專利名稱:用于確定物體的密度和尺寸特性的方法和系統(tǒng)以及在制造過程中檢查核燃料芯塊的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非破 壞性分析技術(shù)的領(lǐng)域。
更具體來說，本發(fā)明可應(yīng)用于通過直線光子衰減自動確定物體的密度以及自動 確定它們的尺寸特性的方法和系統(tǒng)。
其應(yīng)用之一是檢驗和監(jiān)控諸如UOX和/或MOX的核燃料芯塊的物體制造和加 工單元的正確操作，且尤其用于監(jiān)控制造上述物體的再現(xiàn)性，這與物體的密度相關(guān)。
其也可用于確定軸向和徑向密度梯度，因而用于作為非常精密的計算斷層照相 (CT)掃描儀。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提出了用于確定密度、具體來說是確定地質(zhì)采樣的密度的非破壞性放射 性核方法。在參考文獻 Been, K.的 “Non-destractive Soil Bulkdensity Measurement by X-ray Attenuation", 《Geotechnical Testing Journal》GTJODJ, Vol.4, No.4, Dec.1981, PP 169-176中，作者提出在不力圖精確地確定所涉及采樣的尺寸的情況 下通過使用X射線管的直線光子衰減的采樣密度測量法。在參考文獻Tan，S.-A 禾口 Fwa， Τ.-F 的 “Non—destructiveDensity Measurements of Cylindrical Specimens by Gamma-RayAttenuation” , 《Journal of Testing Evaluation》 JTEVA, Vol.19, No.2, March 1991, PP.155-160 中以及 Tan, S.-A 禾Π 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，作者提出通過使用伽馬(gamma)輻 射的直線光子衰減確定地質(zhì)采樣的密度的測量法。他們已經(jīng)確定并證明采樣的幾何參數(shù) 對密度測量法的精度的影響，但是他們沒有提出精確地確定所述幾何參數(shù)的解決方案。
要注意盡管上述文獻涉及采樣密度，但其目的實際上是確定所述物體每單位體 積的質(zhì)量。為簡化說明，使用術(shù)語“密度”代替“每單位體積的質(zhì)量”。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于通過確定各個所述物體相對于用作基準或標準的所述物體中 的至少一個的已知密度的變化來確定屬于給定物體組的物體的密度。
該所述物體的密度的確定利用包括通過伽馬光子輻照(irradiation)的非破壞性核 技術(shù)以及利用伽馬光譜測定儀器來確定伽馬光子束的強度而實現(xiàn)。
確定所述物體的密度需要先確定物體的至少一個有效尺寸。
與上述現(xiàn)有技術(shù)中所述的方法不同，本發(fā)明通過非常精確地測量待定密度物體 的至少一個有效尺寸并使用該測得的有效尺寸來確定被測物體的密度而考慮了幾何參數(shù) 的影響。所述有效尺寸可以是寬度或直徑，并對應(yīng)于伽馬光子束所通過的有效尺寸。
用于確定物體的有效尺寸的方法形成用以確定所述物體的密度的方法的一部分。其使用了紅外輻射儀器來測量尺寸。
簡單地回憶一下通過光子衰減確定物體密度的物理原理包括以具有能量E的 單頻光子所組成的查詢束(query beam)輻照物體。光子束的強度作為其所通過的物體的 密度、其所通過的材料的厚度以及其所通過的物體的基本化學(xué)成分的函數(shù)而或多或少地 衰減。該強度通過以下等式得出
權(quán)利要求
1.用于自動確定屬于物體組的物體(100)的密度的系統(tǒng)，其特征在于，其包括 -用于確定所述物體(100)的有效尺寸X的儀器(2)，-用于確定衰減的光子束強度I的儀器(30)，所述衰減是由于通過所述物體(100)， -采集、處理和分析儀器(200)，-將所述物體(100)傳送到所述用于確定其有效尺寸X的儀器(2)并朝所述用于確定 衰減的光子束強度I的儀器(30)傳送的裝置(70、72、80、82、84、86、88)，_調(diào)節(jié)所述物體(100)相對于所述用于確定其有效尺寸X的儀器的位置的第一裝置 (74、 76、 78)，_調(diào)節(jié)所述物體(100)相對于所述用于確定衰減的光子束強度的儀器(30)的位置的第 二裝置(90、92、94、96、98)，且，所述第一和第二調(diào)節(jié)裝置能夠相對于支撐板(150)以1微米量級的精度移動所述 物體(100)，構(gòu)成所述系統(tǒng)的元件安裝在所述支撐板上，且，所述物體(100)相對于所述用于確定衰減的光子束強度I的儀器(30)的位置作 為所述物體(100)的有效尺寸X的函數(shù)而被調(diào)節(jié)。
