CN113109861A - 辐射检测装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辐射检测装置，包括：探测模块，所述探测模块包括光学室以及安装于所述光学室内的多个光电倍增管；数据获取模块，所述数据获取模块设置为获取所述多个光电倍增管输出的信号；以及处理模块，所示处理模块依据所述信号设置α能谱和β能谱信号甄别参数，以进行α/β分离。还公开了一种辐射检测方法，包括：使用采集卡对多个光电倍增管输出的信号进行波形采集；对采集信号进行处理，依据所述信号设置α能谱和β能谱信号甄别参数，以进行α/β分离。本发明是利用α、β信号的缓发成分差异进行甄别。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及核辐射测量技术领域，特别涉及一种液闪α/β核素甄别方法及其液闪测量装置。
背景技术
α衰变粒子的能量范围在2-8MeV，在液体闪烁源中α粒子与闪烁体相互作用而发光，大约每出射1个光子需要1keV初始衰变能。由于α衰变在液体闪烁源中产生的光强是β衰变的1/10，α衰变能谱会与中高能β衰变能谱重叠，因此样品中若同时存在α和β衰变,测量中则需要进行α/β甄别，以便同时获得准确的α、β计数。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种辐射检测装置及其方法，以解决上述技术问题中的至少一个方面。
根据本发明的一个方面，提供一种辐射检测装置，包括：
探测模块，所述探测模块包括光学室以及安装于所述光学室内的多个光电倍增管；
数据获取模块，所述数据获取模块设置为获取所述多个光电倍增管输出的信号；以及
处理模块，所示处理模块依据所述信号设置α能谱和β能谱信号甄别参数，以进行α/β分离。
根据一些实施方式，所述探测模块收集液体闪烁体放射源发射的荧光。
根据一些实施方式，所述数据获取模块为数据获取采集卡，对所述探测模块的输出进行采集。
根据一些实施方式，所述光学室外设有辐射屏蔽层。
根据一些实施方式，所述处理模块通过SQL数据库数据表保存测量原始数据。
根据一些实施方式，所述处理模块具备α/β甄别功能，通过对FPGA写入脉冲形状处理算法，由信号下降沿表征参数实现。
根据一些实施方式，所述处理模块进行实时测量，并及时输出当前符合测量结果。
根据一些实施方式，所述处理模块将过阈触发、信号定时标签、电荷积分数值以及信号下降沿表征参数存储在SQL数据库数据表中。
根据一些实施方式，所述数据获取模块还设置为获取三重符合信号以及双重符合相加信号；所述处理模块设置为：
基于三重符合信号的计数率和双重符合相加信号的计数率，获取待测样品的TDCR值，其中，
NT表示三重符合信号的计数率，ND表示双重符合相加信号的计数率。
根据本发明的一个方面，提供一种辐射检测方法，包括：
使用数字采集卡对多个光电倍增管输出的信号进行波形采集；
对采集获得的信号进行处理，依据所述信号设置α能谱和β能谱信号甄别参数，以进行α/β分离。
根据一些实施方式，采用基于FPGA的数字采集卡对多个光电倍增管输出的信号进行波形采集。
根据一些实施方式，对FPGA写入脉冲处理程序，对采集信号进行过阈触发处理、信号定时处理、电荷积分处理。
根据一些实施方式，所述过阈触发处理包括基线计算以触发信号前多个采样平均值作为基线，与预设甄别阈值进行比较，在超过所述预设甄别阈值时触发。
根据一些实施方式，所述电荷积分处理包括在极零相消过零点开启积分时间窗，进行信号电荷积分。
根据一些实施方式，所述电荷积分处理的积分时间设置长窗和短窗，利用长窗与短窗间的积分差异进行α/β甄别。
根据一些实施方式，所述长窗设置宽度为整个脉冲宽度，通过电荷积分得到脉冲幅度大小，并且所述短窗设置宽度为信号上升沿至下降沿幅度的90％。
根据一些实施方式，将长窗积分电荷与短窗积分电荷之差作为信号尾部积分面积，尾部积分面积表征α、β脉冲的尾部特征，表征参数通过PSD表示，所述PSD为信号尾部积分面积与信号总积分面积的比值：
式中，
QL为长窗积分电荷值；
QS为短窗积分电荷值。
根据一些实施方式，对采集信号进行处理包括α、β甄别参数设置，同时结合PSD的上阈值、PSD的下阈值以及长窗电荷积分的上阈值、长窗电荷积分的下阈值，进行核素甄别。
根据一些实施方式，输出实际测量到的混合能谱、甄别后的β能谱和甄别后的α能谱。
根据一些实施方式，针对信号下降沿特征，定制表征参数。
根据一些实施方式，将信号定时标签、电荷积分数值以及信号下降沿表征参数存储在SQL数据库数据表中。
根据一些实施方式，调用数据表数据，进行信号符合，输出符合信号能谱。
根据一些实施方式，调用数据表数据，对符合信号进行表征参数分析，输出信号能量-表征参数二维谱。
根据一些实施方式，依据所述信号能量-表征参数二维谱，设置α、β信号甄别参数，进行α/β分离。
根据一些实施方式，输出α、β分离能谱以及相应计数率。
本发明的目的是提供一种液闪α/β核素甄别方法及其测量装置，该方法是以数字化信号处理为基础的α/β核素甄别技术。装置可以测量3H、63Ni、14C、90Sr等常用β核素,以及放射性同位素铀、钚等α核素活度。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的241Am+90Sr/90Y混合源能量与PSD关系的示意图；
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的90Sr/90Y+241Am混合源的α/β甄别谱的示意图；
图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的液闪测量装置结构的示意图；
图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的液闪测量装置系统的方框图；
图5示出了根据本发明的一个示例性实施例的基本采集参数的示意图；
图6示出了根据本发明的一个示例性实施例的90Sr/90Y+241Am混合源能谱的示意图；
图7示出了根据本发明的一个示例性实施例的粒子能量与PSD分布的示意图；
图8示出了根据本发明的一个示例性实施例的241Am谱的示意图；
图9示出了根据本发明的一个示例性实施例的90Sr/90Y谱的示意图；
图10示出了根据本发明的一个示例性实施例的辐射检测装置的示意图；
图11示出了图10的辐射检测装置的检测模块的示意图；
图12示出了TDCR值与双重符合相加信号的检测效率εD之间的关系曲线图；以及
图13示出了图10的辐射检测装置获取的信号能谱分布图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。
在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
目前，国外液闪谱仪制造商主要是P.E.公司，生产的Tri-Carb系列产品，可以选配α/β甄别电路，采用PDD(脉冲衰减分析)技术进行α/β甄别。而国内液闪计数器/谱仪产品则不具备α/β甄别功能。
本发明采用的α/β甄别方法，是以数字化信号处理为基础的方法，有别于P.E.公司采用的α/β甄别插件及其脉冲衰减分析技术。本发明的液闪测量装置是一台可以独立工作的测试仪器，其探测器部分包括光电倍增管组、探测器屏蔽，其数据获取系统包括高压电源、高速数字采集卡以及数据分析专用软件。该装置配备α/β核素甄别功能，可以提供快速准确的测量数据，可测核素范围包括3H、63Ni、14C、90Sr等常用β核素,以及放射性同位素铀、钚等α核素活度。可用于辐射环境监测、反应堆安全防护、工业测井以及生物学、核医学等专业领域。
液体闪烁计数器
液体闪烁计数器(liquid scintillation counter)是使用液体闪烁体(闪烁液)接受射线并转换成荧光光子的放射性计量仪。液体闪烁计数器主要测定发生β核衰变的放射性核素，尤其对低能β更为有效。其基本原理是依据射线与物质相互作用产生荧光效应。首先是闪烁溶剂分子吸收射线能量成为激发态，再回到基态时将能量传递给闪烁体分子，闪烁体分子由激发态回到基态时，发出荧光光子。荧光光子被光电倍增管(PM)接收转换为光电子，再经倍增，在PM阳极上收集到好多光电子，以脉冲信号形式输送出去。将信号符合、放大、分析、显示，表示出样品液中放射性强弱与大小。
FPGA
FPGA(Field Programmable Gate Array)是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
SQL
SQL(Structured Query Language)是具有数据操纵和数据定义等多种功能的数据库语言，这种语言具有交互性特点，能为用户提供极大的便利，数据库管理系统应充分利用SQL语言提高计算机应用系统的工作质量与效率。
液闪α/β核素甄别方法，包括如下步骤：
采用基于FPGA的高速数字采集卡对液闪探测器输出模拟信号进行波形采集；
对FPGA写入脉冲处理程序，实现采集信号过阈触发、定时、电荷积分功能；
针对信号下降沿特征，定制表征参数；
将信号定时标签、电荷积分数值以及信号下降沿表征参数存储在SQL数据库数据表中；
调用数据表数据，进行信号符合，输出符合信号能谱；
调用数据表数据，对符合信号进行表征参数分析，输出信号能量-表征参数二维谱；
依据二维谱，设置α、β信号甄别参数，进行α/β分离；
输出α、β分离能谱以及相应计数率。
液闪测量装置
测量装置是数字化液闪TDCR谱仪。
包括：探测器、数据获取系统、TDCR数字符合专用测量软件。
探测器由三个小体积、高增益的光电倍增管组成，用于收集液体闪烁放射源发射的荧光。探测器光学室用于安装光电倍增管组，是圆柱型空腔，由聚四氟乙烯等有机材料制作。光学室外为辐射屏蔽层。数据获取系统采用基于FPGA的高速数字采集卡对探测器输出进行采集。通过数据获取系统交互界面，对采集信号进行数字化重建。通过数字符合专用软件进行样品测量，实现测量控制，输出测量结果。
软件具有以下特点：
进行实时测量，并及时输出当前符合测量结果；测量α、β能谱；由SQL数据库数据表保存测量原始数据；具备β/α甄别功能，通过对FPGA写入脉冲形状处理算法，由信号下降沿表征参数实现。
α/β甄别技术依据的原理是：
液体闪烁体发出的α脉冲信号和β脉冲信号都具有瞬发成分和缓发成分，两种成分比例不同，α脉冲的缓发成分所占比例要大些，这是因为光电倍增管阳极产生的光子来源于受激荧光分子的单态和三重态，瞬发成分来源于快指数衰减的激发单态，而缓发成分则来源于三重态。单态退激时间短，而三重态退激时间长达几百纳秒。α粒子激发三重态分子的比电离更高，因此α缓发脉冲的持续时间比β缓发脉冲要长。可以利用α、β信号的缓发成分差异进行甄别。
国外液闪谱仪制造商P.E.公司采用的是PDD(脉冲衰减分析)技术，该技术对脉冲下降沿进行过零甄别，β信号的过零时间短，α信号过零时间长，PDD利用过零长短来甄别α和β事件。具体做法是通过一套α和β标准源来确定最佳的过零时间甄别点，在此时间点上，α脉冲溢出到β道中的百分比与β脉冲溢出到α道中的相等，且溢出较小。当待测量样品与标准源有相近的化学成分，采用这套α和β标准源的PDD值(即过零时间)，甄别结果较为准确。
本发明采用数字脉冲形状甄别算法，作为α/β甄别方法。对基于FPGA的数字采集卡写入脉冲处理程序，实现采集信号过阈触发、定时、电荷积分、脉冲形状甄别等功能。
处理信号过程为：
过阈触发
首先进行基线计算，以触发信号前多个采样平均值作为基线。与设置的甄别阈大小进行比较，超过阈值触发。
示波器上最常用的触发模式是过阈触发。所谓过阈触发是指在示波器内设定一个电压阈值，示波器中的电子电路连续地比较输入电压与预设的电压阈值。当输入电压从低于这个阈值变化到高于这个阈值时，(或者从高于这个阈值变化到低于这个阈值时)示波器将这一时刻之前以及之后一段时间内的输入电压波形显示出来，这样，示波器就能显示稳定的信号波形了。
信号定时
信号过阈后，通过设置时间补偿门产生器宽度，触发定时信号，生成时间标签，时间标签用于实现数字符合。
电荷积分
在极零相消过零点开启积分时间窗，进行信号电荷积分。本算法积分时间设置了长窗和短窗，可以利用长短窗积分差异进行α/β甄别。长窗一般设置为整个脉冲宽度，通过电荷积分得到脉冲幅度大小。短窗设置宽度为信号上升沿至下降沿幅度的90％。长窗积分电荷与短窗积分电荷之差作为信号尾部积分面积，尾部积分面积可以表征α、β脉冲的尾部特征，而更为合理的表征参数可以通过PSD来表示，即信号尾部积分面积与信号总积分面积的比值。
式中，
QL为长窗积分电荷值；
QS为短窗积分电荷值。
α、β甄别参数设置
α/β核素甄别需要同时结合PSD以及长窗电荷积分(即能量)2个参数，通过设置2个参数的上下阈，至少4个点的对应值，来限定甄别参数的取值范围。以甄别241Am+90Sr/90Y混合源为例，进行说明。该混合源包含高能β衰变核素90Sr/90Y,以及α衰变核素241Am，能够很好地检验测量装置的α/β核素甄别能力。通过建立能量-表征参数二维谱，来设置2个参数的上下阈，进行核素甄别。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的241Am+90Sr/90Y混合源能量与PSD关系的示意图。
从图1可以看出，由于β和α脉冲信号衰减时间不同，α信号(方框)分布较为集中，PSD比值也相对较大，而90Sr/90Yβ信号能量范围分布广，PSD值分布分散。通过设置PSD的上阈、PSD的下阈以及能量上阈、能量下阈，这4个参数，进行β/α甄别。进行甄别后，输出3个能谱(图2)，其中分别为实际测量到的混合能谱、甄别后的β能谱以及甄别后的α能谱。
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的90Sr/90Y+241Am混合源的α/β甄别谱的示意图。
液闪测量装置依据的原理是:
液闪三管两管符合比法(即TDCR法)，是一种β放射性活度绝对测量方法，也是国际认可的核素活度标准化方法之一。
TDCR方法的测量原理是，利用探测器(三个独立的光电倍增管)测量液体闪烁放射源，产生3路信号输出，用A、B、C表示，通过数字符合，输出3路双管符合AB、BC和AC计数率，三管符合T(即ABC)以及逻辑相加D(即AB+AC+BC)计数，通过三管符合计数率与双管符合计数率的比值NT/NAB、NT/NBC和NT/NAC，借助液闪效率计算模型，确定三管符合相加效率εD的大小，得到待测样品活度。
式中，
A，为待测样品活度；
ND为三管符合相加计数率；
εD为三管符合相加效率。
图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的液闪测量装置结构示意图；如图3所示，液闪测量装置包括外壳37。外壳37内部设置有光电倍增管12、样品瓶33和光学室34。光学室34的外部设置有无氧铜屏蔽35。样品瓶33在样品托架32上。快门36设置在样品托架32的下方。样品通过垂直送样传动机构38被向上输送。
图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的液闪测量装置系统方框图的示意图；测量装置包括探测器25和数据获取系统26。
探测器25包括多个光传感器12，示例地，包括三个光传感器12。
数据获取系统26包括：
数据获取模块2，设置为获取多个光传感器12输出的电信号；以及
处理模块3，设置为基于所述电信号，计算检测结果；
其中，在进行检测时，待测样品和闪烁体置于检测腔室11内，闪烁体能够在辐射作用下发出光子。
测量装置还包括电源模块16，用于为多个光传感器12供电，电源模块16可以包括程控高压电源。
