CN103217702B - 用于海洋放射性测量的低本底γ能谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于海洋放射性测量的低本底γ能谱仪，包括由六个NaI(T1)晶体传感器组成的晶体阵列探测模块、信号处理模块和上位机；所述的六个NaI(T1)晶体传感器平均分成三组，每组中的两个NaI(T1)晶体传感器相对布设，六个NaI(T1)晶体传感器的晶体端面相邻，围绕形成样品盒放置区域；通过六个NaI(T1)晶体传感器检测输出的六路检测信号传输至信号处理模块，经由信号处理模块处理成能谱信号上传至上位机。本发明的能谱仪可以用于对海洋环境中的放射性核素含量进行快速检测，不仅适合实验室检测和车载、船载等现场监测，而且可以推广应用到除海洋环境以外的其他低放射性样品的检测工作中。
Description
技术领域
本发明属于海洋放射性检测技术领域，具体地说，是涉及一种用于对海洋环境进行放射性检测的γ能谱仪。
背景技术
日本福岛核电站爆炸引发的核泄漏事故，让海洋环境遭受了严重的放射性污染，这也使得对海洋放射性污染的检测和监测工作受到了高度的重视。
长期以来，我国的海洋放射性检测以实验室检测方式为主。每年若干次在重点海域若干站位现场提取海水、海底沉积物和海洋生物样品，带回实验室进行样品的处理和分析。由于现有成熟的γ能谱仪只能检测放射性含量较高的物质，而对于低放射性的海洋物质，必须首先带回实验室进行样品的酸化、共沉淀、搅拌、静置、抽滤等一系列预处理后，形成放射性含量较高的固态物质后，才能满足γ能谱仪的检测分析要求。因此，一次检测工作往往需要2~3天的时间，程序繁琐，耗时费力。不仅如此，这种非实时、断续的检验模式也不可能对海洋放射性污染情况实现及时有效的监测，更难进行预报预警。
由于海洋环境中的放射性含量是低水平的，海水和大部分生物体除K-40以外的其他放射性核素含量是极低水平的，因此，目前陆地上用于土壤、建材、岩石、食品等现场放射性检测的成熟γ能谱仪，在探测效率、探测灵敏度等性能指标上是达不到海洋放射性污染现场监测要求的，因而亟需建立适合海洋放射性检测的超低本底的检测仪器，以用于海洋放射性核素含量的现场监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于海洋放射性测量的低本底γ能谱仪，可以快速检测极低放射性水平的海洋环境样品，以提高海洋放射性检测的效率和灵敏度。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种用于海洋放射性测量的低本底γ能谱仪，包括由六个NaI(T1)晶体传感器组成的晶体阵列探测模块、信号处理模块和上位机；所述的六个NaI(T1)晶体传感器平均分成三组，每组中的两个NaI(T1)晶体传感器相对布设，六个NaI(T1)晶体传感器的晶体端面相邻，围绕形成样品盒放置区域；通过六个NaI(T1)晶体传感器检测输出的六路检测信号传输至信号处理模块，经由信号处理模块处理成能谱信号上传至上位机。
优选的，所述的六个NaI(T1)晶体传感器沿空间三维直角坐标系的三个坐标轴方向两两相对布设，且由所述六个NaI(T1)晶体传感器的六个晶体端面围绕形成的样品盒放置区域的中心刚好为所述空间三维直角坐标系的原点。
进一步的，在所述的γ能谱仪中设置有一用于承载所述NaI(T1)晶体传感器的检测支架，且至少有一个NaI(T1)晶体传感器活动安装在所述检测支架的表面，以方便样品盒取放。
优选的，在所述检测支架的表面设置有滑轨，滑轨上安装有滑动支架，活动安装在所述检测支架表面的NaI(T1)晶体传感器固设在所述的滑动支架上。
又进一步的，在所述的六个NaI(T1)晶体传感器中，其中五个NaI(T1)晶体传感器的晶体端面固定拼合在一起，第六个NaI(T1)晶体传感器安装在所述的滑动支架上，且当六个NaI(T1)晶体传感器拼合到一起时，六个NaI(T1)晶体传感器的六个晶体端面刚好拼合形成一个封闭的腔室，所述样品盒放置于所述封闭的腔室中。
为了适应海洋监测环境，在每一个所述的NaI(T1)晶体传感器的外部均封装有聚乙烯管状外壳。
为了屏蔽外界环境中的γ射线进入NaI(T1)晶体传感器，影响检测精度，实现γ能谱仪的低本底，所述的六个NaI(T1)晶体传感器均内置于铅室中，所述铅室的一端开口， NaI(T1)晶体传感器的晶体端面朝向铅室的开口端。
