CN110703308B

CN110703308B - 临界报警装置及系统

Info

Publication number: CN110703308B
Application number: CN201910969565.3A
Authority: CN
Inventors: 钟华强
Original assignee: Guangzhou Lantaisheng Radiation Protection Technology Co ltd
Current assignee: Guangzhou Lantaisheng Radiation Protection Technology Co ltd
Priority date: 2019-10-12
Filing date: 2019-10-12
Publication date: 2021-12-07
Anticipated expiration: 2039-10-12
Also published as: CN110703308A

Abstract

本发明涉及一种临界报警装置及系统，通过中子探测单元探测临界事故裂变中子数，获得中子探测数据，下位机在比较中子探测数据与设定报警阈值，在中子探测数据大于等于设定报警阈值时驱动报警单元发出报警信号。基于此，避免在高剂量率下探测器超量程导致没法及时发出临界报警，提高临界报警的准确性和安全性。

Description

临界报警装置及系统

技术领域

本发明涉及核技术领域，特别是涉及一种临界报警装置及系统。

背景技术

核临界是指易裂变物质其质量、浓度或体积达到临界条件而发生了自持式的链式反应。在生产加工、处理、应用、贮存和运输易裂变放射性物质时,由于人因失误、仪器设备意外事故或外部事件的影响等都存在可能发生核临界事故的潜在危险。尽管发生这种事故的概率较低,但其一旦发生,对事故现场工作人员造成的照射危害后果极其严重，人员遭受急性全身大剂量照射半致死剂量约为3～5Gy。自1945年以来，发生了超过60起临界事故，导致至少21人因遭受大剂量照射而死亡。

临界事故发生时中子和伽马混合场剂量率高达数千Gy/s，且临界事故发生后自第一个高功率脉冲到临界系统回归到次临界状态之间有一些强度相对较小，随时间波动逐渐减弱的连续核反应组成的坪区，该坪区持续时间较长且此时间段内发生的核反应可对工作人员造成连续照射。因此临界事故发生后，立即提醒相关人员紧急撤离可很大程度降低人员受照剂量和减小事故后果。

因此，在可能发生临界事故的场所设置临界报警装置尤其重要，传统的临界事故监测装置\系统的探测原理基本为探测临界事故发生时的γ剂量率，测量γ剂量率的探头一般采用电离室、GM管或塑料闪烁体等探测器。然而，上述γ剂量率探测器由于量程有限，在临界事故发生时容易发生超量程计数“堵死”现象，导致临界报警装置不报警。同时监测场所γ剂量率的升高不是发生临界事故的唯一特征，采用γ剂量率报警容易导致误报警现象的发生。另外常用的中子临界报警仪采用的3He或BF3探测器，其同样存在容易发生超量程计数“堵死”现象，导致临界报警装置不报警。因此，传统的临界报警装置还存在上述缺陷。

发明内容

基于此，有必要针对临界报警装置还存在的缺陷，提供一种临界报警装置及系统。

一种临界报警装置，包括：

中子探测单元，用于探测临界事故裂变中子数，获得中子探测数据；

报警单元，用于发出报警信号；

下位机，用于比较中子探测数据与设定报警阈值，在中子探测数据大于等于设定报警阈值时驱动报警单元发出报警信号。

上述临界报警装置，通过中子探测单元探测临界事故裂变中子数，获得中子探测数据，下位机在比较中子探测数据与设定报警阈值，在中子探测数据大于等于设定报警阈值时驱动报警单元发出报警信号。基于此，避免在高剂量率下探测器超量程导致没法及时发出临界报警，提高临界报警的准确性和安全性。

在其中一个实施例中，还包括：

上位机，用于根据中子探测数据，反演临界事故裂变的瞬时裂变数和总裂变数。

在其中一个实施例中，中子探测单元包括一个或多个中子探测器；

中子探测器用于探测临界事故裂变中子数，获得中子探测数据。

在其中一个实施例中，中子探测器包括闪烁体、光电转换器件、电荷灵敏前置放大器和直流电流前置放大器；

闪烁体与光电转换器用于通过光电转换探测中子注量率，以探测临界事故裂变中子数，光电转换器还用于分别输出电信号至电荷灵敏前置放大器的输入端和直流电流前置放大器的输入端；

电荷灵敏前置放大器的输出端连接直流电流前置放大器的输出端，并用于输出中子探测数据。

在其中一个实施例中，光电转换器件包括硅光电二极管、硅光电倍增管或雪崩光电二极管。

在其中一个实施例中，下位机包括第一处理器、逻辑判断电路和报警驱动电路；

第一处理器用于设定设定报警阈值；

逻辑判断电路用于比较中子探测数据与设定报警阈值；

第一处理器还用于在逻辑判断电路判定中子探测数据大于等于设定报警阈值时，控制报警驱动电路驱动报警单元发出报警信号。

在其中一个实施例中，下位机还包括数据通信传输接口；

数据通信传输接口用于对外传输中子探测数据。

在其中一个实施例中，上位机包括第二处理器。

在其中一个实施例中，报警单元包括声光报警器。

一种临界报警系统，包括设备外壳，以及上述任一实施例的临界报警装置；

其中，报警单元设置在设备外壳形成的腔体内。

上述临界报警系统，通过中子探测单元探测临界事故裂变中子数，获得中子探测数据，下位机在比较中子探测数据与设定报警阈值，在中子探测数据大于等于设定报警阈值时驱动报警单元发出报警信号。基于此，避免在高剂量率下探测器超量程导致没法及时发出临界报警，提高临界报警的准确性和安全性。