2.如權(quán)利要求
1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述采集、處理和分析儀器(200)包括計 算機(170)，所述計算機上安裝了運行用于確定物體(100)的密度的自動方法中的一系列 指令和計算算法的專用軟件。
3.如權(quán)利要求
1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述采集、處理和分析儀器(200)給 出所述物體(100)的密度P相對于屬于同組物體(100)中的至少一個標準密度物體emas
4.如權(quán)利要求
1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述用于確定物體(100)的有效尺寸的儀 器⑵包括-由第一紅外發(fā)射器(4)和第一紅外接收器(6)構(gòu)成的第一紅外組件(4、6)， -由第二紅外發(fā)射器(8)和第二紅外接收器(10)構(gòu)成的第二紅外組件(8、10)， 所述兩組紅外組件(4、6 ； 8、10)彼此分開已知距離d，并發(fā)射彼此平行的紅外束， 且，所述物體(100)的有效尺寸X由所述物體(100)沿著大致垂直于兩個束的軸 線(12、14)的方向移動而順次地截取第一紅外束和第二紅外束時所獲得的紅外響應(yīng)推導(dǎo) 出，所述紅外響應(yīng)對應(yīng)于在截取第一紅外束的一半(22)時尚未由所述物體(100)截取的 第二紅外束的一部分(24)。
5.如權(quán)利要求
4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述用于確定所述物體(100)的有效尺寸 X的儀器(2)還包括第三光電收發(fā)器組件(16、18)，其相對于所述第二紅外組件(8、10) 設(shè)置在所述第一紅外組件(4、6)的輸入側(cè)并意圖對兩個紅外束的強度做預(yù)先的調(diào)整。
6.如權(quán)利要求
4或5所述的系統(tǒng)，其特征在于，在測量Q次紅外響應(yīng)RI(q)之后利用 以下關(guān)系式得出所述物體(100)的有效尺寸X，其中，q介于1到Q之間χ = A4. (average RI (q)) 4+A3. (average RI (q))3+A2. (averageRI (q)) 2+Al. (average RI (q))'+A0,其中，入、A1, A2、A3、A4是事先對至少四個具有為測量紅外響應(yīng)RIfedim)的標準尺 寸的物體edim應(yīng)用該相同關(guān)系式而得出的系數(shù)。
7.如權(quán)利要求
1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述用于確定衰減的光子束強度的儀器 (30)是伽馬光譜測定儀器，其包括-由源和準直儀形成的組件(32)， -由檢測器和準直儀形成的組件(40)， -伽馬光子采集和計數(shù)系統(tǒng)(48)。
8.如權(quán)利要求
7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述采集和計數(shù)系統(tǒng)(48)包括 -高密度鍺檢測器，-前置放大器(50)， -數(shù)字信號處理器DSP (52)， -高壓模塊(54)， _網(wǎng)絡(luò)模塊(56)， -數(shù)據(jù)采集計算機(170)， -低溫保持器(60)。
9.如權(quán)利要求
4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳送裝置(70、72、80、82、84、 86、88)包括轉(zhuǎn)盤(70)和驅(qū)動所述轉(zhuǎn)盤(70)的步進電機(72)。
10.如權(quán)利要求
