CN107416209A - 一种轻型海上无人侦察机便携式放射性核素探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式放射性核素探测装置，其特征在于，该探测器包括，卤素探测器(4)，检测空气中放射性核素的含量；定位装置(8)，收集放射性核素探测装置的位置信息；数据采集装置(7)，记录和存储卤素探测器(4)检测的放射性核素含量信息和定位装置(8)收集的放射性核素探测装置位置信息。所述外壳(1)由轻质材料制成。所述放射性核素探测装置质量较轻，便于安装和拆卸，能够减轻无人机的荷载，扩大了核素探测器的检测探测的时间和范围。

Description

一种轻型海上无人侦察机便携式放射性核素探测装置

技术领域

本发明涉及核技术领域和安全领域，特别涉及一种海上便携式放射性核素探测器。

背景技术

随着核技术在交叉学科、核能利用、工业自动化中、安全检测和核医学成像等领域内的广泛应用，不同类型的探测器在近十多年来有了长足的进步和飞速的发展。目前常用的有气体探测器、闪烁体探测器、半导体探测器和核辐射成像探测器。

核辐射探测器的物理基础是核辐射和物质的相互作用，其中，利用核辐射在气体、液体、固体中的电离效应、发光现象、物理或化学变化进行核辐射探测与测量的元件称为核辐射探测器。核辐射探测器从核辐射能被发现时起，到现在已有一百多年的历史，并随着科学技术的发展、核物理实验和核科学研究的深入、核技术应用领域的扩大，不断发生变化。

福岛核事故发生之后，在受污的染海域进行宽广范围的核物质扩散探测非常有必要。海上环境复杂，面积广阔，因此实际工作中常常采用无人机携带检测装置进行放射性核素的检测。但是，由于海洋环境中水、热、盐、空气的交叉作用，很容易对检测装置产生腐蚀，缩短使用寿命；同时，核辐射探测装置的质量较重，或者卤素探测材料本身较重，导致无人机飞行时间受限，检测面积有限；同时，现有的探测装置灵敏性较差，尤其在海上，空气中成分复杂，检测难度大，现有的探测装置不能及时准确的检测出放射性核素的分布特征及分布含量。

鉴于种种问题，发明一种轻便、耐腐蚀、便于无人机携带的、灵敏检测海上空气中放射性核素的核辐射探测装置，是非常有必要的。

由于上述原因，本发明人对现有的放射性核素探测器进行研究，设计出一种便携式放射性核素探测装置。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种便携式放射性核素探测装置，其包括卤素探测器、数据采集装置和定位装置；其中，所述卤素探测器由外向内依次包括外壳和探测单元。其中，所述外壳由轻质材料制成，其为探测单元提供外部支撑保护，能够有效减轻无人机的荷载，扩大放射性核素探测装置在海面上的探测范围。

具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：

一种便携式放射性核素探测装置，该探测器包括，卤素探测器4，检测空气中放射性核素的含量；定位装置8，收集放射性核素探测装置的位置信息；数据采集装置7，记录和存储卤素探测器4检测的放射性核素含量信息和定位装置8收集的放射性核素探测装置位置信息。

所述卤素探测器4由外向内依次包括防腐蚀层2、外壳1、屏蔽层3和探测单元6；

其中，所述外壳1为卤素探测器4提供外部支撑和保护；其由轻质金属材料制成，所述轻质金属材料包括选自铝氢材料、镁硅合金和锂镁合金中的一种或多种；优选所述外壳1由锂镁合金制成，更优选锂镁合金中锂的含量为8-25％。

所述防腐蚀层2防止外壳1被腐蚀，其由无机材料制成，所述材料选自纳米碳酸钙-二氧化硅复配材料、纳米氧化锌、纳米氧化硅-二氧化硅复配材料和纳米氧化钼材料，优选使用纳米氧化硅-二氧化硅复配材料喷涂制备防腐层2。所述防腐蚀层2的厚度为1-4mm。

