国家重点新产品项目产业化状况及前景分析

1、国家重点新产品项目国家重点新产品项目产业化状况及前景分析产业化状况及前景分析 项目名称：预衍射 X 射线荧光分析仪 目目 录录概述概述.1 11 1 申报项目的技术路线和产业化路线申报项目的技术路线和产业化路线 .3 31.1 产品试制的技术路线 .31.2 产品的产业化路线 .52 2 技术水平技术水平 .5 52.1 产品的功能特点及主要技术性能指标 .52.2 产品的创新性 .62.3 先进性 .72.4 产品知识产权状况 .83 3 市场需求和风险市场需求和风险 .9 93.1 产品应用领域、市场需求 .93.2 企业现有条件、产品竞争力 .93.3 风险分析 .114 4 经济和社会

2、效益分析经济和社会效益分析 .11114.1 经济效益分析 .114.2 社会效益分析 .12结论结论.13131概述概述X 荧光分析技术是一种常见的放射性检测方法，它凭借极高的灵敏度、准确度，以及能够进行无损分析、多元素同时分析的能力等优点，已被广泛用于冶金、地质、矿物、石油、化工、医疗、刑侦、考古等领域。特别是近几年来，在环境辐射评价、材料科学等新兴学科中的应用，得到了快速地发展。为了应对化石燃料的短缺和保证能源安全，核电因其清洁性和高能量密度而受到青睐，进入了一个积极发展期，由此也带来了对核电站卸下的乏燃料进行有效管理的问题。乏燃料含有大量未用完的可增殖材料238U 或232Th，未烧完

3、的和新生成的易裂变材料239Pu、235U 或233U 以及核燃料在辐照过程中产生的镎、镅、锔等超铀元素，另外还有裂变元素90Sr、137Cs、99Tc 等。目前，对于乏燃料的管理，国际上主要有两种战略考虑：其一是后处理战略。即对乏燃料中所含的 96%的有用核燃料进行分离并回收利用，裂变产物和次锕系元素固化后进行深地质层处置或进行分离嬗变，这是一种闭路核燃料循环。其特点是铀资源利用率提高，减少了高放废物处置量并降低其毒性。其二是一次通过战略。即乏燃料经过冷却、包装后作为废物送入深地质层处置或长期贮存。该战略特点是费用可能较低，概念简单；但缺点是废物放射性及毒性高，延续时间长达几百万年。乏燃料后

4、处理是我国早已确定的技术路线。1983 年，国务院科技领导小组召开全国专家论证会，经过对我国核电发展计划、国内外铀资源情况、国内后处理工艺技术发展水平、后处理的安全性、经济性等诸多方面的充分论证，确定了“发展核电必须相应发展后处理”的战略，并在 1987 年日内瓦国际会议上对外公布了这一决定。乏燃料后处理技术，是高放射性条件下的高技术，其意义是世界上核电站的核燃料处理与保存本身就是一个十份困难的事情，有了这一技术，不仅能充分利用核燃料的功能，提高核燃料利用能力，为人类造福，更重要的是为减小了体积，降低了放射性，为保存核废物创造了条件，对环境也是一个大贡献。2010 年 12 月 21 日，中国

5、第一座动力堆乏燃料后处理中间试验工厂中核四四中试工程热调试取得成功。热调试的成功，实现了核燃料闭式循环的目标，有力地推动了核燃料产业及核电的快速发展，为中国先进后处理工程技术的开发提供了重要的研究实验平台，标志着中国已掌握了动力堆乏燃料后处理技术。 在乏燃料分离、回收、提纯、处理等各过程中，都需要检测 U、Np、Pu 的浓度，但后处2理过程中，对应的检测对象是有毒有害的放射性液体样品，如何在保证安全、避免污染的条件下实现高灵敏度高精度的检测分析是一个关键的问题。目前可用于分析检测的方法有ICP、MS、XRF、化学分析等等，其中 ICP、MS 分析需要把分析对象离子化，对于有毒有害的放射性元素来

