CN111366964A - 一种用于区域伽玛中子辐射监测的固定式集成装置 - Google Patents

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王猛
廉冰
王彦
康晶
陈海龙
于志翔
罗恺
苏自强
杨勇
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Abstract

本发明涉及一种用于区域伽玛中子辐射监测的固定式集成装置，包括γ探测器、中子探测器以及与γ探测器、中子探测器通过RS‑485通讯网络连接的主机系统，主机系统连接探测信号处理与显示系统，γ探测器包括多个γ探头，中子探测器包括多个中子探头，探测信号处理与显示系统包括与γ探头和中子探头连接的信号处理器，信号处理器将γ探头和中子探头的探测器信号转换为数字信号。本装置用一套剂量监测系统完成对核反应堆等复杂辐射场所伽玛和中子剂量监测及剂量数据管理。本装置选用GM探测器和3He正比计数器作为主要探测仪器探头，有机结合成区域γ与中子探测装置。该种监测仪有利于简化核动力设施场所辐射监测系统设备复杂度，节省了布置空间。

Description

一种用于区域伽玛中子辐射监测的固定式集成装置
技术领域
本发明涉及辐射防护领域，尤其是一种用于区域伽玛中子辐射监测的固定式集成装置。
背景技术
随着核技术利用的快速发展，也要求我们在辐射防护领域加快步伐，保障辐射工作场所工作人员的安全，其中伽玛剂量率、中子剂量是重要的监测内容之一，能直接反应工作人员所接受剂量的大小和设施的安全运行状况。现今核设施场所均设置了现场辐射剂量监测，其中γ辐射剂量是最常见的检测项，对于辐射环境较复杂的核设施，如核电站反应堆、研究堆及其他核动力装置反应堆安全壳内以及核电站控制区等放射性控制场所，只对γ辐射剂量进行监测显然不足以反应辐射场的强度及危害，中子剂量和注量也是重要的监测内容之一，能直接反应工作人员所接受剂量的大小和设施的安全运行状况。同注量中子比γ辐射对剂量的贡献高(随能量的不同有5-20倍)，有必要对这些复杂辐射环境中添加中子剂量监测仪。但是中子和γ射线的品质因子差别很大，且吸收剂量测量原理和探测器设计也不同，为中子剂量测量带来干扰。
而且，目前对于γ和中子混合辐射场的监测主要是便携式的探测仪器，没有区域监测仪。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种用于区域伽玛中子辐射监测的固定式集成装置。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于区域伽玛中子辐射监测的固定式集成装置，包括γ探测器、中子探测器以及与γ探测器、中子探测器通过RS-485通讯网络连接的主机系统，主机系统连接探测信号处理与显示系统，所述γ探测器包括多个γ探头，中子探测器包括多个中子探头，探测信号处理与显示系统包括与γ探头和中子探头连接的信号处理器，信号处理器将γ探头和中子探头的探测器信号转换为数字信号，最终通过γ辐射剂量管理软件和中子剂量率管理软件进行文字、表格及曲线图形显示；
进一步，所述主机系统包括与各个信号处理器连接的探头通讯电路，与探头通讯电路连接的微处理器，与微处理器连接的显示电路和声光报警器。
进一步，所述探头通讯电路通过RS-485通讯网络连接γ辐射剂量管理软件和中子剂量率管理软件。
进一步，所述γ探头采用J304型号的GM探测器，中子探头采用3He正比计数器。
进一步，所述3He正比计数器的外层涂设慢化层使得快中子慢化至热能区域，拓宽对中子的探测能量范围。
进一步，所述慢化层厚度直径为20cm-30cm。
进一步，所述慢化层采用直径为25cm的聚乙烯球，中子经慢化后与惰性气体3He发生核反应，放出0.191MeV的氚核和0.574MeV的质子，氦气为惰性气体，没有其它化合物，由于该反应产物没有其它激发态，即不会有伴生的γ射线干扰。
进一步，通过主机系统设置高报警阈值和低报警，报警阈值可在量程范围内任意设置，超过低报警阈值时，黄色警示灯亮起；超过高报警阈值时，红色报警灯变亮，同时声光报警器间歇性响起；当剂量低于报警阈值时，报警停止。
本发明的有益效果为：本装置用一套剂量监测系统完成对核反应堆等复杂辐射场所伽玛和中子剂量监测及剂量数据管理。本装置选用GM探测器和3He正比计数器作为主要探测仪器探头，扩展γ测量的能量范围，优化设计，有机结合成区域γ与中子探测装置。该种监测仪有利于简化核动力设施场所辐射监测系统设备复杂度，节省了布置空间；
该装置主要针对辐射环境较为复杂的核设施，如核电站反应堆、研究堆及其他核动力装置反应堆安全壳内以及核电站控制区等放射性控制场所的伽玛剂量率和中子剂量率监测，实现了区域混合场伽玛剂量率和中子剂量率同时监测而不互相干扰的测量。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明的设备结构示意图。
具体实施方式
如图1，图2所示，一种用于区域伽玛中子辐射监测的固定式集成装置，包括γ探测器、中子探测器以及与γ探测器、中子探测器通过RS-485通讯网络连接的主机系统，主机系统连接探测信号处理与显示系统，γ探测器包括多个γ探头1，中子探测器包括多个中子探头2，探测信号处理与显示系统包括与γ探头1和中子探头2连接的信号处理器3，信号处理器3将γ探头1和中子探头2的探测器信号转换为数字信号，最终通过γ辐射剂量管理软件和中子剂量率管理软件进行文字、表格及曲线图形显示；
主机系统包括与各个信号处理器3连接的探头通讯电路4，与探头通讯电路4连接的微处理器5，与微处理器5连接的显示电路6和声光报警器7。探头通讯电路4通过RS-485通讯网络连接γ辐射剂量管理软件和中子剂量率管理软件。
本装置以工业控制计算机作为上位机，智能化仪表和光电执行部件构成，通过由双绞线连接的RS-485通讯网络，预先设置好合适参数，即可以同时监测γ射线与中子剂量率及累积剂量，可自动完成实时采集安装在现场的各路在线辐射安全报警设备，对应的γ探头与中子探头的测量数据等功能，仪器可设置高报警阈值和低报警，报警阈值可在量程范围内任意设置，超过低报警阈值时，黄色警示灯亮起；超过高报警阈值时，红色报警灯变亮，同时声光报警器间歇性响起；当剂量低于报警阈值时，报警停止。可以侦测探头故障(失效)，并报警。本装置通过计算机远程集中监测、监视和监控，完成对工作场所辐射环境辐射剂量率进行实时监控，准确判断人员在辐射环境中的安全情况；对于核反应堆情形，还可以根据监测数据判断反应堆多重屏蔽层的完整性。本装置包含探头25个(含γ探头16个、中子探头9个)、主机系统6个。
针对γ探测器设计：
本装置γ剂量率测量选用GM探测器，γ射线的探测效率高，测量准确度高。但是时间响应慢，只能工作在剂量率偏低的场合。本设计中扩展了γ测量的能量范围，探测装置小型化设计、降低噪声和抗干扰性优化设计。①为了满足设计要求的测量伽玛范围，J305低剂量敏感的探测器，探测上限难以达到107μGy/h，而J705能够达到探测上限的探测器，在本装置的量程下限计数很少，由于统计涨落等原因测量误差又较大。为了解决上述问题，我们选择J304，获得了比较满意的效果。②为了保证小型化的要求，在满足电路性能指标的情况下尽量对电路实行简化和集成化设计。③为了有效降低噪声，增强电路的可靠性和抗干扰能力，探测器之后选用一级低噪声、高跨导的结型场效应管作为电荷灵敏级的输入级。
针对中子探测器设计：
目前常用的中子探测器有3He正比计数器、BF3计数管、LiI或Li玻璃闪烁体等，它们对中子探测效率的排序由高到底是3He/BF3探测器、LiI或Li玻璃闪烁体；中子辐射场一般都会伴随有γ辐射，上述探测器对γ的响应由高到底是LiI或Li玻璃闪烁体、3He探测器，为解决γ射线对中子测量的干扰，同时提高中子探测效率，本项目以3He/BF3探测器作为中子探测元件；因上述探测器都是对热中子的反应截面较大，需设计合适的慢化体，满足热中子～16Mev的中子能量范围要求；由于3He探测器对射线的不敏感，再结合电子学线路的相应设计，探头能很好地工作于混合辐射场条件下。正比计数器被广泛地应用于中子剂量测量领域，其典型代表是组织等效正比计数器、3He正比计数器和BF3正比计数器。选择适当厚度的慢化体或改变探测器壁厚、内充的混合气体成分或气体的压强，可使探测器读数与测量的剂量(或剂量当量)或注量大小近似于成正比关系。
本装置采用3He正比计数器作为探头，由于中子与3He的反应截面服从1/v的关系，因此需要在3He正比计数器外层加上一定厚度的慢化层使得快中子慢化至热能区域，这样就可以拓宽对中子的可探测能量范围。慢化层厚度直径一般为20cm-30cm。如采用小的慢化球(如直径为20cm)，则在中能段(10eV-100keV)普遍存在能量响应偏高的问题。如采用较大的慢化球(如直径为30cm)，则能较好地用于中能和快中子剂量测量，但对热能段的测量则低估3倍左右，因此平衡两方面的因素采用直径为25cm的聚乙烯球。中子经慢化后与惰性气体3He发生核反应，可放出0.191MeV的氚核和0.574MeV的质子。氦气为惰性气体，没有其它化合物。由于该反应产物没有其它激发态，即不会有伴生的γ射线干扰。
主机系统具有灵敏度高、操作方便、自动显示、数据存储和超阈报警等特点，能实时给出γ、中子辐射剂量率，也可作为在线辐射监测系统实现实时监控与超阈安全报警，考虑到现场操作、应急快速响应与维护方便的需要，主机安装在现场实现实时监测与就地报警，通过RS485通讯实现总控制室自动监控。
探测信号经前置放大和信号甄别后，进入信号处理器将探测器信号转换为数字信号，最终通过γ辐射剂量管理软件和中子剂量率管理软件进行文字、表格及曲线图形显示；
本系统通过计算机远程集中监测、监视和监控，完成对场所工作环境辐射超标的辐射剂量率(包括累计剂量)实时监控及场所辐射剂量率安全和准确判断人员在辐射环境中的安全情况，也可由此判断反应堆重屏蔽层的完整性。同时具有微机全自动、人工手动二种操作工况，各种工况可以任意切换，并且可以在各工况间传递数据，为用户提供了极大的灵活性。控制软件人机界面十分友好，所有的操作只需在一个控制面板上就可全部完成，简单易用，实用性强。
本装置用一套剂量监测系统完成对核反应堆等复杂辐射场所伽玛和中子剂量监测及剂量数据管理。本装置选用GM探测器和3He正比计数器作为主要探测仪器探头，扩展γ测量的能量范围，优化设计，有机结合成区域γ与中子探测装置。该种监测仪有利于简化核动力设施场所辐射监测系统设备复杂度，节省了布置空间；
该装置主要针对辐射环境较为复杂的核设施，如核电站反应堆、研究堆及其他核动力装置反应堆安全壳内以及核电站控制区等放射性控制场所的伽玛剂量率和中子剂量率监测，实现了区域混合场伽玛剂量率和中子剂量率同时监测而不互相干扰的测量。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种用于区域伽玛中子辐射监测的固定式集成装置，包括γ探测器、中子探测器以及与γ探测器、中子探测器通过RS-485通讯网络连接的主机系统，主机系统连接探测信号处理与显示系统，其特征在于，所述γ探测器包括多个γ探头，中子探测器包括多个中子探头，探测信号处理与显示系统包括与γ探头和中子探头连接的信号处理器，信号处理器将γ探头和中子探头的探测器信号转换为数字信号，最终通过γ辐射剂量管理软件和中子剂量率管理软件进行文字、表格及曲线图形显示。
2.根据权利要求1所述的一种用于区域伽玛中子辐射监测的固定式集成装置，其特征在于，所述主机系统包括与各个信号处理器连接的探头通讯电路，与探头通讯电路连接的微处理器，与微处理器连接的显示电路和声光报警器。
3.根据权利要求2所述的一种用于区域伽玛中子辐射监测的固定式集成装置，其特征在于，所述探头通讯电路通过RS-485通讯网络连接γ辐射剂量管理软件和中子剂量率管理软件。
4.根据权利要求2所述的一种用于区域伽玛中子辐射监测的固定式集成装置，其特征在于，所述γ探头采用J304型号的GM探测器，中子探头采用3He正比计数器。
5.根据权利要求4所述的一种用于区域伽玛中子辐射监测的固定式集成装置，其特征在于，所述3He正比计数器的外层涂设慢化层使得快中子慢化至热能区域，拓宽对中子的探测能量范围。
6.根据权利要求5所述的一种用于区域伽玛中子辐射监测的固定式集成装置，其特征在于，所述慢化层厚度直径为20cm-30cm。
7.根据权利要求6所述的一种用于区域伽玛中子辐射监测的固定式集成装置，其特征在于，所述慢化层采用直径为25cm的聚乙烯球，中子经慢化后与惰性气体3He发生核反应，放出0.191MeV的氚核和0.574MeV的质子，氦气为惰性气体，没有其它化合物，由于该反应产物没有其它激发态，即不会有伴生的γ射线干扰。
8.根据权利要求6所述的一种用于区域伽玛中子辐射监测的固定式集成装置，其特征在于，通过主机系统设置高报警阈值和低报警，报警阈值可在量程范围内任意设置，超过低报警阈值时，黄色警示灯亮起；超过高报警阈值时，红色报警灯变亮，同时声光报警器间歇性响起；当剂量低于报警阈值时，报警停止。
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