所述屏蔽层3屏蔽卤素探测器4内的射线辐射，其由具有中子俘获能力的材料制备，优选使用含硼的钢质材料或铅质材料制成。所述屏蔽层3的厚度为0.5-2mm。

所述屏蔽层3的外周任选的设置有防腐蚀层。

所述卤素探测器4中探测单元6包括卤素探测源，所述卤素探测源中添加有的轻质金属材料，优选添加有占卤素探测源10总质量的2-5％的锂镁合金；

所述卤素探测源10在探测单元6内沿探测装置延伸方向均匀分布。

本发明还提供了一种上述便携式放射性核素探测装置的用途，其可以用于海上放射性核素探测。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)本发明提供的便携式放射性核素探测装置采用了质量较轻的材料制备，因而减轻了探测装置的质量，与相同体积的探测装置相比，质量可以减轻到15％以上；

(2)本发明提供的便携式放射性核素探测装置质量较轻，便于安装和拆卸，能够减轻无人机的荷载，扩大了核素探测器的检测探测的时间和范围；

(3)本发明提供的便携式放射性核素探测装置设置有防腐蚀层，能够有效提高装置在海域上的抗腐蚀能力；

(4)本发明中，卤素探测源中添加了其总质量2-5％的轻质材料，使其体积增大，同时不过于增加探测器的质量；将卤素探测源设置为立体结构并进行空间排列分布，有效扩充了辐射探测的容积范围，使探测效果更加灵敏准确。

(5)本发明提供的装置能够快速准确的检测出海洋中放射性核素的分布特征及分布含量，为海洋发生放射性物质核素扩散之后提供准确的救援和隔离措施参考。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的放射性核素探测装置的结构示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的放射性核素探测装置的卤素探测器示意图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的放射性核素探测装置的卤素探测器横截面示意图；

图4示出根据本发明一种优选实施方式的放射性核素探测装置的卤素探测器的内部结构示意图。

附图标号说明：

1-外壳

2-防腐层

3-屏蔽层

4-卤素探测器

5-探测源入口

6-探测单元

7-数据采集装置

8-定位装置

9-电极

10-卤素探测源

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

根据本发明提供的一种便携式放射性核素探测装置，如图1所示，该探测装置包括卤素探测器4、数据采集装置7和定位装置8；其中，卤素探测器4能够检测空气中放射性核素的含量；定位装置8能够不断收集放射性核素探测装置的位置信息；数据采集装置7通过数据连输不断记录和存储卤素探测器4检测的放射性核素信息和定位装置8收集的装置位置信息。

其中，所述卤素探测器4由外向内依次包括防腐蚀层2、外壳1、屏蔽层3和探测单元6，外壳1为探测单元6提供外部支撑和保护。

所述外壳1由轻质金属材料制成，例如可以使用铝氢材料、镁硅合金和锂镁合金；在一种优选的实施方式中，所述外壳1由锂镁合金制成，更优选锂镁合金中锂的含量为8-25％，例如为15-19％。

在镁中添加以锂为主的添加元素，即形成了锂镁合金。锂镁合金是世界上最轻的金属结构材料，具有良好的导热、导电、延展性；锂镁合金的使用，保证了合金材料既具有较高的加工强度，又能够减轻放射性核素探测装置的重量。

本发明中，锂镁合金的使用能够有效减轻装置的质量，例如，研究发现当使用锂镁合金中金属锂的含量在16.5％时，使用了锂镁合金外壳1的放射性核素探测装置与相同体积的探测装置相比，重量能够减轻15％以上。

在本发明提供的放射性核素检测装置中，在一种更优选的实施方式中，如图2所示，在所述外壳1的最外层涂布有防腐蚀层2，所述防腐蚀层2能够防止外壳1受到腐蚀，尤其是在海上环境时，能够防止外壳1受到海风、水汽、阳光或盐造成的腐蚀磨损，从而延长装置的使用寿命。

所述防腐蚀层2由无机材料制成，优选使用纳米无机材料制成，这样在喷涂的过程中，材料粒子之间的空隙非常小，不必喷涂过厚即可达到防腐的效果。相较于普通涂料而言，使用纳米材料或含有纳米级别的材料，喷涂厚度会明显变小，减轻了放射性核素检测装置的重量。

所述纳米材料可以选自纳米碳酸钙-二氧化硅复配材料、纳米氧化锌、纳米氧化硅-二氧化硅复配材料和纳米氧化钼材料；优选使用纳米氧化硅-二氧化硅复配材料喷涂形成防腐层2，更优选所述纳米氧化硅-二氧化硅复配材料为复合粉体，其由多种纳米颗粒材料物理混合而成。

