用于基于中子活化进行多元素分析的方法和装置、以及用途制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于基于中子活化进行多元素分析的方法，该方法包括以下步骤：产生能量在10keV至20MeV范围内的快中子；用这些中子辐照样品(1)；测量由经辐照的样品发射的伽马辐射，以便确定该样品中的至少一种元素；其中，根据本发明专利技术，该样品是以非脉冲且连续的方式辐照的，在辐照期间进行测量，至少瞬发伽马辐射或瞬发伽马辐射和延迟伽马辐射两者被测量和评估，以便确定该至少一种元素，该样品被划分成各个分区并且使用准直器进行测量，并且在该样品(1)的相关分区(P1，P2，Pn)内以空间分辨和能量分辨的方式确定中子流。因此扩展了分析，提供了一种灵活的方法。本发明专利技术还涉及相应的装置以及探测器单元在多元素分析中的用途。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于基于中子活化进行多元素分析的方法和装置、以及用途
本专利技术涉及一种用于通过用中子辐照样品来基于中子活化进行多元素分析的方法。进一步地，本专利技术涉及一种包括至少一个可准直探测器的相应设备。尤其重要的是，本专利技术还涉及控制装置或其计算机程序产品的用途。特别地，本专利技术涉及根据相应独立权利要求或备选独立权利要求的前序部分的方法和设备。
技术介绍
在许多工业领域中，尤其是在危险货物或废物或回收材料或原材料的方面，或在半成品或工业产品的品质控制方面，十分重视对物质或材料的、特别是关于其元素成分的分析。此前执行的一种分析方法是所谓的多元素分析，借助于该分析方法确定样品的各个元素，而无需事先知道样品的确切成分。可以通过中子活化或例如通过X射线荧光分析或质谱法来实施多元素分析。此前，根据一定的时间指定，通过辐照的方式实施借助于中子活化的多元素分析。在脉冲中子辐照的情况下，如果在一定的时间窗口后，根据脉冲辐照的方式对瞬发伽马辐射进行了评估，则能够确保获得有意义的测量结果。在每个中子脉冲结束之后的等待时间之后，开始用于探测伽马辐射的时间窗口，并且该时间窗口在发射下一个中子脉冲之前结束。WO2012/010162A1和DE102010031844A1描述了一种使用中子辐射对大体积样品进行非破坏性元素分析的方法以及一种执行该方法的设备。在该方法中，由快中子以脉冲方式辐照样品，其中，在中子脉冲之后的一定的时间窗口之后，在朝向样品发射新的中子脉冲之前，测量由样品发射的伽马辐射。在此，测量方法还基于以下发现：可以通过慢化过程和通过观察相应中子脉冲之后的时间窗口来促进测量。由于相应中子脉冲之后的时间窗口，由非弹性相互作用造成的探测器中对感应伽马辐射的探测可以被滤除、并且因此可以在测量期间被屏蔽。瞬发伽马辐射作为伽马辐射进行评估。EP1882929B1和WO01/07888A2还描述了以下方法，其中中子以脉冲方式辐射在样品上，并且在每个脉冲之后观察某一时间窗口，直到测量到由样品发射的瞬发伽马辐射。在例如EP0493545B1和DE102007029778B4中也描述了类似的方法。中子活化分析还在以下另外的出版物中进行了描述：US2015/0338356A1，DE60310118T2，US2005/0004763A1，US2012/046867A1，DE10215070A1，DE1236831B。
技术实现思路
目的是提供一种可以通过中子活化来简化样品的多元素分析的方法和设备。另一个目的是构造一种用于通过中子活化进行多元素分析的方法和设备，使得产生广泛的应用领域。该目的也可以被认为是给用户提供一种简单、快速的测量方法，可以与待分析样品的类型或尺寸或材料成分尽可能无关地应用所述方法。尤其重要的是，目的是提供一种尽可能灵活的非破坏性方法、以及一种用于基于中子活化进行多元素分析的设备，即使待检样品在元素成分和样品几何形状方面难以分析和/或不希望采集待检样品的部分样品(其是破坏性的或影响结果)的情况下仍具有非常高的质量或非常可靠、安全的测量和评估所发射的伽马辐射的方式。这些目的中的至少一个目的是通过根据权利要求1所述的方法和通过根据备选独立设备权利要求所述的设备来实现的。相应的从属权利要求中说明了本专利技术的有利发展。下文描述的示例性实施例的特征可以彼此组合，只要这未被明确禁止即可。一种用于基于中子活化进行多元素分析的方法是按以下步骤执行的：产生能量在10keV至20MeV范围内的快中子；用这些中子辐照样品；测量由经辐照的样品发射的伽马辐射，以便确定该样品中的至少一种元素。根据本专利技术，提出了该样品是以非脉冲方式连续地辐照的，其中，在辐照期间与辐照时间无关(与辐照时间曲线无关)地实施测量，特别是没有由中子脉冲预先确定的时间窗口，特别是在与辐照相同的时间段内与辐照同时地，特别是在辐照期间连续地实施测量。这可以为各种类型的样品提供用于基于中子活化进行多元素分析的非破坏性方法，具有高的测量灵活性以及稳健、可重现且可靠的结果。