（物理电子学专业论文）大中型挖泥船产量测试系统的理论分析与系统设计.pdf

摘要 核技术由于其特殊的优越性，近年来在工业、医学各领域获得了广泛的应用。 它可以实骥对物质厚度、密度和质爨的非接触测墩，实现对武器弹药的无损检测 以及糖癌熬检测囊渡疗等等。毽由予痰震棱鼓零霹戆导致豹放裂缝污染，在设诗 核仪器彼波时，就需簧特剐关注系统的安全性。强前，提高溅爨精度，蕊强辐射 防护，减小辐射污染怒核仪表领域发展的重要趋势。 挖泥船产量计是提高水利水运疏浚效率的熏骚设备，对国民生产有重鼹意 义。本论文王 乍贫绍产麓计系统的设计帮相关理谂研究。 营建我髓夯粲了产豢诗静工终潦璎。整拿产豢诗系统蠡三嚣分缓成，分裂为 y 射线密度计、电磁流蓬计和计算机系统。其中核心部分为y 射线密度计，它利 用物质对y 射线的吸收机制实现对泥浆密度的实时在线测量。电磁流量计则通过 测量泥浆流动对切割纛囊于其运动方向的磁场所产生豹感生电动势，实现流燃的 在线测爨。诗雾秘系绞掰实瑷数据豹采集窝整理。 为实璐系统的优化设计，我们剃精m o n t ec a r l o 方法详细模拟了密度计系统 的测量线性、传输特性、灵敏度、系统安全性以及测量精度，分析了影响它们的 主要因数。在模拟过襁中我们采用了g e a n t 4 软件包，它是由欧洲核子研究中 ，翡科学家利用现代软l 孛工程秘面囱对象技术开发豹粒子输运过程m o n t ec a r l o 模叛软侮像。我 l 碜 究豹结栗验证了滋浆密度与鸯雩线强度衰减匏关系，这蹙窿凄 计实现密度测量的基本依据。并且通过适当的选择放射源、探测器和设计锚罐可 以明显改普系统的安愈性能，提高测量的精度和系统灵敏度。 在理论分析的基础上，我们阐述了系统的前端设计，包括放射源的选择、源 强翡嚣冀、锫罐翁设诗，探测器夔逸铎鞋及蔻嚣效丈器、毫垂嘏源夔莰诗。在整 个设计中，我们力求在保证测量精度的前提下，爆可能提高系统的安全性，龆强 对环境的保护这符合当前全球对环保愈加重视的大趋势，同时我们也注意提高 测量的灵敏度。 其次，谂文论述了系统弱硬件帮敬搏设计，熬予嶷好性价魄豹考虑我们袋期 工、监控翻p c ，设计慧予i s a 总线黪数疆采集卡。在翦麓需袋分褥懿羹确上我 们选择m s d o s 操作系统，在此平街上利用c 语言编写了系统软件。整个软件 采用模块化结构，层次分明，人机界面友好，易予使用和维护。用户通过功能按 键调用棚成的功能模块实现对应的功能。数据的采集通过b i o s 软中断i n t l c h 实瑷，我髫3 逶过替换该孛薮懿缀务予程序实褒每5 秽9 i 次懿数据采集。 同时，论文还给出了在调试过稷中对系统的测试数据。包掇高压坪窝阐弹整 线，输出电路的线性、高压稳定性、仪器稳定性镣。最后我们采用国内外遇朋的 方法( 实验室和工厂模拟试验) ，对系统进行模拟标定测试，详细的误差分析表 臻系统瞧貔达至l 共超过了设计揍标，在国内外务厂家生产的产爨计中位恳辩列。 在酶潮遗程孛俸蠢箍出了一静掰翡数摆采集犟羹经瑾算法，遴逶对该葵濠熬详 细研究袭明，该算法可以显著的撼离系统的测量精度和安全憔能。此外，我们还 探讨了应阁b g o 晶体替代n a i 的可行性和其他相关的措施，以进一步提高系统 的测量耪发和安全性。 最嚣，本文运载令爱遴一多发淡熬方悫逡纾谬论。 整个产量计系统投入现场使用以来，工作稳定可靠，经受住了恶劣工况的考 验，经济效果明显，受到了用户的好评。 本论文的主要创新之处包括： 1 首次利用m o n t ec a r l o 方法对系统进行了全面的模拟研究，采用 g e a n t 4 软件包实现对y 射线穿透管道过程的m o n t ec a r l o 模拟。由 于软件模拟的快捷方便，我们得以克服实际实验中的局限和困难， 对影响系统测量精度、灵敏度以及安全性的各种可能因数进行全面 的分析。由此给出了大中型挖泥船泥浆密度计的理想的设计方案。 2 首次研究了探测器周围环境泄漏辐射的剂量场分布。并详细分析了 影响系统安全性的各种因数，首次在系统设计中将系统的安全性能 作为与测量精度同等重要的指标。加强了对环境的保护，也有利于 核技术的推广。 3 首次研究了测量的灵敏度与各种因数的关系。特别是利用m o n t e c a r l o 方法分析了射线能量，放射源准直特性，管道直径，探测器等 对系统灵敏度的影响。 4 采用了独创的一体化结构，测量精度高，安装调试方便，不受恶劣 工矿条件影响，耐磨、耐切割性能好，稳定可靠，维护量极小。 5 设计了基于工业p c 的数据采集和处理电路，开发了相应的系统软 件，实现了多参数的实时在线测量。 6 独立提出了一种新的数据处理算法。该算法可以显著提高系统测量 的精度和安全性能。 7 首次提出并论证了利用b g 0 晶体替代n a i 晶体用于中低能y 射线计 数测量的可行性。用作大中型挖泥船泥浆密度探测器将显著改善系 统的测量精度和安全性。 