CN105510952B - 飞行模式CdZnTe巡检系统和巡检方法 - Google Patents

飞行模式CdZnTe巡检系统和巡检方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种飞行模式CdZnTe巡检系统和巡检方法,涉及辐射探测领域。其中,巡检系统包括CdZnTe谱仪和飞行器,飞行器携带CdZnTe谱仪飞行,以实现飞行巡检功能,提高核辐射监测的工作效率。并且,CdZnTe谱仪能量分辨率高、体积小、重量轻、便携性好,与飞行器结合后,测量精度高、续航时间长,可以飞临核事故现场进行作业,巡检事故现场,降低人员进入事故现场接受的辐射剂量,为救援提供支持。

Description

飞行模式CdZnTe巡检系统和巡检方法
技术领域
本发明涉及辐射探测领域,特别涉及一种飞行模式CdZnTe(碲锌镉)巡检系统和巡检方法。
背景技术
在传统的核辐射监测手段中,操作人员携带探测设备进入放射性污染区,监测伽玛射线剂量率、识别核素。从一个地点到另一个地点作业时,作业人员携带探测设备,作业时间长、效率低,增加了操作人员所受辐射的剂量。当放射性污染严重、地面崎岖不平、受放射性污染的建筑物受损或高度高时,监测难度大,为保护作业人员的人身安全,每次作业时间短,降低了工作效率。
发明内容
本发明实施例所要解决的一个技术问题是:提高核辐射监测的工作效率。
根据本发明的第一个方面,提供一种飞行模式CdZnTe巡检系统,包括:CdZnTe谱仪和飞行器,所述飞行器携带所述CdZnTe谱仪飞行,以实现飞行巡检功能。
所述巡检系统还包括:工作站系统;所述CdZnTe谱仪用于探测射线,采集能谱,并发出能谱信息,所述工作站系统用于接收所述CdZnTe谱仪发出的能谱信息并进行分析,以识别核素、确定放射性物质的种类和强度、计算射线的剂量率。
在一个实施例中,所述飞行器用于获取本飞行器的导航信息、高度信息、巡检区域的视频图像信息中的至少一项信息,并发送给工作站系统;所述工作站系统用于根据所述飞行器发出的导航信息和高度信息以及所述CdZnTe谱仪发出的能谱信息绘制三维放射性物质和剂量分布图,将三维放射性物质和剂量分布图叠加在巡检区域的视频图像中。
其中,所述CdZnTe谱仪包括:CdZnTe晶体、放大器、数字多道分析器、无线发射接收器;CdZnTe晶体把入射伽玛射线转换成电信号,所述放大器将所述电信号处理成信号幅度与入射伽玛射线能量成正比的准高斯信号,所述数字多道分析器将所述准高斯波形信号处理成为数字信号,所述无线发射接收器发出所述数字信号。
优选的,所述CdZnTe晶体嵌套在环柱形准直器内,以使面向地面的晶体面允许伽玛射线进入CdZnTe晶体。
其中,所述CdZnTe谱仪还包括:为CdZnTe晶体提供偏压的高压电源。
其中,所述飞行器包括导航装置、用于测量高度信息的测距仪、视频拍摄装置中的至少一种。
其中,所述导航装置包括北斗导航和/或全球定位系统GPS导航。
所述飞行器还包括:飞行控制器;其中,所述飞行控制器用于接收工作站发出的飞行指令,并根据所述飞行指令控制飞行器的飞行状态;或者,所述飞行控制器按照预置的飞行路线控制飞行器飞行。
其中,所述工作站系统包括:无线发射接收器、工作站和显示器;其中,所述无线发射接收器用于接收所述CdZnTe谱仪发出的能谱信息和所述飞行器发出的导航信息、高度信息、巡检区域的视频图像信息中的至少一项信息;所述工作站用于根据所述能谱信息识别核素、确定放射性物质的种类和强度、计算射线的剂量率,并结合所述飞行器发出的导航信息和高度信息绘制三维放射性物质和剂量分布图,将三维放射性物质和剂量分布图叠加在巡检区域的视频图像中;所述显示器用于显示巡检区域的视频图像、三维放射性物质和剂量分布图、或者叠加有三维放射性物质和剂量分布图的巡检区域的视频图像。