6、说，难以避免污染；化学分析手段需要分析员进行化学处理等，需要长时间接触这些有毒有害的放射性元素，不利于人员的安全，也容易造成污染；直接用 XRF 方法，具有很高很强的散射背景，如果采用滤片，射线损失又很大，都会降低元素分析灵敏度，不能满足后处理过程中 U、Np、Pu 的浓度检测的需求。国外在乏燃料后处理的 U、Np、Pu 元素分析，主要采用预衍射 XRF 分析技术，但对外处于技术保密和封锁状态，该类设备属于禁买卖设备。我公司基于公司原有的 XRF 设备研制技术及数字化多道谱仪技术，对射线的预衍射技术进行了研究，研制了预衍射器，实现了降低溶液样品的高散射特性引起的高本底影响，减小强放射性造成的探

7、测漏计，又尽可能少的减少有用射线的强度，从而达到了 U、Np、Pu 的非接触式高灵敏度高精度分析，全密封测量，所需样品量小，无排放，避免有毒有害物质的泄露污染。该产品不仅可以用于乏燃料后处理过程中的放射性核素 U、Np、Pu 浓度的检测，还适用于分析液体样品中的中高原子序数的有毒有害元素，如：Pb、As 等，可以作为生产过程中的这些有毒有害元素浓度的检测设备，也作为专门的环境监测设备，从而可以扩大应用领域，具有广泛的应用前景和产业化前景。该产品以预衍射器为技术基础，数字化多道谱仪为技术核心，完成了 X 光管激发晶体预衍射能量色散 X 射线荧光分析系统。产品非接触式分析放射性液体样品中的 U、N

8、p、Pu或其它中高原子序数的有毒有害元素，可分析原子序数 29-95 范围的元素；分析含量范围1mg/L-2g/L；采用 200W 水冷 X 光管；自动定性定量分析；全密封测量避免有毒有害物质的泄露污染；物理检测无排放。本产品作为乏燃料的分析检测设备，打破了国外技术封锁，对乏燃料分离、回收、提纯处理、贮存等各过程的技术进步具有促进和带动作用，促进核工业的发展；还可作为液体样品中有毒有害元素的检测设备，对环境保护具有明显贡献，扩展应用领域，促进了产品结构与产业结构优化升级。该产品所有的研发成果均为企业自主发明，知识产权归企业所有。拥有自主知识产权，创新性强，技术含量高，有望形成国内自主品牌的新产

9、品。31 申报项目的技术路线和产业化路线申报项目的技术路线和产业化路线1.1 产品试制的技术路线产品试制的技术路线1 1）技术原理）技术原理典型的 X 射线荧光（XRF）仪由激发源（X 射线管）和探测系统构成。X 射线管产生入射X 射线（一次 X 射线） ，激发被测样品。受激发的样品中的每一种元素会放射出二次 X 射线，并且不同的元素所放射出的二次 X 射线具有特定的能量特性或波长特性，X 射线照在物质上而产生的次级 X 射线被称为 X 射线荧光。由于不同元素发出的特征 X 射线能量和波长各不相同，因此通过对 X 射线的能量或者波长的测量即可知道它是何种元素发出的，进行元素的定性分析。同时样品

10、受激发后发射某一元素的特征 X 射线强度跟这元素在样品中的含量有关，因此测出它的强度就能进行元素的定量分析。探测系统测量这些放射出来的二次 X 射线的能量或波长及数量，仪器软件将探测系统探测到的谱线进行分析处理，从而得到样品中元素的种类及含量。光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物或者小孔（窄缝） ，绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。利用衍射手段，可以降低非分析能量段的 X 射线强度，减小散射背景，保留有用信息。2 2）技术路线）技术路线在充分调研的基础上，基于公司的 X 射线荧光仪产品技术，同时对衍射器和探测结构及数字化谱仪两个方面进行研究。衍射器和探测结构主要根据需要测量射

11、线的能量范围，对材料和结构进行选择和实验；数字化能谱技术采用“理论算法模拟仿真算法实现”的整体研究方案，利用已有研究基础，积极开展信息获取、数字成形和谱线处理等测试实验。根据各阶段实验情况，及时调整完善研究内容，直至全面完成研究任务。3 3）核心技术）核心技术该产品以预衍射器为技术基础，数字化多道谱仪为技术核心，主要由 X 光管激发源、液体样品、准直器、晶体衍射器、探测器和数字化多道谱仪组成，如图 1 所示。其中，X 光管采用 200W 的水冷 X 光管，探测器采用目前世界上最先进的 FAST-SDD 探测器来实现 X 射线的探测，以石墨晶体为主完成衍射器的设计，通过激发、样品、探测三者间的几

