CN104597478A - 环境γ能谱连续监测系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环境γ能谱连续监测系统，包括用于探测射线的探测器及用于显示和控制的终端，所述探测器包括外壳，以及设置在所述外壳内的探头和电子学系统。所述探头包括屏蔽外壳、稳谱装置、探测元件、光导元件、光电倍增管和前置放大电路。所述电子学系统包括放大器、多道分析器、控制器、存储器、高压电源和低压电源。本发明采用高灵敏度、高分辨率的NaI(Tl)晶体或LaBr3(Ce)晶体作为探测元件，内置天然含钾、铀、钍的物质自动稳谱，稳谱速度快，精度高。本发明的环境γ能谱连续监测系统内置天然放射性物质自动稳谱，灵敏度高，分辨率好，用于环境γ空气吸收剂量率的连续监测，能进行环境中γ核素的分析与识别。
Description
技术领域
本发明属于辐射探测领域，具体来说涉及到一种测量环境X、γ辐射的环境γ能谱连续监测系统。
背景技术
环境辐射剂量率监测是环境监测的一个重要方面，通过监测仪实时监测大气环境中的X、γ射线（以下简称射线）辐射剂量率，获取大气环境中放射性物质强度的变化情况，监测大气环境中放射性物质的异常变化，为环境评估及事故报警提供依据。传统的环境辐射剂量率监测仪主要采用GM管及高气压电离室两种类型的核辐射探测器。其中，GM管因为使用寿命较短、统计涨落大，很少作为精确测量仪表使用。高气压电离室由于结构简单、工作性能稳定、使用寿命长，被广泛用于环境辐射监测领域。但也存在一定的缺点，绝大多数高气压电离室均采用不锈钢材料制作，电离室壁材料对低能射线阻挡非常严重，导致探测器可测量到的射线能量下限非常高，从而降低了电离室对低能射线的响应。通常不锈钢电离室的射线能量测量下限在80keV左右，而一些常见的放射性核素如241Am发出的γ射线能量为60keV左右，而且这部分放射性物质对人的伤害也不容忽视。因此，有必要拓宽环境监测用高气压电离室的能量下限，加强对中、低能射线的监测。
采用不锈钢材料制作的高气压电离室还存在能量响应线性差的缺点，对相同辐射剂量率、不同能量的γ辐射场测量的结果偏差很大，造成测量结果准确度不够高、数据可靠性差等缺点。一些结构不合理的探测器，还存在各向同性差、电磁兼容性差等缺点，从而限制了高气压电离室在环境监测中的推广。
在辐射环境监测网络建设中，高压电离室和GM管大量用作连续监测系统的探测装置，但是这些探测器报警限高，并且无法给出相关核素信息，更无法给出是哪种核素的深度升高导致的剂量率升高，因此对于核事故的发生无法进行快速响应。这对于核电站周边环境监测问题尤为严峻，就需要引入能谱型探测器。环保部出台的“十二五”全国辐射环境监测体系建设实施方案中，则明确提出了对能谱监测系统的需求。目前国内市场上国内/外相关产品较少，且以国外产品为主，探测器基本采用采用3"×3"的碘化钠晶体探测器。
能谱仪在使用过程中，探测器的发光效率，光电倍增管的增益，放大器的增益，高压的稳定性等会随着环境温度、温度的改变而变化，能谱仪测得的能谱形状及峰位会受到环境影响而发生漂移。为克服峰漂，需要峰漂校正(稳谱)。常用的峰漂校正方法采用已知能量的参考源(内置放射源、内置LED发光模拟射线、天然本底谱特征峰等)，将参考源的信号选择出来，通过对计数率的比较，调节放大器或高压，补偿有关变化，使参考源给出的信号幅度不变，从而使被测信号幅度也可稳定，达到稳谱的目的。调节放大器或高压的参数要反复进行，稳谱所需时间长，稳谱精度低。
另外，内置LED发光模拟射线稳谱，只能补偿光电倍增管的增益，放大器的增益，高压变化带来的峰漂，而探测器的发光效率变化带来的峰漂没有校正，稳谱精度较低；内置放射源稳谱，放射源的使用会带来监管和安全等一系列问题；天然本底谱特征峰稳谱，由于天然本底变化大，在天然放射性核素含量低的地区，稳谱时间长，甚至无法稳谱。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种用于辐射环境监测用的环境γ能谱连续监测系统及其工作方法，该环境γ能谱连续监测系统内置天然物质自动稳谱，灵敏度高，分辨率好，可靠性好，使用方便，主要用于环境γ空气吸收剂量率的连续监测，能进行环境中γ核素的分析与识别，可进行半定量核素浓度水平分析。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
环境γ能谱连续监测系统，包括用于探测射线的探测器及用于显示和控制的终端，所述探测器包括外壳、以及设置在所述外壳内的探头和电子学系统；
所述探头包括屏蔽外壳、以及安装于所述屏蔽外壳内的稳谱装置、探测元件、光导元件、光电倍增管和前置放大电路；所述稳谱装置位于所述探测元件前端，所述探测元件、光导元件、光电倍增管和前置放大电路设置依次互相连接，所述前置放大电路的输出端与所述电子学系统的信号输入端连接；
