CN112285758A - 一种核辐射场探头、探测器和探测系统 - Google Patents

一种核辐射场探头、探测器和探测系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种核辐射场探头，包括至少三个具有预设夹角的探头单元，每个探头单元包括面向核辐射场的第一有源像素传感器，第一有源像素传感器的后方依次排列第一金属挡板、高压像素传感器、第二金属挡板、表面覆盖有转换层的第二有源像素传感器和数据处理部件，第一有源像素传感器、高压像素传感器和第二有源像素传感器均设置于与数据处理部件连接的PCB电路板上，数据处理部件根据各个像素传感器检测的辐射场数据得到辐射场信息并定位放射源，能够解决核燃料组件远距离泄露破口的快速定位与污染区控制的问题，实现核燃料组件破口泄漏事故的空间定位与反演，实现核泄漏现象的预警。本申请还公开了一种探测器和探测系统。

Description

一种核辐射场探头、探测器和探测系统
技术领域
本发明属于核辐射探测技术领域，特别是涉及一种核辐射场探头、探测器和探测系统。
背景技术
在核电领域中，核燃料组件的安全状态监测和核泄漏快速探测预警是保障反应堆安全运行的一个重要环节。然而，在反应堆运行的过程中，核燃料组件表面的辐射极强，无法利用各种探测设备来直接测量。现在对核燃料组件的监测，通常是在换料大修期间，将核燃料组件从反应堆转移到换料水池后进行的，核燃料组件的泄露应急监测是在察觉到燃料组件出现异常泄漏事故后，进行泄漏点的排查，可见这种方法的探测效率低，而且定位精度差。因此，亟需一种能够实时监测核燃料组件区域内的辐射场状态，并在出现泄漏后准确定位破口，快速分析核泄露污染水平和影响范围的探测方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种核辐射场探头、探测器和探测系统，能够解决核燃料组件远距离泄露破口的快速定位与污染区控制的问题，实现核燃料组件破口泄漏事故的空间定位与反演，实现核泄漏现象的预警。
本发明提供的一种核辐射场探头，包括至少三个具有预设夹角的探头单元，每个所述探头单元包括面向核辐射场的第一有源像素传感器，所述第一有源像素传感器的后方依次排列有第一金属挡板、高压像素传感器、第二金属挡板、表面覆盖有转换层的第二有源像素传感器和数据处理部件，所述第一有源像素传感器、所述高压像素传感器和所述第二有源像素传感器均设置于与所述数据处理部件连接的PCB电路板上，所述数据处理部件用于根据各个像素传感器检测的辐射场数据得到横向辐射场信息并定位放射源。
优选的，在上述核辐射场探头中，所述第一有源像素传感器的表面还设置有轻质材料挡板。
优选的，在上述核辐射场探头中，还包括用于将所述探头调整朝向的准直部件。
优选的，在上述核辐射场探头中，所述数据处理部件的表面覆盖有屏蔽材料。
本发明提供的一种核辐射场探测器，包括至少2个探头组，每个所述探头组中包括3个如上面任一项所述的核辐射场探头。
优选的，在上述核辐射场探测器中，所述探头组的数量为4组。
本发明提供的一种核辐射场探测系统，包括设置于核辐射场周围的多个如上面所述的核辐射场探测器。
优选的，在上述核辐射场探测系统中，所述核辐射场周围的每个方向上至少设置一个所述核辐射场探测器。
本发明提供了一种核辐射场探头，由于包括至少三个具有预设夹角的探头单元，每个所述探头单元包括面向核辐射场的第一有源像素传感器，所述第一有源像素传感器的后方依次排列有第一金属挡板、高压像素传感器、第二金属挡板、表面覆盖有转换层的第二有源像素传感器和数据处理部件，所述第一有源像素传感器、所述高压像素传感器和所述第二有源像素传感器均设置于与所述数据处理部件连接的PCB电路板上，所述数据处理部件用于根据各个像素传感器检测的辐射场数据得到辐射场信息并定位放射源，因此能够解决核燃料组件远距离泄露破口的快速定位与污染区控制的问题，实现核燃料组件的破口泄漏事故的空间定位与反演，实现核泄漏现象的预警。本发明提供的上述探测器和探测系统，由于包括上述核辐射场探头，因此能够解决核燃料组件远距离泄露破口的快速定位与污染区控制的问题，实现核燃料组件的破口泄漏事故的空间定位与反演，实现核泄漏现象的预警。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种核辐射场探头的实施例的示意图；
图2为各探头单元辐射场探测区域的示意图；
图3为探测数据采集与传输的示意图；
图4为在1个方向上的1组探头的辐射场敏感区域的示意图；
图5为具有2个探头组的探测器的示意图；
图6为具有4个探头组的探测器的示意图；
图7为本发明提供的一种核辐射场探测系统的实施例的示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种核辐射场探头、探测器和探测系统，解决核燃料组件远距离泄露破口的快速定位与污染区控制的问题，实现核燃料组件的破口泄漏事故的空间定位与反演，实现核泄漏现象的预警。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种核辐射场探头的实施例如图1所示，图1为本发明提供的一种核辐射场探头的实施例的示意图，该核辐射探头包括至少三个具有预设夹角的探头单元，每个探头单元包括面向核辐射场的第一有源像素传感器1，第一有源像素传感器1的后方依次排列有第一金属挡板2、高压像素传感器3、第二金属挡板4、表面覆盖有转换层5的第二有源像素传感器6和数据处理部件7，该转换层5可采用对射线具有高阻止本领的闪烁体材料，例如γ射线转换材料CsI(Tl)、中子转换材料6LiF-ZnS(Ag)、有机塑料+Gd2O2S等等，用于将未被屏蔽的、穿透性强但数量较少的射线转换成可见光，便于第二有源像素传感器探测，提高探测效率，该数据处理部件7可以但不限于为主板，第一有源像素传感器1、高压像素传感器3和第二有源像素传感器6均设置于与数据处理部件4连接的PCB电路板8(图1中分别将三个PCB电路板标注为A、B和C)上，并通过图1中的数据/电源线9连接至数据处理部件，数据处理部件4用于根据各个像素传感器检测的辐射场数据得到横向辐射场信息并定位放射源。
需要说明的是，上述两个金属挡板是在三个传感器中间并且与PCB电路板平行，这些都是在探测器的壳子里面，可以将金属挡板固定在两个传感器电路板上的固定支架，也可以固定在外壳的固定卡槽中。
再参考图2和图3，图2为各探头单元辐射场探测区域的示意图，图3为探测数据采集与传输的示意图，上述用于辐射场探测的像素传感器包含2个通常用于可见光成像的有源像素传感器和1个用于高能物理实验的高压像素探测器，其中，第一有源像素传感器用于探测正向区域的整个辐射场R1，辐射场R1的平均辐射场信息为Rad1，高压像素探测器用于探测正向区域辐射场R2，辐射场R2的平均辐射场信息为Rad2，第二有源像素传感器用于探测正向区域辐射场R3，辐射场R3的平均辐射场信息为Rad3。第一有源像素传感器获取的数据Data I反映Rad1的辐射场信息，射线经过第一金属挡板屏蔽后，一部分射线被吸收屏蔽，另一部分射线发生散射或直接穿透第一金属挡板，形成平均辐射场Rad2，高压探测器获取的数据Data II反映辐射场Rad2信息，第一金属挡板出射的射线在经过第二金属挡板后，一部分射线被吸收屏蔽，另一部分射线发生散射或直接穿透第二金属挡板形成辐射场Rad3，形成辐射场Rad3的射线经过具有高阻止本领的转换层，射线转换成容易被第二有源像素传感器探测的可见光，形成信号Data3，反映Rad3辐射场信息，通过反演算法处理，由Data I、Data II和Data III就能够得到径向辐射场信息。
本发明提供了一种核辐射场探头的实施例中，由于包括至少三个具有预设夹角的探头单元，每个探头单元包括面向核辐射场的第一有源像素传感器，第一有源像素传感器的后方依次排列有第一金属挡板、高压像素传感器、第二金属挡板、表面覆盖有转换层的第二有源像素传感器和数据处理部件，第一有源像素传感器、高压像素传感器和第二有源像素传感器均设置于与数据处理部件连接的PCB电路板上，数据处理部件用于根据各个像素传感器检测的辐射场数据得到辐射场信息并定位放射源，因此能够解决核燃料组件远距离泄露破口的快速定位与污染区控制的问题，实现核燃料组件的破口泄漏事故的空间定位与反演，实现核泄漏现象的预警。
在上述核辐射场探头的一个具体实施例中，继续参考图1，第一有源像素传感器1的表面还设置有轻质材料挡板10，需要说明的是，这种轻质材料挡板为射线阻止本领弱的材料，用于与机身等其他部件配合，以构成封闭外壳结构，保护内部的芯片和电路免受破坏和污染。
在上述核辐射场探头的另一个具体实施例中，还可以如图1所示的包括用于将探头调整朝向的准直部件11，这种准直部件用于控制探测器的探测方向，保证探测器对正面辐射场最敏感。当然这是一个可选部件，还可以根据实际需要不采用这种准直部件，此处并不限制。
在上述核辐射场探头的又一个具体实施例中，数据处理部件7的表面可以覆盖有屏蔽材料，能够进一步提高探头的工作寿命。
综上，本申请提供的上述实施例中，利用多个像素传感器形成一个立体探测器，能够获得辐射场在径向深度的信息；利用多个立体探测器能够获得辐射场在横向宽度的信息；组合后能够获得换料水池整个区域的辐射场实时水平；像素传感器高采样率的特点使其对特异信息敏感，能够快速反应空间辐射场区域内放射性水平的变化，实现泄露的快速测量；辐射响应信号为辐射场放射性水平的表征依据；破口处放射性核素活度浓度增大，表现为平衡水平下的特异性辐射水平增长或波动；通过辐射场的空间分辨能够定位核素活动浓度变化区域和变化水平，从而探测到泄露点的位置和污染区域范围；像素传感器的高采样率特性能够非常敏锐的发现辐射场的变化，实现核辐射泄露报警的功能。
本发明提供的一种核辐射场探测器的实施例中，包括至少2个探头组，每个探头组中包括3个如上面任一项的核辐射场探头。参考图4，图4为在1个方向上的1组探头的辐射场敏感区域的示意图，可见3个探头分别以-20°、0°和20°三个角度在空间上同一平面排列，需要说明的是，探测角度与辐射场径向深度相关，角度越小，探测径向深度越长，但精确度越低；角度越大，探测径向深度越短，精确度越高。继续参考图2，第一有源像素传感器对R1辐射场信息敏感，高压像素传感器对R2辐射场信息敏感，第二有源像素传感器对R3辐射场信息敏感，三组探头探测区域存在交汇区，通过反演算法得到辐射场信息。当该探测器包括2个探头组时，如图5所示，图5为具有2个探头组的探测器的示意图，可见横线连接的为一组，竖线连接的为另一组，形成了立体探测器，实现对一定范围内空间辐射场的测量。
在上述核辐射场探测器的另一个实施例中，探头组的数量还可以为4组。参考图6，图6为具有4个探头组的探测器的示意图，可见其一共包括9个探头，横向的三个为一组，竖向的三个为一组，而两个斜向的还包括两组，这就形成了立体探测器，实现对一定范围内空间辐射场的测量，进一步提高了探测的准确性和灵敏度。
本发明提供的一种核辐射场探测系统的实施例中，如图7所示，图7为本发明提供的一种核辐射场探测系统的实施例的示意图，该系统包括设置于核辐射场701周围的多个如上面所述的核辐射场探测器702，需要说明的是，该核辐射场701中包括燃料组件704和换料水池705，其周围有轨道703，而上述多个核辐射场探测器702就是在这个轨道703上移动，位于水平方向的探测器可在X、Z方向运动，位于垂直方向的探测器可在Y、Z方向运动，探测器输出的数据包括像素传感器的探测数据：Data I、Data II、Data III和立体探测器的位置信息(X，Y，Z)。
还需要说明的是，在上述核辐射场探测系统的优选实施例中，核辐射场周围的每个方向上至少设置一个上述核辐射场探测器，探头数量少一些的话，探测精度和效率相对低一点，但成本低，运算速度相对快一些，反之亦然。不同探头数量的探测系统可以应用于不同水平的辐射场探测场合中，例如针对研究堆，燃料组件放射性水平相对较低，需要更快的测量，就可采用2组5探头的，对于大型民用核电场，可采用4组9探头的。
综上所述，本发明提供的上述核辐射场探测系统，将用于光学探测可见光和用于高能物理探测核辐射的不同类型的像素传感器相结合，实现对不同能量和类型射线的探测，利用多个在一定空间结构上组合排列的不同类型的像素传感器，配合一定的屏蔽材料和转换材料进行协同探测就能够实现放射源的快速定位，高采样率的探测系统能够敏锐的发现辐射场的变化，实现核辐射泄露报警的功能，探测量程宽，具有500μSv/h至1000Sv/h的探测量程，能够应对不同等级的泄漏事故。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种核辐射场探头，其特征在于，包括至少三个具有预设夹角的探头单元，每个所述探头单元包括面向核辐射场的第一有源像素传感器，所述第一有源像素传感器的后方依次排列有第一金属挡板、高压像素传感器、第二金属挡板、表面覆盖有转换层的第二有源像素传感器和数据处理部件，所述第一有源像素传感器、所述高压像素传感器和所述第二有源像素传感器均设置于与所述数据处理部件连接的PCB电路板上，所述数据处理部件用于根据各个像素传感器检测的辐射场数据得到横向辐射场信息并定位放射源。
2.根据权利要求1所述的核辐射场探头，其特征在于，所述第一有源像素传感器的表面还设置有轻质材料挡板。
3.根据权利要求1所述的核辐射场探头，其特征在于，还包括用于将所述探头调整朝向的准直部件。
4.根据权利要求1所述的核辐射场探头，其特征在于，所述数据处理部件的表面覆盖有屏蔽材料。
5.一种核辐射场探测器，其特征在于，包括至少2个探头组，每个所述探头组中包括3个如权利要求1-4任一项所述的核辐射场探头。
6.根据权利要求5所述的核辐射场探测器，其特征在于，所述探头组的数量为4组。
7.一种核辐射场探测系统，其特征在于，包括设置于核辐射场周围的多个如权利要求5或6所述的核辐射场探测器。
8.根据权利要求7所述的核辐射场探测系统，其特征在于，所述核辐射场周围的每个方向上至少设置一个所述核辐射场探测器。
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