1 中子活化在线分析仪项目描述

中子活化在线分析仪安装于输送物料的皮带上，测量流经物料的元素成分，实时给出检测数据，并实现自动优化配料和配矿。分析仪主要由防护体、中子源、探测器、慢化体、反射体、信号处理柜和主机组成。中子源发射快中子，被慢化体慢化为热中子，同时反射体将部分热中子反射回物料测量通道。热中子激发物料原子核产生伽玛射线，被探测器接收，再由信号处理柜将探测器脉冲信号转化为数字信号，最后由主机分析出物料所含元素含量[1]（见图1）。

图1 中子活化在线分析仪结构示意图

中子活化在线分析仪应用于工业现场之前，需要进行仪表标定。利用若干组（通常为6组）涵盖了现场物料成分变化范围的标准样品进行仪表标定，其过程为：将几组标准样品分别放入分析仪测量通道内测量一段时间（通常为1h），将分析仪显示值与该组标准样品的准确成分值进行比对，然后对分析仪的刻度曲线进行斜率和截矩的调整，从而保证分析仪检测值的准确性。标准样品是由纯净的单质或氧化物按照一定的比例配制而成，各组标准样成分均匀，形状统一，标定过程中的测量条件也保持严格一致。

2 问题初步分析

中子活化在线分析仪跨皮带安装，通常采用透射式测量方式，即中子源与探测器分别位于皮带上物料的下方和上方[2]。中子源发射中子，在物料测量区域形成中子场。点状中子源发射的中子场呈球状分布，越靠近中子源，中子场强越大，反之，远离中子源区域的中子场强越小。在中子场强较大的位置，物料发生中子活化反应的几率就大，此处产生伽玛射线数量就多。在中子场强较小的位置，物料发生中子活化反应的几率就小，此处产生伽玛射线数量就少。

中子与某位置的物料发生中子活化反应后，产生特征伽玛射线，伽玛射线一部分直接穿过物料到过探测器，一部分经物料散射后被衰减，最后到达探测器。若该位置距离探测器越远，且穿过的物料越厚，则探测器对其的接收立体角越小，伽玛射线被物料衰减的程度也越大，导致探测器对该位置产生伽玛射线的收集率越小。若该位置距离探测器越近，穿过的物料越薄，则探测器接收立体角越大，伽玛射线的衰减也越小，导致探测器对该位置产生伽玛射线的收集率越大。

利用二极管的寄生电容,通过增加电路系统方程的维数从而实现整体电路系统方程的建模,进而对提出的电路进行动力学分析,研究系统随控制参数变化下的动力学行为。

由于中子场强分布和探测器收集立体角的差异，引起不同位置处中子反应几率与探测器对伽玛射线的收集率的不同，进而引起分析仪对不同位置处的物料测量响应不同，最终导致分析仪测量不均匀物料时，测量值发生偏差。

举例说明，20cm厚的硅土物料中埋入一块直径5cm的铁球，铁球分别位于物料的9个不同位置处的测量值如表1所示。由于探测器对物料不同位置处测量响应不同，导致铁球埋入硅土中不同位置处的铁测量值不同。而将与铁球等质量的铁粉与硅土均匀混合后，铁元素的测量值为1.3%，与表1中铁球位于硅土中不同位置处的测量情况差别较大。铁球位于硅土中不同位置的情况属于物料不均匀情况，而铁粉与硅土充分均匀混合的情况属于物料均匀情况，可见物料不均匀情况与物料均匀情况相比，分析仪测量值偏差较大。

表1 铁球位于硅土不同位置处的铁元素测量值(%)

铁球位置 硅土左侧 硅土中间 硅土右侧硅土顶层 1.0（位置1） 2.7（位置2） 1.0（位置3）硅土中层 0.8（位置4） 1.5（位置5） 0.8（位置6）硅土底层 0.5（位置7） 1.0（位置8） 0.5（位置9）

中子活化在线分析仪应用于工业现场后，皮带上被测量物料通常由几种物料搭配组成，与实验室静态标准样相比，物料往往不是均匀分布的。再加上工业现场条件的复杂性，比如物料分层、水分、粒度、密度、形状变化等情况发生时，常常使物料的成分与空间分布不均匀，因而无法实现与实验室标定过程相一致的理想测量条件，最终导致分析仪测量动态物料的准确性变差。

