CN106371129B - 一种水体低活度核素多晶体阵列监测系统及其监测方法 - Google Patents

一种水体低活度核素多晶体阵列监测系统及其监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及核辐射探测技术领域，提供一种水体低活度核素多晶体阵列监测系统及其监测方法，包括多个NaI闪烁体探测器、多个CsBr3闪烁体探测器和能谱分析与处理模块。NaI、CsBr3闪烁体探测器混合均布，能谱分析与处理模块中，各多道组件分别采集一个探测器信号并处理形成多道数据，阵列多道分析组件同时采集所有多道组件的多道数据，首先分别对各多道能谱数据进行谱峰遍历和本底扣除等预处理，然后叠加各预处理结果能谱，并按目前现有的解谱方法对叠加谱数据进行解谱和计算，获得水体放射性核素测量结果。本发明实现了水体高本底环境下低活度放射性核素的快速响应探测，同时保持较高的核素分辨能力。

Description

一种水体低活度核素多晶体阵列监测系统及其监测方法
技术领域
本发明涉及核辐射探测技术领域，具体涉及一种水体低活度核素多晶体阵列监测系统及其监测方法。
背景技术
放射性物质进入海洋、湖泊等水环境后，造成水体和水生物污染，并经风向、洋流、生物链传递等作用下迅速扩散，威胁人类健康和生态安全。因此，建立实时的水体放射性探测和核素识别技术，为环境污染状态掌握、趋势分析、事件处理、公众预警与安抚提供技术支撑。
考虑水体放射性核素监测如下特点：1）放射性物质进入海洋、湖泊等水环境后经水体无限稀释至低水平放射性活度浓度，同时海水或雨天湖泊等水环境中本底较高，从而要求能够在水体高本底环境下实施低活度放射性核素测量；2）实际应用中需尽可能实时监测，即时获取水环境污染数据，并支持基于船载等平台对不同水域快速航行监测，从而要求水体放射性核素监测具有快速响应能力。3）核污染事件中水体放射性物质复杂繁多，从而要求水体放射性核素监测具有高分辨能力。因此，如何进行实时、高效、高分辨能力的水体高本底低活度放射性核素监测一直是备受关注的问题且亟待解决。
虽然自上世纪50年代末以来，世界范围内有数十个国家和机构开展水体放射性核素监测技术研究，但主要采用单晶体闪烁体探测器，难以同时满足水体放射性核素的低活度浓度测量、高效测量和高分辨能力测量，其主要局限如下：探测响应时间越快，则要求晶体体积越大。然而目前国内外晶体的尺寸是极有限的。且随晶体体积增大，其探测分辨率会降低，同时在高活度放射性环境中容易饱和。目前国内外主要采用的单闪烁体晶体优缺点如下：
目前，国内外还没有基于复合多晶体阵列监测方法实现实时、高效、高分辨能力的水体放射性核素监测技术研究。
发明内容
本发明针对水体低活度放射性核素的实时、高效和高分辨能力监测，结合NaI闪烁体晶体和CsBr3闪烁体晶体各自特性，提出一种水体核素多晶体阵列监测系统及其监测方法，实现了水体高本底环境下低活度放射性核素的快速响应探测，同时保持较高的核素分辨能力。该方法支持晶体阵列的动态伸缩控制，在满足现有单NaI闪烁体晶体和单CsBr3闪烁体晶体可实现的最低探测活度浓度下限前提下，可根据需求动态调整晶体阵列布置方案实现探测响应时间的动态控制调整。
本发明一种水体低活度核素多晶体阵列监测系统，包括以下组成部分：多个NaI闪烁体探测器、多个CsBr3闪烁体探测器、能谱分析与处理模块，多个NaI闪烁体探测器和多个CsBr3闪烁体探测器混合均布，每个探测器将其探测信号通过水密电缆传送给能谱分析与处理模块；所述能谱分析与处理模块由多个多道组件和阵列多道分析组件组成，每一个多道组件采集来自一个NaI闪烁体探测器或CsBr3闪烁体探测器的信号，阵列多道分析组件同时采集所有多道组件的信号，阵列多道分析组件与就地显示单元或上位机相连。