1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳送裝置包括抓取臂(80)。
11.如權(quán)利要求
10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述抓取臂(80)是裝配意圖抓取和放 下所述物體(100)的端部夾(82)的鉸接臂。
12.如權(quán)利要求
3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一調(diào)節(jié)裝置包括-第一滑動件(74)，用以將所述用于確定所述物體(100)的有效尺寸X的儀器(2)的 基座(26)沿著方向X固定位置；-第一致動器(76)，用以將所述第一紅外組件(4、6)沿垂直于X方向的Y方向帶近 或帶離所述用于確定所述物體(100)的有效尺寸X的儀器(2)的所述第二紅外組件(8、 10)；-第二致動器(78)，用以將所述用于確定所述物體(100)的有效尺寸X的儀器(2)的 所述基座(26)沿垂直于平面(X，Y)的方向Z移動。
13.如權(quán)利要求
4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二調(diào)節(jié)裝置包括輻照支撐(90)， 所述物體(100)安裝在其上，處于所述用于確定通過物體(100)的衰減的光子束強度的儀 器(30)中的源(32)和檢測器(40)之間。
14.如權(quán)利要求
13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二調(diào)節(jié)裝置包括 -第二滑動件(94)，用以沿著方向X固定輻照支撐(90)；-第三致動器(96)，用以沿X方向在所述用于確定通過物體(100)的衰減的光子束強 度的儀器(30)中的源(32)和檢測器(40)之間移動所述輻照支撐(90)，-第四致動器(98)，用以沿垂直于平面(X、Y)的方向Z在所述用于確定通過物體 (100)的衰減的光子束強度的儀器(30)中的源(32)和檢測器(40)之間移動所述輻照支撐 (90)。
15.使用如權(quán)利要求
13所述的用于自動確定屬于物體組的物體(100)的密度的系統(tǒng)的 方法，其特征在于，其包括以下步驟-步驟1，校準所述用于確定物體(100)的有效尺寸的儀器(2)中的兩組紅外組件(4、6 ； 8、10)的位置，-步驟2，校準所述用于確定由于通過物體(100)而衰減的光子束強度的儀器(30)的 輻照支撐(90)的位置，-步驟3，校準所述用于確定衰減的光子束強度的儀器(30)的所述源-檢測器(32、 40)組件的測量，且，包括實際確定物體(100)的有效尺寸X的步驟，該步驟在所述物體組的每個物體 (100)上進行。
16.如權(quán)利要求
15所述的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)包括包含在傳送裝置中的轉(zhuǎn)盤 (70)，所述校準步驟1包括操作員利用交互式模塊輸入一組輸入?yún)?shù)，這些參數(shù)包括-包括兩個致動器(76、78)的具有微位移的部件的配置， -所述轉(zhuǎn)盤(70)的配置，即，占據(jù)轉(zhuǎn)盤上不同位置的物體的性質(zhì)， -所述轉(zhuǎn)盤(70)上每個標準尺寸物體edim所占據(jù)的位置，-沿所述用于確定所述物體(100)的有效尺寸X的儀器(2)的基座(26)的Z方向的^measure，-限制所述第一紅外組件(4、6)沿Y方向的移動間隔的位置Y(I)和Y(N)， -所述第一紅外組件(4、6)沿Y方向的移動步距INT。
17.如權(quán)利要求
16所述的方法，其特征在于，所述校準步驟1還包括以下操作a)將所述基座(26)沿Z方向移動，直到Zmeasure位置，b)所述轉(zhuǎn)盤(70)角位移以將標準尺寸物體edim相對于儀器(2)傳送，直到其初始測量位置，C)將所述第一紅外組件(4、6)沿Y方向移動，直到其開始位置Y(I)，d)將所述第一紅外組件(4、6)以連續(xù)的增量INT沿Y方向步進移動，將其移離固定 在位于位置Y(I)和Y(N)之間的位置Tfix處的所述第二紅外組件(8、10)，并同時確定 對應(yīng)于每個位置Y (η)的所述標準尺寸物體edim的紅外響應(yīng)RI (η)e)計算最佳紅外響應(yīng)RIcjpt,f)計算所述第一紅外組件(4、6)相對于所述第二紅外組件(8、10)的最佳位置 Yopt ο
