1. 概述
   核反应堆回路放射性核素测量系统主要是对反应堆回路中的裂变产物进行连续“定时标签”式测量，实时显示放射性核素活度浓度的变化，以监测燃料元件的完整性。
该系统由P型同轴高纯锗探测器、数字化谱仪、电制冷系统、屏蔽系统、PLC控制系统、温湿度控制系统、电磁阀等组成。自带核素分析功能软件包，硬件接口开发工具包，便于用户使用和实现二次开发。
整个核素在线测量系统能够实现远程控制、具有环境自屏蔽能力、设备自检能力、开关电磁阀能力、数据自动分析功能、活度浓度自动输出功能和数据管理功能等。

2. 系统设计
   将反应堆回路水从回路引出，进入到屏蔽铅室中的检测回路中，由高纯锗探测器测量检测回路U型管中水的放射性。整个系统安装在xxx工艺房间，系统在高约1.8米的钢结构平台上，安装一个机柜，内置准直器、HPGe探测器，现场校验源，铅室，谱仪，PLC，温湿度控制器，电制冷等设备模块组件。通过远端控制PC（大于500米）可以实现对电磁阀和谱仪的精确控制。
存在于反应堆回路中的反射性核素分为活化产物、活化腐蚀产物、裂变产物。回路中的γ放射性活度与可能发生在燃料元件上的包壳破损直接相关。例如判断燃料破损可测量Xe-133/Xe-135活度的比值，评估破损燃料棒的燃耗可测量Cs-134/Cs-137活度比值。对于放射性核素的活度比值情况参考下面的图表。

核素在线测量系统结构框图

3. 系统配置

3.1  P型同轴HPGe探测器
   选用ORTEC，GEM系列探测器，型号为GEM40P4，技术指标如下：
   相对探测效率(NaI)：40%。
   峰康比：64:1。
   峰型参数：FW.1M\FWHM=1.9，FW.2M\FWHM=2.6。
   晶体尺寸：直径70mm、长度40mm。
   能量响应范围：40keV-10MeV。
   能量分辨率：≤1.85keV(Co-60,1.33MeV);≤0.75keV（Co-57,122keV）。
   端窗：超低本底碳纤维封装，直径83mm。
   前放：晶体恢复管式高计数率反馈前放。
   冷指：垂直可拆卸冷指，590mm-650mm，冷指≤5kg。

3.2  电制冷
   X-COOLER-III电制冷是世界范围内迄今应用最为广泛的电制冷高纯锗技术，现已是接近零维护的第三代产品。其工作原理与家用冰箱、空调等类似。它与任何体积大小、采用PopTop结构的ORTEC高纯锗探测器匹配。
   技术指标如下：
   尺寸：压缩机31.8cm*31.8cm*28cm；冷指：59cm-65cm。
   重量：压缩机16.4kg；冷指5kg。
   输入电源：交流220-240V，50Hz。
   功耗：启动时小于500W,运行时小于400W。
   制冷剂：混合气体，不含CFC。
   连接软管：压缩机机箱和冷头由3米长的软管相连。
   环境适应性：温度：5℃-30℃；相对湿度：5%-95%，无冷凝。
   对分辨率影响：500keV以下，相对液氮不超过10%；500keV以上，无影响。
   电制冷主机通过软管连接与探测器后位置可调为任意方位。