12、何结构设计及衍射器，实现散射本底的降低，提高检出限。4图 1 产品组成框图自主研制的数字化多道谱仪采用高速 ADC 数字化，建立脉冲成形和脉冲分离算法，主要包括梯形成形、卡尔曼滤波、数字基线恢复、数字极零相消等，利用 FPGA 技术实现数字核信号处理，从而实现高速高分辨率的谱数据获取，其原理框图如图 2 所示，主要算法如下。图 2 数字化多道板原理框图数字 S-K 滤波经典的滤波技术采用的是基于模拟技术的 S-K 滤波方法，但是由于模拟电路本身存在的很多缺点，而无法得以广泛应用。项目研究采用数字方法实现 S-K 滤波方法，替换经典的模拟技术 S-K 滤波方法，有效实现核信号高斯成形和能谱数据的

13、滤波处理。梯形成形利用高效递归算法，实现快速数字脉冲成形，可以实时产生梯形脉冲。利用该技术代替传统的模拟脉冲合成技术，经过初步的实验测试表明，使用这些技术，可以提高数字化谱仪的分辨率，达到最佳的信噪比。卡尔曼滤波卡尔曼滤波器是一个最优化自回归数据处理算法，采用时域上的递推算法，主要用来预估那些只能被系统本身间接观测的系统状态。通过递推计算，由新获得的数据和前一时刻的估计值，得出新的估计值，最后得到系统状态的最优估计。在辐射脉冲幅度分析中基线评估技术是重要的一个环节由于前置放大器输出的脉冲信号较微弱基线评估的精确性则显得尤其衍射器探测器数字化多道谱仪液体样品 准直器X 光管5重要。为了减小基线估

14、计的误差，我们采用了卡尔曼滤波器来实现脉冲基线估计。1.2 产品的产业化路线产品的产业化路线1 1）产品生产策略）产品生产策略公司利用成都理工大学的技术人才优势，进行产学研合作，将他们的成熟先进技术优化、整合、注入到项目产品中。利用公司对核电子技术、自控技术、计算机软硬件、机械设计与制造等专业的整合能力和在核仪器产品开发生成过程中积累的技术和经验，使生产的核仪器在外观、性能指标、可靠性上与国际接轨；公司拥有完备的研发生产场地和完善的生产检测设备，拥有一支高素质的生产队伍，在科学至上，技术创新的公司宗旨下，能快速生产满足用户需求的高质满意产品；利用成都理工大学核技术专业在地质勘探和能谱分析方面的

15、全国的影响力，推广我们公司产品；公司将为我国冶金、矿山、建材、环保、质检、医疗等部门提供了先进的测量控制仪器和技术，取得了良好的经济和社会效益，我们公司和这些相关领域的相关单位建立了良好的合作关系，通过他们的影响公司能够开拓潜在的客户；加强对优势产品的生成和销售，积极推进和科研院校，事业单位的合作，加强对新产品的开发力度。2 2）产品营销策略）产品营销策略利用网络工具如通过百度、谷歌、阿里巴巴、核仪器信息网、关键字链接、企业微博等渠道宣传推广项目产品，提高产品知名度，增加产品的影响力；积极参加核仪器及其应用学术会、全国应用地球化学年会、核电子学与核探测技术学术年会等相关学术会议，举行产品说明会

16、，介绍推广项目产品；利用杂志核技术 、 核电子学与探测技术 、 原子能科学技术 、 测试技术与仪器等发布产品信息，邮寄产品样本及光盘，使产品在全国有一定的认同度；利用成都理工大学的社会关系优势积极建立与全国各大中专院校和科研机构和事业单位的联系，结合他们相关项目和实验的需要积极介绍推广我们的产品；建设公司营销网络，培训专业营销队伍，做好客户关系管理，用自己的诚信和过硬的技术使客户成为我们公司的忠实用户。2 技术水平技术水平2.1 产品的功能特点及主要技术性能指标产品的功能特点及主要技术性能指标1 1）功能特点）功能特点 产品采用模块化设计理念，具有高扩展性；6 采用 200W 水冷 X 光管，

