CN107765287B - 一种核泄漏探测仪及其探测污染源的方法 - Google Patents

一种核泄漏探测仪及其探测污染源的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种核泄漏探测仪，包括镜头和机身；机身内依次设有光反射镜、编码模板、真空腔、光纤锥、第二图像传感器，以及镜片组、第一图像传感器、供电模块、工控模块、数据采集模块和显示屏；镜片组位于光反射镜上方，第一图像传感器位于镜片组上方；真空腔包括设置在编码模板与光纤锥之间的金属壳，设置在金属壳一侧并靠近编码模板的钛窗，设置在金属壳另一侧并靠近光纤锥的荧光屏，以及均设置在金属壳内并由钛窗往荧光屏方向分布的光阴极和微通道板。本发明以一种新的探测方式，可实现对核污染源的高效率探测，提高放射源位置显示的精确度，从而满足实际的核污染处理需要。

Description

一种核泄漏探测仪及其探测污染源的方法
技术领域
本发明涉及核污染/核泄漏处理技术领域，具体涉及的是一种核泄漏探测仪及其探测污染源的方法。
背景技术
随着人类对能源的需求增加、煤等自然资源的减少和核能技术的进步，核电逐渐成为人们的必选项。而核泄漏和核污染也逐渐成为头上的乌云，切尔诺贝利事件和福岛核电站事件时时警醒着大家。
核污染和核泄漏的放射污染存续时间长，对人和野生动物的影响无声无息，并且更为可怕是污染源位置难以发现，目前常用的探测手段为康普顿相机，其对污染源(主要是Cs-137：662keV和I-131：364keV)的探测效率仅为0.16～2.8cps/MBq，不仅探测效率低下，难以满足实际的探测及放射源位置高精度确定的需求，而且价格昂贵(约$667,000)。
因此，有必要设计一种高探测率的核污染源探测装置。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种核泄漏探测仪及其探测污染源的方法，可实现对核污染源的高效率探测，提高放射源位置显示的精确度，从而满足实际的核污染处理需要。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种核泄漏探测仪，包括相互连接的镜头和机身；所述机身内依次设有光反射镜、编码模板、真空腔、光纤锥、第二图像传感器，以及镜片组、第一图像传感器、供电模块、工控模块、数据采集模块和显示屏；所述光反射镜靠近镜头；所述镜片组位于光反射镜上方，所述第一图像传感器位于镜片组上方；所述真空腔包括设置在编码模板与光纤锥之间的金属壳，设置在金属壳一侧并靠近编码模板的钛窗，设置在金属壳另一侧并靠近光纤锥的荧光屏，以及均设置在金属壳内并由钛窗往荧光屏方向分布的光阴极和微通道板；所述供电模块分别与第一图像传感器、第二图像传感器、光阴极、微通道板、荧光屏、工控模块、数据采集模块连接；所述数据采集模块分别与第一图像传感器、第二图像传感器和工控模块连接；所述工控模块还与显示屏连接。
具体地说，所述光阴极包括阴极基底，以及多个设置在阴极基底上并使阴极基底呈现出蜂窝状的阴极通道；所述阴极通道与阴极基底法线之间的夹角为0.1°-15°，并且每个阴极通道内壁上均设有碱金属镀层。
进一步地，本发明还包括设置在机身底部的可拆卸三脚架。
作为优选，所述第一图像传感器、第二图像传感器均为CCD或CMOS。
作为优选，所述碱金属镀层为金属Na镀层或金属K镀层。
基于上述探测仪的结构，本发明还提供了该探测仪探测污染源的方法，包括以下步骤：
(1)供电模块分别为光阴极、微通道板各自的两端以及荧光屏加载电压；
(2)可见光及核污染辐射经镜头射入至机身内；
(3)可见光经光反射镜反射至镜片组，并经镜片组聚焦后由第一图像传感器采集；并且核污染辐射中的γ射线穿透镜头和光反射镜投射至编码模板上；
