废物桶中放射性废物水泥固化体裂缝检测装置和方法

摘要

本发明公开了一种废物桶中放射性废物水泥固化体裂缝检测装置，包括传送带，伽马射线发生装置，伽马射线探测器系统、分析处理系统和反馈控制系统。传送带传送待测废物桶，伽马射线发生装置发出伽马射线经废物桶衰减后由伽马射线探测器系统采集，送入分析处理系统中进行分析处理。本发明利用伽马射线对固化体进行扫描检测，通过孔隙度和裂缝推断固化体是否满足固化要求，并通过反馈控制系统控制后续固化过程，解决了固化体化学检测滞后和复杂取样、制样工艺复杂的问题，能够非常及时的利用孔隙度和裂缝判断固化体是否合格，本发明实现了全自动检测反馈，减少了人为因素导致的误差。

说明书

技术领域

本发明涉及一种放射性废物水泥固化体检测系统，尤其涉及一种废物桶中 放射性废物水泥固化体裂缝检测装置和方法。

背景技术

放射性废物水泥固化是以水泥作为主要的无机凝胶材料，掺入火山灰活性 的混合材、改善拌合浆体与水泥石某些性能的外加剂和纤维，加入水，按一定 配比与废物混合，利用水泥与混合材的水硬性，使拌合浆体在一定养护期后形 成具有一定强度和耐久性的固化体。因其具有处理工艺简单、无需高温、固化 产物稳定性好、成本低等特点被广泛运用于核电站和其他核设施中的放射性废 物处理。但是在制备过程中，废液、水泥和添加剂的配比不当或是搅拌不均匀 会使固化体形成多个孔隙和裂缝，从而造成核素浸出率升高、抗压强度降低等 不利影响，使得固化体不能满足固化要求。

目前，固化体检验主要采用传统的化学分析手段，通过取样、制样、化验 等多环节获取固化体的浸出性、抗压强度等各项指标。但是，这种传统的方式 需要较长的时间，不能及时地反馈固化体信息；而且固化体以固态的形式封装 在混泥土桶或钢桶内，需要复杂的取样、制样工艺环节。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，通过孔隙度和裂缝推断固化 体是否满足固化要求，从而对废液、水泥和添加剂的配比和搅拌速率进行反馈 调节。能够对固化体实时检测，解决了不能及时反馈固化体信息和取样、制样 工艺环节复杂的问题的废物桶中放射性废物水泥固化体裂缝检测装置和方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种废物桶中放射 性废物水泥固化体裂缝检测装置，其特征在于：

包括传送带，用于传送废物桶；

安装在传送带一侧的伽马射线发生装置，用于产生伽马射线；

安装在传送带另一侧，位于伽马射线发生装置对面的伽马射线探测器系 统，用于探测由伽马射线发生装置产生、经废物桶中固化体衰减后的伽马射线， 并将其转化为脉冲信号矩阵；

设置在传送带两侧的固定装置，用于固定伽马射线发生装置和伽马射线探 测器系统，能调节二者高度和与传送带的距离；

与伽马射线探测器系统的输出端相连的分析处理系统，用于获取脉冲信号 矩阵，处理后建立废物桶扫描测量的二维灰度图像，并将其与合格的放射性废 物水泥固化体的图像信息对比，判断被测废物桶中放射性废物水泥固化体是否 合格；

与分析处理系统的输出端相连的反馈控制系统，所述反馈控制系统连接放 射性废物水泥固化体的配比装置和搅拌控制器，根据分析处理系统的信息，控 制配比装置中废液、水泥和添加剂的配比、以及搅拌控制器的搅拌速率。

