CN104215997A - 一种α和γ双通道能谱连续监测方法及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种α和γ双通道能谱连续监测方法及监测系统，其特征在于：供电装置为监测系统提供工作电压；抬压装置、采样装置、测量装置、样品传动装置均通过驱动与状态反馈模块将各自的状态信号传输至上位机，上位机通过驱动与状态反馈模块控制抬压装置配合采样装置对环境气载放射性物质进行采样，采集样品通过样品传动装置传输至测量装置；上位机通过驱动与状态反馈模块控制抬压装置配合测量装置对样品释放的α射线粒子和γ衰变光子进行测量，得到模拟脉冲信号并传输至信号预处理单元中进行处理后，得到α和γ测量谱线并传输至上位机；上位机计算得到采样环境的放射性活度浓度，并进行显示、存储以及传输至中央处理器。

Description

一种α和γ双通道能谱连续监测方法及监测系统

技术领域

本发明涉及一种环境气载放射性物质的监测方法及监测系统，特别是关于一种α和γ双通道能谱连续监测方法及监测系统。

背景技术

在核工业生产、试验过程中，可能释放出放射性物质，它们以大气为载体形成放射性气溶胶，并向环境中扩散，由于其电离效应高、浓度低、微粒易带电，是造成人体内照射的重要因素。放射性气溶胶监测是核环境保护中的一项重要内容，对于保护环境安全、及时发现放射性异常泄露、核事故应急处置具有重要意义。近年来，随着人们环保意识的增强，特别是2011年日本福岛核电事故之后，环境中气载放射性的监测受到了普遍的关注和重视。世界多国都加强了环境放射性物质的监测，投入了大量人力、物力用于核辐射的防范与核应急响应领域的研究。目前，我国核电产业发展迅速，在核电站的运行和核燃料的生产过程中都有可能释放出放射性物质，主要有铀、钚、铯等核素，它们以气溶胶或气态的形式释放到环境中。其中放射性核素钚为极毒，半衰期为24110年，在人体中的允许沉积量仅为0.6μg，工作人员一旦摄入在有生之年难以完全排出。因此，研究环境中低水平气载放射性物质监测，对保护环境和公众健康是十分重要的。

能谱测量是环境放射性监测中一种常用的分析方法，首先将放射性气体吸附在滤纸或某种材料上，然后根据所要测量的射线性质(如种类、能量等)选择不同的探测器进行测量，例如，γ射线可用碘化钠或高纯锗γ谱仪进行测量；α或β射线常用塑料闪烁计数器或半导体探测器以及谱仪系统进行测量。通过伽玛谱仪可以对Cs-137、Cs-134、Sr-90、Y-90等放射性元素进行测量，对放射性泄漏事故进行预警。通过α谱仪可以测量Pu、U等放射性元素浓度，该浓度值是判断反应堆堆芯融化的关键指标。放射性能谱测量仪是各种核设施辐射场所、防化部队、核应急与核查、反核恐怖等必不可少的装备，也广泛应用于机场、港口、海关、车站及大型公共场所，用于环境辐射检测、反核恐怖安检、辐射源清理和其他应用核技术的场合。

目前，虽然国内外已有多种类型的α谱仪和γ谱仪可以用于放射性气溶胶的监测，然而，一方面，α谱仪和γ谱仪一般为两套分离的设备，对所采集的样品需进行先后两次测量，使用中不利于数据综合分析及结果整合，并且无形中增加了测量时间，降低了工作效率。该方法费工费时，不能及时发现核设施的异常泄漏和事故释放，常常失去控制环境污染扩散的最佳时机，日本福岛核电事故污染扩散严重就是一个典型的事例。另一方面，这些仪器主要用于核设施厂房或放射性工作场所的监测，属于防护级监测设备。它们的探测下限，气溶胶为10^-1-10^-2Bq/m³，这样的探测下限是不能满足环境级低水平放射性监测的需求。因此，研制多通道环境放射性气溶胶监测装置，用于α、γ能谱的同时测量，通过采用多种谱线进行多种衰变类型放射性核素的综合分析已势在必行。

