LRAD敞開(kāi)式測(cè)量管道內(nèi)α污染特征及其BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)

王孝強(qiáng) 庹先國(guó) 吳雪梅 李 哲

1（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 610059）

2（中核四川環(huán)保工程有限公司 廣元 610006）

3（西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 綿陽(yáng) 621010）

4（地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610059）

核設(shè)施退役過(guò)程中涉及大量核素為α輻射體，同時(shí)α粒子受到射程短和穿透力弱限制，長(zhǎng)距離α測(cè)量(Long range alpha detector，LRAD)技術(shù)被提出，并初步應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)污染管道的定性測(cè)量[1,2]。該技術(shù)采用間接探測(cè)由污染核素衰變?chǔ)亮Ｗ赢a(chǎn)生的電離離子，實(shí)現(xiàn)對(duì)核素α活度的間接探測(cè)。相比傳統(tǒng)測(cè)量方法，可有效克服α粒子本身射程和穿透力的限制，同時(shí)提高探測(cè)效率。

實(shí)際用該技術(shù)測(cè)量管道內(nèi)α活度時(shí)，風(fēng)速（風(fēng)量）、測(cè)量距離及被測(cè)管道幾何特征等參數(shù)變化會(huì)嚴(yán)重影響管道內(nèi)離子的收集，從而影響分析準(zhǔn)確度[3,4]。針對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度問(wèn)題，TUO Xianguo 等[5?7]分別開(kāi)展以前性能優(yōu)化研究，研制出多種基于LRAD技術(shù)的探測(cè)效率高、穩(wěn)定性好的電流電離室，對(duì)系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度的提高有重要意義。針對(duì)外在影響因素，穆克亮等[8,9]開(kāi)展了多參數(shù)影響研究，應(yīng)用多種數(shù)學(xué)算法展開(kāi)。

同時(shí)，針對(duì)封閉式測(cè)量應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的不方便問(wèn)題[10]，采用將標(biāo)準(zhǔn)源置于碳鋼鋼管內(nèi)、自主研制的LRAD測(cè)量系統(tǒng)，將探測(cè)器直接對(duì)準(zhǔn)測(cè)試管道，開(kāi)展管道內(nèi)LRAD測(cè)量多參數(shù)影響特征實(shí)驗(yàn)，分析并查明影響系統(tǒng)探測(cè)效率的特征因子。針對(duì)系統(tǒng)輸入輸出的非線性關(guān)系，采用BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)測(cè)得的電離電流值進(jìn)行非線性預(yù)測(cè)。

1 裝置及條件

實(shí)驗(yàn)采用自主研制的便攜式α表面污染報(bào)警儀[7]，由探測(cè)部分和二次儀表構(gòu)成，系統(tǒng)測(cè)量框圖及探測(cè)部分如圖1，探測(cè)部分主要為測(cè)試外管（5種不同管徑的碳鋼鋼管）、引氣內(nèi)管(鋁合金、f 40 mm、L 0.2 m)[11]、風(fēng)扇(PMD2408PMB1-A(DC24V≈9.6 W))及電流電離室(偏壓200 V)等，二次儀表主要包括風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)單元、高壓調(diào)節(jié)單元、信號(hào)檢測(cè)單元和單片控制及處理系統(tǒng)，能在常溫下工作[12]。

分別選取強(qiáng)度為523.33和3200 Bq的239Pu α面源，將探測(cè)器直接置于被測(cè)管道內(nèi)壁底端，保持內(nèi)外管同軸放置，管口相接測(cè)量，相較于封閉式測(cè)量更具便攜性。

圖1 系統(tǒng)框圖(a)及探測(cè)部分(b)Fig.1 System block diagram (a) and detection part (b).

為便于對(duì)多種影響因素分析比較，需對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算公式為：

數(shù)據(jù)歸一化后，再按不同特征進(jìn)行相應(yīng)處理。

2 原理與方法

2.1 LRAD技術(shù)測(cè)量管道內(nèi)α活度原理

如圖 2，LRAD系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量由風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)的 α粒子電離空氣分子產(chǎn)生的離子對(duì)進(jìn)而間接測(cè)量α粒子放射性活度[5?11]，其優(yōu)點(diǎn)是被測(cè)離子對(duì)在數(shù)量和傳輸速度上均遠(yuǎn)優(yōu)于α粒子本身。

圖2 LRAD測(cè)量管道內(nèi)α活度基本原理Fig.2 Basic principle of LRAD.