测量装置还包括控制模块5。控制模块5可以对电源模块16进行控制，控制模块5可以控制处理模块3也可以接收处理模块3的指示而进行控制。控制模块5可以包括微机。
90Sr/90Y与241Am混合样品的甄别
α/β甄别技术依据的原理是：
液体闪烁体发出的α和β脉冲信号都具有瞬发成分和缓发成分，两种成分比例不同，α脉冲的缓发成分所占比例要大些。这是因为光电倍增管阳极产生的光子来源于受激荧光分子的单态和三重态，瞬发成分来源于快指数衰减的激发单态，缓发成分则来源于三重态。单态退激时间短，而三重态退激时间长达几百纳秒，α粒子激发三重态分子的比电离更高，因此α缓发脉冲的持续时间比β缓发脉冲要长。本发明是利用α、β信号的缓发成分差异进行甄别。
液闪α/β核素甄别方法
具体步骤为：
1)、采用基于FPGA的高速数字采集卡对液闪探测器输出模拟信号进行波形采集。
2)、对FPGA写入脉冲处理程序，实现采集信号过阈触发、定时、电荷积分功能。
3)、针对信号下降沿特征，定制表征参数。
4)、将信号定时标签、电荷积分数值以及信号下降沿表征参数存储在SQL数据库数据表中。
5)、调用数据表数据，进行信号符合，输出符合信号能谱。
6)、调用数据表数据，对符合信号进行表征参数分析，输出信号能量-表征参数二维谱。
7)、依据二维谱，设置α、β信号甄别参数，进行α/β分离。
8)、输出α、β分离能谱以及相应计数率。
液体闪烁样品计数小瓶通过垂直送样传动机构8，送入光学室4内，避光后进行测量。
工作电压
测量光电倍增管工作电压坪曲线，选择坪区电压作为工作电压。
通过TDCR专用测量软件设置采集参数，图5示出了根据本发明的一个示例性实施例的基本采集参数的示意图。通过观察示波器信号，设置每路信号的甄别阈，排除噪声干扰并设置合理的积分时间。
设置的基本采集参数(表1)包括：
CH0-CH4：表示可选择的通道，4通道均可开启或关闭采样；
以CH0通道为例说明，其余各通道相同，其中：
CH0_SHORT_GATE：短窗积分长度(ns)；
CH0_LONG_GATE：长窗积分长度(ns)；
CH0_DC_OFFSET：直流补偿的设定值(范围：0x0000-0xFFFF)；
CH0_THRESHOLD：通道的触发阈值(mV)；
CH0_POLARITY:选择通道的极性；
GATA_OFFSET:形状甄别积分起点先与触发点的值设定(ns)；
PRE_TRG:每个事件在触发点前采集点数目设置；
表1基本采集参数
TDCR符合参数设置
根据本发明的一个示例性实施例的TDCR符合参数设置界面，设置合理的符合分辨时间以及α、β积分电荷上阈值和下阈值。
符合参数表设置(表2)包括：
选择数据库：设置存储数据库名称；
选择存储表：设置存储数据表名称；
符合时间窗长(ns)：设置符合时间；
谱数据显示每道宽度(mV.ns)：选择测量能谱的显示精度；
采集时间长度(s)：设置采集时间；
固定死时间长度(ns)：设置死时间间隔；
α电荷下限；设置α谱对应的最低能量(道址)；
α电荷上限；设置α谱对应的最大能量；
α甄别系数下限：设置PSD最小值；
α甄别系数上限：设置PSD最大值；
β电荷下限；设置β谱对应的最低能量；
β电荷上限；设置β谱对应的最大能量；
表2 TDCR符合参数设置界面
| 设置数据库 | 实验数据库0 |
| 设置存储表 | 原始实验数据测试 |
| 符合时间(ns) | 40 |
| 谱数据显示每道宽度(mv.ns) | 5 |
| 固定死时间长度(ns) | 2000 |
| 采集时间长度(s) | 200 |
| α电荷上限(mv.ns) | 12000 |
| α电荷下限(mv.ns) | 3800 |
| α甄别系数上限(mv.ns) | 0.5 |
| α甄别系数下限 | 0.85 |
| β电荷上限(mv.ns) | 0 |
| β电荷下限(mv.ns) | 200000 |
| 输出测量文件目录路径 | \TDCR在线测量数据 |
| 输出测量文件名 | 01 |
根据本申请的另一个实施例，参数表设置包括：