NaI闪烁体探测器和CsBr3闪烁体探测器的数量与闪烁体晶体尺寸根据测量活度浓度下限和响应时间的实际需要确定，所有探测器采用同一水平面布置，或空间立体布置，各探测器通过圆柱形或其他规则水下浮力平衡支架固定，通过蒙特卡罗模拟计算水体γ源几何分布，为了屏蔽水面以上天然放射性影响，以及实现各探测器的最佳水体探测效果，每个探测器之间的相对距离大于0.5米，所有探测器均置于水表面2米以下深处。
NaI闪烁体探测器内核由NaI闪烁体晶体、光电倍增管和前放电路组成，同理，CsBr3闪烁体探测器内核由CsBr3闪烁体晶体、光电倍增管和前放电路组成。对于水体低活度放射性核素监测，一般NaI晶体用于水体总γ快速响应，应尽量选择大体积晶体。CsBr3晶体主要用于总γ快速响应后，定性的给出核素识别，在综合考虑探测效率、响应时间的同时兼顾核素分辨能力，晶体尺寸应选择适中（Ф50mm×50mm）。探测器外壳采用钛合金材质，其厚度应在保证足够机械强度的同时满足能量下限要求，厚度在2mm～5mm适中。探测外壳的壳体与壳盖之间采用密封凹槽加橡胶密封圈加压密封，壳盖上部中心位置开孔安装水密连接器，水密连接器与壳盖同样采用密封凹槽加橡胶密封圈加压密封。探测器外壳采用多道喷漆涂毒处理，即在探测器外壳喷油漆和涂抹防有害生物附着涂料，以防腐、防生物附着。
本发明还提供一种上述水体低活度核素多晶体阵列监测系统的监测方法，包括以下步骤：
（1）每一个多道组件采集来自一个NaI闪烁体探测器或CsBr3闪烁体探测器的信号，并对采集信号进行脉冲甄别、成型、计数、幅值采样等多道处理形成多道能谱数据。
（2）阵列多道分析组件同时采集所有多道组件的多道能谱数据并存于二维阵列多道数据结构mChannel[N][M]，其中，N为多道组件个数，M为多道道数。每一个多道组件，令其序号为n，0≤n≤N，对应的多道能谱数据为mChannel[n][]，且各多道组件中多道道数M是一致的，M=Z×512，Z为正整数，可根据多道组件的电子学性能和实际需要动态取值。阵列多道分析组件执行以下处理：
（2-1）取两个合理的能窗道数边界阈值δl、δh，对每一个多道能谱数据mChannel[n][]（0≤n≤N）进行处理。
（2-1-1）分别按照δh-δl+1种不同能窗步长{δl, δl+1, …, δh}，在mChannel[n][]中寻找其能窗内的所有峰形连续谱，并将其作为一个对象存于缓冲区peakCache中。当步长为δh时，寻找峰形连续谱方法如下：
（2-1-1-1）判别能窗{mChannel[n][i], mChannel[n][i+1], …, mChannel[n][i+δh]}（初始时取i=0）中连续能谱是否呈有效峰形，判别条件如下：首先该能窗内存在能谱峰，令能窗内最大能谱峰道数为tchannel。进而，若该能窗内存在峰谷，则需满足min{ (mChannel[n][i+1], …, mChannel[n][i+δh-1] )中所有峰谷能谱值 } – max{ mChannel[N][i], mChannel[N][i+δh]} ≥ εh，其中εh可根据实际应用需要进行调整；同时，有tchannel ≤ i+[δh/2]或mChannel[n][i+δh]} ≤ mChannel[n][i+δh+1]}。若该能窗判定呈峰形，则将该能窗谱抽取出来，按照梯形方法扣除该能窗本底值，即可得到一个扣除本底后的峰形连续谱，并将其作为一个对象缓存于peakCache中，执行（2-1-1-3）。否则，执行（2-1-1-2）。
（2-1-1-2）置i=i+1，重复执行（2-1-1-1）中处理。
（2-1-1-3）置i=i+δh，重复执行（2-1-1-1）中处理。
（2-1-2）对缓冲区peakCache中峰形连续谱对象作去重处理，即对于peakCache中任何两个峰形连续谱ps1、ps2，若ps1中能道包含ps2中能道，则去除ps2，保留ps1。然后，利用peakCache中所有峰形谱更新能谱数据mChannel[n][]，即mChannel[n][]中第i道谱数据等于peakCache中所有第i道谱数据之和。peakCache中不出现的道数，对应于mChannel[n][]中的谱值置0。