采样设备所采集的气溶胶样品中存在着多种放射性核素信息，这些信息体现在所测的谱线之中，对样品测量结果需要通过能谱分析技术来实现。然而，测量上述的核素信息时会受到测量条件、探测器性能、分析方法等因素的影响，导致结果在不同本底上变化，由于能谱特征信号异常微弱，放射性统计涨落的影响十分明显。此外，在实际测量中往往希望能够快速得到测量结果，尽早发现事故异常，在核事故的应急处置中更是如此。然而，由于放射性测量谱线的统计涨落波动，需要通过累积一定的测量时间来确保分析结果的准确性，这就导致了核能谱数据处理结果的滞后性，从而出现了时间上的监测空白区。因此，如何快速从所测低分辨率能谱数据中自动、快速获得准确、可靠的测量结果，成为目前环境气载放射性监测中亟待解决的难题，具有重要的现实意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种α和γ双通道能谱连续监测方法及监测系统，在环境中低水平放射性条件下，对不同衰变类型的放射性核素进行自动化、同步测量。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种α和γ双通道能谱连续监测方法，其包括以下步骤：I)设置一由供电装置、抬压装置、采样装置、测量装置、样品传动装置、驱动与状态反馈模块、信号预处理单元以及上位机构成的α和γ双通道能谱连续监测系统，其中，抬压装置包括活动部、固定部、抬压电机和第一光电位置传感器；采样装置包括进气口、采样滤纸、采样托盘、流量计和抽气泵；测量装置包括PIPS探测器、NaI探测器、测量托盘、电磁阀、压力计和真空泵；样品传动装置包括采样纸带卷、移纸电机和第二光电位置传感器；信号预处理单元包括放大器、模数转换器和多道分析器；II)上位机预设系统运行参数，其具体包括采样条件参数、测量控制参数、环境放射性核素浓度计算参数和网络传输参数；采样条件参数包括采样时间、流量计系数和压力系数，测量控制参数包括测量时间、衰变等待时间、抽真空时间、传动系统端口和ADC模块地址，环境放射性核素浓度计算参数包括取样效率、探测效率、补偿系数、能道范围、报警限值，网络传输参数包括设备名称、设备编号、远程服务器IP地址和数据上传端口；III)启动测量过程，上位机分配三个线程：采样测量线程、计算保存线程和数据发送线程，这三个线程并行执行，相互独立，通过线程间通知相衔接；1)采样测量线程为主线程，完成两项工作：一是对全过程中的运行状态参数进行监测，及时发现并处置运行故障；监测内容包括每个过程动作的执行时间、执行结果和失败尝试次数，监测时间间隔为200毫秒；二是完成监测过程步骤的切换，实现对环境放射性核素的自动化、连续测量；2)计算保存线程完成两项工作，一是对α和γ双通道谱线进行处理，降低谱线中临近干扰核素特征峰的影响，改善探测下限，准确计算环境放射性物质的活度浓度；二是计算结果的存储，包括本地结果报表文件、谱线数据文件、以及用于远程传输的经加密、压缩处理的结果文件；3)数据发送线程完成对测量结果的远程无线传输，在启动测量时数据发送线程与主线程同步启动；上位机将计算保存线程中生成的经加密、压缩处理的结果文件通过3G无线方式传输至中央处理器，用于多地点、多设备的网络化测量。

所述步骤III)中，对环境放射性核素进行测量的过程中，一个测量周期包括样品采集、衰变等待、自动换样和谱线测量四个步骤，其具体为：(1)样品采集阶段，上位机通过驱动与状态反馈模块启动抬压电机，抬压电机驱动活动部向下压紧采样滤纸；上位机通过驱动与状态反馈模块启动抽气泵，环境气载放射性物质从进气口吸入，依次经过采样滤纸、采样托盘、流量计和抽气泵，放射性物质收集在采样滤纸表面；流量计通过驱动与状态反馈模块将测得的流量传输至上位机，上位机实时监测流量大小并计算采样体积；(2)到达预设的采样时间后，进入衰变等待阶段，放射性物质中的天然放射性氡、钍及其子体核素在采样滤纸上进行自然衰变；(3)在到达衰变等待时间前100秒，进入自动换样阶段，上位机通过驱动与状态反馈模块启动抬压电机，抬压电机驱动活动部向上抬起，上位机通过驱动与状态反馈模块启动移纸电机，移纸电机带动采样滤纸由左向右水平移动，采样滤纸带动采集到的样品从采样托盘上方移动至测量托盘上方；采样滤纸移动过程中，第二光电位置传感器实时检测移纸电机的动作是否执行到位，并将检测结果通过驱动与状态反馈模块传输至上位机；上位机通过驱动与状态反馈模块控制抬压电机驱动活动部向下压紧采样滤纸，确保采样室和测量室密闭；第一光电传感器实时检测抬压电机的动作是否执行到位，并将检测结果通过驱动与状态反馈模块传输至上位机；(4)到达预设的衰变时间后，上位机通过驱动与状态反馈模块开启电磁阀并启动真空泵，真空泵对测量室进行抽真空；压力计将实时测量到的测量室内的压力通过驱动与状态反馈模块传输至上位机，当测量室内的压力达到一定值后，进入谱线测量阶段，上位机控制PIPS探测器和NaI探测器分别对采集样品所释放的α射线粒子和γ光子进行测量；PIPS探测器和NaI探测器分别对托盘上方采样滤纸表面的采集样品所释放的α射线粒子和γ光子进行测量，得到两路电子脉冲模拟脉冲信号；两路电子脉冲模拟脉冲信号分别传输至信号预处理模块进行放大、模数转换和能谱分析后，得到一路数字化的α测量谱线和一路数字化的γ测量谱线，并均通过以太网接口传输至上位机进行处理。

所述步骤III)中，对α和γ双通道谱线进行处理的过程包括以下三个步骤：(1)预处理阶段，用于降低放射性测量中的统计涨落波动，减弱环境温湿度变化对探测器谱线的漂移影响，同时通过合适的初始值减少第二阶段的迭代次数，本阶段包括降噪寻峰、稳谱修正、确定能窗和计算拟合初始参数；(2)完成拟合参数修正和反演参数修正，谱线拟合采用洛伦兹函数，根据谱线中干扰核素特征峰的曲率进行判断，修正拟合参数；之后由谱线高能段向低能段进行前推反演，扣除干扰核素拖尾，根据反演校验结果修正参数，降低环境放射性核素本底干扰；(3)结合多次试验获得的补偿系数、探测效率、取样效率和取样量，计算对应采集样品中放射性核素的活度浓度。

