CN108802792B - 放射性惰性气体的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种放射性惰性气体的测量装置及方法，其中，该装置包括：信号探测设备，用于检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生的β电脉冲信号，检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生的γ电脉冲信号；信号采集处理设备，实时采集β电脉冲信号和γ电脉冲信号，根据β电脉冲信号和γ电脉冲信号判断是否发生了β衰变和γ衰变的级联衰变，根据γ电脉冲信号生成γ谱线；计算设备，用于在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值。该方案可以提高放射性惰性气体测量结果的准确、可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及环境放射性监测技术领域，特别涉及一种放射性惰性气体的测量装置及方法。
背景技术
核设施在运行过程中，可能释放出放射性核素并向大气中扩散，危害环境安全及人员健康。其中，由于燃料包壳破损或堆芯区域物质吸收中子活化，可能产生放射性惰性气体，其监测对于保障核设施的运行安全及环境人员健康具有十分重要的意义。
放射性惰性气体是核设施环境评价的重要监测源项。源项报告是核电站环境影响评价的基础。根据环境影响评价要求，惰性气体是核电站重要的气态流出物的组成部分，核电站反应堆运行时，所排放惰性气体的放射性剂量占总气态流出物排放剂量的99％以上，烟囱气态流出物监测计划中，放射性惰性气体监测为常规监测，是重要的监测源项。
放射性惰性气体核素是核设施运行安全的重要预警信息。核裂变过程中，重核原子经中子撞击后，分裂成为两个较轻的原子，这就是最初的裂变产物。如85Kr及其同位素，作为核反应堆裂变过程中产生的最主要的惰性气体裂变产物，最先释放出来，是重要的核燃料组件破损预警信息，对于核设施安全监测、判断事故类型具有重要意义。
目前，我国不同的核电厂对放射性惰性气体具有不同的监测能力，对于低于探测限的相关测量结果按探测限的二分之一取值，结果具有很大的不确定性，探测限较高是我国核电厂统计的排放量偏高的可能因素之一。我国多年运行的核电基地主要是江苏省田湾、浙江省秦山和广东省大亚湾三个核电基地放射性惰性气体监测能力状况分别如表1所示。
表1
其中：田湾采用的探测器为ORTEC公司GEM45P4高纯锗谱仪，样品量为3L，测量时间为5000s。秦山核电厂取样体积为7.6L、7.8L，测量时间分别为3000、5000、3600s，测量仪器分别为ADCAM-100型DSPECPLUS型、DSPEC型、HpGe多道伽马谱仪。大亚湾采用探测器为LAL2谱仪，取样体积为3L专用钢瓶，测量时间为5000s。
目前，放射性惰性气体主要采用电离室测量的方式，从水平烟道中引出三条取样管线至辐射监测室，通过设置在每条管线的惰性气体探测器，采用β测量方法连续监测排气给出总β活度，无法具体甄别41Ar、85Ke、133Xe等关键核素，甚至该β衰变是否为放射性惰性气体产生，还是由其他天然放射性核素产生都无法辨别。或利用增压泵的方式将烟囱取样惰性气体打到一定体积的不锈钢取样罐中，取样后将不锈钢取样罐拿到实验室高纯锗谱仪进行γ核素活度分析，虽然提高了惰性气体的监测能力，但是，γ测量容易受其他核素干扰，且需要经采样制样流程后，送实验室进行高纯锗测量，费工费时，不利于及时发现环境异常。我国核电厂对于流出物中的85Kr监测采取样品γ谱仪分析的方法，其探测限较高，为1.0×102Bq/m3，与欧盟建议书2004/2/EURATOM中对于轻水反应堆流出物中的85Kr的探测限要求值1.0×10-4Bq/m3相差非常大。同时，无论是采用电离室测量总β衰变还是经复杂制样送实验室进行高纯锗探测器测量γ衰变，所利用的是单一的β衰变或单一的γ衰变，使得影响测量结果的准确、可靠性。
发明内容
本发明实施例提供了一种放射性惰性气体的测量装置，以解决现有技术中放射性惰性气体测量结果的准确、可靠性低的技术问题。该装置包括：信号探测设备，用于检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生的β电脉冲信号，检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生的γ电脉冲信号；信号采集处理设备，与所述信号探测设备连接，用于实时采集所述β电脉冲信号和所述γ电脉冲信号，根据所述β电脉冲信号和所述γ电脉冲信号判断是否发生了β衰变和γ衰变的级联衰变，根据所述γ电脉冲信号生成γ谱线；计算设备，与所述信号采集设备连接，用于在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与所述γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值。
