CN103135124A - 用于内照射活体测量的便携式测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于辐射剂量监测领域，具体涉及一种用于内照射活体测量的便携式测量系统。该系统包括探测器部分、多路信号混合器、多道分析器和计算机数据管理系统；其中，探测器部分由探头、前置放大器和线性放大器组成，该测量系统采用多个化合物半导体探测器阵列，每个探测器单独配置前置放大器和线性放大器，然后将多个线性输出的信号引入多路信号混合器，通过多路信号混合器编码后传输至多道分析器，采集到的数据经计算机数据管理系统进行数据处理并显示核素能谱图。本发明提供的便携式测量系统，能够用于内照射活体测量测量低能χ、γ射线，探测效率和灵敏度高。
Description
技术领域
本发明属于辐射剂量监测领域，具体涉及一种用于内照射活体测量测量的便携式测量系统。
背景技术
随着核能在不同领域的应用，对涉核人员的安全提出了更高的要求。涉核人员很可能通过吸入或食入等途径摄入放射性核素到体内，由于不同放射性核素沉积在人体内的位置不同，其中以长寿命的超铀核素对人体危害较大。超铀核素通常以肺部作为主要沉积部位，对于人体内的超铀核素测量只能通过它们衰变时所伴随的X射线来测定，而其测量技术的难度是最大的。一方面是因为超铀元素发射的χ、γ射线能量低，人体组织对这些低能光子的衰减大，不易被探测器探测到；另一方面，超铀元素的毒性大，摄入控制严格，要求能探测到的水平低；再就是探测器本身在测量低能光子方面也还有诸多问题。
现有技术中，要获得超铀核素的低探测限的指标，内照射活体测量监测系统大多都是在实验室中采用宽能高纯锗探测器(BEGe)的大型专用探测装置，或在低本底铅室内建立了以NaI/CsI双晶体探测器大型装置，探测器的数目有一个、两个或四个，一般建在专门的实验室或者地下的铅室。在遇到突发核事故时，现有的测量系统大多非常笨重、庞大，无法便携到事故现场测量，及时判定工作人员的内污染情况。另外，NaI探测器虽然使用方便、价格便宜，但能量分辨率较差；HPGe探测器能量分辨率高，但在测量和保存时需要在90～100K(液氮冷却)的低温环境下使用，附属低温设施庞大，且购置费用昂贵。
发明内容
(一)发明目的
本发明提供了一种能够测量低能χ、γ射线，探测效率和灵敏度高的，用于内照射活体测量测量的便携式测量系统。
(二)发明内容
本发明提供了一种用于内照射活体测量的便携式测量系统，该系统包括探测器部分、多路信号混合器、多道分析器和计算机数据管理系统；其中，探测器部分由探头、前置放大器和线性放大器组成，该测量系统采用多个化合物半导体探测器阵列，每个探测器单独配置前置放大器和线性放大器，然后将多个线性输出的信号引入多路信号混合器，通过混合器编码后传输至多道分析器，采集到的数据经计算机数据管理系统进行数据处理并显示核素能谱图。
所述的多个化合物半导体探测器，是CdZnTe探测器或者是CdTe探测器。
所述的CdZnTe探测器是平面型。
所述的多个化合物半导体探测器阵列，是由8个平面型CdZnTe探测器组成，这8个探测器分为2组，每组4个按2×2网格排列成探测器阵列，分别装在两个用紫铜材料做成的长方体盒子内，每个盒子内的4路测量线路利用蜂窝式结构进行分隔，中间用紫铜隔板隔开，探测器前端的盒体上开探测器窗口，探测器窗口上用薄铝膜封装，探测器部分通过两根电缆与多路信号混合器相连。
所述的多路信号混合器是由探测器输出的8路输入信号，进入多路信号混合器后分成两路，一路输入到8选1模拟开关，另一路输入到甄别器，由甄别器判断某一路是否有信号输入并输出门信号引导给出相应的编码，当某一路有信号输入时，甄别器输出经编码器给出该路的编码数字信号，这个编码信号一方面输入到模拟开关，使该路信号经模拟开关可输出到放大器、峰值取样保持、多道分析器，另一方面输入到单片机，使单片机确定本次获取到的多道分析器信号来自哪一路探测器。所述的多道分析器增加了8路信号识别和BUSY电平指示。
所述的多路信号混合器分别为探测器、前置放大器和线性放大器提供高、低压电源，并将探测器输出的多路模拟信号经隔离跟随器混合、编码后统一由一路输入到多道分析器中。
(三)发明效果