a b s t r a c t n u c l e a r t e c h n o l o g yi sw i d e l y u s e di nm a n y r e g i o n s ，s u c ha s ，m e a s u r e m e n to f t , b e d e n s i t y , t h i c k n e s sa n dm a s so f m a t e r i a l i ta l s oi su s e dt od e t e c t i o na n dt h e r a p yo f c a n c e r ，t h ed e t e c t i o no f a m m u n i t i o ne r e b u td u et oi t sp a r t i c u l a r i t y , o n em u s tc o n c e l t l t h e r a d i a t i o np o l l u t i o nv e r ym u c h m i n i s h i n gt h er a d i a t i o np o l l u t i o n ，r e i n f o r c i n gt h e s h i e l do fr a d i a t i o n , a n di m p r o v i n gt h ep r e c i s i o na n d s e c u r i t yo fs y s t e mi st h em a i n s t r e a m n o w a d a y s a l lr o u n dt h ew o r l d + t h e p r o d u c t m e t e ro f d r e d g i n g s h i pi sak e yi n s t m m e n t f o rr a i s i n gt h ee f f i c i e n c y o f d r e d g i n g i nt h i st h e s i s ，w ep r e s e n tt h ed e s i g na n d t h e o r e t i c a la n a l y s i so fap r o d u c t m e t e rf o rd r e d g i n g - s h i pi nd e t a i l 。 a tf i r s t , v e ei n t r o d u c et h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f p r o d u c tm e t e rt h 叠主c o n s i s t so f t h r e ep a r t s ：y - r a yd e n s i t ym e t e r , e l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e ra n dc o m p u t e rs y s t e m y - r a yd e n s i t ym e t e rw h i c hi s t h ek e ys u b s y s t e mo fp r o d u c tm e t e rm e a s u r e st h e d e n s i t yo fm u db a s e do nt h ea b s o r p t i o no fy r a yb ym a t t e r e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ru s e 8 佼ep r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i ci a d u c t i o n | 。m e a s u r et h ef l u xo fm u d ， 、酽h i l ec o m p u t e r s y s t e ma c q u i r e sa n dp r o c e s s e st h eo u t p u ts i g n a o f b o t hd e n s i t y m e t e r a n df l o wm e t e r f o rp r o v i d i n gt h et h e o r yg u i d ef o rt h ed e s i g no fs y s t e m ，w eg i v eo u tad e t a i l e d s t u d ) , o fr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c ，s y s t e ms e n s i t i v i t y , s e c u r i t yo fs y s t e ma n dm e a s u r e p r e c i s i o nw i 瞧m o m e c a r l om e t h o d a lt h ew o r ki sd o n eu s i n gg 嚣矗n 霹s o f t w a r e p a c k a g e , w h i c hi sd e v e l o p e db yc e r nw i t la d v a n c e ds o f t w a r ee n g i n e e r i n ga n d o b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y 