2.2 LRAD測(cè)量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型

儀器測(cè)量結(jié)果與被測(cè)對(duì)象實(shí)際值之間保持一一對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)實(shí)現(xiàn)其使用價(jià)值至關(guān)重要。如圖1、2，LRAD系統(tǒng)為通風(fēng)裝置，測(cè)量過(guò)程中易受多種條件干擾，使系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)此對(duì)應(yīng)關(guān)系。經(jīng)前期研究，找出源強(qiáng)、管道中放射源與探測(cè)器距離、風(fēng)速、流量、管徑、管長(zhǎng)等LRAD系統(tǒng)測(cè)量關(guān)鍵影響因子。但目前還無(wú)法通過(guò)人為操作或提高儀器性能以同時(shí)消除或減少這些因素的影響。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Back Propagation Neural Networks)是由非線性變換單元組成的前饋網(wǎng)絡(luò)，是非線性系統(tǒng)建模、仿真和預(yù)測(cè)的主要工具。針對(duì)LRAD系統(tǒng)測(cè)量中非線性參數(shù)影響，可將關(guān)鍵影響因子納入放射源實(shí)際活度與儀器測(cè)量值關(guān)系模型中，根據(jù)已知數(shù)據(jù)應(yīng)用BP網(wǎng)絡(luò)建立關(guān)鍵影響因素與系統(tǒng)測(cè)量值的數(shù)學(xué)模型，可虛構(gòu)為y = f(x1, x2, x3, x4, x5, x6)，(xi為前述包括活度的因變量，i=1…6)。其模型精度高、誤差小，可實(shí)現(xiàn)LRAD系統(tǒng)測(cè)量的非線性校正。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of BP neural network.

如圖3，BP網(wǎng)絡(luò)是一種有三層或三層以上神經(jīng)元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括輸入層、中間層（隱層）和輸出層[9,10,13,14]。BP網(wǎng)絡(luò)映射測(cè)量系統(tǒng)中關(guān)鍵參數(shù)與測(cè)量結(jié)果之間的非線性關(guān)系，以影響系統(tǒng)輸出的關(guān)鍵影響因子為輸入樣本，各樣本條件下的電離電流作為輸出樣本，用梯度下降法等調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)和閾值，選定網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模式，重復(fù)前向傳播和誤差反向傳播過(guò)程，實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)α活度預(yù)測(cè)。

3 非線性影響分析

實(shí)驗(yàn)將6種關(guān)鍵影響因子作為研究對(duì)象，應(yīng)用控制變量法（測(cè)量時(shí)間定為 2 min）單獨(dú)觀察每一個(gè)因素對(duì)系統(tǒng)測(cè)量造成的影響，每種條件重復(fù) 10次測(cè)量，求得平均值為該實(shí)驗(yàn)有效值。此處重點(diǎn)分析距離、風(fēng)速、測(cè)試管管徑和管長(zhǎng)影響。為對(duì)比觀察兩種活度的放射源(523.33和3200 Bq)影響特征，分析時(shí)已作歸一化處理。

3.1 距離對(duì)系統(tǒng)的影響特征

以58 mm管徑的測(cè)試管為例，選定風(fēng)速為0.91 m/s，分別將強(qiáng)度為523.33和3200 Bq的239Pu α源置于測(cè)試管內(nèi)不同距離處，測(cè)量得到距離對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)特征及其誤差如圖4。

圖4 距離影響特征Fig.4 Distance influence characteristic.

由圖4可見(jiàn)，整體結(jié)果均隨距離增加而減小，用簡(jiǎn)單的線性擬合，擬合相關(guān)系數(shù)分別為?0.97807(523.33 Bq)和?0.96883 (3200 Bq)，認(rèn)為距離對(duì)系統(tǒng)輸出呈良好的線性影響關(guān)系。分析認(rèn)為，當(dāng)放射源置于測(cè)試管內(nèi)不同位置，恒定氣流驅(qū)動(dòng)下，距離增大，增加了離子對(duì)傳輸時(shí)間和碰撞幾率，超出復(fù)合時(shí)間即發(fā)生復(fù)合，從而導(dǎo)致系統(tǒng)探測(cè)效率降低。

3.2 風(fēng)速對(duì)系統(tǒng)的影響特征

由于風(fēng)速與流量影響特征一致，此處僅分析風(fēng)速影響特征。選定風(fēng)速變化范圍為0?1.5 m/s，用兩種不同強(qiáng)度的239Pu α源對(duì)58 mm測(cè)試管進(jìn)行測(cè)量，距離選定為與電離室信號(hào)柵極相隔130 cm，測(cè)量得其特征及其誤差如圖5。

圖5 風(fēng)速影響特征Fig.5 Velocity influence characteristic.

