CN109655873A - 一种水体低活度β放射性智能监测系统 - Google Patents
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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β放射性智能监测系统，包括水体引流系统、智能控制系统、β智能监测通道。水体引流系统负责自动抽取海水、湖水等，并对水体作固体过滤后，引流至β智能监测通道；β智能监测通道对流入的水体进行实时在线监测；智能控制系统负责执行水体引流系统和β智能监测通道的数据采集存储和智能控制，以及监测系统对外部系统的数据或指令通信。本发明实现了一种水体低活度的β放射性活度实时、在线与智能监测，并具备高的探测响应效率，同时支持监测系统远程控制。
Description
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β放射性智能监测系统。
背景技术
核泄露事件中放射性物质进入海洋、湖泊等水环境后，将对水体和水生物进行污染，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、智能的水体放射性探测技术，为水环境放射性污染状态掌握、趋势分析、事故应对、公众预警与安抚提供技术支持和数据支撑。
水体β放射性剂量实时测量是核事故情况下放射性污染监测的重要方面。考虑在海洋、大型湖泊等环境下的β活度监测具有如下特点和技术难点：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，从而要求能够在较高水体本底环境下实施低活度放射性测量；2）核事故情况下，需要快速了解和掌握水环境放射性污染水平，从而要求对水体执行实时在线连续监测，并支持船载、浮标等不同搭载平台，同时还要求水体β放射性监测具有快速的响应能力。3）海洋、大型湖泊等环境下执行长期在线监测，要求监测系统能够有效抵御水下恶劣环境，如水生物冲击、水生物附着等对测量设备的损坏。因此，如何实现适应海洋等水环境下高效、智能的水体β放射性实时在线监测一直是备受关注的问题且亟待解决。
虽然国内外均有大量的机构开展水体β放射性监测技术研究，然而主要利用采样方式的非连续测量，难以同时满足在海洋等恶劣环境下实施水体β放射性的长期、连续、实时、在线且高效的测量要求。并且存在对被海水无限稀释后的低活度β放射性测量时效率极低、监测系统智能化不足等技术局限。
目前，国内外还没有一种基于多正面柱体塑料闪烁体探测器的水体β放射性智能监测方法及监测系统，实现可在海洋等环境下实时、在线、高效、且可远程控制的水体β放射性活度智能监测。
发明内容
本发明针对水体β放射性活度的实时、在线、高效监测要求，结合塑料闪烁体特点，提供一种水体低活度β放射性智能监测系统，能够适应于海洋、湖泊等高本底水环境下水体β放射性活度的长期、连续、智能监测，并具有较快的测量响应速度。该系统在实际应用中可根据需要调整朔料闪烁体尺寸，实现探测响应时间和连续探测周期的控制调整。该系统还支持远程的动态监测智能控制。
本发明一种水体低活度β放射性智能监测系统，包括水体引流系统、智能控制系统、β智能监测通道，三个部分有机组合实现对同一水体介质的β放射性活度高效在线监测，三大组成部分均采用模块化设计，模块之间仅采用简单的组装，方便快捷。
所述水体引流系统用于自动抽取海水、湖水等，对水体作固体过滤等处理后，导流入β智能监测通道进行水体β放射性活度测量，然后将水体抽离β智能监测通道，由于β智能监测通道不会对水体造成二次放射性污染，因此可将测量后的水体可就地排入海洋或湖泊。所述β智能监测通道用于对水体的β放射性进行实时在线智能监测；所述智能控制系统用于整体系统的数据采集与存储、系统智能控制和通信，同时与外部系统或远程监控中心进行远程通信和远程控制。