用无单独脉冲的中子连续地辐照样品，例如在几秒钟或几分钟或几小时的时间段内连续辐照，其中可以与辐照同时地测量由样品发射的伽马辐射。在此发现，中子可以特别地通过发生器来产生，该发生器被配置成特别是用氘气作为气体靶或燃料使氘核(氘原子核)聚变。本专利技术有助于在长时间段内基于比较低的能量的辐照进行测量和评估，其结果是可以非常精确且可重复地进行分析。在现有技术中，此前在许多测量问题中都使用了脉冲辐照，在相应中子脉冲之后则预先需要等待时间。此前，脉冲长度通常在十微秒(μs)到几百微秒的范围内。相比于脉冲辐照，由样品发射的瞬发伽马辐射和延迟伽马辐射均与辐照同时地进行测量，其中探测器的能量分辨率有助于瞬发伽马辐射和延迟伽马辐射的细分。相比于脉冲辐照，在可以测量/评估所发射的辐射之前，无需观察时间窗口(到目前为止，这通常为至少5μs)。在开始探测伽马辐射之前无需观察等待时间。不再需要与相应中子脉冲的结束进行时间协调；代替地，可以连续执行辐照和测量。这也允许减少用于分析样品的测量时间。可以完全不使用时间窗口来执行测量，或可选地，部分地使用时间窗口来执行测量。在任何情况下，至少一些所发射的伽马辐射是以没有时间窗口与时间无关的方式测量的。该方法可以包括至少间歇地慢化快中子。伽马辐射的同时测量实现了测量设施的高效率。在此，可以在标准操作模式下测量瞬发伽马辐射和延迟伽马辐射两者，重点是瞬发伽马辐射。特别是在与辐照相同的时间指定下，或者在与辐照的时间指定独立的各个时间窗口中，可以以连续的方式与辐照同时地实施测量。举例来说，辐照是连续的，但是可选地仅在短的时间间隔内进行测量。同时进行测量和连续辐照的结果是，不再需要考虑任意时间窗口；代替地，可以非常灵活地进行测量和评估，并且可以评估两种类型的辐射，即瞬发伽马辐射和延迟伽马辐射。在中子辐照期间与时间关系无关的伽马辐射的测量/探测可以作为本专利技术的特性而突出。根据现有技术，辐照是脉冲式的，在相应中子脉冲之后则预先需要等待时间。此前，脉冲长度通常在十微秒(μs)到几百微秒的范围内。在此前采用的测量设施中，紧接在相应中子脉冲之后的背景信号太高，因此直接在中子脉冲之后的信噪比(SNR)太差，以致无法评估测量结果。因此，不可能探测到有意义的伽马辐射能谱。在此前的方法中，在许多测量问题中为中子提供了一定的时间窗口，以便能够特别是在中子发射之后进行测量。通常，此时间窗口为至少5μs。在此时间窗口期间样品中相互作用的可能性增大，因此可以在相应中子脉冲之后经过一定的等待时间(或慢化时间)后以足够好的信噪比SNR执行测量。数据采集是根据中子脉冲以时间偏移的方式实施的。相比之下，首先，按照本方法测量和评估的伽马辐射是在中子与样品原子核相互作用后立即发射的瞬发伽马辐射。在瞬发伽马辐射的情况下，直到发射的时间段约为10exp-16至10exp-12秒；这个时间段太短了，可以称为瞬时/立即发射。在瞬发伽马辐射的情况下，在中子捕获与伽马辐射的发射之间没有从测量角度看相关的时间偏移。其次，延迟本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于基于中子活化进行多元素分析的方法，该方法包括以下步骤：/n产生能量在10keV至20MeV范围内的快中子；/n用这些中子辐照样品(1)；/n测量由经辐照的样品发射的伽马辐射，以便确定该样品中的至少一种元素；/n其特征在于，该样品是以非脉冲方式连续辐照的，其中在这种辐照期间实施这种测量，其中，为了确定该至少一种元素，对来自这种连续中子辐照的至少瞬发伽马辐射或瞬发伽马辐射和延迟伽马辐射两者进行测量和评估，其中该样品(1)被细分为各个分区(P1，P2，Pn)，并且关于相应分区(P1，P2，Pn)，使用准直器(17)来实施这种测量，并且其中这种确定包括对所测量的伽马辐射的评估，其中这种评估包括：对该样品(1)的相应分区(P1，P2，Pn)内的中子通量进行空间分辨和能量分辨的确定。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170531 DE 102017111935.3;20170531 EP 17401060.31.一种用于基于中子活化进行多元素分析的方法，该方法包括以下步骤：
产生能量在10keV至20MeV范围内的快中子；
用这些中子辐照样品(1)；
测量由经辐照的样品发射的伽马辐射，以便确定该样品中的至少一种元素；
其特征在于，该样品是以非脉冲方式连续辐照的，其中在这种辐照期间实施这种测量，其中，为了确定该至少一种元素，对来自这种连续中子辐照的至少瞬发伽马辐射或瞬发伽马辐射和延迟伽马辐射两者进行测量和评估，其中该样品(1)被细分为各个分区(P1，P2，Pn)，并且关于相应分区(P1，P2，Pn)，使用准直器(17)来实施这种测量，并且其中这种确定包括对所测量的伽马辐射的评估，其中这种评估包括：对该样品(1)的相应分区(P1，P2，Pn)内的中子通量进行空间分辨和能量分辨的确定。