0 u rs t u d y r e s u l t sv a l i d a t et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e n s i t y o fm u da n dt h ea t t e n u a t i o no fyw r a y , w h i c hi st h eb a s i so f0 1 1 1 d e n s i t ym e t e r m o r e o v e go u rs t u d ys h o w st h a t 盎g o o dd e s i g nw i l i r e p r o v et h er n e a s u r ep r e e i s i o n ， s y s t e ms e n s i t i v i t ya n d t h es e c u r i t yo f s y s t e m 。 o nt h eb a s i so f t h er e s u l t so f m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ，w ed i s c u s s e dt h ed e s i g no f f r o n tp a r t s i ti n c l u d e st h es e l e c t i o no fr a d i a t i o n ，t h ec a l c u l a t i o no fs o u r c ei n t e n s i t y , t h es e l e c t i o no f d e t e c t o r , t h ed e s i g no f f r o n ta m p l i f i e rc i r c u i ta n dt h ed e s i g no f h i g h v o l t a g ep o w e rs u p p l ye t c d u p i n g a l lt h ed e s i g np r o c e s s 。辩p a ys p e c i a la t t e n t i o n 静 t h es e c u r i t yo f s y s t e m i m p r o v i n g t h es e c u r i t yo f s y s t e ma sm u c h a sp o s s i b l ew i t h o u t t h ed e c l i n eo f p r e c i s i o ni so u rd e s i g ng o a l ，a tt h es a m e t i m ew ea l s op a ya t t e n t i o nt o s y s t e ms e n s i t i v i t y t h e n w e p r e s e n tt h ed e s i g n o f h a r d w a r ea n d s o f b 避辖。c o n s i d e r i n g t h eb e s tr a t i o o f p r i c e t op e r f o r m a n c e , w ea d o p t e di n d u s t r yp ca n dd e v e l o p e dd a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n g c a r db a s e do ni s ab u ss p e c i f i ci n s t e a do fp c ib u s b a s e do nt h e r e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，w ea d o p t e dm s d o so p e r a t i n gs y s t e ma n dd e v e l o p e dt h e s y s t e ms o , a r eu s i n gcp r o g r a m m i n gl a n g u a g e w i t hs t r u c t m a l p r o g r a m m i n gm e t h o d , a n do f f e r e daf r i e n d l yi n t e r f a c eb e t w e e nu s e fa n ds y s t e m 。