本发明中，传送带传送待检测的废物桶，伽马射线发生装置产生伽马射线， 经过废物桶中固化体衰减后，被伽马射线探测器系统探测到，并转化为脉冲信 号矩阵，经分析处理系统进行处理后，判断被测废物桶中放射性废物水泥固化 体是否合格；若不合格，则通过反馈控制系统控制配比装置中废液、水泥和添 加剂的配比、以及搅拌控制器的搅拌速率，合格则不做任何操作。本发明可以 检测放射性废物水泥固化体在制备过程中，废液、水泥和添加剂的配比不当或 是搅拌不均匀造成的孔隙和裂缝，从而及时调整搅拌速率、以及废液、水泥和 添加剂的配比，避免了传统方式中，通过取样、制样、化验等多环节获取固化 体的浸出性、抗压强度等各项指标，从而导致检测时间过长，不能及时地反馈 固化体信息，且取样、制样工艺环节复杂的问题。本发明中，固定装置包括固 定支架和固定螺母，能调节二者高度和与传送带的距离。

作为优选：所述伽马射线发生装置包括伽马射线标准源、生物屏蔽壳和源 准直器，所述伽马射线标准源为10mCi ⁶⁰Co同位素标准体源，用于产生1.17MeV 和1.33MeV能量的伽马射线；所述源准直器材料为铅，用于使伽马射线从扇形 窄缝中射出，所述生物屏蔽壳包裹在伽马射线标准源外壁，材料为铅。

生物屏蔽壳材料为铅的目的是用于辐射防护，防止人和其他生物体受到过 量照射。

作为优选：所述伽马射线探测器系统包括伽马射线探测器和固定在其上的 探测器准直器，所述伽马射线探测器为长度与废物桶高度相同的线阵CMOS伽 马射线探测器，所述探测器准直器材料为铅。

作为优选：所述分析处理系统包括与伽马射线探测器相连的信号采集系 统，用于获取伽马射线探测器输出的脉冲信号矩阵，并转换为数字信号矩阵， 即衰减后的伽马射线强度矩阵；与信号采集系统相连的数据处理系统，用于获 取信号采集系统输出的衰减后的伽马射线强度矩阵，并将其转换为平均线衰减 系数矩阵，根据平均线衰减系数矩阵建立废物桶扫描测量的二维灰度图像，并 将其与合格的放射性废物水泥固化体的图像信息对比，若灰度值差别大于预设 值，认为废物桶中固化体的孔隙度和裂缝尺寸大于允许范围，判断为不合格， 否则合格；与数据处理系统相连的显示系统，用于显示建立的二维灰度图像、 固化体孔隙度和裂缝尺寸信息。

本发明中，分析处理系统由信号采集系统、数据处理系统和显示系统三部 分构成，信号采集系统主要是将伽马射线探测器输出的脉冲信号矩阵转换为数 字信号矩阵；数据处理系统主要是根据数字信号矩阵进行分析处理，结合预设 值判断废物桶中固化体是否合格，为馈控制系统提供参考，通过反馈控制系统 对水泥固化的原料配比和搅拌速率进行调整，以使后续的固化体满足固化要 求；显示系统主要用于显示数据信息。

将数字信号矩阵转化为平均线衰减系数矩阵的目的是，由于废物桶是圆柱 体，造成在扫描测量时伽马射线的衰减厚度不同，使得衰减后伽马射线强度矩 阵从中间到边缘逐渐增强，无法从重建二维图像中看出孔隙和裂缝的信息。

作为优选：将衰减后的伽马射线强度矩阵转换为平均线衰减系数矩阵的方 法为：根据单能窄束伽马射线的衰减规律：

$I=I_0{\mathrm{ge}}^{-\underset{i}{\Sigma }{\mu }_{\mathrm{mi}}g{\rho }_{i}g{d}_i}---\left(1\right)$

其中I为衰减后伽马射线强度，I₀为初始伽马射线强度，μ_mi为物质i的质 量衰减系数，ρ_i为物质i的密度，d_i为物质i的厚度。假设每次伽马射线穿过 的是均匀介质，密度相同，则上式可转换为：

$I=I_0{\mathrm{ge}}^{\bar{\mu }\mathrm{gD}}---\left(2\right)$

其中为穿过介质的平均线衰减系数，D为总衰减厚度。根据传送带7传 送速率V、废物桶半径R和测量时间t，可以得到从测量开始到测量结束，D 的计算公式为:

