CN106990429B - 一种γ、中子双射线能谱测量装置及测量方法 - Google Patents

一种γ、中子双射线能谱测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种γ、中子双射线能谱测量装置及测量方法，利用一种闪烁晶体同时对γ射线和中子敏感的特性，通过粒子甄别将γ射线信号和中子信号区分，分别对两种信号进行脉冲幅度分析，得到γ沉积谱和中子沉积谱；γ射线在闪烁晶体中具有峰响应，γ沉积谱即为测量的γ射线能谱；而中子在闪烁晶体中是连续响应，中子能谱则通过单能中子的响应矩阵与中子沉积谱最小二乘求解。最后通过能谱数据分析，识别关键核素并计算其含量，计算γ剂量和中子剂量。本发明有效提高了混合辐射场测量的仪器便携性，并避免了γ射线与中子的相互干扰。

Description

一种γ、中子双射线能谱测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及一种能谱测量装置及测量方法，尤其涉及一种γ、中子双射线能谱测量装置和测量方法。
背景技术
γ射线和中子是辐射场中最常见也是最重要的两种天然或人工射线，测量混合辐射场中的γ射线和中子能谱是掌握辐射环境信息的关键。目前，γ能谱主要通过具有能量分辨能力的探测器进行测量获得，而中子能谱则通过飞行时间法、慢化法及散射质子法等方法间接测量得到。
由于传统的能谱仪只能够测量单一射线，需要2台甚至多台能谱仪才能获取混合辐射场的γ射线和中子能谱，这对野外测量的便携性和功耗都提出了挑战；同时由于γ射线和中子都不带电，对不具备粒子甄别能力的单一射线能谱仪，混合辐射场中的这两种射线甚至存在互相干扰。所以这种单一的能谱仪在混合辐射场中不能同时测量γ射线和中子；而且在不具备粒子甄别能力时，不能避免二者之间的相互干扰。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，能满足混合辐射场的测量要求，避免了γ射线和中子的互相干扰，并提高了混合辐射场γ、中子能谱测量的便携性的一种γ、中子双射线能谱测量装置和测量方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种γ、中子双射线能谱测量装置，包括依次设置的探测器、信号采集处理系统和数据处理系统；
所述探测器为闪烁晶体探测器，其闪烁晶体为CLYC(Cs2LiYCl6: Ce)；这种闪烁晶体具有粒子甄别能力，用于将γ、中子转换为带电粒子并发光；
所述信号采集处理系统包括依次设置的ADC数字波形采样电路、脉冲形状甄别模块和双通道脉冲成形-幅度甄别-幅度分析模块，其中，ADC数字波形采样电路用于采集探测器输出的脉冲信号，并进行数字化处理；
脉冲形状甄别模块：根据γ射线和中子在探测器中发光成分差异造成的波形变化，对γ信号和中子信号进行区分；
双通道脉冲成形-幅度甄别-幅度分析模块：分别从两个通道对γ信号和中子信号脉冲成形、对低于或高于标准幅值的脉冲进行剔除、对信号的幅值进行多道脉冲幅度分析，形成γ沉积谱和中子沉积谱；
所述数据处理系统包括能谱数据处理模块，用于对γ能谱和中子能谱进行解谱、对关键核素进行识别、计算关键核素的含量和γ、中子剂量；
作为优选：所述探测器包括依次设置的闪烁晶体、光电倍增管、前置放大电路，其中，光电倍增管用于收集闪烁晶体发出的荧光将其转换为电子，并对电子进行倍增后输出；前置放大电路为电流灵敏型，用于在较好保持输入电流信号形状的前提下对电流信号进行放大和噪声抑制。
作为优选：所述数据处理系统还包括：
数据展示模块，用于显示测量得到的中子能谱和γ能谱，展示核素识别、核素含量计算及γ、中子剂量计算的结果，并能对能谱数据及计算结果进行存储；
测量控制模块，用于控制谱仪测量开始和结束，调节测量参数，参数可以为高压、增益、测量时间等测量参数，并能用于复位操作。
一种γ、中子双射线能谱测量装置的测量方法，包括以下步骤，
（1）构建具备粒子甄别能力的双射线能谱测量装置，模拟单能中子在探测器中的响应，得到单能中子的沉积谱；
（2）计算各个单能沉积谱之间的相似度，选择相似度小于0.8的单能中子沉积谱建立单能中子响应矩阵；