17、具有更好的激发效率； 引进 FAST-SDD 探测器，提高探测效率和能量分辨率； 采用衍射器，降低散射背景的影响，提高检出限； 采用数字化谱仪技术，具有更高的稳定性和灵活性； 样品非接触式全密封测量，不需真空、气化等，避免有毒有害物质的泄露污染，有很强的安全性能。2 2）主要性能指标）主要性能指标 分析测试对象：乏燃料中的 U、Np、Pu 或液体样品中其它中高原子序数的元素； 分析元素：乏燃料中的 U、Np、Pu 或其他样品中的原子序数 29-95 范围的元素； 分析范围：1mg/L-2g/L； 管电压：0-50Kv 管电流： 11000 A； 分析误差：优于国家标准要求； 工作环境温度：0-

18、40； 工作环境相对湿度：80%（不结露） 测量时间：10-2550s（时间可调） 探测器类型：更先进的 Superfast SDD 探测器； 自动定性定量分析； 全密封测量避免有毒有害物质的泄露污染； 物理检测无排放。2.2 产品的创新性产品的创新性本产品在前期研究的基础上，对晶体衍射器，激发、样品、探测三者间的几何结构进行了研究和设计；采用高能量分辨率的探测技术；建立脉冲成形和脉冲分离算法，利用 FPGA技术实现数字核信号处理，自主研制数字化多道谱仪，从而实现了高速高分辨率低背景的谱数据获取，提高了分析的灵敏度，降低了检出限。1 1）衍射器及探测结构设计）衍射器及探测结构设计在传统的 X

19、衍射测量系统中，单色器通常被用来消除样品产生的荧光起到降低背景的作用，但是单色器同时也削弱了衍射射线的强度，影响有效射线的探测精度。所以产品主要对衍射器所用的材料、结构，以及激发源样品衍射器探测器的探测结构进行了研究和设计，实现了散射背景降低的同时，尽可能多的保留有用的射线信息，以提高灵敏度，7降低检出限，该技术在国内属于首创。2 2）高能量分辨率的探测技术）高能量分辨率的探测技术综合考虑探测精度、系统成本及系统使用寿命等因素，采用水冷小功率 X 光管，用高能量分辨率的 FAST-SDD 探测器代替常用的气体探测器、NaI(Tl)探测器，提高能量分辨率，不使用单色器，结合我们的数字成形及分离技

20、术，可以将计数率提高到 2*106CPS，而信噪比也得到大幅提高。在原来的测量水平上可以将 X 光管的功率降低使用，极大提高了光管使用寿命，提高了测量分辨率及效率，该技术属于国内改进技术。3 3）数字化多道谱仪技术）数字化多道谱仪技术基于 ADC+FPGA 高速数据采集技术，以及数字化滤波与成形技术，设计开发了数字化多道谱仪，关键技术属于国内重大改进创新技术，目前在国内处于领先水平。主要创新点为如下几方面：提出双重遗忘法。在研究现有卡尔曼滤波算法的基础上，针对现有算法容易造成滤波发散或滤波收敛速度慢的缺点，提出了双重遗忘法并建立了新的基于 sage-husa 的自适应卡尔曼滤波算法模型。该算法

21、实现了核脉冲的基线恢复，降低噪声影响，提高抗干扰能力，增强现场适应能力。提出单脉冲函数卷积法。利用现有的函数卷积法并在此基础作了更进一步的研究，提出了两种脉冲成形方法实现梯形（三角形）成形：单脉冲成形和连续脉冲成形方法。基于数字脉冲成形技术，采用数字脉冲分离技术，改善核脉冲弹道亏损，分离堆积脉冲，提高探测效率；设计了三种观测窗口。观测窗口用来观测原始输入信号脉冲、数字成形脉冲和能谱图。专业人员可以根据测量场合或探测器类型的不同，实时观察输入脉冲的脉宽、上升沿的特征，修改与成形相关的参数，使整个系统的性能最优化。系统采用高性能的 ADC 与 FPGA 器件，信号经过放大器之后由 FPGA 控制高