根据本发明的第二个方面,提供一种飞行模式CdZnTe巡检方法,包括:利用CdZnTe谱仪探测射线,采集能谱,并发出能谱信息;利用飞行器携带所述CdZnTe谱仪飞行,以实现飞行巡检功能。
其中,利用飞行器携带所述CdZnTe谱仪飞行,以实现飞行巡检功能包括:工作站系统接收所述CdZnTe谱仪发出的能谱信息并进行分析,以识别核素、确定放射性物质的种类和强度、计算射线的剂量率。
其中,利用飞行器携带所述CdZnTe谱仪飞行,以实现飞行巡检功能包括:所述飞行器获取并发出本飞行器的导航信息、高度信息、巡检区域的视频图像信息中的至少一项信息;工作站系统根据所述飞行器发出的导航信息和高度信息以及所述CdZnTe谱仪发出的能谱信息绘制三维放射性物质和剂量分布图,将三维放射性物质和剂量分布图叠加在巡检区域的视频图像中。
所述方法还包括:所述飞行器根据工作站系统的飞行指令进行飞行控制,或者,所述飞行器按照预置的飞行路线进行飞行控制。
本发明利用飞行器携带CdZnTe谱仪实现飞行巡检功能,可以提高核辐射监测的工作效率。并且,CdZnTe探测器可以在室温下工作,其体积小、重量轻、能量分辨率高、探测效率高、便携性好。相对于HPGe探测器,CdZnTe探测器的禁带宽度大,可在室温下工作,不需要庞大的液氮制冷设备或电制冷设备,能做成便携式探测设备;相对于闪烁体探测器,CdZnTe探测器直接把伽玛射线或X射线转换为电信号,不需要光电倍增管或其他光电转换器件,不受磁场和电场影响,体积小,重量轻,而且能量分辨率高,能进行精确的核素识别。相对于气体探测器,密度大、伽玛射线探测效率高、能量分辨率高、无寿命限制。
此外,由工作站系统接收CdZnTe谱仪发出的能谱信息并进行分析,以识别核素、确定放射性物质的种类和强度、计算射线的剂量率,可以增加飞行器的续航时间。并且,工作站系统结合飞行器发出的导航信息和高度信息可以绘制三维放射性物质和剂量分布图,还可以将三维放射性物质和剂量分布图叠加在飞行器发出的视频图像中,从而更加直观和形象地反映巡检区域的辐射情况。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述,本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的飞行模式CdZnTe巡检系统(简称“巡检系统”)一个实施例的结构示意图。
图2是本发明CdZnTe谱仪10的一个实施例的结构示意图。
图3是本发明CdZnTe晶体11嵌套在环柱形准直器17内的示意图。
图4是本发明飞行器20的一个实施例的结构示意图。
图5是本发明工作站系统30的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
针对传统核辐射监测手段工作效率比较低的问题,提出本发明。
图1是本发明的飞行模式CdZnTe巡检系统(简称“巡检系统”)一个实施例的结构示意图。
如图1所示,巡检系统包括:CdZnTe谱仪10和飞行器20。CdZnTe谱仪10可以探测射线,例如伽玛或X射线等,采集能谱,并发出能谱信息。通过分析CdZnTe谱仪采集的能谱信息,就可以精准地识别核素、确定放射性物质的种类和强度、计算射线的剂量率。飞行器20携带高能量分辨率的CdZnTe谱仪10飞行,可以实现飞行巡检功能,从而提高核辐射监测的工作效率。并且,CdZnTe探测器可以在室温下工作,其体积小、重量轻、能量分辨率高、探测效率高、便携性好。相对于HPGe探测器,CdZnTe探测器的禁带宽度大,可在室温下工作,不需要庞大的液氮制冷设备或电制冷设备,能做成便携式探测设备;相对于闪烁体探测器,CdZnTe探测器直接把伽玛射线或X射线转换为电信号,不需要光电倍增管或其他光电转换器件,不受磁场和电场影响,体积小,重量轻,而且能量分辨率高,能进行精确的核素识别。相对于气体探测器,密度大、伽玛射线探测效率高、能量分辨率高、无寿命限制。