(4)第一图像传感器将采集的数据传输至数据采集模块进行处理和存储；而γ射线则由编码模板进行编码后经钛窗进入至真空腔内；
(5)编码后的γ射线由光阴极接收，并转化为电子信号，然后在加载于光阴极上的电压作用下进行初步增益，获得电子束；
(6)初步增益后的电子束在加载于微通道板上的电压作用下进行二次增益；
(7)二次增益后的电子束在电场作用下加速并撞击荧光屏，转换为可见光信号；
(8)可见光信号经光纤锥缩放并耦合到第二图像传感器上；
(9)第二图像传感器将耦合的信号传输至数据采集模块上进行解码，获得图像数据；
(10)数据采集模块将图像数据与步骤(4)中存储的图像数据一并传输至工控模块中进行数据叠加处理；
(11)工控模块将叠加处理后的信息传输至显示屏，从而将放射源的位置信息进行显示。
具体地说，所述步骤(5)包括以下步骤：
(5a)编码后的γ射线照射阴极基底发生光电效应，产生初级电子；
(5b)初级电子进入阴极通道，并电离阴极通道内壁上的碱金属镀层，产生低能二级电子；
(5c)低能二级电子在加载于光阴极上的电压作用下，于阴极通道内产生雪崩放大，形成电子束。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明根据核污染辐射中γ射线的特性，通过设置镜片组、光反射镜、第一图像传感器，结合数据采集模块，可将可见光和核污染辐射中的γ射线分开，并实现对可见光的采集；而通过设置编码模板、真空腔、光纤锥、第二图像传感器，结合数据采集模块和工控模块，则可以实现对γ射线进行编码、转化为电子束、增益、转化为可见光信号进行采集、图像数据叠加图像，最终精确地显示出放射源的位置信息。本发明的探测方式相当新颖，经试验表明，其对污染源(主要是Cs-137：662keV和I-131：364keV)的探测效率可以达到为1000～10000cps/MBq，完全满足了核污染前期探测的需求，进而方便了后续对核污染/核泄漏的精准处理工作。
(2)本发明采用阴极基底+蜂窝状阴极通道+内壁碱金属镀层的方式，当γ射线照射至阴极基底时，由于蜂窝状的阴极通道和阴极通道与阴极基底法线之间的夹角设计的关系，γ射线与阴极基底充分发生光电效应，产生高能初级电子，高能初级电子穿越蜂窝状的相邻阴极通道之间的“墙壁厚度”到达各个阴极通道内，然后电离阴极通道内壁上的碱金属镀层，产生低能二级电子，所产生的二级电子在阴极通道内经过雪崩放大后传出，如此一来，由于二级电子能散极小，因而在经微通道板二次增益后，更容易被加速撞击荧光屏，从而全部转换为可见光信号。
(3)本发明采用可拆卸三脚架对机身进行支撑，支撑稳定，且可以方便拆装和运输，提高了探测仪的工作便利性。
(4)本发明结构简单、成本低廉、实用性强，适于在核污染、核泄漏前期检测方面大规模推广应用。
附图说明
图1为本发明的外部结构示意图。
图2为本发明的原理示意图。
图3为本发明中光阴极的结构示意图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-镜头，2-机身，3-可拆卸三脚架，4-光反射镜，5-镜片组，6-第一图像传感器，7-编码模板，8-钛窗，9-金属壳，10-光阴极，101-阴极基底，102-阴极通道，103-碱金属镀层，11-微通道板，12-荧光屏，13-光纤锥，14-第二图像传感器，15-供电模块，16-工控模块，17-数据采集模块，18-显示屏。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1、2所示，本发明提供了一种核泄漏探测仪，用于实现对核污染材料的探测，便于进一步的核污染/核泄漏处理工作。本发明结构上包括相互连接的镜头1和机身2，以及设置在机身2底部的可拆卸三脚架3。所述机身内依次设有光反射镜4、编码模板7、真空腔、光纤锥13、第二图像传感器14，以及镜片组5、第一图像传感器6、供电模块15、工控模块16、数据采集模块17和显示屏18。所述数据采集模块17分别与第一图像传感器6、第二图像传感器14和工控模块16连接；所述工控模块16还与显示屏18连接。