附图说明

图1为一实施方式的临界报警装置模块结构图；

图2为一实施方式的中子探测器模块结构图；

图3为一实施方式的下位机模块结构图；

图4为另一实施方式的临界报警装置模块结构图；

图5为一具体应用例的临界报警装置电路结构图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的讲解说明。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种临界报警装置。

图1为一实施方式的临界报警装置模块结构图，如图1所示，一实施方式的临界报警装置包括模块100、模块101和模块102：

中子探测单元100，用于探测临界事故裂变中子数，获得中子探测数据；

报警单元101，用于发出报警信号；

下位机102，用于比较中子探测数据与设定报警阈值，在中子探测数据大于等于设定报警阈值时驱动报警单元发出报警信号。

其中，中子探测单元100可实时测量临界事故裂变中子数，生成电信号形式的中子探测数据，并将中子探测数据传输至下位机102。下位机102获取中子探测数据，并比较中子探测数据与设定报警阈值，在中子探测数据大于等于设定报警阈值时驱动报警单元101发出报警信号。

在其中一个实施例中，中子探测单元100可选用中子探测装置或中子探测器。

在其中一个实施例中，中子探测单元100包括一个或多个中子探测器。

其中，通过多个中子探测器探测临界事故裂变中子数，以提高临界事故的判断精度。作为一个较优的实施方式，下位机102在三分之二的中子探测器的中子探测数据大于等于设定报警阈值时驱动报警单元101发出报警信号，以降低冗余度。

在其中一个实施例中，图2为一实施方式的中子探测器模块结构图，如图2所示，中子探测器包括闪烁体200、光电转换器件201、电荷灵敏前置放大器202和直流电流前置放大器203；

闪烁体200与光电转换器201用于通过光电转换探测中子注量率，以探测临界事故裂变中子数，光电转换器201还用于分别输出电信号至电荷灵敏前置放大器202的输入端和直流电流前置放大器203的输入端；

电荷灵敏前置放大器202的输出端连接直流电流前置放大器203的输出端，并用于输出中子探测数据。

在其中一个实施例中，闪烁体200选用探测中子的ZnS(6LiF)闪烁体，光电转换器201选用硅光电二极管、硅光电倍增管或雪崩光电二极管。ZnS(6LiF)闪烁体和硅光电二极管二者之间使用甲基硅油耦合剂进行处理以提高闪烁体荧光收集效率。硅光电二极管后接直流电流前置放大器203和电荷灵敏前置放大器202进行不同量程范围的信号放大，输出中子探测数据至下位机102。作为一个较优的实施方式，下位机102可根据中子探测数据对应的中子通量密度强度，控制中子探测器切换光导模式和光伏模式，以避免裂变中子数超量程，导致下位机102无法正常驱动报警单元101发出报警信号。

在其中一个实施例中，报警单元101用于发出报警信号，报警信号包括声音信号、光信号、电信号或通信数据等。

在其中一个实施例中，报警单元101包括声光报警器。其中，声光报警器可选用蜂鸣器和LED。

在其中一个实施例中，图3为一实施方式的下位机模块结构图，如图3所示，一实施方式的下位机102包括第一处理器300、逻辑判断电路301和报警驱动电路302；

第一处理器300用于设定设定报警阈值；

逻辑判断电路301用于比较中子探测数据与设定报警阈值；

第一处理器300还用于在逻辑判断电路301判定中子探测数据大于等于设定报警阈值时，控制报警驱动电路302驱动报警单元发出报警信号。

在其中一个实施例中，第一处理器300包括单片机。作为一个较优的实施方式，第一处理器300选用STM32F407单片机。

在其中一个实施例中，逻辑判断电路301选用比较电路或差分放大电路。作为一个较优的实施方式，逻辑判断电路301选用基于LM311电压比较器的比较电路。

在其中一个实施例中，如图3所示，下位机102还包括第一存储器303、电源模块304和数据通信传输接口305。

其中，第一存储器303用于存储中子探测数据。电源模块304用于为下位机内的各模块供电。数据通信传输接口305用于对外传输中子探测数据。

在其中一个实施例中，第一存储器303可选用FLASH存储器或EEPROM存储器。电源模块304可选用芯片级电源。数据通信传输接口305可选用CAN总线接口或以太网接口等。

在其中一个实施例中，图4为另一实施方式的临界报警装置模块结构图，如图4所示，另一实施方式的临界报警装置还包括：

上位机400，用于根据中子探测数据，反演临界事故裂变的瞬时裂变数和总裂变数。

在其中一个实施例中，上位机400接收下位机102传输的中子探测数据，根据相应的计算程序推算中子探测数据，反演临界事故裂变的瞬时裂变数和总裂变数。

在其中一个实施例中，上位机400包括第二处理器。

在其中一个实施例中，上位机400选用FPGA处理器。

在其中一个实施例中，上位机400还包括第二存储器和通信接口。其中，上位机400通过通信接口接收中子探测数据，并将中子探测数据传输至第二处理器。第二存储器用于存储上位机400反演的计算数据。