（2-2）谱叠加处理。令mChannelT为叠加后的谱数据，即mChannelT = mChannel[0][] + mChannel[1][]… + mChannel[N][]。然后利用现有的解谱方法对叠加谱mChannelT进行寻峰解谱，根据刻度数据计算水体放射性核素活度浓度测量结果，并就地显示或传输给上位机。
本发明一种水体核素多晶体阵列监测系统及其监测方法，实现了水体高本底环境下低活度放射性核素的快速响应探测，同时保持较高的核素分辨能力。该方法支持晶体阵列的动态伸缩控制，在满足现有单NaI闪烁体晶体和单CsBr3闪烁体晶体可实现的最低探测活度浓度下限前提下，可根据需求动态调整晶体阵列布置方案实现探测响应时间的动态控制调整。
附图说明
图1为本发明监测系统的结构示意图。其中1为能谱分析与处理模块，2为NaI闪烁体探测器，3为CsBr3闪烁体探测器。
图2为NaI闪烁体探测器内核组成图。
图3为CsBr3闪烁体探测器内核组成图。
图4为能谱分析与处理模块组成图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1、4所示，本发明实施例提供一种水体低活度核素多晶体阵列监测系统，包括以下组成部分：多个NaI闪烁体探测器2、多个CsBr3闪烁体探测器3、能谱分析与处理模块1，多个NaI闪烁体探测器2和多个CsBr3闪烁体探测器3混合均布，每个探测器将其探测信号通过水密电缆传送给能谱分析与处理模块1；所述能谱分析与处理模块1由多个多道组件和阵列多道分析组件组成，每一个多道组件采集来自一个NaI闪烁体探测器2或CsBr3闪烁体探测器3的信号，阵列多道分析组件同时采集所有多道组件的信号，阵列多道分析组件与就地显示单元或上位机相连。NaI闪烁体探测器数量与NaI晶体尺寸，以及CsBr3闪烁体探测器数量与CsBr3晶体尺寸，均根据测量活度浓度下限和响应时间的实际需要确定。
该系统中探测器布置方案如下：所有探测器可采用同一水平面布置，或空间立体布置，通过圆柱形或其他规则水下浮力平衡支架对探测器安装固定。通过蒙特卡罗模拟计算水体γ源几何分布，为了屏蔽水面以上天然放射性影响，以及实现各探测器的最佳水体探测效果，每个探测器之间的相对距离大于0.5米，所有探测器均置于水表面2米以下深处。
如图2、3所示，NaI闪烁体探测器2内核由NaI闪烁体晶体、光电倍增管和前放电路组成，同理，CsBr3闪烁体探测器3内核由CsBr3闪烁体晶体、光电倍增管和前放电路组成。对于水体低活度放射性核素监测，一般NaI晶体用于水体总γ快速响应，应尽量选择大体积晶体。CsBr3晶体主要用于总γ快速响应后，定性的给出核素识别，在综合考虑探测效率、响应时间的同时兼顾核素分辨能力，晶体尺寸应选择适中（Ф50mm×50mm）。探测器外壳采用钛合金材质，其厚度应在保证足够机械强度的同时满足能量下限要求，厚度在2mm～5mm适中。探测外壳壳体与壳盖之间采用密封凹槽加橡胶密封圈加压密封，壳盖上部中心位置开孔安装水密连接器，水密连接器与壳盖同样采用密封凹槽加橡胶密封圈加压密封。探测器外壳采用多道喷漆涂毒处理，以防腐、防生物附着。
本实施例还提供一种上述水体低活度核素多晶体阵列监测系统的监测方法，包括以下步骤：
（1）每一个多道组件采集来自一个NaI闪烁体探测器或CsBr3闪烁体探测器的信号，并对采集信号进行脉冲甄别、成型、计数、幅值采样等多道处理形成多道能谱数据。