3 初步解决方案

经过上面对中子活化在线分析仪测量动态物料所存在问题的初步分析，引起分析仪测量动态物料的准确性变差的原因主要有两点：

做完放疗，医生确定可以正常去上班，可单位的领导却让他在家多休息一段时间。因为周启明所在办公室里有个孕妇，担心周启明身上的辐射。

（1）皮带上的物料分布不均匀。

（2）探测器对不同位置处产生的伽玛射线收集率不同。

针对这两个主要原因，采用以下两种初步的解决方案如下：

（1）增加混料装置，将物料充分混合。缺点：受工业场地限制，可实施性不强，另外增加安装成本与维护量。

（2）将探测器插入到物料内部，消除探测器空间收集率不同的影响。缺点：探测器与运动的物料长期接触，引起磨损与振动。

早晨起床，两口子谁也不理谁。老婆在燃气炉上炒好了两碟菜，熥好了馒头，然后把馒头和两碟菜都端到饭桌上，坐下便吃。杨力生赌着气连看也不看她一眼，自己到碗柜里取出两根香肠，一瓶啤酒，坐在写字台边，用酒起子把瓶盖一启，一边喝啤酒一边吃香肠。待杨力生把一瓶啤酒喝完，香肠吃完，老婆也早已吃罢了饭。二人不声不响地坐在那里。一会儿，杨力生骂道：

方案5：针对技术矛盾（物质的量与物体产生的有害因素），应用复合材料原理，反射体采用复合材料结构。用复合材料（加入重金属颗粒的氢化物）代替均质材料（氢化物），使大量热中子经氢化物反射入物料区域，利用重金属颗粒的屏蔽能力，将氢化物激发产生的低能干扰伽玛射线过滤掉，从而降低物质产生的有害因素（见图 7）。

4 TRIZ解决问题思路

TRIZ是一种发明问题解决方法理论，可应用于工程问题的创新性解决方案研究。TRIZ解决问题的一般模式或基本思路如下：首先，将一个特解决的实际问题转化为TRIZ问题模型。然后，针对不同的TRIZ问题模型，应用相应的TRIZ分析工具，得到TRIZ解决方案模型。最后，将这些TRIZ解决方案模型应用到具体问题中，得到问题的实际解决方案[3]。

分析工具 本研究采用CiteSpace 5.0对数据进行分析：从CNKI下载检索数据并在CiteSpace中进行数据转换，导入数据并进行参数设置，运行软件进行图谱绘制。

根据问题表现出的“参数属性、结构属性”和“资源属性”的不同，TRIZ将各种技术问题模型转化为四种类型：技术矛盾问题、物理矛盾问题、物场模型问题和功能化模型问题，与此对应，TRIZ的工具也有四种：矛盾矩阵与创新原理、分离原理与分离方法、标准解系统和科学知识效应库[4-6]（见图2）。

图2 TRIZ解题过程示意图

5 TRIZ解题过程

5.1 系统功能分析

5.1.1 规范化描述

建立TRIZ问题模型，把实际待解决问题用规范化方式描述。按照SVOP形式进行描述，即主体（S）+动作（V）+对象（O）+参数（P）[3]。 技术系统为中子活化在线分析仪，技术系统功能为测量皮带上物料的元素含量。技术系统内部的各个组成部分为系统组件，各个组件的规范化描述如下：

5.4.2 物理矛盾分析示例2

（2）问题描述。原理问题：探测器收集不同位置处的物料所产生伽玛射线的收集率不同。功能问题：中子源发射中子分布不均匀。结构问题：皮带上物料不均匀或分层，分析仪测量值与物料均匀情况相比发生偏离，降低测量的准确性。