在上述技术方案中，所述水体引流系统的主要组成部分为小型泵、电磁阀和管道，小型泵用于对水体进行抽取和导流，小型泵和电磁阀均支持本地程序化自动控制，以及远程通信控制，以便于对水体抽取、导流周期和水流流量进行适应性和合理性的控制，避免系统资源的浪费。管道可根据现场情况自适应设置，如穿舱管道、一般管道等。管道没入海水或湖水端进行固体过滤处理，以及表面涂毒处理，即在管道表面涂抹防有害生物附着的涂料，避免水生物附着和对管道的堵塞。
在上述技术方案中，所述β智能监测通道主要包括朔料闪烁体探测器、光电倍增管、前放模块、以及信号处理模块，塑料闪烁体探测器采用正多面柱体大面积探测器结构，正多面柱体结构最内层为光导，是一种相似正多面柱体结构，光导表层贴合塑料闪烁体，塑料闪烁体外表层采用金箔或喷涂工艺，使得塑料闪烁体以内层均全避光，正多面柱体结构最外层为外壳，外壳与朔料闪烁体之间的内空为水体流槽，其内空距离约10cm左右，该距离是根据β射线在水体中的有效射程进行设置的。在实际应用中，该塑料闪烁体的结构可对以下方面进行调整：（1）塑料闪烁体探测器的正多面柱体结构的面数可调整，一般为4面、6面或8面。（2）外壳与朔料闪烁体之间内空距离和外壳的实际大小均可根据实际需要进行调整。塑料闪烁体的工作原理如下：水体经过引流系统流入水体流槽，塑料闪烁体对水体中的β射线进行探测，再由光导对塑料闪烁体中光信号进行导流送入光电倍增管。正多面柱体光导由于截面较大，因此需要对其进行收敛以对接光电倍增管。β射线探测光信号经光电倍增管、前置放大电路模块、信号处理模块等技术，结合水体流槽中水体流量等因素，最终得到水体中β放射性活度浓度。
在上述技术方案中，所述智能控制系统包括中央处理存储模块和通信模块，所述通信模块包括：（1）中央处理存储模块与水体引流系统、β智能监测通道间的通信网络，包括串口、CAN、网线等，（2）中央处理存储模块与外部的通信网络，包括有线TCP/IP网络、无线通信等。通信模块是智能控制系统的数据和指令传输通道，所述中央处理存储模块用于采集和存储水体引流系统和β智能监测通道中各设备或模块的运行数据，并实施对各设备或模块的运行控制。
β智能监测通道为了尽可能提升β放射性探测效率，即尽可能提升对β放射性高能段能量的探测采集能力，将根据实际应用测量需求中测量源项等因素，确定所采用塑料闪烁体的厚度。
同时，为了进一步去除水体中γ放射性对β放射性测量的干扰，本发明还提供了一种如权利要求1所述的水体低活度β放射性智能监测系统的有效剔除γ放射性干扰的信号处理方法：收集水体的所有探测信号，通过信号处理成放射性谱数据，然后对谱数据做如下两种方式的γ放射性干扰处理：（1）根据朔料闪烁体的厚度，以及测量源项等因素，计算出闪烁体可能吸收的γ放射性能量范围，然后在测量谱数据中舍弃该能量范围段的所有数据；（2）采用自适应γ能量窗舍弃，即在测量谱数据低能段，一旦出现有明显峰值的能量窗，则舍弃该能量窗的谱数据，能量窗的窗口步长设置则可依据测量源项进行确定；最终，根据剔除γ放射性干扰的谱数据，计算其中β放射性测量计数，以及β放射性活度浓度。
本发明一种水体低活度β放射性智能监测系统，适用于海洋、大型湖泊等环境，可搭载浮标、船舶等平台的水体低活度的β放射性活度的实时、在线与智能监测，并具备高的探测响应效率。同时支持监测系统的远程控制。该监测系统及其监测方法支持动态伸缩和模块化组合控制。β智能监测通道中，塑料闪烁体探测器的正多面柱体结构的面数可动态调整，水体流槽的内空间距可调整。由于是模块化的设计，其水体引流系统中泵、电磁阀、管道等均可根据实际应用动态组合，配合智能控制系统，适应具体的监测场景和监测需求。