在一个实施例中，所述信号探测设备，包括：测量室，所述测量室为封闭腔体，所述测量室的侧壁的内侧设置有光导层，所述测量室的侧壁上设置有入口管道和出口管道；抽气设备，与所述出口管道连接，在所述抽气设备启动时，待测试气体样品由所述入口管道进入所述测量室；β探测晶体，所述β探测晶体设置在所述光导层上，用于在所述测量室内的待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生β射线时，所述β探测晶体与β射线相互作用产生β光脉冲信号；所述光导层，用于传输所述β光脉冲信号；第一光电倍增管，所述第一光电倍增管的第一端设置在所述测量室的侧壁内与所述光导层连接，所述第一光电倍增管的第二端延伸到所述测量室的侧壁外，用于接收所述光导层传输的所述β光脉冲信号，将所述β光脉冲信号转换为β电脉冲信号；γ探测晶体，所述γ探测晶体设置在所述测量室的腔体内，用于在所述测量室内的待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生γ射线时，所述γ探测晶体与γ射线相互作用产生γ光脉冲信号；第二光电倍增管，所述第二光电倍增管的第一端与所述γ探测晶体连接，所述第二光电倍增管的第二端延伸到所述测量室的侧壁外，用于接收所述γ光脉冲信号，将所述γ光脉冲信号转换为γ电脉冲信号；前置放大器，所述前置放大器的输入端与所述第二光电倍增管的第二端连接，用于对所述γ电脉冲信号进行放大处理。
在一个实施例中，所述信号探测设备，还包括：反射层、遮光层以及屏蔽层，由内向外依次设置在所述光导层的外侧。
在一个实施例中，所述信号采集处理设备，包括：快速模数转换器，与所述第一光电倍增管的第二端连接，用于将所述β电脉冲信号由模拟形式转换为数字形式的β电脉冲信号；第一数据采集单元，与所述快速模数转换器连接，用于采集并记录数字形式的β电脉冲信号的基线数据、脉冲幅度以及接收到所述数字形式的β电脉冲信号的第一时刻；第一多道分析器，与所述第一数据采集单元连接，用于根据所述数字形式的β电脉冲信号的脉冲幅度生成β谱线；慢速模数转换器，与所述前置放大器的输出端连接，所述快速模数转换器与所述慢速模数转换器的时钟同步，所述慢速模数转换器用于将处理后的γ电脉冲信号由模拟形式转换为数字形式的γ电脉冲信号；第二数据采集单元，与所述慢速模数转换器连接，用于采集并记录数字形式的γ电脉冲信号的基线数据、脉冲幅度以及接收到所述数字形式的γ电脉冲信号的第二时刻；第二多道分析器，与所述第二数据采集单元连接，用于根据所述数字形式的γ电脉冲信号的脉冲幅度生成γ谱线；时间比较模块，与所述第二数据采集单元和所述第一数据采集单元连接，用于比较所述第一时刻和所述第二时刻的大小，在所述第一时刻和所述第二时刻满足以下公式时，判断发生β衰变和γ衰变的级联衰变：tγ-Δt＜tβ＜tγ，其中，tγ为所述第二时刻；tβ为所述第一时刻；Δt为时间窗宽度；所述计算设备，包括：刻度校准模块，用于将所述γ谱线转换为该γ谱线道址对应的能量；活度计算模块，用于在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与γ谱线道址对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值，其中，该预设条件为EI-ΔE＜Eγ＜EI+ΔE，其中，所述EI为该放射性惰性气体核素的特征能量，Eγ为γ谱线道址对应的能量，ΔE为预设能量波动值。
在一个实施例中，所述活度计算模块具体根据以下公式计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值：其中，C为该放射性惰性气体核素的活度的浓度值；N为满足发生β衰变和γ衰变的级联衰变且该放射性惰性气体核素的特征能量与所述γ谱线对应的能量满足预设条件的γ脉冲的个数；ε为所述β探测晶体对β射线的探测效率与所述γ探测晶体对γ射线的探测效率的乘积；t为测量时间；Vstd为标准状况下的采样量。
本发明实施例还提供了一种放射性惰性气体的测量方法，以解决现有技术中放射性惰性气体测量结果的准确、可靠性低的技术问题。该方法包括：检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生的β电脉冲信号，检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生的γ电脉冲信号；根据所述β电脉冲信号和所述γ电脉冲信号判断是否发生了β衰变和γ衰变的级联衰变，根据所述γ电脉冲信号生成γ谱线；在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与所述γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值。
在一个实施例中，检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生的β电脉冲信号，检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生的γ电脉冲信号，包括：设置测量室，所述测量室为封闭腔体，所述测量室的侧壁的内侧设置有光导层，所述测量室的侧壁上设置有入口管道和出口管道，在所述出口管道上设置抽气设备，在所述抽气设备启动时，使得待测试气体样品由所述入口管道进入所述测量室；设置β探测晶体，所述β探测晶体设置在所述光导层上，在所述测量室内的待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生β射线时，所述β探测晶体与β射线相互作用产生β光脉冲信号；在所述光导层处接收该光导层传输的β光脉冲信号之后，将所述β光脉冲信号转换为β电脉冲信号；设置γ探测晶体，所述γ探测晶体设置在所述测量室的腔体内，在所述测量室内的待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生γ射线时，所述γ探测晶体与γ射线相互作用产生γ光脉冲信号；在所述测量室的腔体内，接收γ光脉冲信号，将所述γ光脉冲信号转换为γ电脉冲信号；设置前置放大器，对所述γ电脉冲信号进行放大处理。
在一个实施例中，还包括：在所述光导层的外侧，由内向外依次设置有反射层、遮光层以及屏蔽层。