（2）阵列多道分析组件同时采集所有多道组件的多道能谱数据并存于二维阵列多道数据结构mChannel[N][M]，其中，N为多道组件个数，M为多道道数。每一个多道组件，令其序号为n，0≤n≤N，对应的多道能谱数据为mChannel[n][]，且各多道组件中多道道数M是一致的，M=Z×512，Z为正整数，可根据多道组件的电子学性能和实际需要动态取值。阵列多道分析组件执行以下处理：
（2-1）取两个合理的能窗道数边界阈值δl、δh，对每一个多道能谱数据mChannel[n][]（0≤n≤N）进行处理。
（2-1-1）分别按照δh-δl+1种不同能窗步长{δl, δl+1, …, δh}，在mChannel[n][]中寻找其能窗内的所有峰形连续谱，并将其作为一个对象存于缓冲区peakCache中。当步长为δh时，寻找峰形连续谱方法如下：
（2-1-1-1）判别能窗{mChannel[n][i], mChannel[n][i+1], …, mChannel[n][i+δh]}（初始时取i=0）中连续能谱是否呈有效峰形，判别条件如下：首先该能窗内存在能谱峰，令能窗内最大能谱峰道数为tchannel。进而，若该能窗内存在峰谷，则需满足min{ (mChannel[n][i+1], …, mChannel[n][i+δh-1] )中所有峰谷能谱值 } – max{ mChannel[N][i], mChannel[N][i+δh]} ≥ εh，其中εh可根据实际应用需要进行调整；同时，有tchannel ≤ i+[δh/2]或mChannel[n][i+δh]} ≤ mChannel[n][i+δh+1]}。若该能窗判定呈峰形，则将该能窗谱抽取出来，按照梯形方法扣除该能窗本底值，即可得到一个扣除本底后的峰形连续谱，并将其作为一个对象缓存于peakCache中，执行（2-1-1-3）。否则，执行（2-1-1-2）。
（2-1-1-2）置i=i+1，重复执行（2-1-1-1）中处理。
（2-1-1-3）置i=i+δh，重复执行（2-1-1-1）中处理。
（2-1-2）对缓冲区peakCache中峰形连续谱对象作去重处理，即对于peakCache中任何两个峰形连续谱ps1、ps2，若ps1中能道包含ps2中能道，则去除ps2，保留ps1。然后，利用peakCache中所有峰形谱更新能谱数据mChannel[n][]，即mChannel[n][]中第i道谱数据等于peakCache中所有第i道谱数据之和。peakCache中不出现的道数，对应于mChannel[n][]中的谱值置0。
（2-2）谱叠加处理。令mChannelT为叠加后的谱数据，即mChannelT = mChannel[0][] + mChannel[1][]… + mChannel[N][]。然后利用现有的解谱方法对叠加谱mChannelT进行寻峰解谱，根据刻度数据计算水体放射性核素活度浓度测量结果，并就地显示或传输给上位机。
本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种水体低活度核素多晶体阵列监测系统，其特征在于：包括多个NaI闪烁体探测器、多个CsBr3闪烁体探测器、能谱分析与处理模块，多个NaI闪烁体探测器和多个CsBr3闪烁体探测器混合均布，每个探测器将其探测信号通过水密电缆传送给能谱分析与处理模块；所述能谱分析与处理模块由多个多道组件和阵列多道分析组件组成，每一个多道组件连接一个NaI闪烁体探测器或一个CsBr3闪烁体探测器，采集来自一个NaI闪烁体探测器或CsBr3闪烁体探测器的信号，所有多道组件均与阵列多道分析组件相连，阵列多道分析组件同时采集所有多道组件的信号，阵列多道分析组件与就地显示单元或上位机相连。
2.根据权利要求1所述的水体低活度核素多晶体阵列监测系统，其特征在于：NaI闪烁体探测器和CsBr3闪烁体探测器的数量与闪烁体晶体尺寸根据测量活度浓度下限和响应时间的实际需要确定，所有探测器采用同一水平面布置，或空间立体布置，各探测器通过圆柱形或其他规则水下浮力平衡支架固定，各探测器之间的相对距离大于0.5米，所有探测器均置于水面2米以下深处。