附图说明
图1为本发明的系统架构图。
图2为智能控制系统组成图。
图3为β智能监测通道内核组成图。
图4 为正多面柱体大面积塑料闪烁体探测器结构图。
图5为正多面柱体大面积塑料闪烁体探测器柱体截面图。
图6为正多面柱体塑料闪烁体探测器光导的收敛结构图。
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所示，本发明实施例提供一种高效的水体β放射性活度智能监测系统，包括以下组成部分：智能控制系统、β智能监测通道，水体引流系统，本系统整体及其三大组成部分均采用模块化设计，模块之间仅采用简单的组装。
水体引流系统负责自动抽取海水、湖水等，对水体做简单的固体过滤等处理后，导流入β智能监测通道进行水体β放射性活度测量，然后将水体抽离β智能监测通道。由于β智能监测通道不会对水体造成二次放射性污染，因此可将测量后的水体可就地排入海洋或湖泊。水体引流系统的主要组成部分为小型泵、电磁阀和管道，小型泵用于对水体进行抽取和导流，小型泵和电磁阀均支持本地程序化自动控制，以及远程通信控制，以便于对水体抽取、导流周期和水流流量进行适应性和合理性的控制，避免系统资源的浪费。管道可根据现场情况自适应设置，如穿舱管道、一般管道等。管道没入海水或湖水端需进行固体过滤处理，以及喷涂毒处理，避免水生物附着和对管道的堵塞。
如图2所示，智能控制系统负责整体系统的数据采集与存储、系统智能控制和通信，智能控制系统主要组成部分包括中央处理存储模块和通信模块，其中通信模块包括：（1）中央处理存储模块与其他各设备间的内部通信网络，如串口，CAN，网线等。（2）中央处理存储模块与外部系统的外部通信网络，包括有线TCP/IP网络、无线通信等。通信模块是智能控制系统的数据和指令传输通道。中央处理存储模块V负责采集和存储水体引流系统和β智能监测通道中各设备或模块的运行数据，并实施对各设备或模块的运行控制。同时与外部系统或远程监控中心进行远程通信和远程控制。
如图3所示，β智能监测通道负责对水体的β放射性进行实时在线智能监测。β智能监测通道主要包括朔料闪烁体探测器、光电倍增管、前放电路、以及信号处理模块，塑料闪烁体探测器采用正多面柱体大面积探测器结构，如图4、图5所示。正多面柱体结构最内层为光导1，为相似正多面柱体结构，光导1表层贴合塑料闪烁体2，塑料闪烁体2外表层采用金箔或特殊喷涂工艺，使得塑料闪烁体以内层均全避光。正多面柱体结构最外层即为外壳3，外壳3与朔料闪烁体2之间的内空为水体流槽4，其内空距离约10cm左右，该距离是根据β射线在水体中的有效射程进行设置的。在实际应用中，该塑料闪烁体2的结构可对以下方面进行调整：（1）塑料闪烁体探测器的正多面柱体结构的面数可调整，一般为4面、6面或8面。（2）外壳3与朔料闪烁体2之间内空距离和外壳的实际大小均可根据实际需要进行调整。塑料闪烁体探测器的工作原理如下：水体经过引流系统流入水体流槽，塑料闪烁体对水体中的β射线进行探测，再由光导对塑料闪烁体中光信号进行导流送入光电倍增管。正多面柱体光导由于截面较大，因此需要对其进行收敛以对接光电倍增管，正多面柱体光导的收敛结构如图6所示。β射线探测光信号经光电倍增管、前置放大电路模块、信号处理模块等技术，结合水体流槽中水体流量等因素，最终得到水体中β放射性活度浓度。