CdZnTe谱仪10能量分辨率高、体积小、重量轻,与飞行器20结合后,测量精度高、续航时间长,可以飞临核事故现场进行作业,巡检事故现场,降低人员进入事故现场接受的辐射剂量,为救援提供支持。
下面描述对CdZnTe谱仪采集的能谱信息进行分析,以识别核素、确定放射性物质的种类和强度、计算射线的剂量率的过程。对采集的能谱进行以下处理:平滑能谱、寻找峰位、能量刻度,根据公式E=a+bx+cx2计算能量刻度系数,其中E为能量,a、b、c为系数,x为道址,并计算峰位能量,在核素库中检索与峰位能量相对应的备选核素,计算每个备选核素出现的概率,排除干扰的备选核素,即得到峰位所对应的核素,从而确定放射性物质的种类。计算能谱中每个峰的峰面积,根据峰位能量以及峰面积即可确定放射性物质的强度。射线的剂量率其中i为道址,n为能谱的总道址数,Ni为第i道的计数率,F(Ei)为能谱剂量转换函数,该函数可以在CdZnTe谱仪出厂时已确定。根据采集到的能谱和G(E)函数,可以实时计算射线的剂量率。
如图1所示,巡检系统还可以包括工作站系统30。能谱分析工作可以在飞行器20上进行分析,也可以在地面的工作站系统30进行分析。然而,为了提高飞行器20的续航能力,优选的,可以在工作站系统30进行能谱分析。工作站系统30接收CdZnTe谱仪10发出的能谱信息并进行分析,以识别核素、确定放射性物质的种类和强度、计算射线的剂量率。
本发明的巡检系统还可以绘制三维放射性物质和剂量分布图,进一步还可以将三维放射性物质和剂量分布图叠加在巡检区域的视频图像中,从而更加直观和形象地反映巡检区域的辐射情况。为此,飞行器20可以获取本飞行器的导航信息、高度信息、巡检区域的视频图像信息等信息。根据飞行器20的导航信息和高度信息以及CdZnTe谱仪10采集的能谱信息可以绘制三维放射性物质和剂量分布图,若飞行器20还拍摄了巡检区域的视频图像,则还可以将三维放射性物质和剂量分布图叠加在巡检区域的视频图像中。
上述三维放射性物质和剂量分布图的绘制过程以及与视频图像的叠加工作可以在飞行器20上进行,也可以在工作站系统30上进行。然而,为了提高飞行器20的续航能力,优选的,可以在工作站系统30进行三维放射性物质和剂量分布图的绘制过程以及与视频图像的叠加工作。工作站系统30接收飞行器20发出的导航信息和高度信息以及巡检区域的视频图像信息,根据飞行器20发出的导航信息和高度信息以及CdZnTe谱仪10发出的能谱信息绘制三维放射性物质和剂量分布图,若有巡检区域的视频图像,进一步可以将三维放射性物质和剂量分布图叠加在巡检区域的视频图像中。
图2是本发明CdZnTe谱仪10的一个实施例的结构示意图。
如图2所示,CdZnTe谱仪10包括:CdZnTe晶体11、放大器12、数字多道分析器13、无线发射接收器14。CdZnTe晶体11把入射伽玛射线转换成电信号,放大器12将电信号处理成信号幅度与入射伽玛射线能量成正比的准高斯信号,数字多道分析器13将准高斯波形信号处理成为数字信号,无线发射接收器14发出数字信号。如图2所示,CdZnTe谱仪10还包括为CdZnTe晶体11提供偏压的高压电源15,以及为CdZnTe谱仪10中所有电子部件提供电源的电源16。其中,CdZnTe晶体11为室温半导体材料,其禁带宽度为1.57eV,密度为5.78g/cm3,平均原子序数为49.1。优选的,如图3所示,CdZnTe晶体11嵌套在环柱形准直器17内,以使面向地面的晶体面允许伽玛射线进入CdZnTe晶体,防止其他方向的射线进入CdZnTe晶体,可以使测量结果更加准确。优选的,放大器12包括前置放大器121和主放大器122。前置放大器121可采用电荷灵敏前置放大器。
图4是本发明飞行器20的一个实施例的结构示意图。飞行器20例如可以是无人机、多轴飞行器、或者其他遥控飞行设备。