18.如權(quán)利要求
17所述的方法，其特征在于，所述用于步進移動的操作d)包括以下 子步驟d-Ι)所述轉(zhuǎn)盤(70)角位移以將標準尺寸物體edim傳送到其最終測量位置， d-2)測量所述標準尺寸物體edim的紅外響應(yīng)RI (η)，d-3)所述轉(zhuǎn)盤(70)角位移以將所述標準尺寸物體edim帶到其初始測量位置。
19.如權(quán)利要求
17或18所述的方法，其特征在于，所述最佳紅外響應(yīng)RIcjpt用以下關(guān) 系式得出
20.如權(quán)利要求
17所述的方法，其特征在于，所述計算最佳位置Ycjpt的操作f)由如下得出如果
21.如權(quán)利要求
15所述的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)包括包含在傳送裝置中的轉(zhuǎn)盤 (70),所述校準步驟2包括操作員利用交互式模塊輸入一組輸入?yún)?shù)的步驟，這些參數(shù) 包括-具有微位移的部件的配置，包括兩個致動器(96、98)， -所述轉(zhuǎn)盤(70)的配置，S卩，占據(jù)轉(zhuǎn)盤上不同位置的物體的性質(zhì)， -所述轉(zhuǎn)盤(70)上每個標準密度物體emas所占據(jù)的位置， _測量持續(xù)時間或計數(shù)時間，_限制輻照支撐(90)沿Z方向的移動間隔的位置Z(I)和Z(N)， -對于所述輻照支撐所占據(jù)的各個位置Z(i)，i=l，…，N，由于通過各標準密度物 體而衰減的光子強度的測量的數(shù)目M。
22.如權(quán)利要求
21所述的方法，其特征在于，所述校準步驟2還包括以下操作a)確定各標準密度物體emas的有效尺寸Xenms,b)所述轉(zhuǎn)盤(70)角位移一角度(A)，以將所述標準密度物體emas傳送到其由抓取臂 (80)抓取的中間位置，c)將所述標準密度物體emas定位在輻照支撐(90)上d)實際調(diào)節(jié)所述輻照支撐(90)相對于源(32)和相關(guān)聯(lián)的檢測器(40)的位置，e)將所述具有標準密度的物體emas返回傳送到所述轉(zhuǎn)盤(70)上。
23.如權(quán)利要求
22所述的方法，其特征在于，所述用以將物體emas定位到輻照支撐 (90)上的操作c)包括以下子操作C-1)將所述輻照支撐(90)向下沿Z方向移動，c-2)將所述抓取臂(80)從其等待位置移動到豎直地與所述標準密度物體emas的中間 位置對準，c-3)所述抓取臂(80)抓取所述標準密度物體emas，然后傳送所述標準密度物體直到 其豎直地與所述輻照支撐(90)的頂面(92)對準，c-4)向上沿Z方向移動所述輻照支撐(90)，直到位置Z(I)，c-5)利用所述抓取臂(80)將所述標準密度物體emas向下放到所述輻照支撐(90)的 所述頂面(92)上，c-6)移動并返回所述抓取臂(80)，直到其等待位置，c-7)沿Y方向迫壓所述標準密度物體emas使其與所述頂面(92)上的止擋接觸。
24.如權(quán)利要求
22或23所述的方法，其特征在于，所述實際調(diào)節(jié)輻照支撐(90)相對 于源(32)和相關(guān)聯(lián)的檢測器(40)的位置的操作d)包括以下子操作d-Ι)沿Z方向在兩個預(yù)定位置Z(I)和Z(N)之間步進移動所述輻照支撐(90)，d-2)對于各個位置Z(i)，i = l，…，N，通過光子束輻射標準密度物體emas M次， 其產(chǎn)生了一組衰減強度I(i，j)的值，其中，i=l，…，N，N表示由所述輻照支撐(90) 占據(jù)的連續(xù)位置Z (i)的數(shù)目，且j = l，…，M，M表示在每個位置Z (i)處進行的輻照 的數(shù)目，d-3)相對于衰減強度I(i，j)從位置Z⑴的四階多項式回歸計算所述輻照支撐(90) 的最佳位置ZQPT，該四階多項式回歸是預(yù)定的并集成為采集、處理和分析儀器(200)的數(shù) 據(jù)項。
25.如權(quán)利要求
15所述的方法，其特征在于，所述用以校準用于確定衰減的光子束強 度的儀器(30)的測量的步驟3包括以下自動操作a)測量由于通過標準密度物體emas而衰減的光子強度I_s，b)使用以下關(guān)系式計算所述標準密度物體的質(zhì)量衰減系數(shù)
26.如權(quán)利要求