在一个实施例中，在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与所述γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值，包括：将所述β电脉冲信号由模拟形式转换为数字形式的β电脉冲信号，采集并记录数字形式的β电脉冲信号的基线数据、脉冲幅度以及接收到所述数字形式的β电脉冲信号的第一时刻；根据所述数字形式的β电脉冲信号的脉冲幅度生成β谱线；将所述γ电脉冲信号由模拟形式转换为数字形式的γ电脉冲信号，采集并记录数字形式的γ电脉冲信号的基线数据、脉冲幅度以及接收到所述数字形式的γ电脉冲信号的第二时刻；比较所述第一时刻和所述第二时刻的大小，在所述第一时刻和所述第二时刻满足以下公式时，判断发生β衰变和γ衰变的级联衰变：tγ-Δt＜tβ＜tγ，其中，tγ为所述第二时刻；tβ为所述第一时刻；Δt为时间窗宽度；根据所述数字形式的γ电脉冲信号的脉冲幅度生成γ谱线；将所述γ谱线转换为该γ谱线道址对应的能量；在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与γ谱线道址对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值，其中，该预设条件为EI-ΔE＜Eγ＜EI+ΔE，其中，所述EI为该放射性惰性气体核素的特征能量，Eγ为γ谱线道址对应的能量，ΔE为预设能量波动值。
在一个实施例中，通过以下公式计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值：其中，C为该放射性惰性气体核素的活度浓度值；N为满足发生β衰变和γ衰变的级联衰变且该放射性惰性气体核素的特征能量与所述γ谱线对应的能量满足预设条件的γ脉冲的个数；ε为所述β探测晶体对β射线的探测效率与所述γ探测晶体对γ射线的探测效率的乘积；t为测量时间；Vstd为标准状况下的采样量。
在本发明实施例中，通过检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生的β电脉冲信号和待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生的γ电脉冲信号，即可以判断是否发生了β衰变和γ衰变的级联衰变，且可以判断是否存在特征能量与γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素，在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值。由于发生β衰变和γ衰变的级联衰变只能是放射性惰性气体，排除了其他天然放射性核素产生β衰变的情况，在发生β衰变和γ衰变的级联衰变的情况下计算放射性惰性气体核素的活度的浓度值，有利于提高测量结果的准确、可靠性；同时，由于是根据β电脉冲信号和γ电脉冲信号，在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值，使得可以计算任何特征能量与γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素的活度的浓度值，实现了可以分析具体某种放射性惰性气体核素的活度的浓度值，与现有技术中只能计算总的β活度相比，本申请实现了放射性惰性气体的精确、定量测量，有助于提高环境放射性探测能力水平，是确保辐射环境安全是社会稳步发展的重要保证，对于及时发现核设施的异常泄漏及事故释放、控制环境污染扩散具有重要意义。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种放射性惰性气体的测量装置的结构框图；
图2是本发明实施例提供的一种具体的放射性惰性气体的测量装置的结构框图；
图3是本发明实施例提供的一种放射性惰性气体的测量装置的部分结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种探测晶体输出的β及γ脉冲信号示意图；
图5是本发明实施例提供的一种放射性惰性气体核素41Ar的衰变纲图；
图6是本发明实施例提供的一种脉冲信号处理流程的示意图；
图7是本发明实施例提供的一种放射性惰性气体的测量方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本发明实施例中，提供了一种放射性惰性气体的测量装置，如图1所示，该装置包括：
信号探测设备1，用于检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生的β电脉冲信号，检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生的γ电脉冲信号；
信号采集处理设备2，与所述信号探测设备连接，用于实时采集所述β电脉冲信号和所述γ电脉冲信号，根据所述β电脉冲信号和所述γ电脉冲信号判断是否发生了β衰变和γ衰变的级联衰变，根据所述γ电脉冲信号生成γ谱线；
计算设备(例如，该计算设备可以是工控机)3，与所述信号采集设备连接，用于在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与所述γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值。