分析圖5可知，239Pu α源對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)隨風(fēng)速增加近似成指數(shù)規(guī)律增大，風(fēng)速較低的部分，電流隨風(fēng)速近似線性增加，3200 Bq的α源表現(xiàn)更明顯。原因在于：隨風(fēng)速增加，離子在管道中的運(yùn)輸時(shí)間減小，且逐漸接近離子復(fù)合時(shí)間，能在復(fù)合時(shí)間內(nèi)到達(dá)極板的離子數(shù)增加，電離電流則越大，當(dāng)大部分電離離子運(yùn)動(dòng)時(shí)間小于復(fù)合時(shí)間時(shí)，電離電流趨于最大值，并出現(xiàn)平臺(tái)曲線。523.33 Bq α源平臺(tái)曲線趨勢(shì)較明顯，3200 Bq α源發(fā)射的α粒子在測(cè)試管中有較大離子密度，隨風(fēng)速增大而緩慢增長(zhǎng)。

3.3 測(cè)試管管徑對(duì)系統(tǒng)的影響特征

為明確管徑對(duì)系統(tǒng)測(cè)量造成的影響特征，選取5種管徑范圍為43?84 mm，管長(zhǎng)170 cm，選定風(fēng)速0.91 m/s（距離探測(cè)器30 cm處），得到管徑對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)特征及其誤差如圖6。

圖6 測(cè)試管管徑影響特征Fig.6 Pipe diameter influence characteristic.

圖6顯示，管徑對(duì)系統(tǒng)測(cè)量影響表現(xiàn)出拋物線趨勢(shì)。其中，58 mm管徑對(duì)系統(tǒng)的輸出響應(yīng)值最大。分析認(rèn)為，由于管道內(nèi)有特定的弧形結(jié)構(gòu)，放射面源與底端存在一定距離。經(jīng)計(jì)算，58 mm管徑下，放射源距底端~7 mm，測(cè)試管與內(nèi)管(43 mm)同軸放置時(shí)，239Pu α源剛好置于內(nèi)管底端平行處（有最佳氣流）。因此，源發(fā)射的 α粒子能在空氣中充分電離并快速遷移至電離室。因此，58 mm管徑的測(cè)試管對(duì)系統(tǒng)有最佳響應(yīng)，說(shuō)明系統(tǒng)探測(cè)效率與放射源和引氣內(nèi)管截面的位置有關(guān)。

3.4 測(cè)試管管長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響特征

管長(zhǎng)的多樣性會(huì)導(dǎo)致在相同流速下管道內(nèi)空氣壓力差異，進(jìn)而影響電離離子在管中的輸運(yùn)。實(shí)驗(yàn)選定固定條件：風(fēng)速0.91 m/s，管徑58 mm，位置10 cm，以20 cm為單位改變管長(zhǎng)，以查明管長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)情況，其影響特征及其誤差如圖7。

圖7 測(cè)試管管長(zhǎng)影響特征Fig.7 Pipe length influence characteristic.

圖7 顯示，其他因素不變情況下，管長(zhǎng)在80?100 cm時(shí)，系統(tǒng)有最佳響應(yīng)值。究其原因，管長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)(>120 cm)，源發(fā)射的α粒子電離離子數(shù)與80?100 cm時(shí)相同，但因管內(nèi)壓力差異延長(zhǎng)了氣流到達(dá)放射源的時(shí)間，管壁復(fù)合效應(yīng)明顯，系統(tǒng)收集離子的數(shù)目減少。同時(shí)，管長(zhǎng)過(guò)短，管內(nèi)壓力過(guò)大，攜帶離子的部分氣流直接穿過(guò)信號(hào)柵極而不被探測(cè)器收集，80?100 cm管長(zhǎng)呈現(xiàn)最佳探測(cè)效率。另外，此種條件下誤差其他條件突出，可能由于管長(zhǎng)變化頻繁操作不能保持測(cè)量條件一致造成，可在操作程序上改進(jìn)。

試驗(yàn)表明，LRAD敞開(kāi)式測(cè)量管道內(nèi)表面α污染活度有良好探測(cè)效率。影響特征為：距離對(duì)系統(tǒng)探測(cè)效率影響呈線性規(guī)律，管徑和管長(zhǎng)呈多項(xiàng)式規(guī)律變化，而風(fēng)速和空氣流量呈指數(shù)規(guī)律變化?？梢?jiàn)，管道內(nèi)LRAD測(cè)量系統(tǒng)的非線性因素確實(shí)存在且形式多樣，如何校正這些影響因素成為后期工作難點(diǎn)。