3.根据权利要求1所述的水体低活度核素多晶体阵列监测系统，其特征在于： NaI闪烁体探测器和CsBr3闪烁体探测器的外壳采用钛合金材质，其厚度为2mm～5mm，外壳的壳体与壳盖之间采用密封凹槽加橡胶密封圈加压密封，壳盖上部中心位置开孔安装水密连接器，水密连接器与壳盖之间采用密封凹槽加橡胶密封圈加压密封，探测器外壳采用喷漆涂毒处理。
4.一种如权利要求1所述的水体低活度核素多晶体阵列监测系统的监测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
（1） 每一个多道组件采集来自一个NaI闪烁体探测器或CsBr3闪烁体探测器的信号，并对采集信号进行脉冲甄别、成型、计数、幅值采样处理形成多道能谱数据；
（2）阵列多道分析组件同时采集所有多道组件的多道能谱数据并存于二维阵列多道数据结构mChannel[N][M]，其中，N为多道组件个数，M为多道道数，每一个多道组件，令其序号为n，0≤n≤N，对应的多道能谱数据为mChannel[n][]，且各多道组件中多道道数M是一致的，M=Z×512，Z为正整数，根据多道组件的电子学性能和实际需要动态取值，阵列多道分析组件执行以下处理：
（2-1）取两个合理的能窗道数边界阈值δl、δh，对每一个多道能谱数据mChannel[n][]进行处理，
(2-1-1)分别按照δh-δl+1种不同能窗步长{δl, δl+1, …, δh}，在mChannel[n][]中寻找其能窗内的所有峰形连续谱，并将其作为一个对象存于缓冲区peakCache中；当步长为δh时，寻找峰形连续谱方法如下：
(2-1-1-1)判别能窗{mChannel[n][i], mChannel[n][i+1], …, mChannel[n][i+δh]}中连续能谱是否呈有效峰形，初始时取i=0，判别条件如下：首先该能窗内存在能谱峰，令能窗内最大能谱峰道数为tchannel，进而，若该能窗内存在峰谷，则需满足min{ ( mChannel[n][i+1], …, mChannel[n][i+δh-1] )中所有峰谷能谱值 } – max{ mChannel[N][i],mChannel[N][i+δh]} ≥ εh，其中εh根据实际应用需要进行调整；同时，有tchannel ≤ i+[δh/2]或mChannel[n][i+δh]} ≤ mChannel[n][i+δh+1]}；若该能窗判定呈峰形，则将该能窗谱抽取出来，按照梯形方法扣除该能窗本底值，即可得到一个扣除本底后的峰形连续谱，并将其作为一个对象缓存于peakCache中，执行(2-1-1-3)；否则，执行(2-1-1-2)；
(2-1-1-2)置i=i+1，重复执行(2-1-1-1)中处理；
(2-1-1-3)置i=i+δh，重复执行(2-1-1-1)中处理；
(2-1-2)对缓冲区peakCache中峰形连续谱对象作去重处理，即对于peakCache中任何两个峰形连续谱ps1、ps2，若ps1中能道包含ps2中能道，则去除ps2，保留ps1；利用peakCache中所有峰形谱更新能谱数据mChannel[n][]，即mChannel[n][]中第i道谱数据等于peakCache中所有第i道谱数据之和，peakCache中不出现的道数，对应于mChannel[n][]中的谱值置0；
（2-2）谱叠加处理，令mChannelT为叠加后的谱数据，即mChannelT = mChannel[0][] +mChannel[1][]… + mChannel[N][],对叠加谱mChannelT进行寻峰解谱，根据刻度数据计算水体放射性核素活度浓度测量结果，并就地显示或传输给上位机。
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