5.1.2 功能组件分析

将问题模型中所涉及的系统各个组件全部列出，并找出它们之间的相互关联，建立功能结构图（见图3）。

图3 中子活化在线分析仪系统功能结构图

通过功能结构图，进行组件分析，分析各组件功能与它们之间的相互关系，得出造成分析仪测量动态物料的准确性变差的主要问题点[7-8]：

（2）给水泵耗电率较高。机组为直接空冷机组，机组设计背压为15kPa，与水冷机组相比，汽耗率偏高0.2～0.3kg/kWh，造成给水泵流量增加，给水泵耗电率偏高，最高可达2.6%～2.7%，占厂用电率的24.3%左右。

（1）皮带收集多个下料秤输送的分层物料的分布不均匀。

（2）中子源输出中子场不均匀。

（3）反射体转移（反射）热中子不充分。

（4）探测器收集伽玛射线的效率不一致。

（5）探测器解谱方法适应性差。

5.2 因果分析

因果分析属于TRIZ理论体系中的分析问题工具，可以通过层层因果分析找到初始问题背后的关键原因，从而全面解决问题。因果分析从系统存在的初始问题入手，层层分析形成此问题的各种原因，直到分析到最后不可分解为止，最终找出关键原因[4]。从组件模型的问题点出发，通过因果链分析，造成分析仪测量准确性差的关键原因主要有：

（1）探测器的形状、位置与物料距离等结构不合理。

（2）中子源输出的快中子的效率与均匀性不足。

（3）慢化体和反射体的结构与材质不合理。

（3）利用矛盾矩阵表和40条创新原理，寻找解决方案。

5.3 技术矛盾

通过系统功能分析和因果分析，可以发现系统中存在问题与其关键原因。针对这些存在问题和原因，往往存在相对直接的已知解决方法，但已知解决方法通常会引起技术矛盾。

技术矛盾是指技术系统两个参数之间的矛盾，当用已知方法去改善技术系统的一部分 （或一个参数）时，该系统的其他部分（或其他参数）就要恶化[4]。

首先，对工程项目要进行严格的企业化管理。中标单位派驻的项目经理、施工员、安全员等其相关证件暂时交由业主保管，施工中所有派驻人员要每日到业主处报道，上下班都要签到。同时出台处罚措施，如项目经理无故离场，一次者进行警告，二次者进行罚款，三次者可清除出场。

利用技术矛盾寻找解决方案的主要步骤是：

（1）确定问题入手点。

（2）确定初步改进参数和方法。TRIZ提供了标准的39个工程参数可供参考。

（4）皮带上物料分层，粒度、水分、品位分布不均匀。

矛盾矩阵表将39个通用工程参数与40条创新原理有机结合，形成39×39表格，产生约1500个单元格，每一个单元表格代表1个技术矛盾。列代表的工程参数是系统改善的特性，行代表的工程参数是系统恶化的特性。矛盾矩阵表中对应的数字，表示解决对应技术矛盾时最有用的那些创新原理的编号，就是建议优先采用这些创新原理解决这对技术矛盾（见表2）。

5.3.1 技术矛盾分析示例

针对探测器接收伽玛射线的收集率不足，技术矛盾与创新原理应用的过程如下：

（1）问题：探测器接收伽玛射线的收集率不足。

（2）初步改进方法：增加探测器体积，提高照度。

表2 矛盾矩阵表

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（3）技术矛盾：照度和可制造性。改善照度，导致可制造性恶化。

(1)生产组织模式的转变。为促进融合生产，需要打破常规生产的组织模式，进行必要的转变。首先是转变基础地理信息数据生产与地理国情监测各自为战的现状，尽量做到同部署、同区域、同进度，分工序作业转变为分区域并行作业，不同队伍分别完成转变为一支队伍完成整个流程；其次是要打破按图幅、按比例尺局限，转变为按需求、按地理单元或者要素灵活组织生产。