一种实现所述监测方法的α和γ双通道能谱连续监测系统，其特征在于：它包括供电装置、抬压装置、采样装置、测量装置、样品传动装置、驱动与状态反馈模块、信号预处理单元以及上位机；所述供电装置为所述抬压装置、采样装置、测量装置、样品传动装置、驱动与状态反馈模块、信号预处理单元以及上位机供电；所述抬压装置、采样装置、测量装置、样品传动装置均通过所述驱动与状态反馈模块将各自的状态信号传输至所述上位机，所述上位机通过所述驱动与状态反馈模块控制所述抬压装置配合所述采样装置对环境气载放射性物质进行采样，采样得到的样品通过所述样品传动装置传输至所述测量装置；所述上位机通过所述驱动与状态反馈模块控制所述抬压装置配合所述测量装置对采集样品所释放的α射线粒子和γ衰变光子进行测量，得到模拟脉冲信号并传输至所述信号预处理单元；所述信号预处理单元对接收到的模拟脉冲信号进行放大、模数转换和能谱分析后，得到α和γ测量谱线并传输至所述上位机；所述上位机对α和γ测量谱线进行降噪、拟合和修正处理后，计算得到采集样品的放射性活度浓度，所述上位机将计算结果进行显示和存储，并通过3G无线方式传输至中央处理器。

所述抬压装置包括活动部、固定部、抬压电机和第一光电位置传感器；所述活动部对应设置在所述固定部上方，所述抬压电机设置在所述活动部外侧并通过电机轴与所述活动部连接，所述抬压电机通过所述驱动与状态反馈模块与所述上位机连接，所述上位机通过所述驱动与状态反馈模块控制所述抬压电机带动所述活动部上下移动；所述第一光电位置传感器设置在所述抬压电机上，并实时检测所述抬压电机的动作是否执行到位，将检测结果通过所述驱动与状态反馈模块传输至所述上位机；位于所述活动部和固定部的同一端，在所述活动部和固定部中分别对应开设一圆台形腔室，当所述抬压电机带动所述活动部向下移动并压在所述固定部上时，两所述圆台形腔室扣合在一起构成采样室。

所述采样装置包括进气口、采样滤纸、采样托盘、流量计和抽气泵；所述进气口通过管路与所述活动部的顶端连接，所述采样滤纸设置在所述活动部与固定部之间并位于所述采样托盘上方；所述采样托盘设置在所述固定部中开设的所述圆台形腔室的上端，所述圆台形腔室的下端通过管路和所述流量计与所述抽气泵连接，所述进气口、管路、圆台形腔室、采样滤纸、采样托盘、流量计和抽气泵构成采样气流通路；所述流量计测量采样环境气载放射性物质的体积并将测量结果通过所述驱动与状态反馈模块传输至所述上位机；所述抽气泵通过所述驱动与状态反馈模块与所述上位机连接，接收所述上位机发出的驱动信号。

所述测量装置包括PIPS探测器、NaI探测器、测量托盘、电磁阀、压力计和真空泵；位于所述抬压装置连接所述进气口端的相对端，所述PIPS探测器内嵌于所述活动部中，其探测面高于所述活动部的底端2～5毫米，所述NaI探测器与PIPS探测器对应设置并穿设在所述固定部中；所述测量托盘设置在所述NaI探测器的顶端，所述测量托盘与所述采样托盘位于同一水平线上；所述活动部与固定部压合在一起时，所述PIPS探测器、NaI探测器和测量托盘构成测量室，所述测量室外设置屏蔽罩，在所述屏蔽罩外设置所述电磁阀、压力计和真空泵，所述真空泵通过管路依次连接所述压力计、电磁阀和测量室；所述PIPS探测器和NaI探测器均通过导线与所述上位机连接；所述电磁阀、压力计和真空泵均通过所述驱动与状态反馈模块与所述上位机连接，所述上位机通过所述驱动与状态反馈模块控制所述电磁阀和真空泵动作，所述压力计将测量得到的所述测量室内的压力通过所述驱动与状态反馈模块传输至所述上位机，测量室内的压力降到设定值后，所述上位机控制所述PIPS探测器和NaI探测器分别对采集样品所释放的α射线粒子和γ光子进行测量，得到两路电子脉冲模拟信号并传输至所述信号预处理单元进行处理。

所述样品传动装置包括采样纸带卷、移纸电机和第二光电位置传感器；所述采样纸带卷位于所述抬压装置连接所述进气口一端的外侧，所述采样滤纸的一端固定在所述采样纸带卷上，另一端穿过所述活动部和固定部之间构成的采集样品横向传输通路后固定在所述移纸电机上，所述移纸电机通过所述驱动与状态反馈模块与所述上位机连接，所述上位机通过所述驱动与状态反馈模块控制所述移纸电机动作；所述移纸电机上设置所述第二光电位置传感器，所述第二光电位置传感器实时检测所述移纸电机的动作是否执行到位，并将检测结果通过所述驱动与状态反馈模块传输至所述上位机。