所述电子学系统包括放大器、多道分析器、控制器、存储器、高压电源和低压电源，所述放大器的信号输入端与所述探头的信号输出端连接，所述探头经放大器的输出端依次连接多道分析器和控制器，所述控制器与存储器连接，所述高压电源与所述探测器连接，所述控制器还与所述终端连接，对所述终端的操作作出相应响应；
所述探测元件为NaI(Tl)晶体或LaBr3(Ce)晶体中的一种；所述稳谱装置包括壳体以及设置于壳体中的稳谱物质。
进一步的，所述探测元件为NaI(Tl)晶体，所述稳谱物质为含天然放射性核素钾、铀、钍的物质。
进一步的，所述探测元件为LaBr3(Ce)晶体晶体，所述稳谱物质为含天然放射性核素铀、钍的物质。
进一步的，所述稳谱物质压成饼状，放置于所述壳体中。
进一步的，所述低压电源分别与探头、放大器、多道分析器、控制器、存储器和高压电源连接。
所述环境γ能谱连续监测系统的工作方法，包括如下步骤：
首先在特定温度下，采用多种标准源对环境γ能谱连续监测系统进行能量刻度，取得多道分析器道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei = f (Ci)，并将其存储于电子学系统中；
所述环境γ能谱连续监测系统具有开机稳谱模式和测量模式，工作过程如下：
所述环境γ能谱连续监测系统开机自检后，运行开机稳谱模式，执行以下动作：
1) 采集能谱，采集时间为设定的时间tc；
2) 在全谱范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的峰位Cp；稳谱物质分别为含钾、铀、钍的物质时，特征γ射线能量Ec分别为1.46MeV、1.76MeV、2.62MeV；
3) 将Cp参数存储在电子学系统的存储器中；
开机稳谱模式执行完毕后，环境γ能谱连续监测系统进入测量模式，执行以下动作：
a) 采集能谱，采集时间为设定的测量时间tm；
b) 能谱采集完成后，然后读取存储在电子学系统的存储器中的Cp参数，在Cp左右各n道，即Cp-n至Cp+n范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的新的峰位Cp'；
c) 令Cp=Cp'，将Cp参数存储在电子学系统的存储器中，替换上次得到的稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的峰位Cp；
d) 在存储器中读取预置的道址与对应的γ射线能量的对应关系Ei = f (Ci)，得到Cp道对应的能量Ep；
e) 重新对环境γ能谱连续监测系统进行能量刻度，道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系变为Ei = f (Ci)*Ep/Ec；
f) 在全谱范围内进行寻峰计算，根据新的道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei = f (Ci)*Ep/Ec，对寻到的峰进行能谱分析及核素识别；根据新的道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei = f (Ci)*Ep/Ec，由获得的能谱计算剂量率；
g) 将测量结果存储于存储器中，上传至终端并显示；
h) 重复a-g的动作。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、采用非放射源稳谱技术，无需放射源校正，内置稳谱物质(非放射源)自动稳谱，稳谱速度快，精度高，使用安全方便。
2、采用NaI(Tl)晶体或LaBr3(Ce)晶体探测器，灵敏度远高于现有的高气压电离室及GM管，不但可测量剂量率，还可以进行能谱测量及核素分析，给出相关核素信息。尤其是LaBr3(Ce)晶体探测器，比起NaI(Tl)晶体探测器，灵敏度更高，分辨率更好，测量结果更加准确。
3、探测器采用高可靠性设计，防盐雾、防腐蚀、防风沙、防霉变、防震动、冲击等，适合野外监测使用。
本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。
附图说明
图1为本发明所述的环境γ能谱连续监测系统的探测器结构示意图；
图2为本发明所述的探头的结构示意图；
图3为本发明所述的稳谱装置的结构示意图；
图4为本发明所述的电子学系统的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例进一步阐述本发明。
本发明所述的环境γ能谱连续监测系统，包括用于探测射线的探测器及用于显示和控制的终端。如图1所示，所述探测器，包括外壳30，以及设置在外壳30中的探头10和电子学系统20。
如图2所示，所述探头10包括屏蔽外壳11、稳谱装置12、探测元件13、光导元件14、光电倍增管15和前置放大电路16；所述稳谱装置12、探测元件13、光导元件14、光电倍增管15和前置放大电路16设置在所述屏蔽外壳11内，所述稳谱装置12置于所述探测元件13前端，所述探测元件13、光导元件14、光电倍增管15和前置放大电路16设置依次互相连接，所述前置放大电路16的输出端与所述电子学系统20的信号输入端连接。
如图3所示，所述稳谱装置12包括壳体120及放置在壳体120中的稳谱物质121，所述稳谱物质121压成饼状，置于壳体120中。
如图4所示，所述电子学系统20包括包括放大器21、多道分析器22、控制器23、存储器24、高压电源25和低压电源26。所述放大器21的信号输入端与所述探头10的信号输出端连接，所述探头10经放大器21的输出端依次连接多道分析器22和控制器23，所述控制器23与存储器24连接，所述低压电源26分别与探头10、放大器21、多道分析器22、控制器23、存储器24、高压电源25连接供电，所述高压电源25与所述探头10连接供电。
控制器24还与所述终端连接，对所述终端的操作作出相应响应。
所述探测元件13为NaI(Tl)晶体或LaBr3(Ce)晶体中的一种；所述稳谱物质121为含天然放射性核素钾、铀、钍的物质，如碳酸钾、氯化钾、氧化钍、硝酸钍等中的一种。
本发明的环境γ能谱连续监测系统的工作方法，包括如下步骤：
首先在特定温度下，采用多种标准源对环境γ能谱连续监测系统进行能量刻度，取得多道分析器道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei = f (Ci)，并将其存储于电子学系统中；
所述环境γ能谱连续监测系统具有开机稳谱模式和测量模式，工作过程如下：
所述环境γ能谱连续监测系统开机自检后，运行开机稳谱模式，执行以下动作：
1) 采集能谱，采集时间为设定的时间tc；
2) 在全谱范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的峰位Cp；稳谱物质分别为含钾、铀、钍的物质时，特征γ射线能量Ec分别为1.46MeV、1.76MeV、2.62MeV；
3) 将Cp参数存储在电子学系统的存储器中；
开机稳谱模式执行完毕后，环境γ能谱连续监测系统进入测量模式，执行以下动作：
a) 采集能谱，采集时间为设定的测量时间tm；
b) 能谱采集完成后，然后读取存储在电子学系统的存储器中的Cp参数，在Cp左右各n道，即Cp-n至Cp+n范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的新的峰位Cp'；
c) 令Cp=Cp'，将Cp参数存储在电子学系统的存储器中，替换上次得到的稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的峰位Cp；
d) 在存储器中读取预置的道址与对应的γ射线能量的对应关系Ei = f (Ci)，得到Cp道对应的能量Ep；
e) 重新对环境γ能谱连续监测系统进行能量刻度，道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系变为Ei = f (Ci)*Ep/Ec；
f) 在全谱范围内进行寻峰计算，根据新的道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei = f (Ci)*Ep/Ec，对寻到的峰进行能谱分析及核素识别；根据新的道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei = f (Ci)*Ep/Ec，由获得的能谱计算剂量率。
g) 将测量结果存储于存储器中，上传至终端并显示；
h) 重复a-g的动作。
基于上述技术方案，本发明的具体实施如下：
实施例1
在本实施例中，探测元件13为NaI(Tl)晶体，Φ76×76mm，光电倍增管15采用滨松R6233光电倍增管，稳谱物质121为分析纯碳酸钾，质量50g，压成Φ50×12mm，置于壳体120中。稳谱时，能谱采集时间tc为300s，Ec为1.46MeV(40K的特征峰)，寻找钾的峰位Cp，对能谱仪进行能量刻度。
按照上述设计方案形成相应的环境γ能谱连续监测系统，探测灵敏度高，稳谱迅速可靠，测量准确，分辨率为7.5%(对662keV)。
实施例2