2.如权利要求1所述的方法，其中，这种辐照和测量是在至少一毫秒或至少一秒的时间段内实施的；和/或其中，产生的中子具有2.45MeV的中子能量值或具有选自下组的至少一个中子能量值：2.45MeV，14.1MeV；和/或其中，产生的中子具有在10keV至20MeV或10keV至10MeV的能量范围内的至少一个值的中子能量。


3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，仅来自连续中子辐照的延迟伽马辐射被至少间歇地测量和评估，以便确定该至少一种元素；或者其中，这种测量或确定是关于该样品的各个分区(P1，P2，Pn)单独地实施的，所述分区是通过准直而手动地或自动地预先限定的或者是能够通过准直而手动地或自动地预先确定的。


4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，为了确定该至少一种元素，通过确定光峰计数率，以能量分辨的方式测量由该样品(1)发射的伽马辐射，其中，这种确定包括根据相应分区的伽马能谱对所测量的伽马辐射的能量分辨的评估；和/或其中，这种测量/评估包括对由该样品(1)发射的伽马辐射的强度的能量分辨的测量/评估。


5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，这种评估包括：基于其能量，将计数率-能量图中的至少一个光峰与该样品(1)的元素关联；或者其中，这种评估进一步包括：在从计数率-能量图中的由该元素引起的某一/该光峰的净面积中减去背景信号之后，借助于该样品中包含的该至少一种元素的组分被评估，量化该样品中的该至少一种元素的质量分数。


6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于该样品(1)的相应分区中质量和/或元素分布均匀的假设实施这种评估；和/或其中，基于线性玻尔兹曼方程的扩散近似、尤其是基于以下关系式来计算该样品(1)的相应分区内的中子通量：



和/或其中，在该样品(1)内、在该样品的相应分区(P1，Pn，Pn)内尤其是以空间分辨和/或能量分辨的方式、尤其是基于以下关系式来计算该中子能谱：





7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，这种评估包括：通过以近似方法计算中子通量和中子能谱，在各自情况下基于以下关系式计算能量相关的光峰效率以及该样品的各个分区(P1，P2，Pn)内的中子通量和中子能谱：



和/或其中，在这种评估期间，当量化相应分区中的相应元素的质量分数时，相应地分析该样品(1)的相应分区(P1，P2，Pn)中的至少一种元素的多个伽马能量，所述分析基于以下关系式：





8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该方法是基于中子源强度、样品几何形状和样品质量的输入变量、特别是排他地基于所述三个输入变量来执行的，其中相对于各个元素和/或相对于该样品(1)的相应分区(P1，P2，Pn)和/或相对于该样品(1)的完整成分在各自情况下迭代地执行该方法；和/或其中，通过基于除在这种辐照期间中子源强度、样品几何形状和样品质量这三个参数之外的纯数值确定的参数评估所测量的伽马辐射来以自动方式执行该方法；和/或其中，执行以下一组测量中的至少一个测量以表征该样品：透射测量，样品称重，该样品几何形状的光学探测。


9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，相应分区的中子通量、特别是总中子通量的空间分辨和能量分辨的确定是在该样品室内和在该样品的外部特别是借助于布置在该样品室内的至少一个中子探测器(28；28A，28B，28C，28D)来实施的。


10.包括至少一个探测器(16A，16B)的探测器单元(16)按照如前述方法权利要求中任一项所述的方法在基于中子活化进行样品(1)的多元素分析中的用途，该用途被配置成连续测量由于中子对该样品的连续辐照而发射的瞬发伽马辐射和延迟伽马辐射两者，其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡伊·卡基，约翰·克特勒，安德里亚斯·哈维尼斯，
申请(专利权)人：亚琛核培训有限公司，法马通公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE