CN112114345B

CN112114345B - 一种用于土壤中放射性直接测量的装置及方法

Info

Publication number: CN112114345B
Application number: CN202010737646.3A
Authority: CN
Inventors: 马鹏; 宋志君; 张生栋; 孙宏清; 党云博
Original assignee: China Institute of Atomic of Energy
Current assignee: China Institute of Atomic of Energy
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2020-07-28
Publication date: 2023-05-23
Anticipated expiration: 2040-07-28
Also published as: CN112114345A

Abstract

本发明提供一种用于土壤中放射性直接测量的装置及方法，所述装置包括：探头；所述探头包括第一层、第二层、第三层、第四层、第五层和第六层；第一层为ZnS(Ag)层；第二层、第三层、第四层和第六层为由多根有反射涂层的方形塑料闪烁光纤捆绑成的光纤层；第五层为低原子序数材料为介质的吸收层。本发明提供的一种用于土壤中放射性直接测量的装置及方法通过多层闪烁体探测器结构布局、特定的信号获取逻辑，实现了单台装置一次测量即可同时获得土壤中总β、总α表面污染强度、γ吸收剂量率和⁹⁰Sr含量数据，解决了土壤放射性污染快速监测的难题。

Description

一种用于土壤中放射性直接测量的装置及方法

技术领域

本发明属于放射性探测技术领域，具体涉及一种用于土壤中放射性直接测量的装置。

背景技术

土壤的放射性是环境放射性污染监测的重要事项，其主要监测的内容为γ吸收剂量率、表面污染总β、总α强度，监测的主要核素有¹³⁷Cs、⁹⁰Sr等，上述监测项目需要不同的仪器完成，比如γ吸收剂量率用闪烁体、半导体等探测器测量；表面污染使用薄层闪烁体或电离室等探测器测量；γ核素含量使用高纯锗探测器测量；⁹⁰Sr含量测量需要现场采集土壤样品后在实验室完成放化分离，得到放化纯的⁹⁰Sr，在液体闪烁谱仪上测量获得⁹⁰Sr含量数据。由上所述，土壤放射性污染监测需要使用多种测量设备，费用高，耗时长，无法实现土壤放射性污染的快速测量。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种特殊结构的多用途测量装置，现场单次测量即可获得土壤中总β、总α表面污染强度、γ吸收剂量率、⁹⁰Sr含量数据，解决了土壤放射性污染监测需使用多种测量设备，无法快速监测的难题。

为达到以上目的，本发明采用的一种技术方案是：一种用于土壤中放射性直接测量的装置，所述装置包括探头；

所述探头包括第一层、第二层、第三层、第四层、第五层和第六层；第一层为ZnS(Ag)层；第二层、第三层、第四层和第六层为由多根有反射涂层的方形塑料闪烁光纤捆绑成的光纤层；第五层为低原子序数材料为介质的吸收层。

进一步的，所述ZnS(Ag)层的厚度为10～20微米。

进一步的，所述第二层、第三层、第四层和第六层中包括与射线产生荧光的激活剂。

进一步的，所述装置还包括光电倍增管；

每个所述第二层、第三层、第四层、第六层光纤层的两端分别和光电倍增管连接，每层光纤两端的信号经快前置放大电路和恒比定时电路处理后再通过符合电路后转换为一路，形成4路信号21、22、23、24；第二层光纤层两端信号经快前置放大电路、信号叠加电路后合并为1路信号25。

进一步的，所述装置还包括信号处理电路；

所述信号处理电路包括：快前置放大、恒比定时、信号叠加、逻辑符合、逻辑反符合、α甄别、脉冲计数；所述21、22、23输入逻辑符合电路，输出信号42，信号42分为两路，一路与信号24输入逻辑反符合电路，输出信号43，另一路输入脉冲计数电路31g；信号25分为两路，一路输入α甄别电路，输出信号41，另一路输入脉冲计数电路31g；共5路信号24、25、41、42、43进入脉冲计数电路。

为达到以上目的，本发明采用的另一种技术方案是：一种用于土壤中放射性直接测量的方法，所述方法包括：

将第一层面向土壤，第二层中得到的α信号即为总α表面污染计数；

第二层的总计数减去α计数，再扣除γ射线在第二层的贡献即为总β计数；

第六层中的计数扣除宇宙射线在其中的贡献即为总γ计数；

第二层、第三层、第四层的符合信号与第六层11f信号反符合，输出计数扣除本底贡献为⁹⁰Y的β衰变计数，土壤中的⁹⁰Y与母体⁹⁰Sr处于衰变平衡状态，所测⁹⁰Y计数即等效为⁹⁰Sr计数。