在本实施例中，探测元件13为LaBr3(Ce)晶体，Φ51×51mm，光电倍增管15采用ET9215B光电倍增管，稳谱物质121为分析纯二氧化钍，质量5g，压成Φ10×8mm，置于壳体120中。稳谱时，能谱采集时间tc为120s，Ec为2.62MeV(232Th的特征峰)，寻找钍的峰位Cp，对能谱仪进行能量刻度。
按照上述设计方案形成相应的环境γ能谱连续监测系统，探测灵敏度高，稳谱迅速可靠，测量准确，分辨率可达2.8%(对662keV)。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (6)
1.环境γ能谱连续监测系统，包括用于探测射线的探测器及用于显示和控制的终端，所述探测器包括外壳、以及设置在所述外壳内的探头和电子学系统；
所述探头包括屏蔽外壳、以及安装于所述屏蔽外壳内的稳谱装置、探测元件、光导元件、光电倍增管和前置放大电路；所述稳谱装置位于所述探测元件前端，所述探测元件、光导元件、光电倍增管和前置放大电路设置依次互相连接，所述前置放大电路的输出端与所述电子学系统的信号输入端连接；
所述电子学系统包括放大器、多道分析器、控制器、存储器、高压电源和低压电源，所述放大器的信号输入端与所述探头的信号输出端连接，所述探头经放大器的输出端依次连接多道分析器和控制器，所述控制器与存储器连接，所述高压电源与所述探测器连接，所述控制器还与所述终端连接，对所述终端的操作作出相应响应；
其特征在于，所述探测元件为NaI(Tl)晶体或LaBr3(Ce)晶体中的一种；所述稳谱装置包括壳体以及设置于壳体中的稳谱物质。
2.根据权利要求1所述的环境γ能谱连续监测系统，其特征在于，所述探测元件为NaI(Tl)晶体，所述稳谱物质为含天然放射性核素钾、铀、钍的物质。
3.根据权利要求1所述的环境γ能谱连续监测系统，其特征在于，所述探测元件为LaBr3(Ce)晶体晶体，所述稳谱物质为含天然放射性核素铀、钍的物质。
4.根据权利要求1所述的环境γ能谱连续监测系统，其特征在于，所述稳谱物质压成饼状，放置于所述壳体中。
5.根据权利要求1所述的环境γ能谱连续监测系统，其特征在于，所述低压电源分别与探头、放大器、多道分析器、控制器、存储器和高压电源连接。
6.根据权利要求1所述的环境γ能谱连续监测系统的工作方法，其特征在于：包括如下步骤：
首先在特定温度下，采用多种标准源对环境γ能谱连续监测系统进行能量刻度，取得多道分析器道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei = f (Ci)，并将其存储于电子学系统中；
所述环境γ能谱连续监测系统具有开机稳谱模式和测量模式，工作过程如下：
所述环境γ能谱连续监测系统开机自检后，运行开机稳谱模式，执行以下动作：
1) 采集能谱，采集时间为设定的时间tc；
2) 在全谱范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的峰位Cp；稳谱物质分别为含钾、铀、钍的物质时，特征γ射线能量Ec分别为1.46MeV、1.76MeV、2.62MeV；
3) 将Cp参数存储在电子学系统的存储器中；
开机稳谱模式执行完毕后，环境γ能谱连续监测系统进入测量模式，执行以下动作：
a) 采集能谱，采集时间为设定的测量时间tm；
b) 能谱采集完成后，然后读取存储在电子学系统的存储器中的Cp参数，在Cp左右各n道，即Cp-n至Cp+n范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的新的峰位Cp'；
c) 令Cp=Cp'，将Cp参数存储在电子学系统的存储器中，替换上次得到的稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的峰位Cp；
d) 在存储器中读取预置的道址与对应的γ射线能量的对应关系Ei = f (Ci)，得到Cp道对应的能量Ep；
e) 重新对环境γ能谱连续监测系统进行能量刻度，道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系变为Ei= f (Ci)*Ep/Ec；
f) 在全谱范围内进行寻峰计算，根据新的道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei = f (Ci)*Ep/Ec，对寻到的峰进行能谱分析及核素识别；根据新的道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei = f (Ci)*Ep/Ec，由获得的能谱计算剂量率；
g) 将测量结果存储于存储器中，上传至终端并显示；
h) 重复a-g的动作。
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