如图4所示,飞行器20包括导航装置21、用于测量高度信息的测距仪22、视频拍摄装置23,还包括飞行控制器24、无线发射接收器25、电源26等部件。其中,导航装置21包括北斗导航211和/或GPS(全球定位系统)导航212。北斗导航211和GPS导航212均能够提供经纬度和高度信息,可以为飞行器2提供双模导航,北斗导航211可以在巡检核设施、核退役厂址时保护数据不泄露。测距仪22为激光测距或超声波测距,测量飞行器20与地面的高度。视频拍摄装置23可以是CCD或CMOS摄像头,获取监测区域的视频图像。飞行控制器24可以通过无线发射接收器2接收工作站30发出的飞行指令,并根据飞行指令控制飞行器20的飞行状态,例如,飞行方向、飞行高度、飞行距离、飞行时间和旋停时间等,或者,飞行控制器24也可以按照预先设置的飞行路线控制飞行器20飞行。导航信息、视频图像、高度信息经无线发射接收器25发出。电源26可以为飞行器20中所有电子部件21~25提供电源。
图5是本发明工作站系统30的一个实施例的结构示意图。
如图5所示,工作站系统30包括:无线发射接收器31、工作站32和显示器33。其中,无线发射接收器31用来实现信号的接收和发送功能,一方面,接收CdZnTe谱仪10发出的能谱信息和飞行器20发出的导航信息、高度信息、巡检区域的视频图像信息等信息,另一方面,还可以向飞行器20发送控制飞行器20飞行的指令。工作站32用来做数据计算和处理等方面的工作,例如根据能谱信息识别核素、确定放射性物质的种类和强度、计算射线的剂量率,并结合飞行器20发出的导航信息和高度信息绘制三维放射性物质和剂量分布图,将三维放射性物质和剂量分布图叠加在巡检区域的视频图像中等。显示器33用来显示,例如显示巡检区域的视频图像、三维放射性物质和剂量分布图、或者叠加有三维放射性物质和剂量分布图的巡检区域的视频图像等。
本发明还提出一种飞行模式CdZnTe巡检方法,包括:利用CdZnTe谱仪10探测射线,采集能谱,并发出能谱信息;利用飞行器20携带CdZnTe谱仪10飞行,以实现飞行巡检功能。
其中,工作站系统30可以接收CdZnTe谱仪10发出的能谱信息并进行分析,以识别核素、确定放射性物质的种类和强度、计算射线的剂量率。
其中,飞行器20根据工作站系统30的飞行指令进行飞行控制,或者,飞行器20按照预置的飞行路线进行飞行控制。
此外,飞行器20还可以发出本飞行器的导航信息、高度信息、巡检区域的视频图像信息中的至少一项信息;工作站系统30根据飞行器20发出的导航信息和高度信息以及CdZnTe谱仪10发出的能谱信息绘制三维放射性物质和剂量分布图,将三维放射性物质和剂量分布图叠加在巡检区域的视频图像中。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成,也可以通过程序来指令相关的硬件完成,所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中,上述提到的存储介质可以是只读存储器,磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种飞行模式CdZnTe巡检系统,其特征在于,包括:
CdZnTe谱仪,其包括嵌套在环柱形准直器内的CdZnTe晶体,以使面向地面的晶体面允许射线进入CdZnTe晶体,并基于探测到的射线生成相应的能谱信息;
飞行器,其携带所述CdZnTe谱仪飞行,收集导航信息和高度信息;以及
工作站系统,用于根据所述CdZnTe谱仪生成的能谱信息,并结合所述飞行器收集的导航信息和高度信息,绘制三维放射性物质分布图。
2.如权利要求1所述的系统,其特征在于,
所述CdZnTe谱仪用于探测射线,采集能谱,并发出能谱信息,所述工作站系统用于接收所述CdZnTe谱仪发出的能谱信息并进行分析,以识别核素、确定放射性物质的种类和强度、计算射线的剂量率。