由图1所示可知，在本发明实施例中，通过检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生的β电脉冲信号和待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生的γ电脉冲信号，即可以判断是否发生了β衰变和γ衰变的级联衰变，且可以判断是否存在特征能量与γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素，在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值。由于发生β衰变和γ衰变的级联衰变只能是放射性惰性气体，排除了其他天然放射性核素产生β衰变的情况，在发生β衰变和γ衰变的级联衰变的情况下计算放射性惰性气体核素的活度的浓度值，有利于提高测量结果的准确、可靠性；同时，由于是根据β电脉冲信号和γ电脉冲信号，在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值，使得可以计算任何特征能量与γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素的活度的浓度值，实现了可以分析具体某种放射性惰性气体核素的活度的浓度值，与现有技术中只能计算总的β活度相比，本申请实现了放射性惰性气体的精确、定量测量，有助于提高环境放射性探测能力水平，是确保辐射环境安全是社会稳步发展的重要保证，对于及时发现核设施的异常泄漏及事故释放、控制环境污染扩散具有重要意义。
具体实施时，如图2所示，所述信号探测设备1，包括：测量室101，所述测量室为封闭腔体，所述测量室的侧壁的内侧设置有光导层102，所述测量室的侧壁上设置有入口管道103和出口管道104；
抽气设备105，与所述出口管道连接，在所述抽气设备启动时，待测试气体样品由所述入口管道进入所述测量室；
β探测晶体106，所述β探测晶体设置在所述光导层上，用于在所述测量室内的待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生β射线时，所述β探测晶体与β射线相互作用产生β光脉冲信号；
所述光导层102，用于传输所述β光脉冲信号；
第一光电倍增管107，所述第一光电倍增管的第一端设置在所述测量室的侧壁内与所述光导层连接，所述第一光电倍增管的第二端延伸到所述测量室的侧壁外，用于接收所述光导层传输的所述β光脉冲信号，将所述β光脉冲信号转换为β电脉冲信号；
γ探测晶体108，所述γ探测晶体设置在所述测量室的腔体内，用于在所述测量室内的待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生γ射线时，所述γ探测晶体与γ射线相互作用产生γ光脉冲信号；
第二光电倍增管109，所述第二光电倍增管的第一端与所述γ探测晶体连接，所述第二光电倍增管的第二端延伸到所述测量室的侧壁外，用于接收所述γ光脉冲信号，将所述γ光脉冲信号转换为γ电脉冲信号；
前置放大器116，所述前置放大器的输入端与所述第二光电倍增管的第二端连接，用于对所述γ电脉冲信号进行放大处理。
具体实施时，如图2所示，光导层102直接将β光脉冲信号传输给第一光电倍增管107，避免外部杂散信号的影响。具体的，光导层102可由高透光率的有机玻璃组成，不仅传输光脉冲信号，同时对较薄的β探测晶体进行支撑，β探测晶体与光导层之间可以通过耦合剂进行紧密粘接。
具体实施时，β探测晶体106的厚度可由所探测信号的能量决定，例如，可取1至3mm，一方面需要晶体有一定厚度，确保β能量被晶体完全吸收；另一方面，晶体不能太厚，避免γ光子产生干扰。
具体实施时，为了进一步避免外部信号的影响并减少信号泄露，在本实施例中，如图2所示，还包括：反射层110、遮光层111以及屏蔽层113，由内向外依次设置在所述光导层102的外侧。具体的，反射层110确保产生的β光脉冲信号仅在光导层内部传输，减少信号泄露。避光层111减少外部光进入光导层112，减少外部杂散信号影响。探测晶体外围铅屏蔽层用于屏蔽外界γ射线，减少环境本底的影响。
具体实施时，如图2所示，还包括：温湿度传感器113，设置在所述出口管道上，用于实时采集所述待测试气体样品的温度和湿度数据；压力传感器114，设置在所述出口管道上，用于实时采集测量时的气压；流量传感器115，设置在所述出口管道上，用于测量所述待测试气体样品的流速。所测量的温度和湿度数据、气压以及流速为计算待测试气体样品的体积提供数据基础。
具体实施时，为了实现基于β电脉冲信号和γ电脉冲信号具体计算某种放射性惰性气体核素的活度的浓度值，在本实施例中，如图3所示，所述信号采集处理设备2，包括：快速模数转换器201(例如，快速模数转换器201可以表示为快ADC)，与所述第一光电倍增管107的第二端连接，用于将所述β电脉冲信号由模拟形式转换为数字形式的β电脉冲信号；第一数据采集单元202，与所述快速模数转换器201连接，用于采集并记录数字形式的β电脉冲信号的基线数据、脉冲幅度以及接收到所述数字形式的β电脉冲信号的第一时刻；第一多道分析器(简称为MCA)203，与所述第一数据采集单元202连接，用于根据所述数字形式的β电脉冲信号的脉冲幅度生成β谱线；
慢速模数转换器204(例如，该慢速模数转换器204可以表示为慢ADC)，与所述前置放大器116的输出端连接，所述慢速模数转换器与所述快速模数转换器的时钟同步，所述慢速模数转换器用于将处理后的γ电脉冲信号由模拟形式转换为数字形式的γ电脉冲信号；第二数据采集单元205，与所述慢速模数转换器204连接，用于采集并记录数字形式的γ电脉冲信号的基线数据、脉冲幅度以及接收到所述数字形式的γ电脉冲信号的第二时刻；第二多道分析器206，与所述第二数据采集单元205连接，用于根据所述数字形式的γ电脉冲信号的脉冲幅度生成γ谱线；
时间比较模块207，与所述第二数据采集单元和所述第一数据采集单元连接，用于比较所述第一时刻和所述第二时刻的大小，在所述第一时刻和所述第二时刻满足以下公式时，判断发生β衰变和γ衰变的级联衰变：
tγ-Δt＜tβ＜tγ
