CN106019354B - 人工放射性核素浓度监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种人工放射性核素浓度监测方法及装置，包括：根据半导体探测器测量的脉冲信号，提取²¹⁴Bi‑²¹⁴Po符合事件；所述脉冲信号包括α脉冲信号以及β脉冲信号；根据半导体探测器测量的脉冲信号以及提取的²¹⁴Bi‑²¹⁴Po符合事件，计算人工放射性核素浓度。本发明中提供的人工放射性核素浓度监测方法及装置，可在存在氡及其子体本底情况下去除²¹⁴Bi‑²¹⁴Po对人工放射性核素气溶胶测量的影响，提高测量效率。

Description

人工放射性核素浓度监测方法及装置

技术领域

本发明涉及放射性核素监测领域，特别涉及一种人工放射性核素浓度监测方法及装置。

背景技术

人工放射性核素铀、钚等毒性大且半衰期较长的核素以ɑ衰变为主，公众或工作人员吸入含有铀、钚等核素的放射性气溶胶后，其中部分放射性物质将以难溶性氢氧化物的形式存在且长期滞留于人体内部，对人的身体健康产生严重危害。因此，从辐射管理的角度来看，快速而准确监测人工ɑ放射性气溶胶是核工业生产制造、核燃料加工与再处理、核设施运行等工作场所的辐射防护与评价的重要内容；同时对于减少工作人员的内照射也是必要的。

当前，核事故应急监测人工放射性核素(例如U、Pu)气溶胶时，往往容易受到环境中的氡及其子体产物的严重干扰，甚至会造成监测失效。目前国内外通常采用衰变法、比值法、假符合法或能量甄别法等来克服环境中天然本底氡及其子体的干扰，而采用能谱法测量是基于样品自吸收等因素造成氡子体ɑ粒子能量退化落在能量较低的人工ɑ核素能区的计数与其本身在天然道内的计数存在一定的比例关系而进行天然道内计数补偿，在补偿过程中因补偿系数涨落而容易影响探测灵敏度。

发明内容

本发明的主要目的为提供一种人工放射性核素浓度监测方法及装置，可在存在氡及其子体本底情况下去除²¹⁴Bi-²¹⁴Po对人工放射性核素气溶胶测量的影响，提高测量效率。

本发明提出一种人工放射性核素浓度监测方法，包括步骤：

根据半导体探测器测量的脉冲信号，提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件；所述脉冲信号包括α脉冲信号以及β脉冲信号；

根据半导体探测器测量的脉冲信号以及提取的²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件，计算人工放射性核素浓度。

进一步地，所述根据半导体探测器测量的脉冲信号，提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件的步骤包括：

通过第一处理器经脉冲整形电路获取半导体探测器测量的相邻两个脉冲信号之间的时间间隔存储至第一存储器，并通过第二处理器与预设时间比较；当时间间隔小于预设时间时，将所述相邻两个脉冲信号作为²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件。

进一步地，所述提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件的步骤之后包括：

通过第二处理器获取AD采集模块采集达到脉冲整形电路阈值的脉冲信号的能量信息存储至第二存储器，并根据能量信息对α脉冲信号以及β脉冲信号进行甄别。

进一步地，所述根据半导体探测器测量的脉冲信号以及提取的²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件，计算人工放射性核素浓度的计算公式为：

R＝(C_total-C_0-1ms/EC)/ε；

其中，R为人工放射性核素浓度，C_total为半导体探测器测量的α脉冲信号总计数，C_0-1ms为符合事件中时间间隔为0-1ms的α脉冲信号计数，EC为探测效率，定义为符合事件中时间间隔为0-1ms的α脉冲信号计数与半导体探测器测量α、β脉冲信号总计数的比值，ε为半导体探测器固有探测效率。

进一步地，所述预设时间设置为4ms。

本发明还提供了一种人工放射性核素浓度监测装置，包括：

提取单元，根据半导体探测器测量的脉冲信号，提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件；所述脉冲信号包括α脉冲信号以及β脉冲信号；

计算单元，根据半导体探测器测量的脉冲信号以及提取的²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件，计算人工放射性核素浓度。

进一步地，所述提取单元包括：

比较子单元，通过第一处理器经脉冲整形电路获取半导体探测器测量的相邻两个脉冲信号之间的时间间隔存储至第一存储器，并通过第二处理器与预设时间比较；当时间间隔小于预设时间时，将所述相邻两个脉冲信号作为²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件。