查找矛盾矩阵，应用复制原理。形成方案1：增加探测器个数，组成探测器阵列。提高了探测器接收效率，并且降低了大体积探测器的制造难度（见图6）。

图6 探测器阵列示意图

（3）物理矛盾：探测器脉冲整形宽度越大，能量分辨率越高，但探测器的信号通过率越低。探测器脉冲整形宽度越小，探测器的信号通过率越大，但探测器能量分辨率也越低。

方案1：针对技术矛盾（形状与可制造性），应用分割原理。将探测器分割成若干个小探测器，依次排列成与物料形状吻合的弧形，从而降低不规则探测器的制造难度。

方案2：针对技术矛盾（测量精度与可靠性），应用组合原理。在物料的另一侧增加一套探测器，形成双侧探测器，提高伽玛测量均匀性。

丝木棉喜阳耐寒，天气越冷绽放得越茂盛。入冬后，丝木棉的绿叶逐渐散落地面，露出花蕊。花朵含情脉脉地绽放在溪流河畔，有深粉色、浅粉色，还有稀少的纯白色。一年四季中，前三季默默无闻，冷空气袭来，此树便使出浑身解数，将积攒一年的能量在寒冬里怒放，宛如一位冬日的新娘子，婀娜多姿，像等待恋人的到来。

方案3：针对技术矛盾（测量精度与可靠性），应用组合原理。在物料的另一侧增加一枚中子源，形成双侧中子源，提高中子反应均匀性。

方案4：针对技术矛盾（物质的量与物体产生的有害因素），应用复合材料原理，慢化体采用复合材料结构。用复合材料（氢化物+碳化物）代替均质材料（氢化物），使经过慢化体的快中子先被慢化能力强的氢化物慢化，后被透射能力强的碳化物散射入物料区域，从而提高物料内部中子场的均匀性。

初步的解决方案虽然可以在一定程度上解决分析仪测量动态物料的准确性变差的问题，但是存在较大的缺点，显然不是理想的解决方案。为此，利用TRIZ创新方法分析工具，寻找比较理想的解决方案。

方案6：针对技术矛盾（照射量与物质的量），应用分割原理。采用阵列式小活度中子源结构。用几枚小活度的中子源代替大活度的中子源，提高了中子源对物料区域的照射面积，且减小了中子源的采购成本[9]（见图 8）。

世俗化一直是儒家当然也是陆九渊心学的重要思想倾向。在中国传统中儒家一直以入世的主张而与另两种强调出世的思想佛家和道家有着泾渭分明的区别。

方案7：针对技术矛盾（测量的适应性与系统的复杂性），应用动态特性原理[10]。利用二次皮带混料功能。分层物料相对于一次传送皮带是静止的，它经过一次皮带输运，自由降落在二次皮带上，期间分层物料发生翻转，从而使物料完成自动混合功能（见图9）。

图7 复合材料反射体结构示意图

图8 阵列式小活度中子源结构示意图

图9 二次皮带混料结构示意图

5.4 物理矛盾

物理矛盾是技术系统中针对一个参数的矛盾。或者说是对同一个性能参数提出了相反的要求，是一个参数的自相矛盾[5]。即：技术系统要求某一参数性质为A，同时又要求这一参数性质为非A。例如汽车行驶时希望空间要大，但停车时又希望车身变小。

5.4.1 物理矛盾分析示例1

（1）待解决问题：探测器对不同位置处物料产生的伽玛射线的收集率差异。

（2）初步方法：增大探测器与物料之间的距离。

（3）物理矛盾：探测器距离物料越远，测量适应性越高，但探测器的射线收集率也越小，即照度越小。探测器距离物料越近，探测器的射线收集率越大，即照度越大，但测量适应性越低。

（4）应用条件分离原理，形成方案8。采用可移动式探测器室方法，当皮带上物料均匀分布时，移动探测器到距离物料足够近，提高探测器的照度；当皮带上物料不均匀时，移动探测器到距离物料足够远，提高探测器测量的适应性（见图10）。

图10 可移动式探测器示意图

（1）原理与功能描述。中子源发射快中子，物料原子核吸收热中子，物料原子核产生特征伽玛射线，探测器收集伽玛射线能量与数量。皮带输送物料，慢化体慢化快中子，快中子转化为热中子，反射体反射热中子进入物料测量通道。防护体屏蔽中子射线和伽玛射线，保护工作人员的辐射安全。

（1）待解决问题：探测器系统在高计数下能量分辨率低。

使用QTS25质构仪测量四组样品的质构，以T型探头(p/5)压缩肉干高度的50%时所感应的受力测定肉的硬度、咀嚼性、内聚性和粘聚性，重复3次，取各自平均值，进行显著性分析。测试相关参数为：测前速度2.0mm/s，测中速度1.0mm/s，测后速度2.0mm/s，两次下压间隔时间5.0s。