其中，tγ为所述第二时刻；tβ为所述第一时刻；Δt为时间窗宽度；
所述计算设备3，包括：刻度校准模块301，用于将所述γ谱线转换为该γ谱线道址对应的能量；活度计算模块302，用于在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与γ谱线道址对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值，其中，该预设条件为EI-ΔE＜Eγ＜EI+ΔE，其中，所述EI为该放射性惰性气体核素的特征能量，Eγ为γ谱线道址对应的能量，ΔE为预设能量波动值。
具体的，不同探测晶体和放大器相结合输出的脉冲信号结果可能略有不同，但是，如图4所示的由模数转换器转换后得到的电脉冲信号可知，总体为β电脉冲信号上升时间较快且宽度较窄。其中，Bβ为β电脉冲信号的基线数值，由每次脉冲触发之前的数据段确定，该数据段反映没有脉冲情况下的基准电平电位。脉冲幅度Aβ为原始测量脉冲成形处理后幅度最大值与基线Bβ的差值。tβ为脉冲幅度Aβ对应的时刻(即上述的第一时刻)。同理，Bγ为γ电脉冲信号的基线数值，由每次脉冲触发之前的数据段确定，该数据段反映没有脉冲情况下的基准电平电位。脉冲幅度Aγ为原始测量脉冲成形处理后幅度最大值与基线Bγ的差值。tγ为脉冲幅度Aγ对应的时刻(即上述的第二时刻)。两路信号的ADC(模数转换器)由一个系统时钟控制，确保时序同步。
具体的，如图5所示，以放射性惰性气体核素41Ar的衰变纲图为例。其中，横线表示核能级，左上的粗横线表示母核的基态，最下的粗横线表示子核的基态，中间的横线表示子核的激发态。以右下倾斜的箭头表示β衰变，以竖直向下的箭头表示γ衰变。从中可以看出，41Ar存在β-γ级联衰变事件，即分支比为99.1％、最大能量为1199keV的β衰变之后，紧接着产生了分支比为99.1％、能量为1293keV的γ衰变。
由图5可知，通过比较接收到数字形式的γ电脉冲信号的第二时刻和接收到数字形式的β电脉冲信号的第一时刻，即可确定是否发生了β衰变和γ衰变的级联衰变。同时，通过将放射性惰性气体核素的特征能量与γ谱线道址对应的能量进行比较，只要满足上述预设条件，即可确定该放射性惰性气体核素发生了γ衰变。具体的，可以在计算设备3中设置核素识别模块，用于存储一个或多个放射性惰性气体核素的特征能量，以便将特征能量与γ谱线道址对应的能量作比较，确定出哪些放射性惰性气体核素发生了γ衰变，进而一一计算这些放射性惰性气体核素的活度的浓度值。
具体的，以下结合具体示例描述上述放射性惰性气体的测量装置计算放射性惰性气体核素的活度的浓度值的过程，如图6所示，该过程包括以下步骤：
当有γ脉冲信号触发慢速模数转换器204时，第二数据采集单元205开始测量γ脉冲信号的幅度Aγ，时间tγ和基线Bγ，并根据幅值Aγ计算γ脉冲能量Eγ，第二多道分析器206记录一维γ谱线。EI为待分析核素的特征能量，可以有一个，也可以有多个，根据分析核素数量而定。ΔE为预设能量波动值，由探测晶体分辨率而定。当EI-ΔE＜Eγ＜EI+ΔE时，即表示γ谱线道址对应的能量满足待测核素的γ衰变特征，开始分析β脉冲信号，判断是否满足β衰变和γ衰变的级联衰变条件，第一数据采集单元202开始测量β脉冲幅度Aβ、时间tβ和基线Bβ；否则，继续等待γ脉冲信号再次触发慢速模数转换204。第一多道分析器203根据β脉冲幅度Aβ记录一维β能谱，tβ用于判断衰变时序关系。当tγ-Δt＜tβ＜tγ时，表示β衰变和γ衰变之间满足级联衰变时序关系。其中，△t为时间窗宽度，该值由脉冲宽度及传输导线延时决定，生成三维β-γ能谱，计算待测核素的活度的浓度值；否则，继续等待γ脉冲信号再次触发慢速模数转换器204。
具体的，计算待测核素的活度的浓度值的过程包括：
通过以下公式(1)计算待测核素的活度的浓度值：
其中，C为该待测放射性惰性气体核素的活度的浓度值；N为满足发生β衰变和γ衰变的级联衰变且该放射性惰性气体核素的特征能量与所述γ谱线对应的能量满足预设条件的γ脉冲的个数；ε为所述β探测晶体对β射线的探测效率与所述γ探测晶体对γ射线的探测效率的乘积；t为测量时间；Vstd为标准状况下的采样量。
若测量采样状况下气压为p0，采样量为V0，温度为T0，标准气压环境状况下气压为Pstd，采样量为Vstd，温度为Tstd，
则有：
从而，
其中，V为流量计(即上述流量传感器)流速，为流量计的截面积，t为测量时间。
将公式(3)带入公式(1)，则放射性惰性气体核素的活度的浓度值为：
具体实施时，如图3所示，上述放射性惰性气体的测量装置中，所述计算设备3，还包括：显示模块303，用于实时显示所述数字形式的β电脉冲信号、所述数字形式的γ电脉冲信号、所述β谱线、所述γ谱线以及计算得到的放射性惰性气体核素的活度的浓度值。具体的，显示模块303可以分别包括显示数字形式的β电脉冲信号和数字形式的γ电脉冲信号的脉冲显示单元，显示所述β谱线和所述γ谱线的谱线显示单元，显示计算得到的放射性惰性气体核素的活度的浓度值的结果显示单元，以及用于显示上述放射性惰性气体的测量装置中各部件的运行状态的状态显示单元。
具体实施时，上述放射性惰性气体的测量装置中还可以包括3维谱线生成模块，用于根据上述β谱线和γ谱线生成三维的β-γ谱线，该三维的β-γ谱线中包括β能量数据、γ能量数据以及基线数据，该三维的β-γ谱线可以在上述显示模块303中进行显示。
具体实施时，如图3所示，计算设备3还可以设置有数据传输模块，用于接收信号采集处理设备2发送的如脉冲谱线、能量波动ΔE、待分析核素特征能量EI、时间窗宽度Δt等数据，通过以太网或USB传输；终端控制模块，用于完成运行状态参数的交互，如温度流量计算系数、测量时间、脉冲放大倍数等，通过RS485或RS232工业总线传输；参数设置模块，用于设定采样时间、测量时间、探测效率、触发时间、触发幅度、基线计算长度、采样数据长度、成形时间等测量计算参数；数据保存模块，用于记录β和γ信号的脉冲、谱线、核素计算结果等信息，数据发送模块，用于将β和γ信号的脉冲、谱线、核素计算结果等信息与互联网交互，实现系统的远程监测及控制；数据缓存单元，用于发送数据缓存，确保网络异常时数据完整性。