（3）设置测量时长，使用具备粒子甄别能力的双射线能谱测量装置进行测量，探测器探测到射线，产生脉冲信号发送给信号采集系统；
（4）信号采集系统中的ADC数字波形采样电路对脉冲信号进行数字化波形采样，送入脉冲形状甄别模块中判断是γ信号还是中子信号，并经双通道脉冲成形-幅度甄别-幅度分析模块分析并存储，最终得到γ沉积谱和中子沉积谱；
（5）根据中子沉积谱D=单能中子响应矩阵*入射中子能谱的关系，将测量的中子沉积谱与建立的单能中子响应矩阵相乘，通过最小二乘求解该超定矩阵，重建出入射中子能谱；
（6）通过能谱数据处理模块处理测量到的步骤（4）中的γ能谱或步骤（5）中的中子能谱，得到辐射场中的关键核素及其含量，并计算得到γ剂量和中子剂量。
作为优选：步骤（5）具体为：
将测量得到的中子沉积谱D作为单能中子沉积谱的叠加，表示为，其中i为测量道数，n为单能中子响应矩阵R的能量数，i＞n，通过最小二乘法求解以下超定矩阵，即可计算出入射中子能谱E
，
其中，。
与现有技术相比，本发明的优点在于：尤其适用于混合辐射场中γ射线和中子的测量，本发明用单一闪烁晶体同时测量辐射场中的γ射线和中子，通过脉冲形状甄别对γ射线和中子进行区分，分别通过信号处理获得γ沉积谱(γ能谱)和中子沉积谱，再利用单能中子响应矩阵重建出入射中子能谱，最后通过解谱分析得到辐射场中的关键核素及其含量、γ剂量和中子剂量，确保了双射线能谱测量仪器的便携性，解决了双射线之间的相互干扰问题。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明测量方法流程图。
图中：1、探测器；11、闪烁晶体；12、光电倍增管；13、前置放大电路；2、信号采集处理系统；21、ADC数字波形采样电路；22、脉冲形状甄别模块；23、双通道脉冲成形-幅度甄别-幅度分析模块；3、数据处理系统；31、能谱数据处理模块；32、数据展示模块；33、测量控制模块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1和图2，一种γ、中子双射线能谱测量装置，包括依次设置的探测器1、信号采集处理系统2和数据处理系统3；
所述探测器1为闪烁晶体11探测器1，其闪烁晶体11为CLYC(Cs2LiYCl6:Ce)；
所述信号采集处理系统2包括依次设置的ADC数字波形采样电路21、脉冲形状甄别模块22和双通道脉冲成形-幅度甄别-幅度分析模块23，其中，脉冲形状甄别模块22：根据γ射线和中子在探测器1中发光成分差异造成的波形变化，对γ信号和中子信号进行区分；双通道脉冲成形-幅度甄别-幅度分析模块23：分别从两个通道对γ信号和中子信号脉冲成形、对低于或高于标准幅值的脉冲进行剔除、对信号的幅值进行多道脉冲幅度分析，形成γ沉积谱和中子沉积谱；
所述数据处理系统3包括能谱数据处理模块31，用于对γ能谱和中子能谱进行解谱、对关键核素进行识别、计算关键核素的含量和γ、中子剂量；
本实施例中，所述探测器1包括依次设置的闪烁晶体11、光电倍增管12、前置放大电路13；所述数据处理系统3还包括数据展示模块32和测量控制模块33，数据展示模块32用于显示测量得到的中子能谱和γ能谱，展示核素识别、核素含量计算及γ、中子剂量计算的结果，并能对能谱数据及计算结果进行存储；测量控制模块33用于控制谱仪测量开始和结束，调节测量参数。
其信号的流向为，闪烁晶体11将γ射线或中子转换为光，经过光电倍增管12转换成为电信号，前置放大电路13将电信号进行放大，此电信号为脉冲信号；然后传递给ADC数字波形采样电路21进行数字化波形采样，经脉冲形状甄别模块22区分为γ信号和中子信号，分别经过双通道脉冲成形-幅度甄别-幅度分析模块23形成γ沉积谱和中子沉积谱；通过能谱数据处理模块31将中子沉积谱转换为中子能谱，并得到能谱分析结果，传输给数据展示模块32进行存储和数据展示，测量控制模块33与探测器1和信号采集处理系统2相连，控制测量开始和结束，并调节测量参数，可进行复位操作。
一种γ、中子双射线能谱测量装置的测量方法，包括以下步骤，
（1）构建具备粒子甄别能力的双射线能谱测量装置，模拟单能中子在探测器1中的响应，得到单能中子的沉积谱；