在一种优选的实施方式中，所述防腐层2中纳米颗粒的间隙为5-20nm；更优选所述防腐蚀层2的厚度为1-4mm，这样能够形成完整的、性能良好的防腐蚀层2。

在放射性核素探测器装置上喷涂具有防腐蚀作用的纳米颗粒涂层之后，可以提高放射性核素探测器在海域上的抗腐蚀能力；同时还能有助于提高外壳的坚固程度。

研究发现，喷涂防腐蚀纳米颗粒涂层之后，对比未喷涂纳米防腐蚀颗粒涂层的探测器，其耐腐蚀时间提高了22％-35％。

在外壳1的内侧是探测单元6，所述探测单元6能够探测空气中的放射性核素。探测单元6包括卤素探测源10和电极9，卤素探测源10经探测源入口5以扩散方式直接与环境中被测气体反应，通过电化学传感器的电极产生线性电压信号，并由多块集成电路构成的电路将信号放大，经过转换，输出到数据采集装置7进行收集。

所述卤素探测源10中包含有氟、氯、溴、碘和砹元素，由于探测源元素种类多，其化学性质和半衰期都各不相同，因此，使得对放射性核素的检测更加敏感和准确。

为保障探测单元6本身具有的放射性不对操作人员和外部仪器设备造成辐射伤害，有必要对其进行相应的屏蔽操作。

本发明中，在所述探测单元6外周，或者外壳1的内侧，还设置有屏蔽层3。在一种优选的实施方式中，如图3所示，所述屏蔽层3在探测单元6的外周和外壳1的内侧；这样，能够保障外壳1不受探测单元6的辐射物质的辐射损害。

为实现较好的屏蔽效果，所述屏蔽层3由含有较大中子俘获截面元素的材料制备，一般由含硼的钢质材料或铅质材料制成；例如由含浓缩硼-10的钢质材料或铅质材料制成。

优选的，所述屏蔽层3的厚度为0.5-2mm，可以有效防止探测单元6内辐射物质的外泄，提高放射性核素探测装置的使用安全性，同时延长了外壳1的使用寿命；另外不过于增加探测装置的重量。

任选的，在所述屏蔽层3的外层设置有防腐蚀层，所述防腐蚀层的材料和厚度可以与外壳1外周的防腐蚀层相同，也可以根据不同需求进行适应性改变。

本发明提供的放射性核素探测装置中，卤素探测器4中，探测单元6内还添加了轻质材料，优选添加有2-5％的锂镁合金。

优选的，在卤素探测源10中添加有卤素探测源总质量2-5％的轻质材料，通过添加一定量的轻质材料，使得探测单元6的质量不过于增加，但体积却增加很多；

另外，如图4中所述，将所述卤素探测源10设置为长方体或立方体形状，并均匀分布在电极9之间，通过卤素探测源10的立体结构和在沿探测装置延伸方向形成的长方体或类长方体形的空间内均匀排列分布，使其有效扩充了辐射探测的容积范围，从而提高了探测单元6的探测灵敏度。

本发明提供的放射性核素探测装置能够检测碘-131、锑-124、锆-95、锝-99、钴-58、锌-65等放射性元素。

在一种更优选的实施方式中，所述装置还可以设有信息收集装置，其通过光电信号电缆与卤素探测器4进行连接和数据传输，所述信息收集装置包括数据采集装置7和定位装置8；

其中，定位装置8为全球卫星定位连接系统装置，可以精确记录地球探测海洋领域的经度和纬度等地理信息；定位装置8可以使用本领域中常用仪器或装置。

数据采集装置7为实时数据收集装置，可以详细记录所检测到的放射性核素的含量浓度和定位装置8的参数信息；定位装置8可以使用本领域中常用仪器或装置。

通过设置信息收集装置，能够有效收集海洋上空领域的核素放射性物质的浓度分布信息，进而判断评估海洋上方空气的污染情况，并采取相应的措施。

本发明的另一个目的是提供了以上放射性核素探测装置的用途，将所述装置固定于飞行器，例如无人机上时，能够用于海上放射性核素的探测。

由于本发明提供的装置质量较轻，因而，当使用无人机对海域进行探测时，将探测装置安装在无人机上，不仅便于安装和拆卸，还能够降低无人机的荷载重量，增加无人机海上持续飞行时间，扩大放射性核素探测侦查的海域范围。