3.3  数字化谱仪DSPEC-50
   DSPEC-50是ORTEC于成立50周年之际推出的新款数字化谱仪。它的主要特点：指标优秀，功能齐全，各项参数等同于DSPEC-Pro；既可以直接连接探测器，也可以由DIM连接探测器；同时提供USB2.0和以太接口；大屏幕彩色液晶可以连续显示状态和谱图信息。
   自动最优化功能：对于样品活度水平完全未知的情况，可以通过软件快速设置“自动最优化”功能，由系统快速选定最佳的参数设置。
   零死时间校正： 在谱获取中，对于中子活化分析中计数率快速衰减、或是在线测量时突然出现的尖峰信号的情况，ZDT 方法采用ORTEC 精密的Gedcke-Hale 时钟进行零死时间校正，以实现无损失计数。
   低频抑制器： LFR 是一项新型的数字化滤波技术，主要用来消除来自于机械制冷、电源电压波动或接地不良等外部因素导致的低频噪声信号，从而使系统的分辨率得到进一步改善。用户可根据情况选择开启或关闭此项功能。
   道亏损校正/虚拟示波器：在系统采用相对效率较高的HPGe 探测器或遭遇中子损伤的探测器时，弹道亏损效应常导致分辨率变差甚至恶化（尤其在高能端），ORTEC 数字化谱仪可以通过其内置虚拟示波器轻松解决这一问题。
   数字化门控基线恢复器、list Mode。
   最大数据通过率：＞100kcps,在增强通过率模式下＞130kcps。 
   增益漂移：绝大多数情况下＜35ppm/℃。
   零点漂移：绝大多数情况下 ＜3ppm/℃。
   道漂：在连续24h测量时，道数偏移≤1道。
   显示/接口：LED显示，Ethernet 和USB2.0接口。
   非线性积分：≤ 0.025%。
   非线性微分：≤ 1%。
   死时间校正：按Gedcke-Hale 法活时校正，精度（随峰面积而变化） <+3%。
   计数率显示：在谱仪和电脑上显示，仅使用MAESTRO-32 MCA软件就可完成所有功能。
   脉冲分辨率：好于500ns。

3.4  现场校准源
   采用活度为8×103Bq的Co-60标准点源，外直径为25mm，活度不确定度≤2.0%（k=2），放在带有一定铅屏蔽厚度的和磁吸开关的源罐中，用于不定期对探测器进行校验。具体安装的时候可以采用推入式或磁开关打开式两种方法来实现。

3.5  准直系统
   准直系统采用电机驱动，能够快速准确的调整进入探头的γ射线通量。拟在U型管铅屏蔽上截取一条宽为14mm，长为70mm的狭缝，并使其正对检测旁路U型管。再设计两个有一定厚度的铅板，利用电机精确控制其与狭缝的重合度，从而改变准直孔孔径，实现D2mm×W14mm，D10mm×W14mm，D30mm×W14mm，D50mm×W14mm等多种变化。

3.6  γ射线屏蔽系统
    γ射线是由贝克勒尔和维拉德在1900年进行铀和镭康普顿散射实验中首次发现的，它是一种比α粒子和β粒子穿透能力更强的粒子。γ射线穿过一定厚度的物体后，能量会呈现出一个指数衰减的规律，具体满足下面的规律：                   
                   I=I0Be-μR。  
（注：B,累计因子；R，吸收体厚度；μ，衰减系数；I，辐射量。）

    整个屏蔽系统采用低本底铅制，分块嵌入式，单个铅屏蔽模块重量≤20kg。根据现场管路布置和探头尺寸进行安装。
采用低本底铅制、分块嵌入式、单个铅屏蔽模块重量≤30kg。根据现场情况进行安装。对隔墙外侧的并联旁路整体铅屏蔽，与隔墙垂直的管路长度为50mm-100mm，侧面铅屏蔽层厚度为40mm，中间设有70mmD×14mmW的狭缝。准直部分为铅结构，长度为70mm，通过调整狭缝的重合度实现准直孔孔径变换，最大重合度时准直狭缝尺寸为70mmD×14mmW，最小重合度时准直狭缝尺寸为2mmD×14mmW，准直狭缝尺寸的其他变化至少包括10mmD×14mmW，30mmD×14mmW，50mmD×14mmW，铅屏蔽层厚度为40mm；探头用圆柱形空腔结构铅屏蔽，空腔直径为85mm，铅屏蔽层厚度为80mm，长度为140mm，在冷指后端装直径为100mm，厚为30mm的铅屏蔽块。
优化方 案：在准直部分和探头部分拟采用密度更大，屏蔽效果更好的钨合金。在铅屏蔽上使用错层安装结构，使得对γ射线的屏蔽效果更好。

3.7 电磁阀和手动阀
   电磁阀：QNC级,水介质，温度范围40℃-70℃，设计压力≥20MPa,通径尺寸为?14×2mm，失效状态为常开，直流电源信号控制，阀门启闭频率极高，DC24V控制，长期无内外泄漏。
   手动阀：QNC级,水介质，温度范围40℃-70℃，设计压力≥20MPa,通径尺寸为?14×2mm，长期无内外泄漏。