（2）计算各个单能沉积谱之间的相似度，选择相似度小于0.8的单能中子沉积谱建立单能中子响应矩阵；
（3）设置测量时长，使用具备粒子甄别能力的双射线能谱测量装置进行测量，探测器1探测到射线，产生脉冲信号发送给信号采集系统；
（4）信号采集系统中的ADC数字波形采样电路21对脉冲信号进行数字化波形采样，送入脉冲形状甄别模块22中判断是γ信号还是中子信号，并经双通道脉冲成形-幅度甄别-幅度分析模块23分析并存储，最终得到γ沉积谱和中子沉积谱；鉴于闪烁晶体11对γ射线具有峰响应，所测量得到的γ沉积谱即为γ能谱；而对中子不具有峰响应，需根据连续响应计算中子能谱；
（5）根据中子沉积谱D=单能中子响应矩阵*入射中子能谱的关系，将测量的中子沉积谱与建立的单能中子响应矩阵相乘，通过最小二乘求解该超定矩阵，重建出入射中子能谱；
（6）通过能谱数据处理模块31处理测量到的步骤（4）中的γ能谱或步骤（5）中的中子能谱，得到辐射场中的关键核素及其含量，并计算得到γ剂量和中子剂量。
本实施例中：步骤（5）具体为：
将测量得到的中子沉积谱D作为单能中子沉积谱的叠加，表示为，其中i为测量道数，n为单能中子响应矩阵R的能量数，i＞n，通过最小二乘法求解以下超定矩阵，即可计算出入射中子能谱E
，
其中，。
以上所述的具体实施例，对本发明的技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种γ、中子双射线能谱测量装置，其特征在于：包括依次设置的探测器、信号采集处理系统和数据处理系统；
所述探测器为闪烁晶体探测器，其闪烁晶体为CLYC；
所述信号采集处理系统包括依次设置的ADC数字波形采样电路、脉冲形状甄别模块和双通道脉冲成形-幅度甄别-幅度分析模块，其中，
脉冲形状甄别模块：根据γ射线和中子在探测器中发光成分差异造成的波形变化，对γ信号和中子信号进行区分；
双通道脉冲成形-幅度甄别-幅度分析模块：分别从两个通道对γ信号和中子信号脉冲成形、对低于或高于标准幅值的脉冲进行剔除、对信号的幅值进行多道脉冲幅度分析，形成γ沉积谱和中子沉积谱；
所述数据处理系统包括能谱数据处理模块，用于对γ沉积谱和入射中子能谱进行解谱、对关键核素进行识别、计算关键核素的含量和γ、中子剂量；
所述数据处理系统还包括：
数据展示模块，用于显示测量得到的入射中子能谱和γ沉积谱，展示核素识别、核素含量计算及γ、中子剂量计算的结果，并能对能谱数据及计算结果进行存储；
测量控制模块，用于控制谱仪测量开始和结束，调节测量参数；
该γ、中子双射线能谱测量装置的测量方法，包括以下步骤：
(1)构建具备粒子甄别能力的双射线能谱测量装置，模拟单能中子在探测器中的响应，得到单能中子的沉积谱；
(2)计算各个单能沉积谱之间的相似度，选择相似度小于0.8的单能中子沉积谱建立单能中子响应矩阵；
(3)设置测量时长，使用具备粒子甄别能力的双射线能谱测量装置进行测量，探测器探测到射线，产生脉冲信号发送给信号采集系统；
(4)信号采集系统中的ADC数字波形采样电路对脉冲信号进行数字化波形采样，送入脉冲形状甄别模块中判断是γ信号还是中子信号，并经双通道脉冲成形-幅度甄别-幅度分析模块分析并存储，最终得到γ沉积谱和中子沉积谱；
(5)根据中子沉积谱D＝单能中子响应矩阵*入射中子能谱的关系，将测量的中子沉积谱与建立的单能中子响应矩阵相乘，通过最小二乘求解超定矩阵，重建出入射中子能谱；
(6)通过能谱数据处理模块处理测量到的步骤(4)中的γ沉积谱和步骤(5)中的入射中子能谱，得到辐射场中的关键核素及其含量，并计算得到γ剂量和中子剂量；
其中步骤(5)具体为：
将测量得到的中子沉积谱D作为单能中子沉积谱的叠加，表示为其中i为测量道数，n为单能中子响应矩阵R的能量数，i＞n，通过最小二乘法求解以下超定矩阵，即可计算出入射中子能谱E
其中，/>
2.根据权利要求1所述的一种γ、中子双射线能谱测量装置，其特征在于：所述探测器包括依次设置的闪烁晶体、光电倍增管、前置放大电路。
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