所述信号预处理单元包括放大器、模数转换器和多道分析器，所述放大器分别对两路电子脉冲模拟信号进行放大，放大后的两路电子脉冲模拟信号分别传输至所述模数转换器进行模数转换，得到两路电子脉冲数字信号并分别传输至所述多道分析器进行能谱分析，得到一路数字化的α测量谱线和一路数字化的γ测量谱线并通过以太网接口传输至所述上位机。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的监测系统由于包括供电装置、抬压装置、采样装置、测量装置、样品传动装置、驱动与状态反馈模块、信号预处理单元、上位机，利用采样装置对环境气载放射性物质进行采样，并采用测量装置中的PIPS探测器和NaI探测器同时对采集样品所释放的α射线粒子和γ光子进行测量，因此本发明能够通过对系统结构和控制流程的设计，实现对铀、钚、铯等不同衰变类型的放射性核素的自动化同步测量。2、本发明由于设置了驱动与状态反馈模块，第一光电位置传感器、流量计、第二光电位置传感器和压力计分别通过该模块将对抬压电机动作的检测结果、对采样体积的测量结果、对移纸电机动作的检测结果以及测量室内的压力传输至上位机，上位机根据接收到的状态数据通过驱动与状态反馈模块对抬压电机、抽气泵、移纸电机、电磁阀和真空泵继进行实时控制，因此本发明能够对整个测量过程的状态参数进行实时监测，及时发现并处置过程动作运行异常的问题，从而确保整个系统能够自动化、稳定地运行。3、本发明由于上位机中分配了采样测量线程、计算保存线程和数据发送线程，这三个线程并行执行，相互独立，通过线程间通知相衔接，因此本发明能够缩短监测周期，提高监测效率。4、在双通道能谱组合测量中，存在真空测量环境创建、外围屏蔽、探测效率变化、谱线波动等问题，这些问题严重影响环境低水平放射性测量的准确性，本发明由于采用预处理修正、数字拟合反演和补偿修正改进等计算方法对α和γ双通道谱线进行处理，因此本发明能够降低探测下限，提高测量精度。基于以上优点，本发明可以广泛应用于环境放射性监测领域。

附图说明

图1是本发明α和γ双通道能谱连续监测系统的总体结构示意图

图2是本发明α和γ双通道能谱连续监测系统中各装置之间的连接关系示意图

图3是本发明α和γ双通道能谱连续监测方法的流程图

图4是本发明测量谱线数据的处理流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的α和γ双通道能谱连续监测系统，其包括供电装置1、抬压装置2、采样装置3、测量装置4、样品传动装置5、驱动与状态反馈模块6、信号预处理单元7和上位机8。其中，供电装置1为抬压装置2、采样装置3、测量装置4、样品传动装置5、驱动与状态反馈模块6、信号预处理单元7和上位机8供电。抬压装置2、采样装置3、测量装置4、样品传动装置5均通过驱动与状态反馈模块6将各自的状态信号传输至上位机8，根据接收到的状态信号，上位机8通过驱动与状态反馈模块6控制抬压装置2配合采样装置3对环境气载放射性物质进行采样，采样得到的样品通过样品传动装置5传输至测量装置4；上位机8通过驱动与状态反馈模块6控制抬压装置2配合测量装置4对采集样品所释放的α射线粒子和γ衰变光子进行测量，得到模拟脉冲信号并传输至信号预处理单元7；信号预处理单元7对接收到的模拟脉冲信号进行放大、模数转换和能谱分析后，得到数字化的α和γ测量谱线并传输至上位机8。上位机8对接收到的α和γ测量谱线进行降噪、拟合和修正等处理后，计算得到采集样品的放射性活度浓度，上位机8将计算结果进行显示和存储，并通过3G无线方式传输至中央处理器(图中未示出)，用于监测数据的网络化集成。

上述实施例中，如图1和图2所示，抬压装置2包括活动部21、固定部22、抬压电机23和第一光电位置传感器24。活动部21对应设置在固定部22上方，抬压电机23设置在活动部21外侧并通过电机轴与活动部21连接，抬压电机23通过驱动与状态反馈模块6与上位机8连接，上位机8通过驱动与状态反馈模块6控制抬压电机23带动活动部21上下移动(图2中抬压电机23与驱动与状态反馈模块6的连线未示出)，当活动部21向下移动时，移动到与固定部22压合，当活动部21向上移动时，移动到活动部21与固定部22之间形成采集样品横向传输通路。第一光电位置传感器24设置在抬压电机23上，用于实时检测抬压电机23的动作是否执行到位，并将检测结果通过驱动与状态反馈模块6传输至上位机8(图2中第一光电位置传感器24与驱动与状态反馈模块6的连线未示出)。位于活动部21和固定部22的同一端，在活动部21和固定部22中分别对应开设一圆台形腔室25，当抬压电机23带动活动部21向下移动并压在固定部22上时，两圆台形腔室25扣合在一起构成采样室。

上述实施例中，如图1和图2所示，采样装置3包括进气口31、采样滤纸32、采样托盘33、流量计34和抽气泵35。进气口31通过管路与活动部21的顶端连接，采样滤纸32设置在活动部21与固定部22之间并位于采样托盘33上方。采样托盘33设置在固定部22中开设的圆台形腔室25的上端，圆台形腔室25的下端通过管路和流量计34与抽气泵35连接，进气口31、管路、圆台形腔室25、采样滤纸32、采样托盘33、流量计34和抽气泵35构成采样气流通路。流量计34测量采样环境气载放射性物质的体积并将测量结果通过驱动与状态反馈模块6传输至上位机8。抽气泵35通过驱动与状态反馈模块6与上位机8连接，接收上位机8发出的驱动信号(图2中流量计34、抽气泵35与驱动与状态反馈模块6的连线均未示出)。