3.如权利要求2所述的系统,其特征在于,其中,
所述飞行器用于获取本飞行器的导航信息、高度信息、巡检区域的视频图像信息中的至少一项信息,并发送给工作站系统。
4.如权利要求1-3任一项所述的系统,其特征在于,其中,所述CdZnTe谱仪还包括:放大器、数字多道分析器、无线发射接收器;
其中,CdZnTe晶体把入射伽玛射线转换成电信号,所述放大器将所述电信号处理成信号幅度与入射伽玛射线能量成正比的准高斯信号,所述数字多道分析器将所述准高斯信号处理成为数字信号,所述无线发射接收器发出所述数字信号。
5.如权利要求3所述的系统,其特征在于,
所述工作站系统,用于根据所述CdZnTe谱仪发出的能谱信息识别核素、确定放射性物质的种类和强度、计算射线的剂量率,并结合所述飞行器发出的导航信息和高度信息绘制三维放射性物质和剂量分布图,将三维放射性物质和剂量分布图叠加在所述飞行器发出的巡检区域的视频图像中。
6.如权利要求4所述的系统,其特征在于,其中,所述CdZnTe谱仪还包括:为CdZnTe晶体提供偏压的高压电源。
7.如权利要求1-3任一项所述的系统,其特征在于,其中,所述飞行器包括导航装置、用于测量高度信息的测距仪、视频拍摄装置中的至少一种。
8.如权利要求7所述的系统,其特征在于,其中,所述导航装置包括北斗导航和/或全球定位系统GPS导航。
9.如权利要求7所述的系统,其特征在于,所述飞行器还包括:飞行控制器;其中,所述飞行控制器用于接收工作站发出的飞行指令,并根据所述飞行指令控制飞行器的飞行状态;或者,所述飞行控制器按照预置的飞行路线控制飞行器飞行。
10.如权利要求3所述的系统,其特征在于,其中,所述工作站系统包括:无线发射接收器、工作站和显示器;其中,所述无线发射接收器用于接收所述CdZnTe谱仪发出的能谱信息和所述飞行器发出的导航信息、高度信息、巡检区域的视频图像信息中的至少一项信息;所述工作站用于根据所述能谱信息识别核素、确定放射性物质的种类和强度、计算射线的剂量率,并结合所述飞行器发出的导航信息和高度信息绘制三维放射性物质和剂量分布图,将三维放射性物质和剂量分布图叠加在巡检区域的视频图像中;所述显示器用于显示巡检区域的视频图像、三维放射性物质和剂量分布图、或者叠加有三维放射性物质和剂量分布图的巡检区域的视频图像。
11.一种飞行模式CdZnTe巡检方法,其特征在于,包括:
利用包括嵌套在环柱形准直器内的CdZnTe晶体的CdZnTe谱仪探测射线,以使面向地面的晶体面允许射线进入CdZnTe晶体,并基于探测到的射线生成相应的能谱信息;
利用飞行器携带所述CdZnTe谱仪飞行,收集导航信息和高度信息;
工作站系统根据所述CdZnTe谱仪生成的能谱信息,并结合所述飞行器收集的导航信息和高度信息,绘制三维放射性物质分布图。
12.如权利要求11所述的方法,其特征在于,
工作站系统接收所述CdZnTe谱仪发出的能谱信息并进行分析,以识别核素、确定放射性物质的种类和强度、计算射线的剂量率。
13.如权利要求11所述的方法,其特征在于,
所述飞行器获取并发出本飞行器的导航信息、高度信息、巡检区域的视频图像信息中的至少一项信息。
14.如权利要求11所述的方法,其特征在于,还包括:
所述飞行器根据工作站系统的飞行指令进行飞行控制,或者,所述飞行器按照预置的飞行路线进行飞行控制。
15.如权利要求11所述的方法,其特征在于,
工作站系统根据所述CdZnTe谱仪发出的能谱信息识别核素、确定放射性物质的种类和强度、计算射线的剂量率,并结合所述飞行器发出的导航信息和高度信息绘制三维放射性物质和剂量分布图,将三维放射性物质和剂量分布图叠加在所述飞行器发出的巡检区域的视频图像中。
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