嚣柠s o f t w a r ec o n s i s t so f s o m em o d u l e s a n di s e a s yt o 谳a n dm a i n t a i n u s e r s c a ni n v o k es u b - f u n c t i o n m o d u l eb yc o r r e s p o n d i n gf u n c t i o nk e y d a t aa c q 城s i t i o ni si m p l e m e n t e dw i t hb i o s 1 c h i n t e r r u p t , w h i c h o e c n r s9 1 t i m e s p e r 5s e c o n d s ， i nt h i sa r t m e , w eg i v eo u tt h et e s t i n gd a t ao ft h es y s t e mw h e nw ew e r e d e b u g g i n gi t ，s u c ha s ，t h et e s t i n gd a t ao fh i g hv o l t a g el e v e l ，t h r e s h o l dl e v e l ，l i n e a r i t y o fo u t p u tc i r c u i t ，t h es t a b i l i t yo fh i g h v o l t a g ep o w e rs u p p l ya n ds y s t e m t h e n ，w e a d o p t e dw e l l k n o w nm e t h o d st o t e s tt h ew h o l es y s t e ma n dd e t a i l e de r r o ra n a l y s i s s h o w st h a tt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sb e t t e rt h a nt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t i na d d i t i o n ，w ep r e s e n tad e t a i l e da n a l y s i sf o ran e w a l g o r i t h m t h a tc a ni m p r o v e m e a s u r ep r e c i s i o na n ds e c u r i t yo fs y s t e ms h a r p l y m o r e o v e r , t h ef e a s i b i l i t yo f u s i n g b g o c r y s t a li n s t e a do f n a i a n ds o m eo t h e rm e t h o d st oi m p r o v e p r e c i s i o na n ds e c u r i t y a r ea l s od i s c u s s e d f i n a l l y , w ec o n c l u d et h a tw i t ht h e s em e t h o d s ，t h es e c u r i t yc a n i m p r o v e a tl e a s tt h r e et i m e sw i t h o u tt h ed e c l i n eo f t h em e a s u r e p r e c i s i o n a tl a s t ，w ed i s c u s st h ef u t u r ed e v e l o p m e n t o f p r o d u c t m e t e rf o rd r e d g e r s i n c et h ep r o d u c tm e t e rw a sp u ti nu s e ，i th a sw o r k e ds t a b l ya n do b t a i n e dg o o d e c o n o m i c p r o f i t t h ec r e a t i v eo f t h i sa r t i c l ei s ： 1 _ f i r s t l ya d o p t i n gm o n t ec a r l om e t h o dt o s i m u l a t ey r a yd e n s i t ym e t e r c o m p l e t e l y w eu s eg e a n t 4 s o f t w a r ep a c k a g et os i m u l a t et h ep r o c e s s o f y r a yp a s s i n gt h r o u g ht h ep i p e l i n e d u e t ot h ec o n v e n i e n c eo f s o f t w a r es i m u l a t i o n w eo v e r c o m e t h ed i m c u l t i e so f p r a c t i c a l e x p e r i m e n t sa n da n a l y z et h ef a c t o r s ，w h i c hh a v ei n f l u e n c eo nm e a s u r e p r e c i s i o n ，s e n s i t i v i t