具体实施时，如图3所示，上述放射性惰性气体的测量装置还可以设置有外围辅助控制部分，例如，增益控制单元、偏压控制单元、驱动单元、监测单元、供电单元以及传输单元。增益控制单元调节探测晶体所输出脉冲信号的放大倍数，偏压控制单元调节探测晶体供电电压，两者确保谱线中特征元素的峰位稳定。驱动单元驱动阀门1、阀门2、抽气泵的启动与停止。监测单元实时获取传感器监测的流量、压力、温度、湿度等环境参数，用于核素活度浓度计算。供电单元为放射性惰性气体的测量装置中各个单元模块提供多路交、直流电源支持。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种放射性惰性气体的测量方法，如下面的实施例所述。由于放射性惰性气体的测量方法解决问题的原理与放射性惰性气体的测量装置相似，因此放射性惰性气体的测量方法的实施可以参见放射性惰性气体的测量装置的实施，重复之处不再赘述。
图7是本发明实施例的放射性惰性气体的测量方法的一种流程图，如图7所示，该方法包括：
步骤701：检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生的β电脉冲信号，检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生的γ电脉冲信号；
步骤702：根据所述β电脉冲信号和所述γ电脉冲信号判断是否发生了β衰变和γ衰变的级联衰变，根据所述γ电脉冲信号生成γ谱线；
步骤703：在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与所述γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值。
在一个实施例中，检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生的β电脉冲信号，检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生的γ电脉冲信号，包括：设置测量室，所述测量室为封闭腔体，所述测量室的侧壁的内侧设置有光导层，所述测量室的侧壁上设置有入口管道和出口管道，在所述出口管道上设置抽气设备，在所述抽气设备启动时，使得待测试气体样品由所述入口管道进入所述测量室；设置β探测晶体，所述β探测晶体设置在所述光导层上，在所述测量室内的待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生β射线时，所述β探测晶体与β射线相互作用产生β光脉冲信号；在所述光导层处接收该光导层传输的β光脉冲信号之后，将所述β光脉冲信号转换为β电脉冲信号；设置γ探测晶体，所述γ探测晶体设置在所述测量室的腔体内，在所述测量室内的待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生γ射线时，所述γ探测晶体与γ射线相互作用产生γ光脉冲信号；在所述测量室的腔体内，接收γ光脉冲信号，将所述γ光脉冲信号转换为γ电脉冲信号；设置前置放大器，对所述γ电脉冲信号进行放大处理。
在一个实施例中，还包括：在所述出口管道上实时采集所述待测试气体样品的温度和湿度数据、实时采集测量时的气压以及测量所述待测试气体样品的流速。
在一个实施例中，还包括：在所述光导层的外侧，由内向外依次设置有反射层、遮光层以及屏蔽层。
在一个实施例中，在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与所述γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值，包括：将所述β电脉冲信号由模拟形式转换为数字形式的β电脉冲信号，采集并记录数字形式的β电脉冲信号的基线数据、脉冲幅度以及接收到所述数字形式的β电脉冲信号的第一时刻；根据所述数字形式的β电脉冲信号的脉冲幅度生成β谱线；将所述γ电脉冲信号由模拟形式转换为数字形式的γ电脉冲信号，采集并记录数字形式的γ电脉冲信号的基线数据、脉冲幅度以及接收到所述数字形式的γ电脉冲信号的第二时刻；比较所述第一时刻和所述第二时刻的大小，在所述第一时刻和所述第二时刻满足以下公式时，判断发生β衰变和γ衰变的级联衰变：tγ-Δt＜tβ＜tγ，其中，tγ为所述第二时刻；tβ为所述第一时刻；Δt为时间窗宽度；根据所述数字形式的γ电脉冲信号的脉冲幅度生成γ谱线；将所述γ谱线转换为该γ谱线道址对应的能量；在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与γ谱线道址对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值，其中，该预设条件为EI-ΔE＜Eγ＜EI+ΔE，其中，所述EI为该放射性惰性气体核素的特征能量，Eγ为γ谱线道址对应的能量，ΔE为预设能量波动值。
在一个实施例中，通过以下公式计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值：其中，C为该放射性惰性气体核素的活度的浓度值；N为满足发生β衰变和γ衰变的级联衰变且该放射性惰性气体核素的特征能量与所述γ谱线对应的能量满足预设条件的γ脉冲的个数；ε为所述β探测晶体对β射线的探测效率与所述γ探测晶体对γ射线的探测效率的乘积；t为测量时间；Vstd为标准状况下的采样量。