本发明所提供的用于内照射活体测量的便携式测量系统，由于采用的是化合物半导体CdZnTe或CdTe探测器，它们的能量分辨率介于NaI和HPGe探测器之间，同时具有本征探测效率高，可在常温下使用，对湿度不敏感，体积小的特点。这些特点有利于做成便携式的探测器，本发明采用探测器阵列的方式，有效的提高了探测效率和灵敏度，在一般实验室环境下，该系统的最小可探测下限可达130Bq。在遇到突发核事故时，该系统具有便携性好、响应快的优点。该系统的结构设计采用的是蜂窝式结构进行分隔，降低每组探头内部的四路电子学线路之间在测量过程中的相互干扰。这样的设计一方面能尽可能的减少对侧面来的射线的衰减，提高探测器的效率，另一方面，直接将探测器与前置放大器相连，并且封装在同一个容器里，能够有效地减小本底，降低系统噪声。同时它具备一定强度，并且便于在测量过程中根据需要对探测器的位置进行调节。
附图说明
图1内照射活体测量便携式测量系统逻辑关系图
图2内照射活体测量便携式测量系统结构示意图
1外壳，2CdZnTe晶体，3前置放大器和线性放大器，4主机部分，5多路信号混合器，6多道分析器，7电源。
图3混合器工作原理图
图4各个CdZnTe探测器在体模上测量得出的图谱
图5合成图谱
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的说明：
实施例1
如图1所示，该内照射活体测量测量系统主要由四部分组成：包括探测器部分(探头、前置放大器和线性放大器)、八路信号混合器、多道分析器和计算机数据管理系统。测量系统采用8个平面型CdZnTe探测器，每个CdZnTe探测器单独配置前置放大器和线性放大器，然后将8个线性输出的8路信号引入多路信号混合器，通过混合器编码后传输至多道分析器，采集到的数据以核素能谱图的形式在计算机数据管理系统上显示并进行数据处理。
如图2所示，8个平面型CdZnTe探测器阵列，分为2组，每组4个按2×2网格排列成探测器阵列，分别装在两个用紫铜材料做成的长方体盒子内，每个盒子内的4路测量线路利用蜂窝式结构进行分隔，中间用紫铜隔板隔开，探测器前端的盒体上开了探测器窗口，探测器窗口上用薄铝膜封装，探测器部分通过两根电缆与多路信号混合器相连。CdZnTe探测器的外壳1是采用紫铜材料制成，可以减少电磁干扰。外面贴一层避光材料，其中外壳1上的探测器窗口用铝箔避光遮盖。从人体肺部内发射的低能γ射线入射到CdZnTe晶体2内部产生电子-空穴对，电子-空穴对在电场的作用下向两极运动产生脉冲，通过前置放大器和线性放大器3对脉冲信号进行放大，并将信号送到测量系统的主机部分4的多路信号混合器5进行处理。多路信号混合器5实现了多路模拟信号的数字转换与合成，解决了内照射活体测量测量系统CdZnTe常温半导体探测器阵列的信号混合处理装置与探测器以及放大器的匹配问题。多道分析器6，通过相应的软件，实现了对单个谱和合同谱的查询、分析和计算功能，最终在电脑上呈现出来。电源7为主机部分4提供所需要的电源。
如图3所示，多路信号混合器是由探测器输出的8路输入信号，进入多路信号混合器后分成两路，一路输入到8选1模拟开关，另一路输入到甄别器，由甄别器判断某一路是否有信号输入并输出门信号引导给出相应的编码，当某一路有信号输入时，甄别器输出经编码器给出该路的编码数字信号，这个编码信号一方面输入到模拟开关，使该路信号经模拟开关可输出到放大器、峰值取样保持、多道分析器，另一方面输入到单片机，使单片机确定本次获取到的多道分析器信号来自哪一路探测器。多路信号混合器分别为探测器、前置放大器和线性放大器提供高、低压电源，并将探测器输出的多路模拟信号经隔离跟随器混合、编码后统一由一路输入到多道分析器中，在信号的处理过程中保证了信号的不失真和计数的较少丢失。
多路信号混合器各部分功能及指标要求：
高压电源-根据偏压范围设计为0～300V可调，低功耗，小体积，高稳定性的高压电路，线路简单。
稳压电源-为四组放大器提供稳压单电源5V或双电源±5V，电池供电，有电池缺电提示，电子学线路简单。
模拟信号混合器及探头判别-将8路输入模拟信号经隔离跟随器，混合为一路实时信号输入多道分析器，并判别输入路数标识。
CPU-采用最小化51系列单片机，软、硬件简捷实用。
混合器上设置了触发信号阈值调节功能，根据对输入信号中有用信号与噪声信号的幅度分析，结合实验确定该阈值的最佳值，使得低能有用信号完整通过的同时减小了噪声信号的通过量。
本系统使用的MCA是经特殊设计的具有编码判别功能的1024道信号分析器，通过USB输出至计算机数据管理系统。项目组在普通多道的基础上进行了二次开发，增加了八路信号识别和BUSY电平指示功能，
八路信号识别功能和BUSY电平指示功能的实现，主要是通过混合器与多道分析器的通讯来完成。八路信号混合器在完成探测器脉冲采样处理之后，在发送脉冲幅度信息的同时，通过A、B、C三根信号线的高、低电平信息发送探测器的编码信息(分别是000、001、010、011、100、101、110、111)。同时，八路信号混合器通过BUSY信号线与多道分析器进行通讯，当多道分析器开始处理混合器发送的脉冲数据时，多道分析器会给混合器发出“系统忙(高电平)”的指令，此时混合器不再传送脉冲数据，反之，多道分析器会给混合器发出“系统闲(低电平)”的指令，混合器开始传送数据。
通过这样的改进设计，能够有效的将混合器与多道分析器、探测器进行了整合。保证在测量过程中，能够有效地将谱数据与探测器的位置有效结合起来，测量软件的显示结果可以有针对性地指导测量人员对探测器的位置进行调整。
计算机数据管理系统装有多道分析器数据获取和解谱软件，采用分三屏显示的设计，第一屏可以同时对8路信号进行实时监测，第二屏可以对感兴趣的探测器进行放大显示，第三屏为采用特殊算法对信号混合后的最终结果。该多道分析器能够对其中任意一个谱进行数据处理。
该系统可以测量能量低至约12keV的光子辐射，在低本底实验室环境中，利用中国仿真人体躯干模型(肺部均匀分布Am-241放射源)进行实验刻度，得到了系统在肺部表面不同位置处的探测效率，见表1。结合本底测量情况，利用公式拟合后确认该系统探测下限可达几十个贝克。
表1探测效率随探测器在仿真人体躯干模型刻度位置的变化
实施例2
技术方案同实施例1，所不同的是8个CdZnTe探测器阵列还可以是多个CdZnTe探测器阵列，也可以是多个CdTe探测器阵列。
Claims (7)
1.一种用于内照射活体测量的便携式测量系统，该系统包括探测器部分、多路信号混合器、多道分析器和计算机数据管理系统；其中，探测器部分由探头、前置放大器和线性放大器组成，其特征在于：该测量系统采用多个化合物半导体探测器阵列，每个探测器单独配置前置放大器和线性放大器，然后将多个线性输出的信号引入多路信号混合器，通过多路信号混合器编码后传输至多道分析器，采集到的数据经计算机数据管理系统进行数据处理并显示核素能谱图。
2.根据权利要求1所述的一种用于内照射活体测量的便携式测量系统，其特征在于：所述的多个化合物半导体探测器，是CdZnTe探测器或者是CdTe探测器。
3.根据权利要求2所述的一种用于内照射活体测量的便携式测量系统，其特征在于：所述的CdZnTe探测器是平面型。
4.根据权利要求1所述的一种用于内照射活体测量的便携式测量系统，其特征在于：所述的多个化合物半导体探测器阵列，是由8个平面型CdZnTe探测器组成，这8个探测器分为2组，每组4个按2×2网格排列成探测器阵列，分别装在两个用紫铜材料做成的长方体盒子内，每个盒子内的4路测量线路利用蜂窝式结构进行分隔，中间用紫铜隔板隔开，探测器前端的盒体上开了探测器窗口，探测器窗口上用薄铝膜封装，探测器部分通过两根电缆与多路信号混合器相连。
5.根据权利要求1所述的一种用于内照射活体测量的便携式测量系统，其特征在于：所述的多路信号混合器是由探测器输出的8路输入信号，进入多路信号混合器后分成两路，一路输入到8选1模拟开关，另一路输入到甄别器，由甄别器判断某一路是否有信号输入并输出门信号引导给出相应的编码，当某一路有信号输入时，甄别器输出经编码器给出该路的编码数字信号，这个编码信号一方面输入到模拟开关，使该路信号经模拟开关可输出到放大器、峰值取样保持、多道分析器，另一方面输入到单片机，使单片机确定本次获取到的多道分析器信号来自哪一路探测器。
6.根据权利要求1所述的一种用于内照射活体测量的便携式测量系统，其特征在于：所述的多道分析器增加了8路信号识别和BUSY电平指示。
7.根据权利要求1所述的一种用于内照射活体测量的便携式测量系统，其特征在于：所述的多路信号混合器分别为探测器、前置放大器和线性放大器提供高、低压电源，并将探测器输出的多路模拟信号经隔离跟随器混合、编码后统一由一路输入到多道分析器中。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130605 |