进一步地，所述提取单元还包括：

能量甄别子单元，通过第二处理器获取AD采集模块采集达到脉冲整形电路阈值的脉冲信号的能量信息存储至第二存储器，并根据能量信息对α脉冲信号以及β脉冲信号进行甄别。

进一步地，所述计算单元的计算公式为：

R＝(C_total-C_0-1ms/EC)/ε；

其中，R为人工放射性核素浓度，C_total为半导体探测器测量的α脉冲信号总计数，C_0-1ms为符合事件中时间间隔为0-1ms的α脉冲信号计数，EC为探测效率，定义为符合事件中时间间隔为0-1ms的α脉冲信号计数与半导体探测器测量α、β脉冲信号总计数的比值，ε为半导体探测器固有探测效率。

进一步地，所述比较子单元中的预设时间设置为4ms。

本发明中提供的人工放射性核素浓度监测方法及装置，具有以下有益效果：

本发明中提供的人工放射性核素浓度监测方法及装置，利用了氡同位素的衰变时间特性，可在存在氡及其子体本底情况下去除²¹⁴Bi-²¹⁴Po对人工放射性核素气溶胶测量的影响，提高测量效率。

附图说明

图1是本发明一实施例中的人工放射性核素浓度监测方法步骤示意图；

图2是本发明一实施例中的连续监测人工放射性核素的时间间隔分析装置；

图3是本发明一实施例中的时间谱图；

图4是本发明一实施例中的人工放射性核素浓度监测装置结构示意图；

图5是本发明一实施例中的提取单元结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，为本发明一实施例中的人工放射性核素浓度监测方法步骤示意图。

本发明一实施例中提出一种人工放射性核素浓度监测方法，包括：

步骤S1，根据半导体探测器1测量的脉冲信号，提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件；上述脉冲信号包括α脉冲信号以及β脉冲信号；

步骤S2，根据半导体探测器1测量的脉冲信号以及提取的²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件，计算人工放射性核素浓度。

半导体探测器1用于探测气溶胶中的α和β射线，测量α脉冲信号以及β脉冲信号；提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件指的是从半导体探测器1测量的脉冲信号，提取氡的同位素²¹⁴Bi-²¹⁴Po产生的α脉冲信号；提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件便可以去除²¹⁴Bi-²¹⁴Po产生的α脉冲信号对人工放射性核素浓度监测的影响。本发明一实施例中提供的人工放射性核素浓度监测方法，利用了氡同位素的衰变时间特性，可在存在氡及其子体本底情况下去除²¹⁴Bi-²¹⁴Po对人工放射性核素气溶胶测量的影响，提高测量效率。

参照下式，为氡及其子体的衰变链。可以看到衰变链中的²¹⁴Bi经β-衰变后得到²¹⁴Po，²¹⁴Po再经过α衰变后得到²¹⁰Pb，将这一事件称之为²¹⁴Bi-214Po事件，如果能正确地对这一事件进行分析，则可以通过衰变链的关系求出²²²Rn的活度。

参照图2，为本发明一实施例中的连续监测气载人工放射性核素的时间间隔分析装置。

为了便于本发明实施例中的人工放射性核素浓度监测方法连续监测的实施，本实施例中采用了一种连续监测气载人工放射性核素的时间间隔分析装置，其包括探测部分以及分析部分，探测部分包括半导体探测器1、脉冲整形电路2以及AD采集模块7，本实施例中，半导体探测器1为PIPS半导体探测器；分析部分包括第一处理器3、第一存储器4、第二处理器5以及第二存储器6组成的双CPU处理器(图中虚线框，STM32双CPU处理器)，第一处理器3连接脉冲整形电路，还包括LCD显示单元8、与外部设备连接的通讯接口9以及为装置供电的电源11，上述第一存储器为IDT双口RAM存储器，上述第二存储器为EPROM存储器。

半导体探测器1通过电缆分别与脉冲整形电路2以及AD采集模块7连接，脉冲整形电路2通过电缆与双CPU处理器中的第一处理器3连接，AD采集模块7通过电缆与双CPU处理器的第二处理器5连接，LCD显示单元8通过电缆与双CPU处理器的第二处理器5连接，通信接口9通过电缆与双CPU处理器的第二处理器5连接，电源11通过电缆与双CPU处理器连接并供电。