3.8  西门子S7-200 PLC
    备有功能部件，可实现至少6路的模拟或数字信号输出控制；可与计算机通讯（RS-485）或远程通讯（Ethernet）,与其他控制部分通讯；可远程启动或停止相关的信号

3.9  温控装置
    采用闭路制冷，可在外部密闭环境下（温度为40℃左右）控制内部温度在10-30℃，内部设计温湿度传感器，能够实时监测机柜设备内的温度，并把温湿度数据传送到远端控制室的PC端显示。温控装置的工作电压：AC220V,制冷功率为1000W。
    温度湿度控制流程
    1, PLC通过ADC模块采集温度变送器和湿度变动器4~20mA输出信号;
    2, PLC将模拟信号转换成温度和湿度值;
    3, 上位机将设置的目标温度和湿度值发送到PLC;
    4, PLC根据当前温度湿度值和目标温度湿度值实时计算出排风装置的控制量和除湿机构的控制量, 形成闭环控制系统, 达到控制要求.
    在设计方面，具体可采用下面的方案:
    采用顶装式机柜空调，完美的静音设计符合对噪音要求较高的场所，具有高压、低压、过热过流等保护功能，核心部件压缩机与风机等均采用国际知名品牌，能满足不同工作环境的需求。

3.10  UPS电源
    UPS电源，220V,1000W时，持续供电不低于2小时，在线供电模式,配备奥克松的12V100AH蓄电电池32块

3.11  机柜
     采用英国RadiationShieldinginc公司的高强度专业辐射屏蔽机柜，进行改装，拟放在钢平台上，单开门结构，采用模块化安装，内部作保温和除湿处理，使用不锈钢或高强度钢材，并做喷粉处理，安装板用镀锌钢板，静态承重≥800kg。同时对机柜采用密封和恒温处理，保证温湿度符合工作环境的要求。

3.12  GammaSharpγ能谱分析软件
     GammaSharpγ能谱分析软件是中智核安科技有限公司倾6年时间打造的新一代γ能谱分析软件，GammaSharp在集成当今国际上主要的能谱分析软件产品优点的基础上，形成了自身鲜明的特色，即以自动分析为导航，在选择性精密交互分析的基础上输出分析结果。GammaSharp代表了中智核安科技有限公司的能谱分析水平。
     GammaSharp集成硬件控制、能谱获取、数据分析、报告生成和质量控制于一体的专业软件，可以同时获取10个能谱数据，与windows7、windows8和windous XP良好兼容。采用国内成熟软件，并进行源码整合，提供集硬件控制、数据获取、能谱分析（内含无源效率刻度软件）一体化软件平台，并提供二次开发的软件端口。可根据需求，进行功能和界面定制。
     GammaSharp的功能
        谱仪控制：可实现的参数设置包括：增益细调、启动数字化稳谱、调节高压、显示实时间/活时间、设置上下甄别阈等；
? 能量刻度：通过单峰拟合精确定位峰位，用户根据预先了解的知识确定峰位对应的能量，软件提供核素峰信息实时查询功能；
? 寻峰：采用一阶导数、二阶导数方法寻找孤立峰，在峰形拟合的基础上，采用Mariscotti方法寻峰进行二次寻峰，以确定重峰峰位；
? 效率刻度：软件提供两种功能，一是调用实验测量得到的效率刻度曲线，二是采用与本软件无缝连接的GammaCalib无源效率刻度软件的计算结果，由于采用了无源效率刻度，在谱分析中不再需要各种复杂的校正功能，如立体角校正和衰减校正等；
? 峰拟合：通过峰拟合扣除本底，分辨重峰，获得净计数率。GammaSharp提供优秀的重峰解析功能，采用拟牛顿方法和蒙特卡罗方法等数值计算方法，可以精确解析20重峰。采用非线形本底扣除方式，自动适应能谱的变化趋势。峰形采用高斯函数或者高斯函数加前后指数函数拖尾拟合峰形，对于畸变的峰形有优秀的拟合能力；
? 活度计算：对于同一核素的不同的γ峰，同时考虑分支比、效率刻度因子，通过加权平均计算活度。在活度计算过程中同时考虑测量过程的核素衰减和死时间校正等；
? 最小可探测限计算：内置Currie MDA，KTA MDA，PISO MDA，Critical level等分析方法供选择；
? 不确定度分析：综合计算探测效率不确定度、计数率不确定度给出能谱测量结果的不确定度；
? 分析用核素库：来自ENSF（Evaluated nuclear structure data file），有3000多种放射性同位素的谱线系，用户在使用过程中可以实时查询谱线信息。
? 软件考核：采用国际上16家实验室的100条比对能谱对软件进行了考核，分析结果精度满足；
? 界面：全中文界面或者全英文界面；
? 分析流程：首先全自动分析，用户根据全自动分析的结果，选择关注的核素和能峰，然后进行高精密交互分析，然后输出报告。一般情况下全自动分析的功能已经满足用户需求。在交互分析功能中，允许用户为样品添加注释、删除谱中的伪峰、加入自动处理过程未被检出的峰，改变拟合峰形等；
? 报告输出：以TXT、PDF、HTML和XML等格式输出报告。