上述实施例中，如图1和图2所示，测量装置4包括PIPS(离子注入型表面钝化硅)探测器41、NaI(碘化钠)探测器42、测量托盘43、电磁阀44、压力计45和真空泵46。位于抬压装置2连接进气口31端的相对端，PIPS探测器41内嵌于活动部21中，其探测面高于活动部21的底端2～5毫米，防止样品沾污探测面，NaI探测器42与PIPS探测器41对应设置并穿设在固定部22中；测量托盘43设置在N_aI探测器42的顶端，测量托盘43与采样托盘33位于同一水平线上。活动部21与固定部22压合在一起时，PIPS探测器41、NaI探测器42和测量托盘43构成测量室，测量室外设置屏蔽罩47，以减小外部环境对谱线测量的干扰。在屏蔽罩47外设置电磁阀44、压力计45和真空泵46，真空泵46通过管路依次连接压力计45、电磁阀44和测量室。PIPS探测器41和NaI探测器42均通过导线与上位机8连接，上位机8通过导线将测量控制信号分别传输至PIPS探测器41和NaI探测器42；电磁阀44、压力计45和真空泵46均通过驱动与状态反馈模块6与上位机8连接(图2中电磁阀44、压力计45和真空泵46均通过驱动与状态反馈模块6与上位机8的连线均未示出)，上位机8通过驱动与状态反馈模块6控制电磁阀44和真空泵46动作，压力计45将测量得到的测量室内的压力通过驱动与状态反馈模块6传输至上位机8，测量室内的压力降到设定值后，上位机8控制PIPS探测器41和NaI探测器42分别对采集样品所释放的α射线粒子和γ光子进行测量，得到两路电子脉冲模拟信号并传输至信号预处理单元7进行处理。

上述实施例中，如图1和图2所示，样品传动装置5包括采样纸带卷51、移纸电机52和第二光电位置传感器53；采样纸带卷51位于抬压装置2连接进气口31一端的外侧，采样滤纸32的一端固定在采样纸带卷51上，另一端穿过活动部21和固定部22之间构成的采集样品横向传输通路后固定在移纸电机52上，移纸电机52通过驱动与状态反馈模块6与上位机8连接，上位机8通过驱动与状态反馈模块6控制移纸电机52动作。移纸电机52上设置第二光电位置传感器53，第二光电位置传感器53实时检测移纸电机52的动作是否执行到位，并将检测结果通过驱动与状态反馈模块6传输至上位机8，从而确保样品传输的准确性和可靠性(图2中移纸电机52、第二光电位置传感器53与驱动与状态反馈模块6的连线均未示出)。上述实施例中，如图1和图2所示，驱动与状态反馈模块6通过RS485接口与上位机8连接，接收上位机8发出的控制信号，并将接收到的控制信号通过导线传输至抬压装置2、采样装置3、测量装置4和样品传动装置5，驱动其执行相应动作；抬压装置2、采样装置3、测量装置4和样品传动装置5分别将过程执行结果通过驱动与状态反馈模块6接收反馈至上位机8。其中，抬压装置2、采样装置3、测量装置4和样品传动装置5中与驱动与状态反馈模块6通过导线连接的具体驱动与反馈部件包括：抬压电机23、第一光电位置传感器24、流量计34、抽气泵35、电磁阀44、压力计45、真空泵46、移纸电机52和第二光电位置传感器53，(图2中各驱动与反馈部件和驱动与状态反馈模块6之间的连线均未示出)。

上述实施例中，如图2所示，信号预处理单元7包括放大器71、模数转换器72和多道分析器73。放大器71分别对两路电子脉冲模拟信号进行放大，放大后的两路电子脉冲模拟信号分别传输至模数转换器72进行模数转换，得到两路电子脉冲数字信号并分别传输至多道分析器73进行能谱分析，得到一路数字化的α测量谱线和一路数字化的γ测量谱线。α和γ测量谱线通过以太网接口传输至上位机8。上位机8对接收到的α和γ测量谱线进行处理，计算样品的放射性活度，显示和存储测量结果，并通过3G无线方式传输至中央处理器(图中未示出)，用于监测数据的网络化集成。

如图3所示，一种基于α和γ双通道能谱连续监测系统的监测方法，其包括以下步骤：

I)上位机8预设系统运行参数，其具体包括采样时间、流量计系数和压力系数等采样条件参数，测量时间、衰变等待时间、抽真空时间、传动系统端口和ADC模块地址等测量控制参数，取样效率、探测效率、补偿系数、能道范围和报警限值等环境放射性核素浓度计算参数，设备名称、设备编号、远程服务器IP地址和数据上传端口等网络传输参数。

II)启动测量过程，上位机8分配三个线程：采样测量线程、计算保存线程和数据发送线程，这三个线程并行执行，相互独立，通过线程间通知相衔接。

1)采样测量线程为主线程，完成两项工作：一是对全过程中的运行状态参数进行监测，及时发现并处置运行故障；监测内容包括每个过程动作的执行时间、执行结果和失败尝试次数，监测时间间隔为200毫秒；二是完成监测过程步骤的切换，实现对环境放射性核素的自动化、连续测量。

对环境放射性核素进行自动化、连续测量的过程中，一个测量周期具体包括样品采集、衰变等待、自动换样和谱线测量四个步骤：

(1)样品采集阶段，上位机8通过驱动与状态反馈模块6启动抬压电机23，抬压电机23驱动活动部21向下压紧采样滤纸32；上位机8通过驱动与状态反馈模块6启动抽气泵35，环境气载放射性物质从进气口31吸入，依次经过采样滤纸32、采样托盘33、流量计34和抽气泵35，其中放射性物质收集在采样滤纸32表面；流量计34通过驱动与状态反馈模块6将测得的流量传输至上位机8，上位机8实时监测流量大小并计算采样体积。