本发明的效果在于，通过多层闪烁体探测器结构布局、特定的信号获取逻辑，实现了单台装置一次测量即可同时获得土壤中总β、总α表面污染强度、γ吸收剂量率和⁹⁰Sr含量数据，解决了土壤放射性污染快速监测的难题。

附图说明

图1为本发明所述探头的结构示意图；

图2为本发明中所述探头信号输出方式示意图；

图3为本发明中所述信号处理电路结构示意图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

参阅图1，图1为本发明所述探头的结构示意图。所述探头包括第一层11a、第二层11b、第三层11c、第四层11d、第五层11e和第六层11f；第一层11a为ZnS(Ag)层，面向土壤，用于α射线的测量。第二层11b、第三层11c、第四层11d和第六层11f为由多根有反射涂层的方形塑料闪烁光纤捆绑成的光纤层，射线与光纤内的激活剂作用产生荧光，荧光在光纤外部涂层界面处发生全反射且不会穿过涂层，只能沿着光纤传输在切断处射出。第五层为低原子序数材料为介质的吸收层用于阻挡任何来自土壤中的β射线。

在一个具体实施例中，ZnS(Ag)层厚度为10～20微米。

参阅图2，图2为本发明中所述探头信号输出方式示意图。所述装置还包括光电倍增管，光纤层端面切割抛光后连接光电倍增管(PMT)。具体的，所述第二层11b、第三层11c、第四层11d、第六层11f光纤层的两端分别和光电倍增管连接，每层光纤两端的信号经快前置放大31a和恒比定时电路31b处理后再通过符合电路31d后转换为一路，形成4路信号21、22、23、24。第二层光纤层两端信号经快前置放大电路31a、信号叠加电路31c后合并为1路信号25。

本装置的原理如下：第一层11a喷涂10～20微米厚的ZnS(Ag)，α射线被ZnS(Ag)层完全阻挡并产生荧光，荧光由光疏介质(ZnS(Ag)层)进入光密介质(光纤，第二层结构11b)并沿光纤传输，在光纤束端面射出并进入光电倍增管转换为电信号，β射线与γ射线会在ZnS(Ag)层和第二层11b作用产生荧光，与α射线产生的荧光一起在光纤束端面射出，后端电路通过幅度甄别和信号脉冲形状甄别分辨出α信号，此时第二层11b中得到的α信号即为总α表面污染计数。

β和γ射线都会在第二层11b上产生荧光，β射线在光纤层中的本征探测效率近100％，γ射线在光纤层中的本征探测效率约为千分之几，当β射线与γ射线的强度相当时，第二层11b信号总计数扣除α计数即为总β表面污染计数，当γ射线强度远大于β射线强度时，需进行修正。由于γ射线的强穿透性以及在闪烁光纤中较低的探测效率，其在光纤层第二层11b、第三层11c、第四层11d、第六层11f中的吸收是相同的，第五层11e是低原子序数材料为介质的吸收层，可以阻挡任何来自土壤中的β射线，第六层11f中的计数即为总γ计数(扣除宇宙射线贡献)，第二层11b的计数减去第六层6的计数即为总β计数。更准确的做法是使用γ源，通常为¹³⁷Cs(土壤中主要污染核素)，将其置于第一层11a下方，测得第二层11b总计数和第六层11f总计数的比值，此数值即为γ射线在第二层11b的修正系数，测量土壤得到的第二层11b总计数减去第六层11f总计数与修正系数的乘积，再减去α计数即为总β计数。

土壤中⁹⁰Sr及其衰变子体⁹⁰Y是处于长期平衡状态(母子体核素活度相等)的纯β发射核素。其中⁹⁰Y是土壤中主要的高能β核素(最大能量2.28MeV)，会穿过光纤层第二层11b、第三层11c、第四层11d，并在三层光纤中同时产生信号(由电离效应产生)，光纤层第二层11b、第三层11c、第四层11d的信号符合后记为⁹⁰Y的β信号。其它核素大多为中低能β衰变核素，其β射线不会穿过光纤层第二层11b和第三层1c到达光纤层第四层11d，即光纤层第二层11b、第三层11c、第四层11d的符合信号只是⁹⁰Y的β衰变信号。γ射线在每层光纤中产生信号的概率很小，约为千分之几，三层光纤输出信号符合即为每层光纤产生信号概率的乘积，因此，γ射线在测量装置中的响应可忽略。此时，三层光纤层第二层11b、第三层11c、第四层11d输出信号符合便实现了从β信号、γ信号中甄别出⁹⁰Y的信号，从而实现了土壤中⁹⁰Sr含量的直接测量。