同时，由于卤素探测器4中也添加了适量的轻质材料，特别是添加了2-5％的锂镁合金后，卤素探测器4的灵敏度和准确性大幅提高，能够快速准确的检测出海洋中放射性核素的分布特征及分布含量，为海洋发生放射性物质核素扩散之后提供准确的救援和隔离措施参考。

实施例1

本发明提供的放射性核素探测器中，由外向内依次为防腐蚀层、外壳、屏蔽层和探测单元；其中，防腐蚀层由纳米氧化硅-二氧化硅复配材料喷涂在外壳外周而成，防腐蚀层的厚度为2.5mm；外壳为含锂16.5％的锂镁合金；屏蔽层为含浓缩硼-10的钢质材料制成，其厚度为1.2mm；探测单元内，卤素探测源添加了卤素探测源总质量4％的含锂16.5％的锂镁合金，并将卤素探测源设置为长方体并均匀排列。

利用上述放射性核素探测器探测放射性核素碘-131，研究发现，相较现有技术中的核辐射探测器相比，探测器单位体积内的质量减轻了12.8％；另外，其灵敏度相较现有技术提高了7.2％。

同时，对比未喷涂纳米防腐蚀颗粒涂层的探测器，其耐腐蚀时间提高了29％。

本发明提供的放射性核素探测装置达到了改善探测灵敏度及减轻质量的效果。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前”“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种便携式放射性核素探测装置，其特征在于，该探测器包括，卤素探测器(4)，检测空气中放射性核素的含量；

定位装置(8)，收集放射性核素探测装置的位置信息；

数据采集装置(7)，记录和存储卤素探测器(4)检测的放射性核素含量信息和定位装置(8)收集的放射性核素探测装置位置信息。

2.根据权利要求1所述的放射性核素探测装置，其特征在于，所述卤素探测器(4)由外向内依次包括防腐蚀层(2)、外壳(1)、屏蔽层(3)和探测单元(6)；

其中，所述外壳(1)为卤素探测器(4)提供外部支撑和保护；其由轻质金属材料制成，所述轻质金属材料包括选自铝氢材料、镁硅合金和锂镁合金中的一种或多种；

优选所述外壳(1)由锂镁合金制成，更优选锂镁合金中锂的含量为8-25％。

3.根据权利要求1或2所述的放射性核素探测装置，其特征在于，所述防腐蚀层(2)防止外壳(1)被腐蚀，其由无机材料制成，所述材料选自纳米碳酸钙-二氧化硅复配材料、纳米氧化锌、纳米氧化硅-二氧化硅复配材料和纳米氧化钼材料，优选使用纳米氧化硅-二氧化硅复配材料喷涂制备防腐层(2)。

4.根据权利要求3所述的放射性核素探测器，其特征在于，所述防腐蚀层(2)的厚度为1-4mm。

5.根据权利要求1-4之一所述的放射性核素探测装置，其特征在于，所述屏蔽层(3)屏蔽卤素探测器(4)内的射线辐射，其由具有中子俘获能力的材料制备，优选使用含硼的钢质材料或铅质材料制成。

6.根据权利要求5所述的放射性核素探测装置，其特征在于，所述屏蔽层(3)的厚度为0.5-2mm。

7.根据权利要求1-6之一所述的放射性核素探测装置，其特征在于，所述屏蔽层(3)的外周任选的设置有防腐蚀层。

8.根据权利要求1-7之一所述的放射性核素探测装置，其特征在于，所述卤素探测器(4)中，探测单元(6)内的卤素探测源(10)中添加有轻质金属材料，优选添加有占卤素探测源(10)总质量2-5％的锂镁合金；

所述卤素探测源(10)在探测单元(6)内沿探测装置延伸方向均匀分布。

9.一种权利要求1-8之一所述放射性核素探测装置用于海上空气中放射性核素探测的用途。