉表示由制造商给出的的值。所实现的间隔表示由制造商所提供的数据计算出的标准差异。

这些结果表明根据本发明的系统和方法能够检测出相对于选择作为标准物体的芯块等于约6×10^-3的密度的相对变化。