22、速高精度 ADC 进行信号采样，由 FPGA 实现高速算法。2.3 先进性先进性该产品不但可以实现非接触式乏燃料液体样品中 U、Np、Pu 的高精度分析，还可以避免有毒有害物质的泄露和污染，技术含量高，安全性能和性价比优于其他同类分析产品。目前在国内还没有该技术产品，国外属于技术保密和禁买卖产品。82.4 产品知识产权状况产品知识产权状况1 1）技术标准状况）技术标准状况由于属于特殊行业产品，采用自制的企业标准，整机各项技术性能指标应满足企业贯彻执行的 ISO9001 质量认证体系和行业内有关的各项法规和标准所规定的要求。2 2）产品商标、品牌状况）产品商标、品牌状况企业以 X 荧光分析仪、手

23、持伽马辐射仪、低本底伽马能谱仪、测氡仪、中子能谱仪及建材放射性检测仪等核分析及检测仪器的研发、生产、销售为一体，是国内技术领先的核仪器制造商，国家高新技术企业、软件企业，已通过 ISO9001 及中核集团合格供应商的认证。3 市场需求和风险市场需求和风险3.1 产品应用领域、市场需求产品应用领域、市场需求目前，国家对核电站安全，环境安全高度重视，核能发电产生的乏燃料的处置问题一直是人们关注的热点。在乏燃料分离、回收、提纯、处理等各过程中，都需要检测U、Np、Pu 的浓度，但后处理过程中，对应的检测对象是有毒有害的放射性液体样品，如何在保证安全、避免污染的条件下实现高灵敏度高精度的检测分析是一个

24、关键的问题。该项目产品就是分析乏燃料中 U、Np、Pu 中浓度的重要仪器，其不受样品放射性影响,具有样品非破坏、不产生二次废液等优点,是高放废液中微量 U、Np、Pu 分析的一种理想分析方法。根据该项目的规模、工艺、产量和生产能力、科技含量，小批量生产后的市场反馈情况看，本项目产品较好解决了市场产品的普遍质量瓶颈问题，在乏燃料处理领域将占领主要市场。该产品不仅可以用于乏燃料后处理过程中的放射性核素 U、Np、Pu 浓度的检测，还适用于分析液体样品中的中高原子序数的有毒有害元素，如：Pb、As 等，可以作为生产过程中的这些有毒有害元素浓度的检测设备，也作为专门的环境监测设备，从而可以扩大应用领域

25、，具有广泛的应用前景和产业化前景。3.2 企业现有条件、产品竞争力企业现有条件、产品竞争力1 1）企业现有条件）企业现有条件公司以 X 荧光分析仪、手持伽马辐射仪、低本底伽马能谱仪、测氡仪、中子能谱仪及建材放射性检测仪等核分析及检测仪器的研发、生产、销售为一体，是国内技术领先的核仪9器制造商，国家高新技术企业、软件企业，已通过 ISO9001 及中核集团合格供应商的认证。公司组织机构完善，技术全面 ，是一支技术力量雄厚、研究与开发经验丰富的专业队伍。现拥有工程技术人员 50 余人，其中具有博士学位 7 人，具有高级职称人员 4 人，中、初级科技人员 7 人，销售工程师 4 人，售后服务工程师

26、6 人，并拥有自己的研发团队，积累了一系列试研究设计以及研制仪器仪表的实验、生产设备和基础条件。项目团队人员结构合理。团队成员专业互补，包括核技术、测控技术、电气自动化、机械制造等专业，知识结构合理、人员梯队搭配科学、人员分工责任清晰，为产品的研究开发、生产等顺利开展提供了坚实保障。2 2）研发优势）研发优势公司以成都理工大学、中国工程物理研究院、原子能科学研究院和中国测试技术研究院为技术依托，利用成都理工大学的技术人才优势，进行产学研合作，将他们的成熟先进技术优化、整合、注入到项目产品中，具有很强的方法技术和软硬件开发能力，经国家核技术工业应用工程技术研究中心批准成立核探测与分析技术研发部，