选择数据库：选择要读取数据的存储数据库；
选择存储表：读取数据的存储表格；
本底选择数据库：选择要读取本底数据的存储数据库；
本底选择存储表：选择要读取本底数据的存储表格，已经提前测量并生成了原始数据；
α电荷下限；设置α谱对应的最低道址3800；通过能量(道址)/PSD二维分析对应的α、β电荷以及PSD范围，进行设定；
α电荷上限；设置α谱对应的最高道址12000；
α甄别系数下限：设置α/β甄别PSD最小值0.50；
α甄别系数上限：设置α/β甄别PSD最大值0.85；
β电荷下限；设置β谱对应的最低道址0；
β电荷上限；设置β谱对应的最高道址，设为能谱最大值；
谱数据显示类型：二重符合相加；
谱数据显示每道宽度(mV.ns)：选择测量能谱的显示精度为5mV.ns；
符合时间长度(ns)：设置符合时间20ns；
符合时间谱显示类型：设置二重符合；
谱数据显示类型：设置为电荷；
固定死时间长度(ns)：设置脉冲死时间间隔2000ns；
是否扣本底：选择扣除；
本底数据来源：选择数据库；
输出分析文件目录路径：设置输出分析文件目录。
输出分析文件名：设置输出分析文件名称。
是否进行粒子类型甄别：选择进行α/β甄别。
图6示出了根据本发明的一个示例性实施例的90Sr/90Y+241Am混合源能谱的示意图；图7示出了根据本发明的一个示例性实施例的粒子能量与PSD分布的示意图。
图8示出了根据本发明的一个示例性实施例的241Am谱的示意图；图9示出了根据本发明的一个示例性实施例的90Sr/90Y谱的示意图。
进行α/β甄别测量
待测液体闪烁样品为90Sr/90Y与241Am混合样品，测量时间设置200s，测量得到混合源能谱(图6)，对采集信号PSD/能量的粒子分布进行二维重建(图7)，从图中可知，α甄别系数介于0.45-0.7，α电荷介于2500-7000，β电荷介于0-200000。依此设置β/α甄别参数，输出241Amα能谱(图8)与90Sr/90Yβ能谱(图9)。
计算样品活度
采用液闪效率计算模型，计算探测效率，得到样品活度。结果如下：
表3混合样品α、β活度计算结果
| <sup>241</sup>Am | <sup>90</sup>Sr/<sup>90</sup>Y | |
| 符合相加计数率/s | 470.14 | 3814.40 |
| 三管符合计数率/s | 469.96 | 3612.05 |
| T/AB | 0.9999 | 0.9844 |
| T/AC | 0.9999 | 0.9761 |
| T/BC | 0.9998 | 0.9846 |
| TDCR | 0.9996 | 0.9470 |
| 符合相加效率 | 0.9997 | 0.9487 |
| 活度/Bq | 470 | 4021 |
本发明测量结果的验证如下：
本装置对90Sr/90Y+241Am混合源进行α/β甄别测量，241Am活度为470Bq，90Sr/90Y活度为4021Bq。混合源的标定值为：241Am活度500Bq，90Sr/90Y活度4000Bq，测量结果β误分类的百分比为0.7％，α误分类的百分比为6％。
为验证该发明测量结果的准确性，本装置对90Sr/90Y+241Am混合源进行α/β甄别测量，241Am活度为470Bq,90Sr/90Y活度为4021Bq。混合源的标定值为：241Am活度500Bq，90Sr/90Y活度4000Bq，测量结果β误分类的百分比为0.7％。
图10示出了根据本发明的一个示例性实施例的辐射检测装置的示意图，图11示出了图10的辐射检测装置的检测模块1的示意图。如图10和图11所示，所述辐射检测装置包括检测模块1，检测模块1包括检测腔室11以及安装于检测腔室11的多个光传感器12；数据获取模块2，设置为获取多个光传感器12输出的电信号；以及处理模块3，设置为基于所述电信号，计算检测结果；其中，在进行检测时，待测样品和闪烁体置于检测腔室11内，所述闪烁体能够在辐射作用下发出光子。