5.3.2 技术矛盾分析形成的其他方案

（2）初步方法：增大探测器脉冲整形宽度。

（4）利用条件分离原理，形成方案9。将探测器脉冲信号采集系统分为两通道，分别处理低能量脉冲信号和高能量脉冲信号。当脉冲信号的能量较高时，整形脉冲信号的宽度较宽；当脉冲信号的能量较低时，整形脉冲信号的宽度较窄。这样，即保证的探测器对脉冲信号的通过率，又保证了探测器的分辨率（见图11）。

图11 双通道脉冲处理系统示意图

5.5 物场分析

物场分析与标准解是TRIZ创新方法的一种重要分析工具，其解决问题的过程主要是：明确问题部位、建立物场模型、应用标准解和构建解决方案[5]。

5.5.1 物场模型分析示例

（1）明确问题部位。皮带上物料不均匀情况下，物料不同位置处产生的伽玛射线对探测器的响应值不同，主要原因是物料过厚引起对测量系统的有害作用。

为了提高建筑的防水效果，避免屋顶和墙壁上的水接触后出现裂缝和漏水，建筑施工企业在进行防水工作时需要再次创新，提高材料的防水效果。目前，我国房屋施工中的屋面防水工程采用聚合物水泥地基复合涂料施工技术，有效实现了技术创新，提高了房屋墙体和屋面的防水性能。

（2）建立物场模型。物质S1为探测器，物质S2为过厚物料产生的伽玛射线，放射场为射线场。有害作用：不同厚度处物料产生的伽玛射线对探测器的发射率不同。

（3）应用标准解。引入过厚物料(S2)的变形，将过厚物料变薄，消除不同厚度处物料产生的伽玛射线对探测器发射率不同而引起测量偏差问题（见图12）。

2.1四组患者心脏结构相关指标比较:OSAHS患者组中,中度组与重度组患者的LVDD、LVDS、LA、IVS、LVPWD指标与健康对照组比较明显升高,差意有统计学意义(P<0.05),见表1。[3]

图12 物场模型示意图

（4）构建解决方案。应用标准解1.2.2，引入S1或S2的变形来消除有害作用。形成方案10：利用皮带速度可调的特性。当物料过厚时，增大皮带速度，使物料变薄；当物料过薄时，减小皮带速度，使物料变厚，降低物料厚度变化引起探测器的测量偏差问题（见图13）。

图13 利用变速皮带调整物料形状示意图

5.5.2 物场模型分析形成的其他解决方案

明天法院就要开庭了，可是医生还不让竹韵出院，竹韵委托了律师向法庭告假。法官曾经征求过她的意见，此案涉及个人阴私，是否申请不公开审理?她想也没想就回答说，为什么不公开审理，我那点所谓的“阴私”又不是见不得人!我还恨不得全中国人民都来旁听呢。不知庭审结果会怎样呢?竹韵突然有了强烈的当众倾诉的欲望，她觉得自己非去法庭当众陈述不可，要不，这场官司即使赢了，又有多大意义?

应用上述物场分析与标准解的解题过程，可形成其他相应的解决方案。

（1）方案11：旁线式在线分析仪。利用物场模型与标准解1.2.2，引入不同形状物料(S2)的变形，将不同形状的物料通过形状限制装置约束为固定形状，消除不同形状物料产生的射线对探测器(S1)发射率不同而引起的测量偏差问题。将跨带式在线分析仪更改为旁线式在线分析仪，将水平通道内输送的形状可变的物料约束在旁线式在线分析仪的竖直通道内，降低物料形状变化引起测量偏差，提高测量准确性。

（2）方案12：引入红外场。利用物场模型与标准解2.1.2，向并联式复合物场模型转换。引入红外场，用于测量距离放射源过远的表面物料，解决中子与物料顶部两侧区域反应不充分问题。

（3）方案13：间接测量的伽玛能谱知识库代替连续测量伽玛能谱，提高测量准确性。利用物场模型与标准解4.1.3，利用两次间接测量代替连续测量。将实时采集的连续伽玛测量谱与伽玛标准谱库进行比对，利用插值和曲线拟合，实现多次间接测量代替连续测量。