(2)到达预设的采样时间后，进入衰变等待阶段，放射性物质中的天然氡、钍及其子体核素在采样滤纸32上进行自然衰变，从而减少其在测量过程中对人工放射性核素的干扰。

(3)在到达衰变等待时间前100秒，进入自动换样阶段，上位机8通过驱动与状态反馈模块6启动抬压电机23，抬压电机23驱动活动部21向上抬起，上位机8通过驱动与状态反馈模块6启动移纸电机52，移纸电机52带动采样滤纸32由左向右水平移动，采样滤纸32带动采集到的样品从采样托盘33上方移动至测量托盘43上方。采样滤纸32移动过程中，第二光电位置传感器53实时检测移纸电机52的动作是否执行到位，并将检测结果通过驱动与状态反馈模块6传输至上位机8。

上位机8通过驱动与状态反馈模块6控制抬压电机23驱动活动部21向下压紧采样滤纸32，确保采样室和测量室密闭。第一光电传感器实时检测抬压电机23的动作是否执行到位，并将检测结果通过驱动与状态反馈模块6传输至上位机8，确保换样的准确性和可靠性。

(4)到达预设的衰变时间后，上位机8通过驱动与状态反馈模块6开启电磁阀44并启动真空泵46，真空泵46对测量室进行抽真空，以提高α测量谱线的分辨率；压力计45将实时测量到的测量室内的压力通过驱动与状态反馈模块6传输至上位机8，当测量室内的压力达到一定值后，进入谱线测量阶段，上位机8控制PIPS探测器41和NaI探测器42分别对采集样品所释放的α射线粒子和γ光子进行测量。

PIPS探测器41和NaI探测器42分别对托盘上方采样滤纸32表面的采集样品所释放的α射线粒子和γ光子进行测量，得到两路电子脉冲模拟脉冲信号；两路电子脉冲模拟脉冲信号分别传输至信号预处理单元7进行放大、模数转换和能谱分析后，得到一路数字化的α测量谱线和一路数字化的γ测量谱线，并均通过以太网接口传输至上位机8进行处理。其中，样品采集与谱线测量采用同步方式进行，即开始当前周期谱线测量过程的同时，启动抽气泵35，开始下一个测量周期的样品采集过程。该方式可以缩短监测周期，提高监测效率，这在环境级低水平放射性测量的情况下，样品采集和谱线测量需要较长时间时，效果更为明显。

2)计算保存线程完成两项工作，一是对α和γ双通道谱线进行处理，降低谱线中临近干扰核素特征峰的影响，改善探测下限，准确计算环境气载放射性物质的活度浓度。二是计算结果的存储，包括本地结果报表文件、谱线数据文件、以及用于远程传输的经加密、压缩处理的结果文件。

由于测量计算的复杂性及保存过程涉及到多道分析器73的数据传输和数据库的建立、更新，需消耗较长时间，尤其在多次测量，数据量增大之后，无法在200ms的监测间隔内完成所有控制和运算指令，因此单独开辟计算保存线程，与主线程相分离，在启动测量时分配内存空间，并建立处理任务队列。计算保存线程在启动测量时与主线程同步启动，在谱线测量完成后，采样测量线程仅发出谱线处理的线程间通知，就可以继续开始下一个周期的样品采集任务，复杂的谱线数据处理工作由计算保存线程来并行完成。

3)数据发送线程完成对测量结果的远程无线传输。为了避免网络连接故障导致的数据频繁发送及系统资源占用问题，单独开辟本线程，在启动测量时与主线程同步启动。上位机8将计算保存线程中生成的经加密、压缩处理的结果文件通过3G无线方式传输至中央处理器，用于多地点、多设备的网络化测量。

上述步骤II)中，如图4所示，上位机8对α和γ双通道谱线进行处理的过程包括以下三个步骤：

(1)预处理阶段，主要用于降低放射性测量中的统计涨落波动，减弱环境温湿度变化对探测器谱线的漂移影响，同时通过合适的初始值减少第二阶段的迭代次数，本阶段包括降噪寻峰、稳谱修正、确定能窗和计算拟合初始参数。

(2)主要完成拟合参数修正和反演参数修正，谱线拟合采用洛伦兹函数，根据谱线中干扰核素特征峰的曲率进行判断，修正拟合参数。之后由谱线高能段向低能段进行前推反演，扣除干扰核素拖尾，根据反演校验结果修正参数，降低环境放射性核素本底干扰。

(3)结合多次试验获得的补偿系数、探测效率、取样效率、取样量等参数，计算对应采集样品中放射性核素的活度浓度。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种α和γ双通道能谱连续监测方法，其包括以下步骤：

I)设置一由供电装置、抬压装置、采样装置、测量装置、样品传动装置、驱动与状态反馈模块、信号预处理单元以及上位机构成的α和γ双通道能谱连续监测系统，其中，抬压装置包括活动部、固定部、抬压电机和第一光电位置传感器；采样装置包括进气口、采样滤纸、采样托盘、流量计和抽气泵；测量装置包括PIPS探测器、NaI探测器、测量托盘、电磁阀、压力计和真空泵；样品传动装置包括采样纸带卷、移纸电机和第二光电位置传感器；信号预处理单元包括放大器、模数转换器和多道分析器；