宇宙射线中的高能带电粒子会同时在光纤层第二层11b、第三层11c、第四层11d中产生信号，也会同时在光纤层第六层11f中产生信号，光纤层第二层11b、第三层11c、第四层11d符合后在与光纤层第六层11f的信号反符合，可甄别掉光纤层第二层11b、第三层11c、第四层11d符合信号中的宇宙射线成分。

图3为本发明中所述信号处理电路结构示意图。所述信号处理电路的连接方式为：第二层11b、第三层11c、第四层11e、第六层11f光纤层的两端分别和光电倍增管连接，每层光纤两端的信号经快前置放大31a和恒比定时电路31b处理后再通过符合电路31d后转换为一路，形成4路信号21、22、23、24。第二层11b光纤层两端信号经快前置放大电路31a、信号叠加电路31c后合并为1路信号25。21、22、23输入逻辑符合电路31d，输出信号42，信号42分为两路，一路与信号24输入逻辑反符合电路31e，输出信号43，另一路输入脉冲计数电路31g。信号25分为两路，一路输入α甄别电路31f，输出信号41，另一路输入脉冲计数电路31g。共5路信号24、25、41、42、43进入脉冲计数电路31g。

信号经过处理后，41输出总α计数，25输出计数减去总α计数，再减去24输出计数与修正系数的乘积之后，即为总β计数，43输出扣除本底(装置测量无⁹⁰Sr污染土壤所得计数)即为土壤中⁹⁰Sr贡献计数，修正探测效率后得到Sr含量信息，24输出计数扣除宇宙射线贡献(42输出计数减去43输出计数)，转换后得到γ剂量率数据。

区别于现有技术，本发明提供的一种用于土壤中放射性直接测量的装置及方法，通过多层闪烁体探测器结构布局、特定的信号获取逻辑，实现了单台装置一次测量即可同时获得土壤中总β、总α表面污染强度、γ吸收剂量率和⁹⁰Sr含量数据，解决了土壤放射性污染快速监测的难题。

本领域技术人员应该明白，本发明所述装置及方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种用于土壤中放射性直接测量的装置，其特征在于，所述装置包括探头；

所述探头包括第一层（11a）、第二层（11b）、第三层（11c）、第四层（11d）、第五层（11e）和第六层（11f）；第一层（11a）为ZnS（Ag）层；第二层（11b）、第三层（11c）、第四层（11d）和第六层（11f）为由多根有反射涂层的方形塑料闪烁光纤捆绑成的光纤层；第五层（11e）为低原子序数材料为介质的吸收层;

所述装置还包括光电倍增管及信号处理电路，所述信号处理电路包括：快前置放大（31a）、恒比定时（31b）、信号叠加（31c）、逻辑符合（31d）、逻辑反符合（31e）、α甄别（31f）、脉冲计数（31g）；所述第二层（11b）、第三层（11c）、第四层（11d）、第六层（11f）光纤层的两端分别和光电倍增管连接，每层光纤两端的信号经快前置放大（31a）和恒比定时电路（31b）处理后再通过符合电路（31d）后转换为一路，形成4路信号（21）、（22）、（23）、（24），第二层光纤层两端信号经快前置放大电路（31a）、信号叠加电路（31c）后合并为1路信号（25）；

所述信号（21）、（22）、（23）输入逻辑符合电路（31d），输出信号（42）；信号（42）分为两路，一路与信号（24）输入逻辑反符合电路（31e），输出信号（43），另一路输入脉冲计数电路（31g）；信号（25）分为两路，一路输入α甄别电路（31f），输出信号（41），另一路输入脉冲计数电路（31g）；共5路信号（24）、（25）、（41）、（42）、（43）进入脉冲计数电路（31g）。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述ZnS（Ag）层的厚度为10~20微米。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二层（11b）、第三层（11c）、第四层（11d）和第六层（11f）中包括与射线产生荧光的激活剂。

4.根据权利要求1-3任意所述的一种用于土壤中放射性直接测量的方法，其特征在于，所述方法包括：

将第一层（11a）面向土壤，第二层（11b）中得到的α信号（41）即为总α表面污染计数；

第二层（11b）的总计数25减去α计数（41），再扣除γ射线在第二层（11b）的贡献即为总β计数；

第六层（11f）中的计数扣除宇宙射线在其中的贡献即为总γ计数；

第二层（11b）、第三层（11c）、第四层（11d）的符合信号与第六层（11f）信号反符合，输出计数扣除本底贡献为⁹⁰Y的β衰变计数，土壤中的⁹⁰Y与母体⁹⁰Sr处于衰变平衡状态，所测⁹⁰Y计数即为⁹⁰Sr计数。