$D=2\sqrt{R^2-{(R-\mathrm{Vgt})}^2}---\left(3\right)$

联立(2)、(3)式，可以得到的计算公式为：

$\bar{\mu }=\frac{\mathrm{In}{I}_0/I}{2\sqrt{R^2-{(R-\mathrm{Vgt})}^2}}---\left(4\right)$

式中，初始伽马射线强度I₀、传送速率V、废物桶半径R和测量时间t均 为已知量，根据衰减后伽马射线强度I可以得到平均线衰减系数

通过该步骤，将数字信号矩阵，也就是衰减后的伽马射线强度矩阵转换为 平均线衰减系数矩阵，剔除了测量过程中废物桶厚度不同的影响。利用平均线 衰减系数矩阵进行二维图像重建并进行图像处理，通过重建图像灰度值的变 化，辨别出废物桶中固化体的孔隙和裂缝。之后，将重建图像、孔隙度和裂缝 信息发送到显示系统43，展示给用户。

一种废物桶中放射性废物水泥固化体裂缝检测方法，包括以下步骤：

(1)装有固化体的废物桶位于运动的传送带上，由远及近的经过伽马射 线发生装置和伽马射线探测器，伽马射线发生装置向废物桶发射伽马射线，对 废物桶中固化体进行扫描；位于伽马射线发生装置对面的伽马射线探测器系统 获取经过废物桶固化体衰减后的伽马射线，并将伽马射线转换为脉冲信号发送 至分析处理系统；

(2)分析处理系统获取信号采集系统输出的脉冲信号，用于获取脉冲信 号矩阵，处理后建立废物桶扫描测量的二维灰度图像，并将其与合格的放射性 废物水泥固化体的图像信息对比，判断被测废物桶中放射性废物水泥固化体是 否合格；

(3)若测废物桶中放射性废物水泥固化体合格，则进行下一个测量，否 则，反馈控制系统根据分析处理系统的信息，控制配比装置中废液、水泥和添 加剂的配比、以及搅拌控制器的搅拌速率。

作为优选：所述步骤(1)具体为：

(11)根据待测废物桶调整固定装置，使伽马射线发生装置位于废物桶正 中间，从扇形窄缝中射出的伽马射线能完全覆盖废物桶的上下两顶点；

(12)传送带匀速运动，将装有放射性废物水泥固化体的废物桶送达检测 位置；

(13)启动伽马射线发生装置和伽马射线探测器系统，伽马射线标准源放 出的伽马射线经过源准直器从源准直器的扇形窄缝射出，经废物桶中固化体衰 减后，被伽马射线探测器接收形成脉冲信号；

(14)传送带匀速运动，使废物桶完全通过检测位置，完成对废物桶的扫 描测量，伽马射线探测器记录到伽马射线经过废物桶衰减后的伽马射线脉冲信 号，将其转换为脉冲信号矩阵发送至分析处理系统。

作为优选：所述步骤(2)具体为：

(21)信号采集系统获取伽马射线探测器输出的脉冲信号矩阵，并转换为 数字信号矩阵，即衰减后的伽马射线强度矩阵；

(22)数据处理系统获取信号采集系统输出的衰减后的伽马射线强度矩 阵，并将其转换为平均线衰减系数矩阵，根据平均线衰减系数矩阵建立废物桶 扫描测量的二维灰度图像，并将其与合格的放射性废物水泥固化体的图像信息 对比，若灰度值差别大于预设值，认为废物桶中固化体的孔隙度和裂缝尺寸大 于允许范围，判断为不合格，否则合格；

(23)显示系统显示经步骤(22)建立的二维灰度图像、固化体孔隙度和 裂缝尺寸信息。

作为优选：所述步骤(22)具体为：

将衰减后伽马射线强度矩阵转换为平均线衰减系数矩阵，方法为： 根据单能窄束伽马射线的衰减规律：

$I=I_0{\mathrm{ge}}^{-\underset{i}{\Sigma }{\mu }_{\mathrm{mi}}g{\rho }_{i}g{d}_i}---\left(1\right)$

其中I为衰减后伽马射线强度，I₀为初始伽马射线强度，μ_mi为物质i的质 量衰减系数，ρ_i为物质i的密度，d_i为物质i的厚度。假设每次伽马射线穿过 的是均匀介质，密度相同，则上式可转换为：