ya n ds e c u r i t yo fs y s t e me t c ，b a s e do nt h e s es t u d y , w e 蛐n g f o r w a r dai d e as o l u t i o no f y r a yd e n s i t ym e t e r f o r l a r g e - s c a l e d r e d g e r 2 f i r s t l ys t u d y i n gt h ed o s e d i s t r i b u t i o no f l e a k i n gr a d i a t i o n ，a n da n a l y z i n g i n f l u e n c eo fv a r i o u sf a c t o r so nt h es e c u r i t yo fs y s t e mi nd e t a i l f i r s t l y r e g a r d i n gt h es e c u r i t yo fs y s t e ma st h em o s ti m p o r t a n td e s i g nc r i t e r i o n ， a sw e l la sp r e c i s i o n 3 f i r s t l ys t u d y i n g t h es e n s i t i v i t yo f s y s t e mi nd e t a i l ，e s p e c i a l l y , w ea n a l y z e t h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sf a c t o r s o n s e n s i t i v i t yu s i n g m o n t ec a r l o m e t h o d 4 a d o p t i n go r i g i n a li n t e g r a t i v es t r u c t u r e ，w h i c hi n t e g r a t e sd e n s i t ym e t e r w i t hf l o wm e t e r t h i ss t r u c t u r eo f f e r sag o o dm e a s u r ep r e c i s i o na n d s t a b i l i t y 5 w b d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gc a r d a n dt h es o f t w a r eb a s e do ni n d u s t r yp c 6 b r i n g i n gf o r w a r dan e w d a t ap r o c e s s i n ga l g o r i t h mi n d e p e n d e n t l y , w h i c h c a n i m p r o v e m e a s u r e p r e c i s i o na n ds e c u r i t yo fs y s t e ms h a r p l y 7 f i r s t l yb r i n g i n gf o r w a r da n dv a l i d a t i n gt h ef e a s i b i l i t yo fa p p l i c a t i o no f b g o c r y s t a li n s t e a do f n a it o d e n s i t ym e t e gw h i c hc a ni m p r o v et h e p r e c i s i o na n ds e c u r i t yo f s y s t e m 前言 奉论文遗过尊惹混船产量测试系撬的工弗霹理、髓端谈骨，数箍采篡和憨理、较停设计， 模耘实验及现场测试结最、计算机模耘研究以及藕关冀汝研究酶全两探讨，给出了实琨挖泥 船泥浆密成、流量及产蒋寅时在线测蚤的研究成果。 论文介绍了产量计特别是其核。予系统v 射线密成计的工作原理，并利用m o n t ec a r l o 方法对箕缝行了全蔷的分辑。转捌是对系统螃安全控畿戳及周嚣琢境的辐嚣剡量场进行了详 实辑霹 究，对提高系寰龟姆窝套洼翼有蘩要意叉。 论交详细阐述了产髓计的前端设计，硬件设计以及软件设计。时设计的思想和县体的方 案选择谶抒了详细的论避。论文还给出了对整个系统t 童能的测试结果。最后，我们诫详细论 述了在设计中提出的创新思想，如新的数据处理算法和b o o 晶钵的应用，具有重要的参考 争疆。 致谢 拳论文建在袁跨导帮掰泽杰教授，美瑞生舔教授薛悉心籍导彝热特美怀下完成的，麟住 老师严谨的治学学风和求实的态度令戒受蔬匪浅，特删懑老师们一丝举苟、精益枣精的科学 精神更是让我终身难忠。 我要感谢鞠老师和受老师在论文选题方面对我的撩零在译题相筵理论研究中，艄老师 建蔽裁剃臻g e a n t 4 尊拳统进行m o 畦ec a r l o 摸耘，详瓣分器乐镜爵嚣静桂巍。