在一个实施例中，还包括：实时显示所述数字形式的β电脉冲信号、所述数字形式的γ电脉冲信号、所述β谱线、所述γ谱线以及计算得到的放射性惰性气体核素的活度的浓度值。
在本发明实施例中，通过检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生的β电脉冲信号和待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生的γ电脉冲信号，即可以判断是否发生了β衰变和γ衰变的级联衰变，且可以判断是否存在特征能量与γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素，在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值。由于发生β衰变和γ衰变的级联衰变只能是放射性惰性气体，排除了其他天然放射性核素产生β衰变的情况，在发生β衰变和γ衰变的级联衰变的情况下计算放射性惰性气体核素的活度的浓度值，有利于提高测量结果的准确、可靠性；同时，由于是根据β电脉冲信号和γ电脉冲信号，在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值，使得可以计算任何特征能量与γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素的活度的浓度值，实现了可以分析具体某种放射性惰性气体核素的活度的浓度值，与现有技术中只能计算总的β活度相比，本申请实现了放射性惰性气体的精确、定量测量，有助于提高环境放射性探测能力水平，是确保辐射环境安全是社会稳步发展的重要保证，对于及时发现核设施的异常泄漏及事故释放、控制环境污染扩散具有重要意义。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种放射性惰性气体的测量装置，其特征在于，包括：
信号探测设备，用于检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生的β电脉冲信号，检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生的γ电脉冲信号；
信号采集处理设备，与所述信号探测设备连接，用于实时采集所述β电脉冲信号和所述γ电脉冲信号，根据所述β电脉冲信号和所述γ电脉冲信号判断是否发生了β衰变和γ衰变的级联衰变，根据所述γ电脉冲信号生成γ谱线；
计算设备，与所述信号采集设备连接，用于在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与所述γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值；
所述信号探测设备，包括：
测量室，所述测量室为封闭腔体，所述测量室的侧壁的内侧设置有光导层，所述测量室的侧壁上设置有入口管道和出口管道；
抽气设备，与所述出口管道连接，在所述抽气设备启动时，待测试气体样品由所述入口管道进入所述测量室；
β探测晶体，所述β探测晶体设置在所述光导层上，用于在所述测量室内的待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生β射线时，所述β探测晶体与β射线相互作用产生β光脉冲信号；
所述光导层，用于传输所述β光脉冲信号；
第一光电倍增管，所述第一光电倍增管的第一端设置在所述测量室的侧壁内与所述光导层连接，所述第一光电倍增管的第二端延伸到所述测量室的侧壁外，用于接收所述光导层传输的所述β光脉冲信号，将所述β光脉冲信号转换为β电脉冲信号；
γ探测晶体，所述γ探测晶体设置在所述测量室的腔体内，用于在所述测量室内的待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生γ射线时，所述γ探测晶体与γ射线相互作用产生γ光脉冲信号；
第二光电倍增管，所述第二光电倍增管的第一端与所述γ探测晶体连接，所述第二光电倍增管的第二端延伸到所述测量室的侧壁外，用于接收所述γ光脉冲信号，将所述γ光脉冲信号转换为γ电脉冲信号；
前置放大器，所述前置放大器的输入端与所述第二光电倍增管的第二端连接，用于对所述γ电脉冲信号进行放大处理；
所述信号采集处理设备，包括：
快速模数转换器，与所述第一光电倍增管的第二端连接，用于将所述β电脉冲信号由模拟形式转换为数字形式的β电脉冲信号；
第一数据采集单元，与所述快速模数转换器连接，用于采集并记录数字形式的β电脉冲信号的基线数据、脉冲幅度以及接收到所述数字形式的β电脉冲信号的第一时刻；
第一多道分析器，与所述第一数据采集单元连接，用于根据所述数字形式的β电脉冲信号的脉冲幅度生成β谱线；
慢速模数转换器，与所述前置放大器的输出端连接，所述快速模数转换器与所述慢速模数转换器的时钟同步，所述慢速模数转换器用于将处理后的γ电脉冲信号由模拟形式转换为数字形式的γ电脉冲信号；
第二数据采集单元，与所述慢速模数转换器连接，用于采集并记录数字形式的γ电脉冲信号的基线数据、脉冲幅度以及接收到所述数字形式的γ电脉冲信号的第二时刻；
第二多道分析器，与所述第二数据采集单元连接，用于根据所述数字形式的γ电脉冲信号的脉冲幅度生成γ谱线；
时间比较模块，与所述第二数据采集单元和所述第一数据采集单元连接，用于比较所述第一时刻和所述第二时刻的大小，在所述第一时刻和所述第二时刻满足以下公式时，判断发生β衰变和γ衰变的级联衰变：
tγ-Δt＜tβ＜tγ
其中，tγ为所述第二时刻；tβ为所述第一时刻；Δt为时间窗宽度；
所述计算设备，包括：