所述镜头用于实现可见光及核污染辐射射线的第一次聚焦，所述光反射镜4靠近镜头1，用于实现对可见光的反射(核污染辐射射线由于γ射线的强穿透性而不会被光反射镜阻挡)。所述镜片组5位于光反射镜4上方，用于实现对可见光的第二次聚焦。所述第一图像传感器6位于镜片组上方，用于采集聚焦后的可见光。
所述真空腔用于对核污染辐射射线的处理，然后经由光纤锥缩放后耦合到第二图像传感器14上。该真空腔包括设置在编码模板7与光纤锥13之间的金属壳9，设置在金属壳一侧并靠近编码模板的钛窗8，设置在金属壳另一侧并靠近光纤锥的荧光屏12，以及均设置在金属壳内并由钛窗往荧光屏方向分布的光阴极10和微通道板11(MCP)。所述供电模块15分别与第一图像传感器6、第二图像传感器14、光阴极10、微通道板11、荧光屏12、工控模块16、数据采集模块17连接。
本发明采用独立自主设计的光阴极，用于实现对核污染辐射中γ射线的转化及初步增益，如图3所示，该光阴极包括阴极基底101(厚度0.3-30mm)，以及多个设置在阴极基底101上并使阴极基底呈现出蜂窝状的阴极通道102。每个阴极通道102内壁上均设有碱金属镀层103(金属Na镀层或金属K镀层)。
下面对本发明探测核污染源的具体过程进行介绍。
首先，由供电模块分别为光阴极、微通道板各自的两端以及荧光屏加载电压，形成五个平行电势面。而后，可见光及核污染辐射经镜头聚焦后射入至机身2内。射入机身2内的可见光经光反射镜4反射至镜片组5，并经镜片组5聚焦后由第一图像传感器6采集；同时，核污染辐射中的γ射线穿透光反射镜4投射至编码模板7上。
接着，第一图像传感器6将采集的数据传输至数据采集模块17进行处理和存储。而γ射线则由编码模板进行编码后经钛窗进入至真空腔内。本实施例中的编码模板7可采用随机阵列孔型、非冗余阵列孔型、均匀冗余阵列孔型几种类型。
编码后的γ射线由光阴极10接收，并转化为电子信号，然后进行初步增益，获得电子束；其具体过程如下：
编码后的γ射线照射阴极基底发生光电效应，产生初级电子。产生初级电子后，初级电子进入阴极通道101内，电离阴极通道102内壁上的碱金属镀层103，产生低能二级电子，本实施例中，为了防止γ射线光子没有与阴极基底101作用而直接从阴极通道102内穿出，本发明每个阴极通道与阴极基底101法线之间的夹角均为0.1°-15°，并且该夹角越小，入射的γ射线的位置与雪崩电子输出的位置越一致。如此一来，当初级电子电离产生低能二级电子后，在加载于光阴极两端的电压作用下产生雪崩放大(初步增益)，形成电子束。
再接着，初步增益后的电子束在加载于微通道板11两端的电压作用下进行二次增益。而后，在电场作用下，二次增益后的电子束在金属壳3内加速并撞击荧光屏12，转换为可见光信号。可见光信号经光纤锥13缩放并耦合到第二图像传感器14上。第二图像传感器14则将耦合的信号传输至数据采集模块17上进行解码，获得图像数据。本发明中的第一图像传感器6、第二图像传感器14均采用CCD或CMOS。
获得图像数据后，数据采集模块将图像数据与之前由第一图像传感器6传输并存储的图像数据一并传输至工控模块16中进行数据叠加处理，然后工控模块16将信息传输至显示屏18显示。如此一来，便可将放射源的位置信息显示出来，从而便于后续对核污染/核泄漏的处理工作。