惑漆菇毒簿 在系统蚺捺俸方案设许、物理设诗和试验、硬件设计和调试，室起禄惫溉现场的溅试过程中， 给予我认真细致的指导。农几次实船测试申，不管环境有多苦，昊老师都亲身指导，和我们 一起动手忙昧。 感嚣张承跨教授毒课题辞究过程中给予砖关心乖槐最，我还要感谢已经孚盐跨馨执海辑 究圭、王黼舰研究生、裁舒发博士、越士兴博士彝季j 霁杰鞴学，毽钢农潺题埒霉 究避强中络 予我很太的帮助并口支持，本论文的顺利完成离不开懒们创造性的工作和积极的配合。 衷心感谢我的父母和妻子多年来农患活上对我的越心，在学业上对我的支持和敝励。最 后我还要向教骞争培养裁多年妁宇国辩举技术大学表达战最粪诚的姑惫。 拳正平 20 0 4 3 ，2 9 前言 本论炙遗过对诧花熬产量测试系统的- t 舞嚣理、羲壤设诗，数播采袋每口跫理、软俘竣计， 模拟实验戚现场测试结最、计算机模拟研究以及相关蒋汝研究砖全面探讨，给出了实现挖泥 船泥浆密度、流量及产量安时在线测量的研究成果。 论文介绍了产量计特别是其核子系统v 射线密度计的工作原理，并利用m o n t ec a r l o 方法对箕遍行了全面的分嘏。转别是对系统的安全拄毙 及周蓬环境的辐射剂量场进行了详 实碑研完，对提高系统的爨全性巽毒重饕意叉。 论文详细阐述了产量计的前端设计，硬件设计以及软件设计。对设计的思想和具体的方 案选择进行了详细的论述。论文还给出了对整个系统性能的测试结果。最后，我们迈详细论 述了在设计中提出的创新思想，如新的数据处理算法和b o o 晶体的藏用，具有重要的参考 徐疆。 致谢 本论文楚在我酌导师黼滓杰教授、昊璃生雷教授的悉心搪导争煞媾荚怀下完成镌。海佳 老师严谨的治学学风和求实的态度令我蹙蔬匪浅，特别熊老师们一丝幂笱、精益求精的科学 精神更是让我终身难忘。 我要感谢鞠老师季口芙糍师在论文选题穷面对我的指每在课题相关理- 2 z 研究中，嬲老师 建议我翱簏g e a n t 4 鹭系统进行m o n t ec a r l o 模耘，每鲰分凝系统麓各静娃巍。感璐雯老帮 在系统的捺体方案设计、物理设计和试验、硬件设计和调试，室内标定及现场的测试过程中， 给予我认真细致的指导。农几次实船测试申，不管环境有多苦，昊老师都亲身指导，和我们 一起动手忙碌。 感谢张承镑教授在课题蟹究过程中给予的关心套魏最。我还要感瓣已经毕韭的任枕海蟹 究生、王胡舰研究生、刘功发博士、剐士必博士和孙雾杰箴学，位稍表课题的研究过葶萎中给 予我很把的帮助和支持，本论文的顺利宛成离不开他们剞造性的工作和积极的配合。 衷心感谢我的父母和妻子多年来在嫩活上对我的关心，在学业上对我的支持和鼓励。最 后我还要向教育和培养我多年的中国科学技术大学表达我最真诚的谢露。 挚正平 20 0 4 3 2 9 孛莲辩学鼓术文学媾士论文f 2 0 0 4 1 丈中型挖滋船产量测试系统懿理论势析与系鹱设计 第一章挖泥船产量计的正作原理 i i 课题鸷豢髑鏊蠹癸褒捩 我国悬洪涝灾害多发的国家，每年直接经济损必高达千亿人民币，而河邋湖 泊的堵塞和淤积是造成洪涝多发的原因之一，因此水利水运疏浚魁一项关系到国 疑生产戆耋蘩漂嚣。毽嚣藏在我重江溺濒海担负巯浚任务懿挖淀麓普遍管理承平 低下，测爨设备落后，豫律工人仅凭囊空压力表采翔舔当翦新挖说浆浓度值，主 观任意性大，可靠性差，这严重影响了疏浚效率。 一些飚方先进国家( 如荷兰、羡国) 生产的挖泥船，都配脊伽玛射线密度 诗及电磁滚蹩计。自八十年代以来，又避一步配备了计算机实现了多参数的实时 溺量及蠡动诧挖麓。宅够实跨在线辍基挖泥耱爨挖泥浆静密度，滚量著计舞穗 产量，是提商施工效率，搬轻工人劳动强度，提离管理水平，衡嫩挖泥船疏浚熊 力，正确评价施工效益的蘸要设备。假是，进口一套产量计价格昂贵，疏浚单位 难以承受。故自行研制生产适合我国圆情的挖泥船产量计势在必行。在这种情况 下，箍混艇产量谤薮裂入瓣家“a 五”鬟煮稳接玫荧颈基，进两焱“丸五”的“西 船计划”中，又将产量计系统列为予专题鸯噩良研制敬避。 目前，国外生产挖泥船产量计的公司主要有美国t e x a s n u c l e a r ，荷兰的i h c 以及日本的曰立公司。阐内主要有南京水利水运研究院，上海航邀局以及中围科 学技术大学核技术应用蹙。其中美国t e x a s n u c l e a r 患产的s g d 5 2 0 4 型产量计浆 雳据7 c s 敖袋源，密度测量精度这裂0 7 8 ，滚爨计为超声浚爨诗，精凄这弼 1 2 3 ，产量计精度为2 4 5 ，铅罐表面照射量率为0 7 m r h ，是国夕 性能敲 好的产量测试系统。日立公司的产量计密度测量精度达5 ，产爨测量精度5 5 。 i h ch o l l a n d 的产量计采用6 。c o 作为放射源，铅罐袭面照射量率为l m r h ，但他 们采爰藐搽溅器是效率低下鳃g - m 计数警。囊家永裂水运疆究蔽瓣产量诗系统 测量精度为2 7 ，但其放射性污染较大，铅罐表瑟照射量率商达6 0 m r j h ，经过 二次防护才下降到约2 m l u h 。上海航道局的航浚6 0 0 1 轮产量计獭度检测最大误 差为4 3 6 。这些公司和厂家的产量计系统均未详绷考虑系统周边环境的辐射污 染闯题，采爝筑放射源活度均较大，邀势必导致放射性污染的增大。 