4 LRAD的BP網(wǎng)絡(luò)非線性校正

BP網(wǎng)絡(luò)能學(xué)習(xí)和存貯大量的輸入-輸出模式映射關(guān)系，而無(wú)需事前揭示描述這種映射關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。針對(duì)實(shí)驗(yàn)中多種影響因素對(duì)系統(tǒng)測(cè)量造成的多種非線性影響，首先找出各種影響因子并數(shù)值化，應(yīng)用BP網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)行輸入輸出映射（該映射類似黑匣子），建立影響因素下測(cè)量值與實(shí)際活度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)影響因素下的系統(tǒng)測(cè)量預(yù)測(cè)。

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由分析知，影響系統(tǒng)測(cè)量值大小因素為測(cè)試管管徑(mm)、測(cè)試管管長(zhǎng)(cm)、源至電離室的距離(cm)、風(fēng)速(m/s)、空氣流量及放射源自身活度(Bq)。由此建立以6個(gè)因素為輸入變量，系統(tǒng)測(cè)量的電離電壓值(mV)為輸出變量的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該BP網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)用matlab2010軟件自帶BP網(wǎng)絡(luò)工具箱實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)LRAD系統(tǒng)實(shí)際條件，建立三層BP網(wǎng)絡(luò)，輸入節(jié)點(diǎn)為6，輸出節(jié)點(diǎn)為1，隱層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為6。經(jīng)反復(fù)調(diào)試和比較，確定隱層函數(shù)為 tansig，輸出函數(shù)為 purelin，精度選為 1×10?5，訓(xùn)練步數(shù)為 1000。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)采用梯度下降traingdx方式克服BP網(wǎng)絡(luò)易陷入局部極小缺陷，并可加快收斂速率。

4.2 系統(tǒng)測(cè)量值預(yù)測(cè)

實(shí)驗(yàn)總共獲取 352組包括影響因素的量化數(shù)據(jù)，確定訓(xùn)練樣本總數(shù)為330個(gè)，預(yù)測(cè)樣本總數(shù)22個(gè)，得到預(yù)測(cè)結(jié)果如表1。

網(wǎng)絡(luò)是否可信，重要一點(diǎn)在于泛化能力，泛化能力又表現(xiàn)在預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度上。由表1可知，模型擬合值與測(cè)量值之間誤差最小值為0.129%，最大值為8.057%，平均值為2.85%，大部分?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)相對(duì)百分誤差在 5%以內(nèi)。表明該網(wǎng)絡(luò)有較強(qiáng)的泛化能力和容錯(cuò)能力，對(duì)LRAD分析結(jié)果預(yù)測(cè)有較好的準(zhǔn)確度，基本克服了系統(tǒng)非線性的影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道內(nèi)LRAD測(cè)量的綜合非線性預(yù)測(cè)。

表1 BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果Table 1 Results of BP neural network forecasting.

5 結(jié)語(yǔ)

以LRAD技術(shù)測(cè)量管道內(nèi)表面污染的基礎(chǔ)理論為出發(fā)點(diǎn)，研究了多個(gè)參數(shù)對(duì)管道內(nèi)LRAD測(cè)量的影響特征，針對(duì)輸入與輸出的非線性關(guān)系，應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)管道內(nèi)LRAD所測(cè)電離電壓值進(jìn)行非線性預(yù)測(cè)，成果如下：

(1) LRAD敞開(kāi)式測(cè)量管道內(nèi)表面α污染活度有較好探測(cè)效率，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量有重要意義。

(2) 以兩種強(qiáng)度的239Pu α源和6種管徑的測(cè)試鋼管為研究對(duì)象，重點(diǎn)開(kāi)展管道內(nèi)LRAD測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)的影響特征實(shí)驗(yàn)，得出影響因素對(duì)系統(tǒng)的影響特征為：距離對(duì)系統(tǒng)探測(cè)效率呈線性趨勢(shì)變化，管徑和管長(zhǎng)呈多項(xiàng)式規(guī)律變化，風(fēng)速和空氣流量呈指數(shù)規(guī)律變化。

(3) 被測(cè)管道幾何特征和風(fēng)速等參數(shù)變化影響管道內(nèi)離子收集，給LRAD分析準(zhǔn)確性帶來(lái)難度，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在解決實(shí)際LRAD分析問(wèn)題中體現(xiàn)的特點(diǎn)逐漸凸顯，可用于多參數(shù)影響下系統(tǒng)的非線性預(yù)測(cè)。然而針對(duì)參數(shù)表現(xiàn)出特定特征的數(shù)據(jù)，仍需對(duì)該方法提出改進(jìn)，得到更有意義的結(jié)果。

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