上述半导体探测器1探测气溶胶中α和β射线，脉冲整形电路2对半导体探测器1探测到的核脉冲信号进行放大和整形处理，再传输至第一处理器3；第一处理器3精确记录核脉冲到达时刻存储至第一存储器4，同时触发第二处理器5，第二处理器5控制AD采集模块7采集脉冲信号的脉冲能量信息并存储至第二存储器6；LCD显示单元8用于显示数据以及测量结果，同时还具有触摸功能用以设置测量时间等参数，通讯接口9用于该装置与电脑等外部设备进行连接。

在具体使用时，PIPS半导体探测器对收集到的空气中的气溶胶进行测量，PIPS半导体探测器测量得到的α脉冲信号通过电缆进入脉冲整形电路2，从脉冲整形器电路2出来的信号用电缆连接到第一处理器3，第一处理器3精确记录脉冲到达时刻同时触发第二处理器5工作，第二处理器5被触发时控制AD采集模块7采集达到脉冲整形电路阈值要求的核脉冲信号的能量信息，第一存储器4储存脉冲到达时间的信息，第二存储器6用于储存第二处理器5采集到的核脉冲能量信息，LCD显示单元8通过电缆和触摸屏对测量参数进行设置；通过第二处理器5分别对第一存储器4里储存的脉冲时间信息进行²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件相关提取分析和第二存储器6储存的核脉冲能量信息对α和β粒子进行甄别，之后通过扣除算法程序将总α粒子中的天然本底产生的α粒子计数进行扣除，LCD显示单元5显示得到的人工放射性核素活度测量结果，第二处理器5通过通信接口9将相关数据传输到电脑中处理。

上述连续监测气载人工放射性核素的时间间隔分析装置，可以连续监测空气中气溶胶中放射性核素，可以连续采集放射性核素产生的脉冲信号，并记录时间。

进一步地，上述步骤S1中，根据半导体探测器1测量的脉冲信号，提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件的步骤包括：

通过第一处理器3经脉冲整形电路2获取半导体探测器1测量的相邻两个脉冲信号之间的时间间隔存储至第一存储器4，并通过第二处理器5与预设时间比较；当时间间隔小于预设时间时，将上述相邻两个脉冲信号作为²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件。根据²¹⁴Bi-²¹⁴Po半衰期时间特性，通过时间间隔与预设时间进行比较，提取氡的同位素²¹⁴Bi-²¹⁴Po产生的α脉冲信号，进一步去除²¹⁴Bi-²¹⁴Po产生的α脉冲信号对人工放射性核素浓度监测的影响。上述预设时间可设定为²¹⁴Bi半衰期的20倍左右，本实施例中，将预设时间设定为4ms，也可以设置为3ms等时间参数。

进一步地，上述提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件的步骤之后包括：

通过第二处理器5获取AD采集模块7采集达到脉冲整形电路2阈值的脉冲信号的能量信息存储至第二存储器6，并根据能量信息对α脉冲信号以及β脉冲信号进行甄别，该阈值的设定为采集到脉冲信号即可。

由于半导体探测器1采集到的脉冲信号包括α脉冲信号以及β脉冲信号，因此需要进行甄别，本实施例中，根据α脉冲信号以及β脉冲信号的脉冲能量信息进行甄别。

进一步地，上述步骤S2中，根据半导体探测器1测量的脉冲信号以及提取的²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件，计算人工放射性核素浓度的计算公式为：

R＝(C_total-C_0-1ms/EC)/ε；

其中，R为人工放射性核素浓度，C_total为半导体探测器1测量的α脉冲信号总计数，C_0-1ms为符合事件中时间间隔为0-1ms的α脉冲信号计数，EC为探测效率，本实施例中，将其定义为符合事件中时间间隔为0-1ms的α脉冲信号计数与半导体探测器1测量α、β脉冲信号总计数的比值，ε为半导体探测器1固有探测效率。

在半导体探测器1采集脉冲信号时，记录相关脉冲信号的个数，能量信息以及时间信息等，便于后续计算。

进一步地，上述提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件的步骤之后还可以包括：

将²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件的信息绘制在图表中，得到时间谱图。其中，x轴代表²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件中相邻脉冲信号的延迟时间间隔，延迟时间间隔为0-4ms，y-轴代表符合计数。