II)上位机预设系统运行参数，其具体包括采样条件参数、测量控制参数、环境放射性核素浓度计算参数和网络传输参数；采样条件参数包括采样时间、流量计系数和压力系数，测量控制参数包括测量时间、衰变等待时间、抽真空时间、传动系统端口和ADC模块地址，环境放射性核素浓度计算参数包括取样效率、探测效率、补偿系数、能道范围、报警限值，网络传输参数包括设备名称、设备编号、远程服务器IP地址和数据上传端口；

III)启动测量过程，上位机分配三个线程：采样测量线程、计算保存线程和数据发送线程，这三个线程并行执行，相互独立，通过线程间通知相衔接；

1)采样测量线程为主线程，完成两项工作：一是对全过程中的运行状态参数进行监测，及时发现并处置运行故障；监测内容包括每个过程动作的执行时间、执行结果和失败尝试次数，监测时间间隔为200毫秒；二是完成监测过程步骤的切换，实现对环境放射性核素的自动化、连续测量；

2)计算保存线程完成两项工作，一是对α和γ双通道谱线进行处理，降低谱线中临近干扰核素特征峰的影响，改善探测下限，准确计算环境放射性物质的活度浓度；二是计算结果的存储，包括本地结果报表文件、谱线数据文件、以及用于远程传输的经加密、压缩处理的结果文件；

3)数据发送线程完成对测量结果的远程无线传输，在启动测量时数据发送线程与主线程同步启动；上位机将计算保存线程中生成的经加密、压缩处理的结果文件通过3G无线方式传输至中央处理器，用于多地点、多设备的网络化测量。

2.如权利要求1所述的一种α和γ双通道能谱连续监测方法，其特征在于：所述步骤III)中，对环境放射性核素进行测量的过程中，一个测量周期包括样品采集、衰变等待、自动换样和谱线测量四个步骤，其具体为：

(1)样品采集阶段，上位机通过驱动与状态反馈模块启动抬压电机，抬压电机驱动活动部向下压紧采样滤纸；上位机通过驱动与状态反馈模块启动抽气泵，环境气载放射性物质从进气口吸入，依次经过采样滤纸、采样托盘、流量计和抽气泵，放射性物质收集在采样滤纸表面；流量计通过驱动与状态反馈模块将测得的流量传输至上位机，上位机实时监测流量大小并计算采样体积；

(2)到达预设的采样时间后，进入衰变等待阶段，放射性物质中的天然放射性氡、钍及其子体核素在采样滤纸上进行自然衰变；

(3)在到达衰变等待时间前100秒，进入自动换样阶段，上位机通过驱动与状态反馈模块启动抬压电机，抬压电机驱动活动部向上抬起，上位机通过驱动与状态反馈模块启动移纸电机，移纸电机带动采样滤纸由左向右水平移动，采样滤纸带动采集到的样品从采样托盘上方移动至测量托盘上方；采样滤纸移动过程中，第二光电位置传感器实时检测移纸电机的动作是否执行到位，并将检测结果通过驱动与状态反馈模块传输至上位机；

上位机通过驱动与状态反馈模块控制抬压电机驱动活动部向下压紧采样滤纸，确保采样室和测量室密闭；第一光电传感器实时检测抬压电机的动作是否执行到位，并将检测结果通过驱动与状态反馈模块传输至上位机；

(4)到达预设的衰变时间后，上位机通过驱动与状态反馈模块开启电磁阀并启动真空泵，真空泵对测量室进行抽真空；压力计将实时测量到的测量室内的压力通过驱动与状态反馈模块传输至上位机，当测量室内的压力达到一定值后，进入谱线测量阶段，上位机控制PIPS探测器和NaI探测器分别对采集样品所释放的α射线粒子和γ光子进行测量；

PIPS探测器和NaI探测器分别对托盘上方采样滤纸表面的采集样品所释放的α射线粒子和γ光子进行测量，得到两路电子脉冲模拟脉冲信号；两路电子脉冲模拟脉冲信号分别传输至信号预处理模块进行放大、模数转换和能谱分析后，得到一路数字化的α测量谱线和一路数字化的γ测量谱线，并均通过以太网接口传输至上位机进行处理。

3.如权利要求1或2所述的一种α和γ双通道能谱连续监测方法，其特征在于：所述步骤III)中，对α和γ双通道谱线进行处理的过程包括以下三个步骤：

(1)预处理阶段，用于降低放射性测量中的统计涨落波动，减弱环境温湿度变化对探测器谱线的漂移影响，同时通过合适的初始值减少第二阶段的迭代次数，本阶段包括降噪寻峰、稳谱修正、确定能窗和计算拟合初始参数；

(2)完成拟合参数修正和反演参数修正，谱线拟合采用洛伦兹函数，根据谱线中干扰核素特征峰的曲率进行判断，修正拟合参数；之后由谱线高能段向低能段进行前推反演，扣除干扰核素拖尾，根据反演校验结果修正参数，降低环境放射性核素本底干扰；