3.13  Angle V3.0无源效率刻度软件包
     Angle V3.0是一款应用于实验室高纯锗γ谱仪的无源效率刻度软件。其原理是基于对于每套实验室谱仪，由标准电源刻度的完整效率曲线，结合绝对算法与相对算法，并由无数实验修正，以“效率转换”方法推演其它形式样品的效率刻度曲线。该方法在较大程度上排除了采用纯粹的蒙特卡洛方法情况下，对探测器参数输入偏差而引起的较大误差。                      通常在探测器长时间使用或经维修后特性发生变化情况下，用户可随时用标准点源完成对系统的重新“表征”。
软件具有完整的记忆存档功能，当以上某一条件发生变化时，用户可调取以前的刻度文件，从发生变化的步骤开始进行新曲线的刻度。
     具体完成实际样品的效率刻度曲线的步骤如下：
     1，输入探测器信息：名称/类型/高度/直径/内接触极孔直径与深度/内外接触极材料与厚度/死层厚度/导出极材料与尺寸等。
     2，输入样品容器信息（对柱状源与马林杯或带支架样品）：名称/形状/材料/（内外）直径/高度/壁厚等。
     3，输入样品信息：名称/材料/重量/高度/直径等。
     4，存储以上信息并创建效率曲线。
     5，命名获得的效率曲线并导入GammaVision。

3.14  硬件接口开发工具包
    A11-B32软件开发者工具包为软件开发者提供控件说明和接口程序，可控制ORTEC多道产品，也可直接读取硬件中的原始信息自定义用户分析软件。该工具包提供三种控件模式（VB，VC，Labview），方便用户开发利用。

3.15 集成控制部分
   完全按照技术规格书的要求，可在中文Windows7上运行，操作界面为中文界面，能实时显示核素活度浓度的数据、数字谱仪系统的状态、电磁阀状态，各种核素活度的变化趋势曲线和读数等。采用工业化组态软件，远端控制室通过电脑可以方便的控制谱仪系统、温湿度调节和电磁阀的开关。

3.15.1 主控界面
    在主控界面以时间为x轴，3个电磁阀的开闭状态为y轴，曲线方式显示3个电磁阀的开启时序；通过PLC的ADC模块读取安装在机柜内的湿度变送器的模拟信号，并以数字方式将经过转换的相对湿度实时显示监控界面；按照设置时间参数提前开启电制冷系统，再开启数字化谱仪系统； 直观方式显示探测器的工作状态；直观方式显示数字化谱仪和电制冷系统的工作状态；

3.15.2  参数设置界面
    设置各电磁阀打开延迟周期， 以秒为单位；设置各电磁阀关闭延迟周期， 以秒为单位；设置电制冷装置的提前开启时间，以分钟为单位；

3.15.3 活度浓度的输出界面
    以折线的方式动态显示一段时间内指定核素活度的变化趋势曲线，最大显示曲线大于8条；显示核素曲线根据用户要求通过选择键进行勾选；测试完成后自动将谱图保存在 数据库中；保存的每条测试数据均带有时间标签；

3.15.4 软件开发工具和相关界面
        VC++