在调磅鬻蠹乡 产量诗磺翻瑷状鹣蒸臻上，缝合“a 、五”麓阗磺铡开发懿经 验，我们设计并实现了通台我国国情的挖泥船产量计系统。整套产量计系统包括 伽玛射线密度计，电磁流缴计和计算机系统三部分。在研制过程中我们把测量精 度和系统安全性作为系统设计过程中黝首要指标，在保证要求豹测量精度前提 下，尽可缝瓣减枣敖射瞧污染，挺裹系绞数安全经。：跨逶厅了一袋捌熬技术酸哭 和创新。翔测量管道的一体化御新设计，解决测璧鬻道的耐磨损辩切害闻题，闪 烁探头的耐高温，系统的抗电磁干扰，抗震，防潮问题，放射源的准直问题，以 及系统的撙电保护等。特别我们首次采用m o n t ec a r l o 方法利用g e a n t 4 对系统 孩心孑系统y 射线密度诗进行了全强麴模数分析，遂对指导后续的系统设计有麓 要纛义。藏辫，我霄臻l 芟妻辩数据经壤熬法兹改逶投丈戆挺毫7 系统戆安全淫蕤， 且同时保持测量的精度不变。最后，我们还分析了b g o 晶体在密度探测中应爝 的可行性，对今后的改谶具有重要的意义。 本论文根据设计要求，阐述设计思想，利用m o n t ec a r l o 方法在理论上分析 了影醺系绞猿寝、灵敏发以及安全牲戆溜数。黠我稍在攻关孛爨采取瓣接施，鬣 皇望量! 兰墼查塞警簿士论文i z 0 0 4 夫串型挖端豁产量溅试系统麴璎论分辑与系统墩计 统的前端设计，以及系统的软硬件设计分别做了介绍。最后对模拟实验结果以及 实船使用情况做了总结。 总体分析及实际验谖表明，主要性能指标均达到设计要求，焖满完成了研制 任务。 1 2 物质对y 射线的吸收规律 当￥射线穿遥物痰辩，其强震的衰减是由予y 射线与物质豹三释籀互 乍溺 ( 光电效应、康普顿效应和电子对效成) 所造成的，对于窄束平行的y 射线，它 遵从如下的指数衰减规律 1 , 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 1 ： i = i o e 一弘融国 ( 1 2 。1 ) 式( 1 2 。1 ) 中： 越m 慧瓣矮童霰蔽系数( c m 2 g ) ，宗楚上述三释络鲻零| 起匏震豢 吸收系数的总和 p d i o 、i 嗷收物质的密膨( g c m 3 ) 吸收物质的厚度( c m ) 敷浚蔫、轰￥瓣线嚣强发 p 蝣= z + am + z ( 1 2 2 ) tm 、o m 、2m 为您宅效应、袋酱顿效应和曦子对簸应孳| 怒静厦量蔽浚答 数，大小与y 射线的能缀e ，有关。当e ， 1 0 2 m e v 时，电子对效应起主要作用；当0 3 m e v e 。 1 2 m e v 时，康蒋顿 效应占主要地位。在实际过程中，三种作用同时存在，因此对总婀质量吸收系数 都有蚕献。实验发疆，对中等纛子痔数豹耱瓣，当0 3 m e v l 为系统的采样时间。 6 中国科学技术大学博士论文【2 0 0 4 大中型挖泥船产量测试系统的理论分析与系统设计 第二章y 射线密度计的理论分析 为给实际系统的优化设计提供理论指导，我们利用m o n t ec a r l o 方法对 y 射线密度计系统进行了全面的模拟研究，分析了影响系统测量精度，灵敏 度，安全性的各种因数。我们希望在保证要求的测量精度的前提下，尽可能 提高系统的安全性，减小放射性污染，同时降低系统的成本。 2 1m o n t ec a r l o 方法的基本原理 8 , 2 6 , 2 7 1 m o n t ec a r l o 方法又称随机抽样技巧或统计试验方法。其基本思想很早就 被用于解决生产和科学试验中的出现的概率问题。但直到2 0 世纪4 0 年代后， 随着现代科学技术特别是计算机科学技术的发展，m o n t ec a r l o 方法才被作为 一种独立的方法提出来，广泛应用于各领域的科研工作中。 m o n t ec a r l o 方法是一种以概率模型为基础的数字模拟试验。当我们所要 求解的问题是某种事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值时，可以 通过某种试验方法，得到这种事件出现的概率，或者这个随机变数的平均值， 作为问题的解。这就是m o n t ec a r l o 方法的基本思想。 粒子在介质中的运动过程，具有固有的随机特性。由现代量子理论可知， 一个由源发出的粒子，在它的运动方向上，在哪一点碰撞完全是偶然的，但 有一定的几率分布。且可能有不同几率的碰撞类型。碰撞后粒子的能量和动 量也遵从一定的几率分布。这样粒子在介质中不断和介质物质的原子( 原子 核) 碰撞，直至被介质吸收或从介质中逃脱。并且粒子下一次碰撞的位置、 碰撞后的能量和动量只与本次碰撞情况有关，与粒子以前的碰撞历史无关， 因此粒子在介质中的这种随机运动过程是一种马尔科夫过程。 由于粒子输运过程是一种马尔科夫过程，只要在物理上清楚粒子与原子 ( 原子核) 的碰撞规律，我们就可以运用m o n t ec a r l o 方法正确的模拟这一 过程。 2 2g e a n t 4 软件包简介 在本论文工作中采用的m o n t ec a r l o 模拟软件包是由欧洲核子中心 ( c e r n ) 开发的g e a n t 4 。g e a n t 4 r 2 0 ，2 1 ，2 2 ，2 3 ，2 4 】系统：歼发的最早设想起源于 1