27、参研人员均是单位的主干科研和管理骨干，在智能仪器开发和承担大型课题方面具有丰富的经验，先后承担的主要项目如下表所示，具有很强的研发优势。企业将仪器研究、应用开发的各项成果在仪器产业化中进行体现，并将着力将产业化向前延伸。在仪器开发初期，企业就会介入其中，在仪器结构设计、绘图、精加工、选材、外观、人机接口等环节与研究人员配合工作，为后期产品生产打下基础，缩短开发孵化过程。团队以用户需求为向导，在前处理、方法、软件、通信、电源、结构等方面根据用户需求进行设计、研发，同时将后期产品生产制造工艺等融入前期研发过程，形成仪器研发、应用、产业化的有机结合。 3 3）产品竞争力）产品竞争力目前，对于 X 射

28、线荧光分析方法，发达国家已经建立了完善的方法理论和实现方法，众多知名核仪器生产厂家（Thermo-Electron、CANBERRA、ORTEC 和 AMPTEK 等）都推出了具有自主知识产权的成熟的商业化产品。但是，在一些关键技术的研究上仍对我们进行了封锁，致使国内许多核仪器产品（尤其是高端产品）长期依赖进口，国外产品占有率很高。本公司利用自身的优势，自主研发了该项目产品，掌握了核心技术。目前，该项目产品填补了国内的技术空白，性能优于其它同类型产品，2013 年 8 月交付北京原子能科学研究院的测量溶液中 U、Np、Pu 浓度的装置取得良好的效果，测量的精度等参数达到了预期目10标，功能完全

29、能够满足客户的需求。运用学校专有核心技术以及人才优势，可以有效防范和化解潜在的技术风险。在价格上，该产品低于进口产品，具有明显的价格优势。公司利用成都理工大学的社会关系优势，积极建立与全国各大中专院校、科研机构和企事业单位的联系，结合他们相关项目和实验的需要积极介绍推广我们的产品；公司的专业销售和服务团队可以有效防范和化解潜在的销售风险。3.3 风险分析风险分析1 1）市场风险）市场风险目前，该产品主要在乏燃料的后处理过程中进行 U、Np、Pu 元素浓度的分析中应用，应用范围还比较有限，虽然在乏燃料后处理整个过程中目前具有其市场优势，如果进行产业化，还应该扩大其引用领域，提高售前售后服务，为用

30、户提供解决方案，使用指导，仪器维修等服务。 2 2）技术风险）技术风险随着我国科研院所和企业在国家宏观政策的引导下，加大该类仪器的研发力度，势必将会改善我国企业在该类仪器方面的竞争力。为了增强企业在该类仪器方面的竞争力，大力开展改进创新非常必要。将仪器的数据处理速度、数字成形、脉冲判弃及幅度甄别技术进行融合并实现改进创新，可以在基线估计方面取得突破，成为未来该类仪器的发展趋势，在这样的改进创新领域取得领先，占据市场竞争主导权，对于提升企业实力，为未来二十至三十年持续盈利奠定基础。因此，在目前的形式下，越早开展改进创新，越有利。反之，将会造成我国企业在未来相当长时期处于被动地位。 3 3、管理风

31、险、管理风险本产品研究人员作为主持人或主要研究人员参与了前述的各项研究工作，具有较强的科技创新能力，拥有比较丰富的承担研究项目的经验。但是绝大多数科技工作者看好本项目，由于该项目技术含量高，且核心技术只有少数人员掌握，一旦技术骨干跳槽，将给发展带来极大的风险。鉴于此，我们将采取技术骨干以技术入股，成为股东，风险共担，以此降低高技术人才流失的风险，管理风险会大幅度降低。114 经济和社会效益分析经济和社会效益分析4.1 经济效益分析经济效益分析根据该项目科技含量、核心技术和创新点以及市场需求来看，本产品解决了同类产品的技术瓶颈问题，该产品不仅将占有乏燃料分离、回收、贮存等所有过程中的放射性核素的检测市场，还可以拓展到石油、化工等许多需要进行废液中有毒有害物质检测的领域，所以具有广阔的市场前景。该项目完全投产后，至少可年产预衍射 X 射线荧光分析仪 5 台以上，按每台至少 80 万元计算，销售收