（4）方案14：通过探测器H信号间接测量物料水分，消除物料水分变化对测量准确性影响。利用物场模型与标准解4.1.2，测量系统的复制品或者图像。利用在线分析仪探测器测H信号，完成水分仪的测量水分或人工化验功能，从面降低成本。

5.6 科学效应知识库

科学效应知识库是一种基于知识地解决问题工具。科学效应解决问题的主要步骤：

（1）首先对问题进行分析。

（2）确定所解决的问题要实现的功能。

（3）根据功能查找效应库，得到TRIZ所推荐的效应。

（4）形成解决方案。

为解决中子源发射中子的照射量不足的问题，查询技术创新知识库，得到相关案例[11]。从《多信道、多-总-外部反射光学元件改善中子放射线照相术的成像》获得启发。

形成方案15：采用中子导管技术提高中子照射的聚焦度。利用多信道、多-总-外部反射（MC-MTER）光学元件来改善中子向空间360度发散而引起利用率不足的问题。多信道、多-总-外部反射光学元件是一个略微弯曲的多通道中子导管，可使中子源发出的中子通过中子导管后向物料方向聚集，形成平行中子射线束，从而提高中子射向物料区域的照射量（见图14）。

图14 中子导管技术提高中子照射聚焦度示意图

6 结语

为提高中子活化在线分析仪测量动态物料的测量准确性，利用TRIZ创新理论与工具，建立问题模型，并对问题模型的技术系统组件与相互关系进行了功能分析和因果分析，然后从技术矛盾与创新原理、物理矛盾与分离方法、物场模型与标准解、科学效应知识库等四个方面寻找解决方案。

通过应用TRIZ创新方法寻求提高中子活化在线分析仪的测量准确性的解决方案的过程分析，得到以下主要结论：

（1）应用TRIZ创新方法和工具，可以较好地解决中子活化在线分析仪测量动态物料的测量适应性差的问题，共形成了16个有效的解决方案。

（2）TRIZ使解决工程问题的过程系统化，可以有效的应用已有的科学专业知识。

（3）TRIZ强调发明或创新可依一定的程序与步骤进行，有利于工程项目的高效研发。

（4）TRIZ降低尝试次数和错误迭代，与试错法和头脑风暴法相比，其解题的效率无与伦比。

参考文献

[1]陶俊涛，卢元利，李剑锋，等.中子活化元素在线分析仪的结构与应用[J].煤质技术，2016（1）:11-13.

[2]宋青锋，张伟，龚亚林，等.利用瞬发γ中子活化分析技术对铜镍矿石进行在线检测的应用研究[J].世界有色金属，2014（2）:72-73.

[3]成思源，周金平，郭钟宁.技术创新方法—TRIZ理论及应用[M].北京:清华大学出版社，2014.

[4]刘训涛，曹贺，陈国晶.TRIZ理论及应用[M].北京：北京大学出版社，2011.

[5]沈世德.TRIZ法简明教程[M].北京机械工业出版社，2010.

[6]彭慧娟,成思源,李苏洋,等.TRIZ的理论体系研究综述[J].机械设计与制造,2013(10):270-272.

[7]Hadad K,Sadeghpour H,Nematollahi MR.Source substitution and optimization of CBXTM PGNAA analyzer in Kangan cement plant[J].Progress in Nuclear Energy,2016,90:204-211.

[8]Zhang Jinzhao,Tuo xian-guo.A Monte Carlo simulation and setup optimization of output efficiency to PGNAA thermal neutron using～(252)Cf neutrons[J].Chinese Physics C,2014,38(7):145-149.

[9]丹东东方测控技术股份有限公司.可调式在线多元素分析仪:中国，ZL 200810228952.3[P].2013-07-17.

[10]Rockwell Automation Technologies,Inc.Bulk Material Blending Control: 美国，US 20100082157A1[P].2010-04-01.

[11]江屏,张瑞红,孙建广,等.基于TRIZ的专利规避设计方法与应用[J].计算机集成制造系统,2015,21(4):914-923.