参照图3，为一具体实施例中的时间谱图，对空气中气溶胶测量仍放射性核素的脉冲信号(包括α脉冲信号以及β脉冲信号)，根据相邻两个脉冲信号的相隔时间提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件，并将²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件的相关信息绘制在图表中得到图3中所示的时间谱图，其中0-1ms的α脉冲信号计数为²¹⁴Bi-²¹⁴Po产生的α脉冲信号计数。上述时间谱图通过上述LCD显示单元8显示，便于直观查看相应信息。

参照图4，为本发明一实施例中提供的人工放射性核素浓度监测装置结构示意图。

本发明一实施例中还提供了一种人工放射性核素浓度监测装置，包括：

提取单元10，根据半导体探测器测量的脉冲信号，提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件；上述脉冲信号包括α脉冲信号以及β脉冲信号；

计算单元20，根据半导体探测器1测量的脉冲信号以及提取的²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件，计算人工放射性核素浓度。

提取单元通过半导体探测器1探测气溶胶中的α和β射线，测量α脉冲信号以及β脉冲信号；提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件指的是从半导体探测器1测量的脉冲信号，提取氡的同位素²¹⁴Bi-²¹⁴Po产生的α脉冲信号；提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件便可以去除²¹⁴Bi-²¹⁴Po产生的α脉冲信号对人工放射性核素浓度监测的影响。本发明一实施例中提供的人工放射性核素浓度监测装置，利用了氡同位素的衰变时间特性，可在存在氡及其子体本底情况下去除²¹⁴Bi-²¹⁴Po对人工放射性核素气溶胶测量的影响，提高测量效率。

参照下式，为氡及其子体的衰变链。可以看到衰变链中的²¹⁴Bi经β-衰变后得到²¹⁴Po，²¹⁴Po再经过α衰变后得到²¹⁰Pb，将这一事件称之为²¹⁴Bi-214Po事件，如果能正确地对这一事件进行分析，则可以通过衰变链的关系求出²²²Rn的活度。

为了便于本发明实施例中的人工放射性核素浓度监测装置连续监测的实施，本实施例中采用了一种连续监测气载人工放射性核素的时间间隔分析装置，具体可参照图2以及上述实施例。

进一步地，参照图5，上述提取单元10包括：

比较子单元100，通过第一处理器3经脉冲整形电路2获取半导体探测器1测量的相邻两个脉冲信号之间的时间间隔存储至第一存储器4，并通过第二处理器5与预设时间比较；当时间间隔小于预设时间时，将上述相邻两个脉冲信号作为²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件。根据²¹⁴Bi-²¹⁴Po半衰期时间特性，通过时间间隔与预设时间进行比较，提取氡的同位素²¹⁴Bi-²¹⁴Po产生的α脉冲信号，进一步去除²¹⁴Bi-²¹⁴Po产生的α脉冲信号对人工放射性核素浓度监测的影响。上述预设时间可设定为²¹⁴Bi半衰期的20倍左右，本实施例中，将预设时间设定为4ms，也可以设置为3ms等时间参数。

进一步地，上述提取单元10还包括：

能量甄别子单元101，通过第二处理器5获取AD采集模块7采集达到脉冲整形电路2阈值的脉冲信号的能量信息存储至第二存储器6，并根据能量信息对α脉冲信号以及β脉冲信号进行甄别，该阈值的设定为采集到脉冲信号即可。

由于半导体探测器1采集到的脉冲信号包括α脉冲信号以及β脉冲信号，因此需要进行甄别，本实施例中，根据α脉冲信号以及β脉冲信号的脉冲能量信息进行甄别。

进一步地，上述计算单元20的计算公式为：

R＝(C_total-C_0-1ms/EC)/ε；

其中，R为人工放射性核素浓度，C_total为半导体探测器1测量的α脉冲信号总计数，C_0-1ms为符合事件中时间间隔为0-1ms的α脉冲信号计数，EC为探测效率，本实施例中，将其定义为符合事件中时间间隔为0-1ms的α脉冲信号计数与半导体探测器1测量α、β脉冲信号总计数的比值，ε为半导体探测器1固有探测效率。

在半导体探测器1采集脉冲信号时，记录相关脉冲信号的个数，能量信息以及时间信息等，便于后续计算。

上述提取单元10提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件之后，还可以将²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件的信息绘制在图表中，得到时间谱图。其中，x轴代表²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件中相邻脉冲信号的延迟时间间隔，延迟时间间隔为0-4ms，y-轴代表符合计数。