再进一步的，在所述的NaI(T1)晶体传感器中设置有NaI(T1)晶体、光电倍增管和前置放大器，考虑到海洋环境的噪声频带级别以及钾含量高的特点，所述光电倍增管优选采用低噪声且不含钾的光电倍增管。
更进一步的，在所述信号处理模块中设置有放大整形单元、多道脉冲幅度分析单元和转换控制单元；所述转换控制单元将六个NaI(T1)晶体传感器输出的六路检测信号依次传输至放大整形单元进行波形的放大和整形处理后，输出至多道脉冲幅度分析单元转换处理成γ能谱检测数据上传至上位机。
为了进一步提高检测效率，实现海洋环境的实时监测，在所述的γ能谱仪中设置有通讯接口模块，所述通讯接口模块接收信号处理模块输出的γ能谱检测数据，通过有线或者无线传输方式发送至所述的上位机，通过上位机便可实时计算出海洋环境样品的γ总量和用户感兴趣的放射性核素的含量，以满足海洋放射性污染现场监测的要求。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的低本底γ能谱仪在结构设计上，采用6个NaI(Tl)晶体传感器按照空间三维结构组成探测阵列，由此可以实现对低放射性样品的高灵敏度检测，很好地满足了海洋环境中海水、海底沉积物和海洋生物等放射性核素含量的有效检测；在系统设计上，相应地采用6个通道的放大整形与多道脉冲幅度分析得到能谱信号，现场或者远程实时上传至上位机，由此可以实现海洋环境现场的实时监测；在系统功能上，可以快速检测极低放射性水平的海洋环境样品，为准确获得γ总量和目标放射性核素含量提供保证；在系统性能上，可以达到海洋放射性检测所要求的高探测灵敏度和高探测效率。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本发明所提出的用于海洋放射性测量的低本底γ能谱仪的一种实施例的系统架构示意图；
图2是图1中晶体阵列探测模块的一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。
本实施例针对海洋环境中极低放射性水平的海水、沉积物、海洋生物等样品，设计了一种高探测灵敏度和高探测效率的海洋低本底γ能谱仪，以实现对海洋环境放射性核素含量的有效检测。
在本实施例的海洋低本底γ能谱仪中，主要设置有用于检测海洋环境样品所发出的γ射线的晶体阵列探测模块、用于对晶体阵列探测模块输出的检测信号进行分析处理的信号处理模块以及利用信号处理模块输出的能谱信号计算生成样品放射性核素含量（比活度）的上位机等，参见图1所示。其中，在所述的晶体阵列探测模块中设置有六个NaI(Tl)晶体传感器1~6，将所述的六个NaI(T1)晶体传感器1~6平均分成三组，每组中的两个NaI(T1)晶体传感器相对布设，结合图2所示，例如1、6相对；2、5相对；3、4相对，且相对面均为六个NaI(T1)晶体传感器1~6的晶体端面。由此，通过六个NaI(T1)晶体传感器1~6的晶体端面便可围绕形成一个区域，将所述区域设定为样品盒的放置区域，这样在将盛放有海洋环境样品的样品盒放置在该区域内时，通过海洋环境样品向四面八方发射的γ射线都会被六个NaI(T1)晶体传感器1~6检测到，由此便实现了对海洋环境样品的全角度探测，提高了探测的灵敏度。同时，由于探测灵敏度的提高，因此无需对样品进行前期复杂的预处理过程，直接将海洋环境样品放置在所述的γ能谱仪中，即可满足对低放射性样品的准确检测要求，进而使得探测效率大大提高。
作为本实施例的一种优选设计方案，优选将所述的六个NaI(T1)晶体传感器1~6按照空间三维直角坐标系的三个坐标轴的方向两两相对布设，参见图2所示。即，将两组NaI(T1)晶体传感器2、5、3、4设置于水平面成X-O-Y正交分布，可以具体安装在一个检测支架7上，例如检测支架7的上表面，通过检测支架7承载所述的NaI(T1)晶体传感器2、5、3、4；第三组NaI(T1)晶体传感器1、6位于Z方向的垂直面上，具体可以将NaI(T1)晶体传感器1安装在位于水平面上的NaI(T1)晶体传感器2、3、4的上方，且晶体端面朝下；将NaI(T1)晶体传感器6的晶体端面朝上固定安装在检测支架7的底面，并且在检测支架7上与NaI(T1)晶体传感器6的晶体端面正对的区域开孔，以使第三组的两个NaI(T1)晶体传感器1、6的晶体端面相对。为了提高探测精度，通过六个NaI(T1)晶体传感器1~6的六个晶体端面围绕形成的样品盒放置区域8优选形成封闭区域，且该封闭区域8的中心刚好为所述空间三维直角坐标系的原点O，由此，可以避免通过样品放射的γ射线外漏，简化检测信号的处理和计算过程。
为了方便样品盒取放，优选在所述的六个NaI(T1)晶体传感器1~6中选择至少一个设计成活动式安装结构，例如将位于水平面的一个NaI(T1)晶体传感器5活动安装在所述检测支架7的上表面，具体可以采用在检测支架7的上表面设置滑轨9，在滑轨9上安装滑动支架10，将NaI(T1)晶体传感器5固定在滑动支架10上的方式，来实现NaI(T1)晶体传感器5在检测支架7上的活动安装。当需要取放样品盒时，可以首先将NaI(T1)晶体传感器5向外侧滑动挪开，如滑动到图2所示的位置，使晶体阵列探测模块分离，露出样品盒放置区域8。然后，将盛有海洋环境样品的样品盒放入所述的样品盒放置区域8，滑动NaI(T1)晶体传感器5，使六个NaI(T1)晶体传感器1~6重新组合到一起，此时，六个NaI(T1)晶体传感器1~6的六个晶体端面刚好拼合在一起，将样品盒封闭在一个封闭的腔室内，以防止通过海洋环境样品放射的γ射线外漏。
在本实施例中，所述的样品盒优选采用U型的ABS塑料样品盒，放置于密闭腔室的中心位置，以提高检测精度。
作为本实施例的一种优选设计方案，所述的六个NaI(T1)晶体传感器1~6最好选择具有相同结构和性能的晶体传感器构建所述的晶体阵列探测模块。在每一个NaI(T1)晶体传感器中均设置有NaI(T1)晶体11、光电倍增管12和前置放大器13，如图2所示。其中，NaI(T1)晶体11对γ射线具有较高的灵敏度，探测能量范围可达30keV~3MeV，覆盖了海洋领域关注人工放射性核素的能量范围。考虑到海洋环境的噪声频带级别以及钾含量高的特点，优选采用低噪声且不含钾的光电倍增管12与NaI(T1)晶体11紧密安装，具体可以在光电倍增管12与NaI(T1)晶体11的接触面涂以硅油，使光电倍增管12的光阴极端与NaI(T1)晶体11紧密接触，以提高光收集效率。NaI(T1)晶体11在样品所发射的γ射线的作用下发出的光信号汇聚到光电倍增管12的光阴极端上，利用光电效应在光电倍增管12的阳极端形成很大的电子流，进而通过负载电阻形成电脉冲信号，传输至前置放大器13进行放大处理，然后输出至信号处理模块。
为了适应海洋监测环境，本实施例在每一个所述的NaI(T1)晶体传感器的外部均封装有防水性外壳，例如聚乙烯管状外壳，一方面以最大限度的降低对γ射线造成的衰减，另一方面避免传感器内部受到海洋环境和海洋样品的影响，造成NaI(T1)晶体传感器的损坏。
为降低放射性检测本底，优选在六个NaI(T1)晶体传感器1~6的外部设置铅室屏蔽，以避免外界环境中的γ射线进入NaI(T1)晶体传感器，影响检测精度。例如：将六个NaI(T1)晶体传感器1~6均内置于铅室14中，如图2所示，所述铅室14的一端开口，将NaI(T1)晶体传感器1~6的晶体端面朝向铅室14的开口端，以保证NaI(T1)晶体传感器1~6的晶体端面能够有效地接收海洋环境样品发射的γ射线，完成样品的放射性检测。
在本实施例中，所述的信号处理模块主要由放大整形单元、多道脉冲幅度分析单元和转换控制单元等部分组成，参见图1所示。所述放大整形单元连接晶体阵列探测模块，接收六个NaI(T1)晶体传感器输出的六路检测信号，即六路信号幅度与射线能量成正比的电压脉冲信号。所述转换控制单元连接放大整形单元和多道脉冲幅度分析单元，控制通过六个NaI(T1)晶体传感器1~6检测输出的六路电压脉冲信号依次传输至放大整形单元进行线性放大、零极点相消和积分处理，然后将微弱的电脉冲信号放大整形处理成幅值和波形符合后续分析单元处理要求的测量脉冲信号，传输至所述的多道脉冲幅度分析单元。所述多道脉冲幅度分析单元采用高速、低功耗、12位的模数转换芯片将检测到的6路测量脉冲信号幅度进行A/D转换，对脉冲峰值的幅度进行平均1024个通道的量化技术处理，得到代表脉冲幅度的数字量与脉冲的道址线性对应，由此便可得到γ能谱检测数据。
对于放大整形单元和多道脉冲幅度分析单元的具体电路组建结构及其工作原理，由于与目前传统γ能谱仪中的信号处理模块的设计方式类似，只是需要增设转换控制单元对晶体阵列探测模块输出的六路电压脉冲信号的处理通道进行选择切换和时序控制即可，因此，本实施例在此不作详细说明。
将信号处理模块分析处理后输出的六路γ能谱检测数据传输至通讯接口模块，经由通讯接口模块中的电平转换芯片及配套的隔离电路，或者经由无线收发装置转换成无线射频信号后，通过RS-232总线或者GPRS/CDMA等移动通信网络，以有线或者无线传输的方式将六路γ能谱检测数据上传至上位机，以满足海洋放射性污染现场监测的要求。
所述上位机可以采用一台普通的计算机，安装基于Windows操作系统的用户服务软件，进行γ能谱检测数据的接收、显示、存储与进一步的能谱数据分析，进而得到海样环境样品的γ总量和用户感兴趣的放射性核素含量。用户通过操作上位机可以对γ能谱仪进行参数设置和控制操作。
对于γ能谱仪中各用电负载所需的工作电源，可以由设置在γ能谱仪中的高压电源模块输出提供，如图1所示。所述高压电源模块将外部标准的220V交流电源转换成γ能谱仪中NaI(T1)晶体传感器1~6、信号处理模块、通讯接口模块所需的不同工作电压，满足各部分的用电需求。
本发明提供的海洋放射性测量的低本底γ能谱仪具有较高的探测效率和探测灵敏度，结构紧凑，无需对海洋环境检测样品进行任何预处理，使用方便。不仅适合实验室检测和车载、船载等现场监测，而且可以推广应用到除海洋环境以外的其他低放射性样品的检测工作中，实现放射性核素含量的高效、高灵敏度监测。
当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于海洋放射性测量的低本底γ能谱仪，其特征在于：包括由六个NaI(T1)晶体传感器组成的晶体阵列探测模块、信号处理模块和上位机；所述的六个NaI(T1)晶体传感器平均分成三组，每组中的两个NaI(T1)晶体传感器相对布设，六个NaI(T1)晶体传感器的晶体端面相邻，围绕形成样品盒放置区域；通过六个NaI(T1)晶体传感器检测输出的六路检测信号传输至信号处理模块，经由信号处理模块处理成能谱信号上传至上位机；所述的六个NaI(T1)晶体传感器沿空间三维直角坐标系的三个坐标轴方向两两相对布设，且由所述六个NaI(T1)晶体传感器的六个晶体端面围绕形成的样品盒放置区域的中心刚好为所述空间三维直角坐标系的原点。
2.根据权利要求1所述的用于海洋放射性测量的低本底γ能谱仪，其特征在于：在所述的γ能谱仪中设置有一用于承载所述NaI(T1)晶体传感器的检测支架，且至少有一个NaI(T1)晶体传感器活动安装在所述检测支架的表面。
3.根据权利要求2所述的用于海洋放射性测量的低本底γ能谱仪，其特征在于：在所述检测支架的表面设置有滑轨，滑轨上安装有滑动支架，活动安装在所述检测支架表面的NaI(T1)晶体传感器固设在所述的滑动支架上。
4.根据权利要求3所述的用于海洋放射性测量的低本底γ能谱仪，其特征在于：在所述的六个NaI(T1)晶体传感器中，其中五个NaI(T1)晶体传感器的晶体端面固定拼合在一起，第六个NaI(T1)晶体传感器安装在所述的滑动支架上，且当六个NaI(T1)晶体传感器拼合到一起时，六个NaI(T1)晶体传感器的六个晶体端面刚好拼合形成一个封闭的腔室，所述样品盒放置于所述封闭的腔室中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于海洋放射性测量的低本底γ能谱仪，其特征在于：在每一个所述的NaI(T1)晶体传感器的外部均封装有聚乙烯管状外壳。
6.根据权利要求5所述的用于海洋放射性测量的低本底γ能谱仪，其特征在于：所述的六个NaI(T1)晶体传感器均内置于铅室中，所述铅室的一端开口， NaI(T1)晶体传感器的晶体端面朝向铅室的开口端。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的用于海洋放射性测量的低本底γ能谱仪，其特征在于：在所述的NaI(T1)晶体传感器中设置有NaI(T1)晶体、光电倍增管和前置放大器，所述光电倍增管为低噪声且不含钾的光电倍增管。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的用于海洋放射性测量的低本底γ能谱仪，其特征在于：在所述信号处理模块中设置有放大整形单元、多道脉冲幅度分析单元和转换控制单元；所述转换控制单元将六个NaI(T1)晶体传感器输出的六路检测信号依次传输至放大整形单元进行波形的放大和整形处理后，输出至多道脉冲幅度分析单元转换处理成γ能谱检测数据上传至上位机。
9.根据权利要求8所述的用于海洋放射性测量的低本底γ能谱仪，其特征在于：在所述的γ能谱仪中设置有通讯接口模块，所述通讯接口模块接收信号处理模块输出的γ能谱检测数据，通过有线或者无线传输方式发送至所述的上位机。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |