CN113009548A - 一种探测设备以及辐射方位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于辐射探测技术领域，提供了一种探测设备以及辐射方位测量方法，探测设备包括闪烁晶体和光电探测器阵列。其中，所述闪烁晶体为柱状结构，并用于拦截所述放射源产生的高能粒子通过光电效应转化为紫外光或者近紫外光等光信号。光电探测器阵列设置于所述闪烁晶体上，并用于接收闪烁晶体产生的光信号。本发明提供的探测设备，采用柱状的闪烁晶体，并将光电探测器阵列设置于闪烁晶体上，在探测方向上该闪烁晶体是一个整体，在360度方向上都能够拦截高能粒子，即放射源围绕该探测器旋转任意角度，该探测设备都能进行放射源的圆周定位，解决了现有的探测设备存在探测死角的技术问题，一定程度上减小了辐射探测的误差和探测的复杂度。

Description

一种探测设备以及辐射方位测量方法

技术领域

本发明属于辐射探测技术领域，更具体地说，是涉及一种探测设备以及辐射方位测量方法。

背景技术

目前核电站、核潜艇和核动力航空母舰等使用的反应堆中均以压水堆为主。其中，核电厂辐射监测中常见的三种放射源为：中子辐射、伽马辐射和放射性气体与气溶胶。伽马辐射剂量常用的探测器有电离室、G-M计数管、闪烁体和半导体，但是现有的探测设备多采用离散晶体或者透镜组合等方式实现，采用上述方式具有一定的探测死角，增大了辐射探测设备的误差和探测的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种探测设备以及辐射方位测量方法，以解决现有的辐射探测设备存在探测死角的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种探测设备，用于对待检测的放射源进行检测，其特征在于：所述探测设备包括：

闪烁晶体，所述闪烁晶体为柱状结构，并用于拦截所述放射源产生的伽马光子并产生光信号；以及

光电探测器阵列，设置于所述闪烁晶体上，并用于接收光信号。

可选地，所述闪烁晶体沿其轴向开设有通孔，所述闪烁晶体具有内壁面、外壁面、第一端面以及第二端面，所述内壁面、所述外壁面、所述第一端面和所述第二端面中的至少一个面上设置有所述光电探测器阵列。

可选地，所述光电探测器阵列设置于所述第一端面和所述第二端面上。

可选地，所述光电探测器阵列呈环状，所述光电探测器阵列包括：

多个光电探测器单元，多个所述光电探测单元绕所述闪烁晶体的轴线沿周向均匀分布。

可选地，所述探测设备还包括：

屏蔽芯，设置于所述通孔内，用于拦截所述放射源产生的伽马光子。

可选地，所述屏蔽芯为防辐射材料件。

可选地，所述探测设备还包括：

电路板，设于所述光电探测器阵列上，且与所述光电探测器阵列电连接。

可选地，所述探测设备还包括：

引出排线，与所述电路板电连接。

本发明还提供了一种辐射方位测量方法，基于上述所述的探测设备进行，当所述闪烁晶体的两个端面上均设有所述光电探测器阵列，且各所述光电探测器阵列包括m个光电探测器单元，m个光电探测器单元沿周向均匀分布时，所述辐射方位测量方法包括以下步骤：

S10：将m个光电探测器单元的采集时长设定为n s；

S20：在所述闪烁晶体的端面的圆周方向建立坐标系，不考虑是否为同一个事件，并得到每个光电探测器单元的采集光子能量之和E_u1，E_u2，E_u3，…，E_um以及E_d1，E_d2，E_d3，…，E_dm，绘制能量累计的分布图，通过求取该分布直方图的重心可获取放射源所在的圆周方向的方位。

本发明还提供了一种辐射方位测量方法，基于上述所述的探测设备进行，当所述闪烁晶体的两个端面上均设有所述光电探测器阵列，且各所述光电探测器阵列包括m个光电探测器单元，m个光电探测器单元沿周向均匀分布时，所述辐射方位测量方法包括以下步骤：

S10：将m个光电探测器单元的采集时长设定为n s；

S20：在所述闪烁晶体的端面的圆周方向建立坐标系，利用正电子断层扫描的伽马光子定位方法，在经过一定的能量窗、能量阈值过滤无效事件之后，对于每个单光子事件，读取其对应所有通道的光电探测器单元的能量值e_u1，e_u2，e_u3，…，e_um以及e_d1，e_d2，e_d3，…,e_dm，利用重心法计算单光子在圆周方向上的入射位置θ；

S30：计算所有光子事件的入射位置θ，然后通过直方图等统计规律计算其入射位置的分布重心，从而得到放射源的圆周方向的入射方位。

本发明提供的探测设备的有益效果在于：与现有技术相比，本发明探测设备，采用柱状的闪烁晶体，并将光电探测器阵列设置于闪烁晶体上，在探测方向上该闪烁晶体是一个整体，在360度方向上都能够拦截高能粒子，即放射源围绕该探测器旋转任意角度，该探测设备都能进行放射源的圆周定位，解决了现有的探测设备存在探测死角的技术问题，一定程度上减小了辐射探测的误差和探测的复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的探测设备的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的探测设备的爆炸结构示意图；

图3为本发明实施例提供的探测设备的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的闪烁晶体的立体结构示意图一；

图5为本发明实施例所采用的闪烁晶体的俯视结构示意图二；

图6为本发明第一种实施例所采用的辐射方位测量方法的流程图；

图7为本发明第二种实施例所采用的辐射方位测量方法的流程图。

其中，图中各附图标记：

1-闪烁晶体；10-通孔；11-内壁面；12-外壁面；13-第一端面；14-第二端面；2-光电探测器阵列；21-光电探测器单元；3-屏蔽芯；4-电路板；41-第一电路板；42-第二电路板；5-引出排线；51-第一引出排线；52-第二引出排线；6-放射源；S1-阴影。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1至图3，现对本发明实施例提供的探测设备进行说明。探测设备，包括闪烁晶体1和光电探测器阵列2。其中，闪烁晶体1为柱状结构，即该闪烁晶体1为连续的柱状结构，即该闪烁晶体1上没有缝隙或者开口，并用于拦截放射源6产生的高能粒子通过光电效应转化为紫外光或者近紫外光等光信号。光电探测器阵列2设置于闪烁晶体1上，并用于接收闪烁晶体1产生的光信号。当有高能粒子(例如伽马光子)被闪烁晶体1拦截时，产生了很多能量较低的可见光子，这些可见光子的空间分布被光电探测器阵列2记录下来，并供給外部的读出电路将光电探测器阵列2上的信号读出来并通过一些定位算法和足够数量的伽马光子便可以定位放射源6的所在方位。

需要说明的是，现有的探测设备的闪烁晶体1多采用离散晶体或者透镜组合等方式实现，离散晶体多为小尺寸晶体，当拼接成闪烁晶体阵列时，相邻的离散晶体之间会存在缝隙，即无法做到圆周方向上的完全的填充，当放射源6处于该缝隙处时，那么该探测设备就无法确定该放射源6的位置，同理，采用透镜组合也会存在缝隙，从而造成一定的探测死角，增加了辐射探测器的误差和探测复杂度。

本发明提供的探测设备，与现有技术相比，采用柱状的闪烁晶体1，并将光电探测器阵列2设置于闪烁晶体1，在探测方向上该闪烁晶体1是一个整体，在360度方向上都能够拦截高能粒子，即放射源6围绕该探测器旋转任意角度，该探测设备都能进行放射源6的圆周定位，解决了现有的探测设备存在探测死角的技术问题，一定程度上减小了辐射探测的误差和探测的复杂度。

优选地，在本实施例中，闪烁晶体1的轴线与被探测平面正交分布，即闪烁晶体1的轴线与被探测的平面垂直，其中，被探测平面指的是放射源6所辐射区域所在的平面，以获取较好的探测效率。

在本发明另一个实施例中，请一并参阅图3至图5，闪烁晶体1沿其轴向开设有通孔10，该通孔10贯通闪烁晶体1的上下两个端面，从而使得该闪烁晶体1为环状结构。该闪烁晶体1具有内壁面11、外壁面12、第一端面13以及第二端面14，其中，内壁面11、外壁面12、第一端面13和第二端面14中的至少一个面上设置有光电探测器阵列2。在具体应用中，内壁面11、外壁面12、第一端面13以及第二端面14中的一个面上设置有光电探测器阵列2，或者，内壁面11、外壁面12、第一端面13以及第二端面14中的其中两个面上设置有光电探测器阵列2，或者，内壁面11、外壁面12、第一端面13以及第二端面14中的其中三个面上设置有光电探测器阵列2，或者，内壁面11、外壁面12、第一端面13以及第二端面14中的四个面上均设置有光电探测器阵列2，可以根据具体需求进行选择。

优选地，在本实施例中，光电探测器阵列2设置于第一端面13和第二端面14上，光电探测器阵列2可以通过光学胶与闪烁晶体1耦合，具体地，光电探测器阵列2可以为位置敏感的探测器，其可以包括多通道位置灵敏光电倍增管、雪崩二极管阵列以及硅光电倍增管增列等。由于光电探测器阵列2的信号会被读出电路所读出，该读出电路与光电探测器阵列2相连，该读出电路可以采用多通道读出电路，并以数据处理电路进行处理并读出信号。

具体地，进一步结合图2，该探测设备还包括电路板4，该电路板4设于光电探测器阵列2上，且与光电探测器阵列2电连接。该电路板4上设有上述的读出电路，用于读出光电探测器阵列2的信号，并固定光电探测器阵列2，且为光电探测器阵列2提供电源。优选地，在本实施例中，电路板4的数量为两个，分别为第一电路板41和第二电路板42，第一电路板41对应闪烁晶体1的第一端面13设置，第二电路板42对应闪烁晶体1的第二端面14设置。

进一步地，该探测设备还包括引出排线5，该引出排线5设置于电路板4上，并与电路板4电连接，用于将读出电路读出的信号引出并传输至数据处理单元进行处理。优选地，在本实施例中，引出排线5的数量为两个，分别为第一引出排线51和第二引出排线52，第一引出排线51对应第一电路板41设置，第二引出排线52对应第二电路板42设置。

在本发明另一个实施例中，请参阅图2，光电探测器阵列2呈环状，该光电探测器阵列2包括多个光电探测器单元21，多个光电探测器单元21绕闪烁晶体1的轴线沿周向均匀分布。即多个光电探测器单元21之间均匀间隔设置，相邻的两个光电探测器单元21之间的缝隙尽可能小以获取较为精确的光子光分布规律。可以理解的是，相邻的两个光电探测器单元21之间的缝隙决定了探测死角的大小，相邻的两个光电探测器单元21之间的缝隙越小越能保证大多数的伽马光子都被拦截，保证了探测设备探测能力的各向同性越好，从而使得该探测设备在圆周方向上的定位精度就越高。

在本实施例中，沿即沿闪烁晶体1的径向设置有一排光电探测器单元21，沿闪烁晶体1的圆周方向上均匀间隔分布多个光电探测器单元21。当然，在其他实施例中，多个光电探测器单元21呈放射状设置，即沿闪烁晶体1的径向设置有多排光电探测器单元21，沿闪烁晶体1的圆周方向上均匀间隔分布多个光电探测器单元21。

在本发明另一个实施例中，参阅图2及图3，该探测设备还包括屏蔽芯3，该屏蔽芯3设置于闪烁晶体1的通孔10内，用于拦截放射源6产生的伽马光子，该屏蔽芯3能够让伽马光子难以透过而产生明显的“阴影”S1，有利于提高探测系统的探测灵敏度，该“阴影”S1指的是让绝大多数伽马光子无法透过的区域，可以类比到可见光被不透明的物体遮挡后而形成的阴影。可以理解的是，在放射源6固定不变且探测设备不变不移动的情况下，屏蔽芯3的尺寸越大，那么其阻隔的伽马光子越多，所形成的“阴影”的范围越大，通过加入屏蔽芯3以增加伽马光子在闪烁晶体1上被拦截和不被拦截的区域差异以提高辐射探测的圆周方向上的灵敏度。

优选地，屏蔽芯3的形状大小应尽量接近闪烁晶体1的内壁的形状和大小，如果尺寸较小，那么屏蔽芯3所起的屏蔽作用不明显，如果屏蔽芯3的形状大小大于闪烁晶体1的内壁的形状大小，那么则会造成无法装配，损伤闪烁晶体1的问题，即屏蔽芯3的形状大小需要与闪烁晶体1的通孔10的孔壁相适配。

进一步地，屏蔽芯3为防辐射材料件，防辐射材料可以是金属材料，优选地，屏蔽芯3采用钨合金或者铅等制成，钨合金是以钨为基体，并添加少量的Ni、Cu、Fe、Co、Mo、Cr等元素组成的合金，其密度高达16.5～18.75g/cm³,被通称为高比重合金、重合金或高密度钨合金。铅具有熔点低、耐蚀性高、X射线和伽马射线等不易穿透、塑性好等优点，常被加工成板材和管材，广泛用于化工、电缆、蓄电池和放射性防护等工业部门。

进一步地，在本实施例中，参见图4及图5，闪烁晶体1为圆环状，屏蔽芯3置于其中心处，用于配合闪烁晶体1屏蔽伽马光子。当然，本发明不限于此，闪烁晶体1还可以形成为多边形柱状形状，比如四边形柱体、五边形柱体、六边形柱体等。

请参阅图2、图3及图6，本发明还提供一种辐射方位测量方法，该测量方法基于上述任意实施例中的探测设备进行，当闪烁晶体1的两个端面上均设有光电探测器阵列2，且各光电探测器阵列2包括m个光电探测器单元21，m个光电探测器单元21沿周向均匀分布时，即在圆周方向上，相邻的两个光电探测器单元21之间的夹角相同，以获取标准且均匀的入射光子的光分布信息，在一定的采集时间之后可以使用“光分布法”数值累计的方式统计在圆周方向上所有探测器的接收光子数值，再利用一定的算法确定精确的放射源6方位。

具体地，在以下步骤中，n≥1，m≥1。该辐射方位测量方法包括以下步骤：

S10：将m个光电探测器单元21的采集时长设定为n s；

S20：在闪烁晶体1的端面的圆周方向建立坐标系，不考虑是否为同一个事件，并得到每个光电探测器的采集光子能量之和E_u1，E_u2，E_u3，…，E_um以及E_d1，E_d2，E_d3，…，E_dm，绘制能量累计的分布图，通过求取该分布直方图的重心可获取放射源6所在的圆周方向的方位，在步骤S20中，不考虑是否为同一个事件即不考虑不同的光电探测器单元21是否采集的是同一个光子，只计算采集的光子能量之和。

本发明中的辐射方位测量方法，通过基于上述任意实施例中的探测设备，一方面能够全方位的探测放射源6，另一方面，可以精确定位放射源6的位置。

请参阅图2、图3及图7，本发明还提供一种辐射方位测量方法，当闪烁晶体1的两个端面上均设有该光电探测器阵列2，且各光电探测器阵列2包括m个光电探测器单元21，m个光电探测器单元21沿周向均匀分布时，即在圆周方向上，相邻的两个光电探测器单元21之间的夹角相同，以使得获取标准且均匀的入射光子的光分布信息。可以采用“圆周解码法”，对于每个入射的伽马光子，都可以解码出其圆周方向上的入射位置，通过足够数量的解码位置的数学统计规律经过一定的算法得到精确的放射源6的方位。

具体地，在以下步骤中，n≥1，m≥1。该辐射方位测量方法包括以下步骤：

S10：将m个光电探测器单元21的采集时长设定为n s；

S20：在闪烁晶体1的端面的圆周方向建立坐标系，利用正电子断层扫描的伽马光子定位方法，在经过一定的能量窗、能量阈值过滤无效事件之后，对于每个单光子事件，读取其对应所有通道的光电探测器单元21的能量值e_u1，e_u2，e_u3，…，e_um以及e_d1，e_d2，e_d3，…,e_dm，利用重心法计算单光子在圆周方向上的入射位置θ；

S30：计算所有光子事件的入射位置θ，然后通过直方图等统计规律计算其入射位置的分布重心，从而得到放射源6的圆周方向的入射方位。

本发明中的辐射方位测量方法，通过基于上述任意实施例中的探测设备，一方面能够全方位的探测放射源6，另一方面，可以精确定位放射源6的位置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种探测设备，用于对待检测的放射源进行检测，其特征在于：所述探测设备包括：

闪烁晶体，所述闪烁晶体为柱状结构，并用于拦截所述放射源产生的伽马光子并产生光信号；以及

光电探测器阵列，设置于所述闪烁晶体上，并用于接收光信号。

2.如权利要求1所述的探测设备，其特征在于：所述闪烁晶体沿其轴向开设有通孔，所述闪烁晶体具有内壁面、外壁面、第一端面以及第二端面，所述内壁面、所述外壁面、所述第一端面和所述第二端面中的至少一个面上设置有所述光电探测器阵列。

3.如权利要求2所述的探测设备，其特征在于：所述光电探测器阵列设置于所述第一端面和所述第二端面上。

4.如权利要求3所述的探测设备，其特征在于：所述光电探测器阵列呈环状，所述光电探测器阵列包括：

多个光电探测器单元，多个所述光电探测单元绕所述闪烁晶体的轴线沿周向均匀分布。

5.如权利要求2所述的探测设备，其特征在于：所述探测设备还包括：

屏蔽芯，设置于所述通孔内，用于拦截所述放射源产生的伽马光子。

6.如权利要求5所述的探测设备，其特征在于：所述屏蔽芯为防辐射材料件。

7.如权利要求1至6任一项所述的探测设备，其特征在于：所述探测设备还包括：

电路板，设于所述光电探测器阵列上，且与所述光电探测器阵列电连接。

8.如权利要求7所述的探测设备，其特征在于：所述探测设备还包括：

引出排线，与所述电路板电连接。

9.一种辐射方位测量方法，其特征在于：基于权利要求1至8任一项所述的探测设备进行，当所述闪烁晶体的两个端面上均设有所述光电探测器阵列，且各所述光电探测器阵列包括m个光电探测器单元，m个光电探测器单元沿周向均匀分布时，所述辐射方位测量方法包括以下步骤：

S10：将m个光电探测器单元的采集时长设定为n s；

S20：在所述闪烁晶体的端面的圆周方向建立坐标系，不考虑是否为同一个事件，并得到每个光电探测器单元的采集光子能量之和E_u1，E_u2，E_u3，…，E_um以及E_d1，E_d2，E_d3，…，E_dm，绘制能量累计的分布图，通过求取该分布直方图的重心可获取放射源所在的圆周方向的方位。

10.一种辐射方位测量方法，其特征在于：基于权利要求1至8任一项所述的探测设备进行，当所述闪烁晶体的两个端面上均设有所述光电探测器阵列，且各所述光电探测器阵列包括m个光电探测器单元，m个光电探测器单元沿周向均匀分布时，所述辐射方位测量方法包括以下步骤：

S10：将m个光电探测器单元的采集时长设定为n s；

S20：在所述闪烁晶体的端面的圆周方向建立坐标系，利用正电子断层扫描的伽马光子定位方法，在经过一定的能量窗、能量阈值过滤无效事件之后，对于每个单光子事件，读取其对应所有通道的光电探测器单元的能量值e_u1，e_u2，e_u3，…，e_um以及e_d1，e_d2，e_d3，…,e_dm，利用重心法计算单光子在圆周方向上的入射位置θ；

S30：计算所有光子事件的入射位置θ，然后通过直方图等统计规律计算其入射位置的分布重心，从而得到放射源的圆周方向的入射方位。

Images