15所述的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)包括包含在傳送裝置中的轉(zhuǎn)盤 (70),所述實際確定步驟還包括-步驟4，確定所述待測物體(100)的有效尺寸X， -步驟5，將所述物體(100)向所述輻照支撐(90)傳送，-步驟6，通過調(diào)節(jié)所述輻照支撐(90)的位置而調(diào)節(jié)所述物體(100)相對于源(32) 和相關(guān)聯(lián)的檢測器(40)的位置，-步驟7，確定通過所述物體(100)傳輸?shù)墓庾邮乃p強度I， -步驟8，對所獲得的光譜的采集、處理和分析，-步驟9，確定所述物體(100)的密度P相對于一個或幾個具有標準密度物體emas Δρ的密度的相對變化廠 ，-傳送步驟10，將所述物體(100)返回傳送到其在所述轉(zhuǎn)盤(70)上的位置。
27.如權(quán)利要求
26所述的方法，其特征在于，所述確定待測物體(100)的有效尺寸X 的步驟4包括操作員利用交互式模塊輸入一組輸入?yún)?shù)，這些參數(shù)包括-所述轉(zhuǎn)盤(70)的配置，S卩，占據(jù)轉(zhuǎn)盤上不同位置的物體的性質(zhì)； -所述轉(zhuǎn)盤(70)上所述物體(100)所占據(jù)的位置，-沿所述用于確定所述物體(100)的有效尺寸X的儀器(2)的所述基座(26)的Z方向的位置 ■^measure，-對每個標準尺寸物體edim(n)的紅外測量的數(shù)目P，
28.如權(quán)利要求
27所述的方法，其特征在于，所述用于確定待測物體(100)的有效尺 寸X的步驟4還包括以下操作a)將基座(26)沿Z方向移動，直到位置Zmeasure，b)將第一紅外組件(4、6)沿Y方向移動，直到如下定義的位置Ym6asure:Ymeasure = YOPT+ (^edim_^edimAVE)，胃 Ψ Yopt是在校準步驟1中獲得的最佳位置，Xedim是在校準步驟1中使用的標準尺寸物體edim的尺寸，XedimAVE是所有標準尺寸物體edim的有效平均尺寸，C)測量N個標準尺寸物體edim (η), η = 1，…，N的紅外響應(yīng)RI (ρ)，重復(fù)P次， P= 1，…，P,其產(chǎn)生一組值RI(n，ρ), d)實際計算所述物體(100)的有效尺寸。
29.如權(quán)利要求
28所述的方法，其特征在于，所述用以實際計算物體(100)的有效尺 寸X的操作d)如下進行d-Ι)使用N個具有標準尺寸的物體edim中的每個物體的有效尺寸Xalim (η)的 四階多項式回歸，作為所述具有標準尺寸的物體edim(n)的紅外響應(yīng)的平均值RIedimAVE =
30.如權(quán)利要求
1-14中任一項所述的系統(tǒng)的應(yīng)用，其用于測試正在制造的物體 (100)。
31.如權(quán)利要求
15-29中任一項所述的方法的應(yīng)用，其用于測試正在制造的物體 (100)。
32.如權(quán)利要求
30所述的應(yīng)用，其中，所述物體(100)是核燃料芯塊。
33.如權(quán)利要求
31所述的應(yīng)用，其中，所述物體(100)是核燃料芯塊。
專利摘要
本發(fā)明涉及用于自動確定物體(100)的密度的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于確定物體(100)的有效尺寸(X)的單元(2)，用于確定由于通過所述物體(100)而衰減的光子束的強度(I)的單元(30)，采集、處理和分析單元(200)，傳送所述物體(100)的裝置(70、72、80、82、84、86、88)，調(diào)節(jié)所述物體(100)的位置的第一裝置(74、76、78)，調(diào)節(jié)所述物體(100)的位置的第二裝置(90、92、94、96、98)。本發(fā)明還涉及使用上述系統(tǒng)的方法，所述方法包括校準單元(2)和(30)的部件的步驟以及確定所述物體(100)的有效尺寸的步驟。所述步驟在所述物體組中的每個物體(100)上進行。
文檔編號G01N33/00GKCN1942752 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200580012036
公開日2011年4月13日 申請日期2005年4月6日
發(fā)明者埃馬紐埃爾·帕揚, 阿卜杜拉·利奧西 申請人:原子能委員會, 核材料總公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4),