(3)结合多次试验获得的补偿系数、探测效率、取样效率和取样量，计算对应采集样品中放射性核素的活度浓度。

4.一种实现如权利要求1～3任一项所述监测方法的α和γ双通道能谱连续监测系统，其特征在于：它包括供电装置、抬压装置、采样装置、测量装置、样品传动装置、驱动与状态反馈模块、信号预处理单元以及上位机；所述供电装置为所述抬压装置、采样装置、测量装置、样品传动装置、驱动与状态反馈模块、信号预处理单元以及上位机供电；所述抬压装置、采样装置、测量装置、样品传动装置均通过所述驱动与状态反馈模块将各自的状态信号传输至所述上位机，所述上位机通过所述驱动与状态反馈模块控制所述抬压装置配合所述采样装置对环境气载放射性物质进行采样，采样得到的样品通过所述样品传动装置传输至所述测量装置；所述上位机通过所述驱动与状态反馈模块控制所述抬压装置配合所述测量装置对采集样品所释放的α射线粒子和γ衰变光子进行测量，得到模拟脉冲信号并传输至所述信号预处理单元；所述信号预处理单元对接收到的模拟脉冲信号进行放大、模数转换和能谱分析后，得到α和γ测量谱线并传输至所述上位机；所述上位机对α和γ测量谱线进行降噪、拟合和修正处理后，计算得到采集样品的放射性活度浓度，所述上位机将计算结果进行显示和存储，并通过3G无线方式传输至中央处理器。

5.如权利要求4所述的一种α和γ双通道能谱连续监测系统，其特征在于：所述抬压装置包括活动部、固定部、抬压电机和第一光电位置传感器；所述活动部对应设置在所述固定部上方，所述抬压电机设置在所述活动部外侧并通过电机轴与所述活动部连接，所述抬压电机通过所述驱动与状态反馈模块与所述上位机连接，所述上位机通过所述驱动与状态反馈模块控制所述抬压电机带动所述活动部上下移动；所述第一光电位置传感器设置在所述抬压电机上，并实时检测所述抬压电机的动作是否执行到位，将检测结果通过所述驱动与状态反馈模块传输至所述上位机；位于所述活动部和固定部的同一端，在所述活动部和固定部中分别对应开设一圆台形腔室，当所述抬压电机带动所述活动部向下移动并压在所述固定部上时，两所述圆台形腔室扣合在一起构成采样室。

6.如权利要求5所述的一种α和γ双通道能谱连续监测系统，其特征在于：所述采样装置包括进气口、采样滤纸、采样托盘、流量计和抽气泵；所述进气口通过管路与所述活动部的顶端连接，所述采样滤纸设置在所述活动部与固定部之间并位于所述采样托盘上方；所述采样托盘设置在所述固定部中开设的所述圆台形腔室的上端，所述圆台形腔室的下端通过管路和所述流量计与所述抽气泵连接，所述进气口、管路、圆台形腔室、采样滤纸、采样托盘、流量计和抽气泵构成采样气流通路；所述流量计测量采样环境气载放射性物质的体积并将测量结果通过所述驱动与状态反馈模块传输至所述上位机；所述抽气泵通过所述驱动与状态反馈模块与所述上位机连接，接收所述上位机发出的驱动信号。

7.如权利要求6所述的一种α和γ双通道能谱连续监测系统，其特征在于：所述测量装置包括PIPS探测器、NaI探测器、测量托盘、电磁阀、压力计和真空泵；位于所述抬压装置连接所述进气口端的相对端，所述PIPS探测器内嵌于所述活动部中，其探测面高于所述活动部的底端2～5毫米，所述NaI探测器与PIPS探测器对应设置并穿设在所述固定部中；所述测量托盘设置在所述NaI探测器的顶端，所述测量托盘与所述采样托盘位于同一水平线上；所述活动部与固定部压合在一起时，所述PIPS探测器、NaI探测器和测量托盘构成测量室，所述测量室外设置屏蔽罩，在所述屏蔽罩外设置所述电磁阀、压力计和真空泵，所述真空泵通过管路依次连接所述压力计、电磁阀和测量室；所述PIPS探测器和NaI探测器均通过导线与所述上位机连接；所述电磁阀、压力计和真空泵均通过所述驱动与状态反馈模块与所述上位机连接，所述上位机通过所述驱动与状态反馈模块控制所述电磁阀和真空泵动作，所述压力计将测量得到的所述测量室内的压力通过所述驱动与状态反馈模块传输至所述上位机，测量室内的压力降到设定值后，所述上位机控制所述PIPS探测器和NaI探测器分别对采集样品所释放的α射线粒子和γ光子进行测量，得到两路电子脉冲模拟信号并传输至所述信号预处理单元进行处理。

8.如权利要求6或7所述的一种α和γ双通道能谱连续监测系统，其特征在于：所述样品传动装置包括采样纸带卷、移纸电机和第二光电位置传感器；所述采样纸带卷位于所述抬压装置连接所述进气口一端的外侧，所述采样滤纸的一端固定在所述采样纸带卷上，另一端穿过所述活动部和固定部之间构成的采集样品横向传输通路后固定在所述移纸电机上，所述移纸电机通过所述驱动与状态反馈模块与所述上位机连接，所述上位机通过所述驱动与状态反馈模块控制所述移纸电机动作；所述移纸电机上设置所述第二光电位置传感器，所述第二光电位置传感器实时检测所述移纸电机的动作是否执行到位，并将检测结果通过所述驱动与状态反馈模块传输至所述上位机。

9.如权利要求5或6或7所述的一种α和γ双通道能谱连续监测系统，其特征在于：所述信号预处理单元包括放大器、模数转换器和多道分析器，所述放大器分别对两路电子脉冲模拟信号进行放大，放大后的两路电子脉冲模拟信号分别传输至所述模数转换器进行模数转换，得到两路电子脉冲数字信号并分别传输至所述多道分析器进行能谱分析，得到一路数字化的α测量谱线和一路数字化的γ测量谱线并通过以太网接口传输至所述上位机。