$I=I_0{\mathrm{ge}}^{\bar{\mu }\mathrm{gD}}---\left(2\right)$

其中为穿过介质的平均线衰减系数，D为总衰减厚度。根据传送带7传 送速率V、废物桶半径R和测量时间t，可以得到从测量开始到测量结束，D 的计算公式为:

$D=2\sqrt{R^2-{(R-\mathrm{Vgt})}^2}---\left(3\right)$

联立(2)、(3)式，可以得到的计算公式为：

$\bar{\mu }=\frac{\mathrm{In}{I}_0/I}{2\sqrt{R^2-{(R-\mathrm{Vgt})}^2}}---\left(4\right)$

式中，初始伽马射线强度I₀、传送速率V、废物桶半径R和测量时间t均 为已知量，根据衰减后伽马射线强度I可以得到平均线衰减系数

通过该方法，可以很好的利用本发明的装置对废物桶中的放射性废物水泥 固化体的缝隙进行检测，并判断固化体是否合格，若所测固化体合格，则继续 下一个废物桶测量；若所测固化体不合格，人们可以将废物桶从传送带上取下 重新处理，通过反馈控制系统调整搅拌装置的搅拌速率和原料配比装置的配 比。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过伽马射线标准源产生的伽马射 线对废物桶中的固化体进行扫描，伽马射线探测器系统获取与固化体相互作用 发生衰减后伽马射线，转换为相应的脉冲信号，由分析处理系统进行数据处理 和二维图像重建，从而确定固化体的孔隙度和裂缝尺寸，并通过反馈控制系统 控制后续固化过程，确保了固化体满足固化要求，解决了固化体化学检测滞后 和复杂取样、制样工艺复杂的问题，并且，本发明实现了全自动检测反馈，减 少了人为因素导致的误差。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明流程图。

图中：1、伽马射线发生装置；11、伽马射线标准源；12、生物屏蔽壳； 13、源准直器；2、伽马射线探测器系统；21、伽马射线探测器；22、探测器 准直器；3、固定装置；4、废物桶；5、传送带。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1、图2，一种废物桶4中放射性废物水泥固化体裂缝检 测装置，包括传送带5，用于传送废物桶4；

安装在传送带5一侧的伽马射线发生装置1，用于产生伽马射线；所述伽 马射线发生装置1包括伽马射线标准源11、生物屏蔽壳12和源准直器13，所 述伽马射线标准源11为10mCi ⁶⁰Co同位素标准体源，用于产生1.17MeV和 1.33MeV能量的伽马射线；所述源准直器13材料为铅，用于使伽马射线从扇形 窄缝中射出，所述生物屏蔽壳12包裹在伽马射线标准源11外壁，材料为铅；

安装在传送带5另一侧，位于伽马射线发生装置1对面的伽马射线探测器 系统2，用于探测由伽马射线发生装置1产生、经废物桶4中固化体衰减后的 伽马射线，并将其转化为脉冲信号矩阵；所述伽马射线探测器系统2包括伽马 射线探测器21和固定在其上的探测器准直器22，所述伽马射线探测器21为长 度与废物桶4高度相同的线阵CMOS伽马射线探测器21，所述探测器准直器22 材料为铅；

设置在传送带5两侧的固定装置3，用于固定伽马射线发生装置1和伽马 射线探测器系统2，能调节二者高度和与传送带5的距离；

与伽马射线探测器系统2的输出端相连的分析处理系统，用于获取脉冲信 号矩阵，处理后建立废物桶4扫描测量的二维灰度图像，并将其与合格的放射 性废物水泥固化体的图像信息对比，判断被测废物桶4中放射性废物水泥固化 体是否合格；所述分析处理系统包括与伽马射线探测器21相连的信号采集系 统，用于获取伽马射线探测器21输出的脉冲信号矩阵，并转换为数字信号矩 阵，即衰减后的伽马射线强度矩阵；与信号采集系统相连的数据处理系统，用 于获取信号采集系统输出的衰减后的伽马射线强度矩阵，并将其转换为平均线 衰减系数矩阵，根据平均线衰减系数矩阵建立废物桶4扫描测量的二维灰度图 像，并将其与合格的放射性废物水泥固化体的图像信息对比，若灰度值差别大 于预设值，认为废物桶4中固化体的孔隙度和裂缝尺寸大于允许范围，判断为 不合格，否则合格；与数据处理系统相连的显示系统，用于显示建立的二维灰 度图像、固化体孔隙度和裂缝尺寸信息。其中，将衰减后的伽马射线强度矩阵 转换为平均线衰减系数矩阵的方法为：根据单能窄束伽马射线的衰减规律：

$I=I_0{\mathrm{ge}}^{-\underset{i}{\Sigma }{\mu }_{\mathrm{mi}}g{\rho }_{i}g{d}_i}---\left(1\right)$

其中I为衰减后伽马射线强度，I₀为初始伽马射线强度，μ_mi为物质i的质 量衰减系数，ρ_i为物质i的密度，d_i为物质i的厚度。假设每次伽马射线穿过 的是均匀介质，密度相同，则上式可转换为：

$I=I_0{\mathrm{ge}}^{\bar{\mu }\mathrm{gD}}---\left(2\right)$

其中为穿过介质的平均线衰减系数，D为总衰减厚度。根据传送带57 传送速率V、废物桶4半径R和测量时间t，可以得到从测量开始到测量结束， D的计算公式为:

$D=2\sqrt{R^2-{(R-\mathrm{Vgt})}^2}---\left(3\right)$

联立(2)、(3)式，可以得到的计算公式为：

$\bar{\mu }=\frac{\mathrm{In}{I}_0/I}{2\sqrt{R^2-{(R-\mathrm{Vgt})}^2}}---\left(4\right)$

式中，初始伽马射线强度I₀、传送速率V、废物桶4半径R和测量时间t 均为已知量，根据衰减后伽马射线强度I可以得到平均线衰减系数

与分析处理系统的输出端相连的反馈控制系统，所述反馈控制系统连接放 射性废物水泥固化体的配比装置和搅拌控制器，根据分析处理系统的信息，控 制配比装置中废液、水泥和添加剂的配比、以及搅拌控制器的搅拌速率。

一种废物桶4中放射性废物水泥固化体裂缝检测方法，包括以下步骤：

(1)装有固化体的废物桶4位于运动的传送带5上，由远及近的经过伽 马射线发生装置1和伽马射线探测器21，伽马射线发生装置1向废物桶4发射 伽马射线，对废物桶4中固化体进行扫描；位于伽马射线发生装置1对面的伽 马射线探测器系统2获取经过废物桶4固化体衰减后的伽马射线，并将伽马射 线转换为脉冲信号发送至分析处理系统；所述步骤(1)具体为：

(11)根据待测废物桶4调整固定装置3，使伽马射线发生装置1位于废 物桶4正中间，从扇形窄缝中射出的伽马射线能完全覆盖废物桶4的上下两顶 点；

(12)传送带5匀速运动，将装有放射性废物水泥固化体的废物桶4送达 检测位置；

(13)启动伽马射线发生装置1和伽马射线探测器系统2，伽马射线标准 源11放出的伽马射线经过源准直器13从源准直器13的扇形窄缝射出，经废 物桶4中固化体衰减后，被伽马射线探测器21接收形成脉冲信号；

(14)传送带5匀速运动，使废物桶4完全通过检测位置，完成对废物桶 4的扫描测量，伽马射线探测器21记录到伽马射线经过废物桶4衰减后的伽马 射线脉冲信号，将其转换为脉冲信号矩阵发送至分析处理系统；

(2)分析处理系统获取信号采集系统输出的脉冲信号，用于获取脉冲信 号矩阵，处理后建立废物桶4扫描测量的二维灰度图像，并将其与合格的放射 性废物水泥固化体的图像信息对比，判断被测废物桶4中放射性废物水泥固化 体是否合格；所述步骤(2)具体为：

(21)信号采集系统获取伽马射线探测器21输出的脉冲信号矩阵，并转 换为数字信号矩阵，即衰减后的伽马射线强度矩阵；

(22)数据处理系统获取信号采集系统输出的衰减后的伽马射线强度矩 阵，并将其转换为平均线衰减系数矩阵，根据平均线衰减系数矩阵建立废物桶 4扫描测量的二维灰度图像，并将其与合格的放射性废物水泥固化体的图像信 息对比，若灰度值差别大于预设值，认为废物桶4中固化体的孔隙度和裂缝尺 寸大于允许范围，判断为不合格，否则合格；

(23)显示系统显示经步骤(22)建立的二维灰度图像、固化体孔隙度和 裂缝尺寸信息。

所述步骤(22)具体为：

将衰减后伽马射线强度矩阵转换为平均线衰减系数矩阵，方法为： 根据单能窄束伽马射线的衰减规律：

$I=I_0{\mathrm{ge}}^{-\underset{i}{\Sigma }{\mu }_{\mathrm{mi}}g{\rho }_{i}g{d}_i}---\left(1\right)$

其中I为衰减后伽马射线强度，I₀为初始伽马射线强度，μ_mi为物质i的质 量衰减系数，ρ_i为物质i的密度，d_i为物质i的厚度。假设每次伽马射线穿过 的是均匀介质，密度相同，则上式可转换为：

$I=I_0{\mathrm{ge}}^{\bar{\mu }\mathrm{gD}}---\left(2\right)$

其中为穿过介质的平均线衰减系数，D为总衰减厚度。根据传送带57 传送速率V、废物桶4半径R和测量时间t，可以得到从测量开始到测量结束， D的计算公式为:

$D=2\sqrt{R^2-{(R-\mathrm{Vgt})}^2}---\left(3\right)$

联立(2)、(3)式，可以得到的计算公式为：

$\bar{\mu }=\frac{\mathrm{In}{I}_0/I}{2\sqrt{R^2-{(R-\mathrm{Vgt})}^2}}---\left(4\right)$

式中，初始伽马射线强度I₀、传送速率V、废物桶4半径R和测量时间t 均为已知量，根据衰减后伽马射线强度I可以得到平均线衰减系数

(3)若测废物桶4中放射性废物水泥固化体合格，则进行下一个测量， 否则，反馈控制系统根据分析处理系统的信息，控制配比装置中废液、水泥和 添加剂的配比、以及搅拌控制器的搅拌速率。

实际上，反馈控制系统根据分析处理系统的信息进行控制。所述的分析处 理系统的信息，就是上述判断固化体合格、不合格的信息。若分析处理系统判 断为合格，则反馈控制系统不进行任何操作，本发明装置进行下一个废物桶4 的扫描，若判断当前检测的废物桶4不合格，则需要通过反馈控制系统来进行 调整。

当然，因为分析处理系统已经分析出结果，人们可以根据结果和自己的实 际需求，进行实际调整，本发明提供一种调整的方案如下：

经过大量实验，我们总结出一个关系式如下：

$D=N\frac{M}{\mathrm{VT}}---\left(5\right)$

其中D为孔隙度和裂缝尺寸，M为废液、水泥、添加剂的量(三者按一定 比例混合)，V为搅拌速率，T为搅拌时间，N为孔“隙度和裂缝尺寸”与“废 液、水泥、添加剂、搅拌速率和搅拌时间”建立数学模型的经验系数，经过大 量实验得出。

当前被测废物桶4的N、M、V、T均为已知，那么我们可以得出D的值， 该值与分析处理系统中灰度值差存在对应关系，灰度值差大，D值大，预设值 可以预设合格的灰度值差和D值。

若判断固化体不合格，需由反馈控制系统作如下处理：

(1)增加搅拌速率和搅拌时间，再测量，若合格，则结束；若不合格， 转入第2步骤。

(2)增加少量水泥、水和添加剂后搅拌，再测量，若合格，则结束；若 不合格，转入第1步骤。

当然人们可以分析处理系统的值，按自己需要确定调整方案，不一定按照 本实施例提供的方法。