β智能监测通道为了尽可能提升β放射性探测效率，即尽可能提升对β放射性高能段能量的探测采集能力，将根据实际应用测量需求中测量源项等因素，确定所采用塑料闪烁体的厚度。同时，为了进一步去除水体中γ放射性对β放射性测量的干扰，本发明实施例提供一种有效剔除γ放射性干扰的信号处理方法：收集水体的所有探测信号，通过信号处理成放射性谱数据，然后可对谱数据做如下两种方式的γ放射性干扰处理：（1）根据朔料闪烁体的厚度，以及测量源项等因素，计算出闪烁体可能吸收的γ放射性能量范围，然后在测量谱数据中舍弃该能量范围段的所有数据。（2）采用自适应γ能量窗舍弃，即在测量谱数据低能段，一旦出现有明显峰值的能量窗，则舍弃该能量窗的谱数据，能量窗的窗口步长设置则可依据测量源项进行确定。最终，根据剔除γ放射性干扰的谱数据，计算其中β放射性测量计数，以及β放射性活度浓度。
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。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (5)
1.一种水体低活度β放射性智能监测系统，其特征在于：包括水体引流系统、智能控制系统、β智能监测通道，所述水体引流系统用于自动抽取海水、湖水，对水体作固体过滤处理后，导流入β智能监测通道进行水体β放射性活度测量，然后将水体抽离β智能监测通道，就地排入海洋或湖泊；所述β智能监测通道用于对水体的β放射性进行实时在线智能监测；所述智能控制系统用于整体系统的数据采集与存储、系统智能控制和通信，同时与外部系统或远程监控中心进行远程通信和远程控制。
2.根据权利要求1所述的水体低活度β放射性智能监测系统，其特征在于：所述水体引流系统包括小型泵、电磁阀和管道，小型泵用于对水体进行抽取和导流，小型泵和电磁阀均支持本地程序化自动控制，以及远程通信控制，管道可根据现场情况自适应设置，管道没入海水或湖水端进行固体过滤处理，以及表面涂毒处理。
3.根据权利要求1所述的水体低活度β放射性智能监测系统，其特征在于：所述β智能监测通道包括朔料闪烁体探测器、光电倍增管、前放模块、以及信号处理模块，塑料闪烁体探测器采用正多面柱体大面积探测器结构，正多面柱体结构最内层为光导，是一种相似正多面柱体结构，光导表层贴合塑料闪烁体，塑料闪烁体外表层采用金箔或喷涂工艺，使得塑料闪烁体以内层均全避光，正多面柱体结构最外层为外壳，外壳与朔料闪烁体之间的内空为水体流槽，该距离是根据β射线在水体中的有效射程进行设置的。
4.根据权利要求1所述的水体低活度β放射性智能监测系统，其特征在于：所述智能控制系统包括中央处理存储模块和通信模块，所述通信模块包括：中央处理存储模块与水体引流系统、β智能监测通道间的通信网络，包括串口、CAN、网线，中央处理存储模块与外部的通信网络，包括有线TCP/IP网络、无线通信，通信模块是智能控制系统的数据和指令传输通道，所述中央处理存储模块用于采集和存储水体引流系统和β智能监测通道中各设备或模块的运行数据，并实施对各设备或模块的运行控制。
5.一种如权利要求1所述的水体低活度β放射性智能监测系统的有效剔除γ放射性干扰的信号处理方法，其特征在于：收集水体的所有探测信号，通过信号处理成放射性谱数据，然后对谱数据做如下两种方式的γ放射性干扰处理：（1）根据朔料闪烁体的厚度，以及测量源项，计算出闪烁体可能吸收的γ放射性能量范围，然后在测量谱数据中舍弃该能量范围段的所有数据；（2）采用自适应γ能量窗舍弃，即在测量谱数据低能段，一旦出现有明显峰值的能量窗，则舍弃该能量窗的谱数据，能量窗的窗口步长设置则可依据测量源项进行确定；最终，根据剔除γ放射性干扰的谱数据，计算其中β放射性测量计数，以及β放射性活度浓度。
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