刻度校准模块，用于将所述γ谱线转换为该γ谱线道址对应的能量；
活度计算模块，用于在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与γ谱线道址对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值，其中，该预设条件为EI-ΔE＜Eγ＜EI+ΔE，其中，所述EI为该放射性惰性气体核素的特征能量，Eγ为γ谱线道址对应的能量，ΔE为预设能量波动值。
2.如权利要求1所述的放射性惰性气体的测量装置，其特征在于，所述信号探测设备，还包括：反射层、遮光层以及屏蔽层，由内向外依次设置在所述光导层的外侧。
3.如权利要求1所述的放射性惰性气体的测量装置，其特征在于，所述活度计算模块具体根据以下公式计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值：
其中，C为该放射性惰性气体核素的活度的浓度值；N为满足发生β衰变和γ衰变的级联衰变且该放射性惰性气体核素的特征能量与所述γ谱线对应的能量满足预设条件的γ脉冲的个数；ε为所述β探测晶体对β射线的探测效率与所述γ探测晶体对γ射线的探测效率的乘积；t为测量时间；Vstd为标准状况下的采样量。
4.一种放射性惰性气体的测量方法，其特征在于，包括：
检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生的β电脉冲信号，检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生的γ电脉冲信号；
根据所述β电脉冲信号和所述γ电脉冲信号判断是否发生了β衰变和γ衰变的级联衰变，根据所述γ电脉冲信号生成γ谱线；
在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与所述γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值。
5.如权利要求4所述的放射性惰性气体的测量方法，其特征在于，检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生的β电脉冲信号，检测待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生的γ电脉冲信号，包括：
设置测量室，所述测量室为封闭腔体，所述测量室的侧壁的内侧设置有光导层，所述测量室的侧壁上设置有入口管道和出口管道，在所述出口管道上设置抽气设备，在所述抽气设备启动时，使得待测试气体样品由所述入口管道进入所述测量室；
设置β探测晶体在所述光导层上，在所述测量室内的待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生β衰变产生β射线时，所述β探测晶体与β射线相互作用产生β光脉冲信号；
在所述光导层处接收该光导层传输的β光脉冲信号之后，将所述β光脉冲信号转换为β电脉冲信号；
设置γ探测晶体，所述γ探测晶体设置在所述测量室的腔体内，在所述测量室内的待测试气体样品中的放射性惰性气体核素发生γ衰变产生γ射线时，所述γ探测晶体与γ射线相互作用产生γ光脉冲信号；
在所述测量室的腔体内，接收γ光脉冲信号，将所述γ光脉冲信号转换为γ电脉冲信号；
设置前置放大器，对所述γ电脉冲信号进行放大处理。
6.如权利要求5所述的放射性惰性气体的测量方法，其特征在于，还包括：在所述光导层的外侧，由内向外依次设置有反射层、遮光层以及屏蔽层。
7.如权利要求5至6中任一项所述的放射性惰性气体的测量方法，其特征在于，在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与所述γ谱线对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值，包括：
将所述β电脉冲信号由模拟形式转换为数字形式的β电脉冲信号，采集并记录数字形式的β电脉冲信号的基线数据、脉冲幅度以及接收到所述数字形式的β电脉冲信号的第一时刻；
根据所述数字形式的β电脉冲信号的脉冲幅度生成β谱线；
将所述γ电脉冲信号由模拟形式转换为数字形式的γ电脉冲信号，采集并记录数字形式的γ电脉冲信号的基线数据、脉冲幅度以及接收到所述数字形式的γ电脉冲信号的第二时刻；
比较所述第一时刻和所述第二时刻的大小，在所述第一时刻和所述第二时刻满足以下公式时，判断发生β衰变和γ衰变的级联衰变：
tγ-Δt＜tβ＜tγ
其中，tγ为所述第二时刻；tβ为所述第一时刻；Δt为时间窗宽度；
根据所述数字形式的γ电脉冲信号的脉冲幅度生成γ谱线；
将所述γ谱线转换为该γ谱线道址对应的能量；在发生β衰变和γ衰变的级联衰变且存在特征能量与γ谱线道址对应的能量满足预设条件的放射性惰性气体核素时，计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值，其中，该预设条件为EI-ΔE＜Eγ＜EI+ΔE，其中，所述EI为该放射性惰性气体核素的特征能量，Eγ为γ谱线道址对应的能量，ΔE为预设能量波动值。
8.如权利要求7所述的放射性惰性气体的测量方法，其特征在于，通过以下公式计算该放射性惰性气体核素的活度的浓度值：
其中，C为该放射性惰性气体核素的活度的浓度值；N为满足发生β衰变和γ衰变的级联衰变且该放射性惰性气体核素的特征能量与所述γ谱线对应的能量满足预设条件的γ脉冲的个数；ε为所述β探测晶体对β射线的探测效率与所述γ探测晶体对γ射线的探测效率的乘积；t为测量时间；Vstd为标准状况下的采样量。
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