在一具体实施例中的时间谱图，对空气中气溶胶测量仍放射性核素的脉冲信号(包括α脉冲信号以及β脉冲信号)，根据相邻两个脉冲信号的相隔时间提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件，并将²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件的相关信息绘制在图表中得到图3中所示的时间谱图，其中0-1ms的α脉冲信号计数为²¹⁴Bi-²¹⁴Po产生的α脉冲信号计数。上述时间谱图通过上述LCD显示单元8显示，便于直观查看相应信息。(参照图3)

综上所述，为本发明中提供的人工放射性核素浓度监测方法及装置，利用了氡同位素的衰变时间特性，可在存在氡及其子体本底情况下去除²¹⁴Bi-²¹⁴Po对人工放射性核素气溶胶测量的影响，提高测量效率，并可连续对人工放射性核素进行监测。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种人工放射性核素浓度监测方法，其特征在于，包括步骤：

根据半导体探测器测量的脉冲信号，提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件；所述脉冲信号包括α脉冲信号以及β脉冲信号；

根据半导体探测器测量的脉冲信号以及提取的²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件，计算人工放射性核素浓度。

2.根据权利要求1所述的人工放射性核素浓度监测方法，其特征在于，所述根据半导体探测器测量的脉冲信号，提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件的步骤包括：

通过第一处理器经脉冲整形电路获取半导体探测器测量的相邻两个脉冲信号之间的时间间隔存储至第一存储器，并通过第二处理器与预设时间比较；当时间间隔小于预设时间时，将所述相邻两个脉冲信号作为²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件。

3.根据权利要求2所述的人工放射性核素浓度监测方法，其特征在于，所述提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件的步骤之后包括：

通过第二处理器获取AD采集模块采集达到脉冲整形电路阈值的脉冲信号的能量信息存储至第二存储器，并根据能量信息对α脉冲信号以及β脉冲信号进行甄别。

4.根据权利要求2或3所述的人工放射性核素浓度监测方法，其特征在于，所述根据半导体探测器测量的脉冲信号以及提取的²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件，计算人工放射性核素浓度的计算公式为：

R＝(C_total-C_0-1ms/EC)/ε；

其中，R为人工放射性核素浓度，C_total为半导体探测器测量的α脉冲信号总计数，C_0-1ms为符合事件中时间间隔为0-1ms的α脉冲信号计数，EC为探测效率，定义为符合事件中时间间隔为0-1ms的α脉冲信号计数与半导体探测器测量α、β脉冲信号总计数的比值，ε为半导体探测器固有探测效率。

5.根据权利要求2所述的人工放射性核素浓度监测方法，其特征在于，所述预设时间设置为4ms。

6.一种人工放射性核素浓度监测装置，其特征在于，包括：

提取单元，根据半导体探测器测量的脉冲信号，提取²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件；所述脉冲信号包括α脉冲信号以及β脉冲信号；

计算单元，根据半导体探测器测量的脉冲信号以及提取的²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件，计算人工放射性核素浓度。

7.根据权利要求6所述的人工放射性核素浓度监测装置，其特征在于，所述提取单元包括：

比较子单元，通过第一处理器经脉冲整形电路获取半导体探测器测量的相邻两个脉冲信号之间的时间间隔存储至第一存储器，并通过第二处理器与预设时间比较；当时间间隔小于预设时间时，将所述相邻两个脉冲信号作为²¹⁴Bi-²¹⁴Po符合事件。

8.根据权利要求7所述的人工放射性核素浓度监测装置，其特征在于，所述提取单元还包括：

能量甄别子单元，通过第二处理器获取AD采集模块采集达到脉冲整形电路阈值的脉冲信号的能量信息存储至第二存储器，并根据能量信息对α脉冲信号以及β脉冲信号进行甄别。

9.根据权利要求7或8所述的人工放射性核素浓度监测装置，其特征在于，所述计算单元的计算公式为：

R＝(C_total-C_0-1ms/EC)/ε；

其中，R为人工放射性核素浓度，C_total为半导体探测器测量的α脉冲信号总计数，C_0-1ms为符合事件中时间间隔为0-1ms的α脉冲信号计数，EC为探测效率，定义为符合事件中时间间隔为0-1ms的α脉冲信号计数与半导体探测器测量α、β脉冲信号总计数的比值，ε为半导体探测器固有探测效率。

10.根据权利要求7所述的人工放射性核素浓度监测装置，其特征在于，所述比较子单元中的预设时间设置为4ms。