本发明通过合理的结构及流程设计，以一种新的探测方式，大幅提高了对污染源的探测效率；同时，因本发明结构设计简单，因而制造成本方面，也比康普顿相机的制造成本低廉。因此，本发明相比现有技术来说，技术进步十分明显，具有突出的实质性特点和显著的进步。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种核泄漏探测仪，其特征在于，包括相互连接的镜头（1）和机身（2）；所述机身内依次设有光反射镜（4）、编码模板（7）、真空腔、光纤锥（13）、第二图像传感器（14），以及镜片组（5）、第一图像传感器（6）、供电模块（15）、工控模块（16）、数据采集模块（17）和显示屏（18）；所述光反射镜（4）靠近镜头（1）；所述镜片组（5）位于光反射镜（4）上方，所述第一图像传感器（6）位于镜片组上方；所述真空腔包括设置在编码模板（7）与光纤锥（13）之间的金属壳（9），设置在金属壳一侧并靠近编码模板的钛窗（8），设置在金属壳另一侧并靠近光纤锥的荧光屏（12），以及均设置在金属壳内并由钛窗往荧光屏方向分布的光阴极（10）和微通道板（11）；所述供电模块（15）分别与第一图像传感器（6）、第二图像传感器（14）、光阴极（10）、微通道板（11）、荧光屏（12）、工控模块（16）、数据采集模块（17）电连接；所述数据采集模块（17）分别与第一图像传感器（6）、第二图像传感器（14）和工控模块（16）连接；所述工控模块（16）还与显示屏（18）连接；
所述光阴极（10）包括阴极基底（101），以及多个设置在阴极基底（101）上并使阴极基底呈现出蜂窝状的阴极通道（102）；所述阴极通道（102）与阴极基底（101）法线之间的夹角为0.1°-15°，并且每个阴极通道（102）内壁上均设有碱金属镀层（103）；
所述编码模板（7）采用随机阵列孔型、非冗余阵列孔型或均匀冗余阵列孔型。
2.根据权利要求1所述的一种核泄漏探测仪，其特征在于，还包括设置在机身（2）底部的可拆卸三脚架（3）。
3.根据权利要求1或2所述的一种核泄漏探测仪，其特征在于，所述第一图像传感器（6）、第二图像传感器（14）均为CCD或CMOS。
4.根据权利要求3所述的一种核泄漏探测仪，其特征在于，所述碱金属镀层（103）为金属Na镀层或金属K镀层。
5.一种核泄漏探测仪探测污染源的方法，其特征在于，采用如权利要求1~4任一项所述的核泄漏探测仪，包括以下步骤：
（1）供电模块分别为光阴极、微通道板各自的两端以及荧光屏加载电压；
（2）可见光及核污染辐射经镜头射入至机身内；
（3）可见光经光反射镜反射至镜片组，并经镜片组聚焦后由第一图像传感器采集；并且核污染辐射中的γ射线穿透镜头和光反射镜投射至编码模板上；
（4）第一图像传感器将采集的数据传输至数据采集模块进行处理和存储；而γ射线则由编码模板进行编码后经钛窗进入至真空腔内；
（5）编码后的γ射线由光阴极接收，并转化为电子信号，然后在加载于光阴极上的电压作用下进行初步增益，获得电子束；
（6）初步增益后的电子束在加载于微通道板上的电压作用下进行二次增益；
（7）二次增益后的电子束在电场作用下加速并撞击荧光屏，转换为可见光信号；
（8）可见光信号经光纤锥缩放并耦合到第二图像传感器上；
（9）第二图像传感器将耦合的信号传输至数据采集模块上进行解码，获得图像数据；
（10）数据采集模块将图像数据与步骤（4）中存储的图像数据一并传输至工控模块中进行数据叠加处理；
（11）工控模块将叠加处理后的信息传输至显示屏，从而将放射源的位置信息进行显示。
6.根据权利要求5所述的一种核泄漏探测仪探测污染源的方法，其特征在于，所述步骤（5）包括以下步骤：
（5a）编码后的γ射线照射阴极基底发生光电效应，产生初级电子；
（5b）初级电子进入阴极通道，并电离阴极通道内壁上的碱金属镀层，产生低能二级电子；
（5c）低能二级电子在加载于光阴极上的电压作用下，于阴极通道内产生雪崩放大，形成电子束。
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