为了更好地理解本发明实施例，以下以一具体应用例来解释本发明实施例，需要说明的是，具体应用例内各具体电路选型不是本发明实施例的唯一限定。

图5为一具体应用例的临界报警装置电路结构图，如图5所示，主控板我们基于MCU+FPGA架构实现，FPGA负责多个中子探测器之间的数据通信和报警逻辑处理，MCU负责人机交互及通讯。平台核心处理器采用意法半导体的STM32F4系列MCU作为主处理器，STM32F4系列基于ARM的Cortex-M4内核主处理器芯片负责现场环境监测，报警及通信。STM32F407通过串口与工业平板电脑通信，来实现数据反演计算和界面UI的控制。同时通过片上以太网接口以及RS485实现与远程终端电脑通信，用于实现系统的远程通信控制。主控板采用Altera的CycloneIV作为协处理器，实现与各路中子探测器的数据通信。

上述任一实施例的临界报警装置，通过中子探测单元100探测临界事故裂变中子数，获得中子探测数据，下位机102在比较中子探测数据与设定报警阈值，在中子探测数据大于等于设定报警阈值时驱动报警单元101发出报警信号。基于此，避免在高剂量率下探测器超量程导致没法及时发出临界报警，提高临界报警的准确性和安全性。

本发明实施例还提供一种临界报警系统。

一种临界报警系统包括设备外壳，以及上述任一实施例的临界报警装置；

其中，报警单元100设置在设备外壳形成的腔体内。

其中，设备外壳用于保护报警单元100。中子探测单元101和下位机102设置在设备外壳外，也可设置在设备外壳形成的腔体内。在使用中，中子探测单元101可通过有线或无线通信方式，与设备外壳内的下位机102通信。

在其中一个实施例中，设备外壳设置有安装机构，以便于设备外壳的安装使用。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种临界报警装置，其特征在于，包括：

中子探测单元，用于探测临界事故裂变中子数，获得中子探测数据；其中，所述中子探测单元包括一个或多个中子探测器，所述中子探测器包括闪烁体、光电转换器件、电荷灵敏前置放大器和直流电流前置放大器；所述闪烁体为ZnS(6LiF)闪烁体，所述光电转换器为硅光电二极管，所述ZnS(6LiF)闪烁体与所述硅光电二极管之间使用甲基硅油耦合剂进行处理，所述闪烁体与所述光电转换器用于通过光电转换探测中子注量率，以探测临界事故裂变中子数，所述光电转换器还用于分别输出电信号至所述电荷灵敏前置放大器的输入端和直流电流前置放大器的输入端；所述电荷灵敏前置放大器的输出端连接直流电流前置放大器的输出端，并用于输出所述中子探测数据；

报警单元，用于发出报警信号；

下位机，用于比较所述中子探测数据与设定报警阈值，在所述中子探测数据大于等于所述设定报警阈值时驱动所述报警单元发出报警信号；所述下位机还用于根据所述中子探测数据对应的中子通量密度强度，控制所述中子探测器切换光导模式和光伏模式；

上位机，用于根据所述下位机反馈的所述中子探测数据，反演临界事故裂变的瞬时裂变数和总裂变数。

2.根据权利要求1所述的临界报警装置，其特征在于，所述下位机包括第一处理器、逻辑判断电路和报警驱动电路；

所述第一处理器用于设定报警阈值；

所述逻辑判断电路用于比较所述中子探测数据与设定报警阈值；

所述第一处理器还用于在所述逻辑判断电路判定所述中子探测数据大于等于所述设定报警阈值时，控制所述报警驱动电路驱动所述报警单元发出报警信号。

3.根据权利要求1所述的临界报警装置，其特征在于，所述下位机还包括数据通信传输接口；

所述数据通信传输接口用于对外传输所述中子探测数据。

4.根据权利要求1所述的临界报警装置，其特征在于，所述上位机包括第二处理器。

5.根据权利要求2所述的临界报警装置，其特征在于，所述第一处理器为STM32F407单片机。

6.根据权利要求2所述的临界报警装置，其特征在于，所述逻辑判断电路为基于LM311电压比较器的比较电路。

7.根据权利要求1所述的临界报警装置，其特征在于，所述上位机包括第一存储器、第二存储器以及通信接口；所述通信接口用于接收所述中子探测数据，所述第一存储器用于存储所述中子探测数据，所述第二存储器用于存储反演的计算数据。

8.根据权利要求1所述的临界报警装置，其特征在于，所述报警单元包括声光报警器。

9.根据权利要求8所述的临界报警装置，其特征在于，所述声光报警器包括：蜂鸣器和LED。

10.一种临界报警系统，其特征在于，包括设备外壳，以及如权利要求1至9任意一项所述的临界报警装置；

其中，所述报警单元设置在所述设备外壳形成的腔体内。