在根据本发明的实施例的辐射检测装置中，通过多个光传感器12对闪烁体在辐射作用下发出的光子进行检测，并通过处理模块3对多个光传感器12输出的电信号进行处理，从而能够基于处理结果了解到待测样品的放射性大小。并且，所述辐射检测装置结构简单，可以制成小体积形式，便于携带，适用于现场测量。
检测腔室11能够提供避光环境，便于多个光传感器12对闪烁体发出的荧光进行准确检测，以免受到外部环境干扰。检测腔室11的材料可以包括漫反射材料，其中，漫反射是指投射在粗糙表面上的光向各个方向反射的现象。通过采用漫反射材料，可以使得闪烁体发出的荧光更加全面地被多个光传感器12检测到。检测腔室11外可以设有屏蔽层14，用于屏蔽辐射，以减小测量本底值。
在本发明的实施例中，所述闪烁体可以为液体闪烁体，液体闪烁体包括溶剂分子和闪烁体分子，溶剂分子吸收射线能量成为激发态，再回到基态时将能量传递给闪烁体分子，闪烁体分子由激发态回到基态时，发出荧光光子。在进行检测时，将待测样品与所述液态闪烁体混合，形成稳定、均匀的液体闪烁源。当待测样品具有放射性时，所述液体闪烁体受到放射性核素发射的粒子或光子激发，发射荧光。在本发明的实施例中，所述装置还包括收集单元13，设置为容纳待测样品和所述液体闪烁体。收集单元13可以为收集瓶的形式。
多个光传感器12能够收集闪烁光并将其转化为电信号而被探测。在本发明的实施例中，光传感器12可以为光电倍增管，光电倍增管是一种将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件，具有极高灵敏度和超快时间响应。基于多个光传感器12输出的电信号，能够了解到闪烁体发出的荧光信号信息，进而能够了解到待测样品的放射性大小。
所述装置还可以包括送样模块4，设置为将收集单元13送至检测腔室11。送样模块4可以包括第一送样单元以及与所述第一送样单元连接的第二送样单元，设置为分别在两个不同方向上对收集单元13进行输送，例如，第一送样单元可以在水平方向上输送收集单元13，第二送样单元可以在竖直方向上输送收集单元13。由此能够将收集单元13顺利送至检测腔室11内的预设位置处。第一送样单元和第二送样单元包括传动结构。当然，在其他实施例中，送样模块4也可以只包括一个送样单元，设置为在竖直方向上输送收集单元13。
在本发明的实施例中，光传感器12的数量为三个，相互之间成120°安装。三个光传感器12水平安装，各自从检测腔室11的中心位置向外延伸，收集单元13可以置于所述中心位置上。例如，三个光传感器12可以连接到一起，连接处设为载物台，所述载物台安装于检测腔室11的中心位置处，收集单元13置于所述载物台上。
数据获取模块2可以包括数据采集卡，其具有3路信号输入通道，用于接收三个光传感器12输出的电信号。数据采集卡可写入FPGA(现场可编程逻辑门阵列)，用于进行数字脉冲处理，实现采样数据压缩。
本发明通过设置三个光传感器12互成120°布置的形式，可以提供9路信号输出，包括：对应于三个光传感器12的3个单路信号A、B、C，通过对三个光传感器12中两两组合得到的3个双重符合信号AB、BC和AC，通过对三个光传感器12组合得到的三重符合信号T(即ABC)，对3个单路信号进行相加的单路相加信号A+B+C，对3个双重符合信号进行相加的双重符合相加信号D(即AB+BC+AC)。这种设计提供了各路信号的计数率之间的相互验证，也保证了检测装置的准确性。
其中，符合是指信号在时间上有相关性，也就是多个信号在一定的时间间隔里能够到达，即在一个给定的时间间隔中，选定的两道或更多道上出现脉冲，其表示辐射源的一个核事件能够被多个探测器探测到。
数据获取模块2可以设置为：获取3个双重符合信号AB、BC和AC以及双重符合相加信号D。
处理模块3可以设置为：基于所述双重符合相加信号D的计数率以及双重符合相加信号的检测效率，获取待测样品的放射性活度，其中，
ND表示双重符合相加信号的计数率，εD表示双重符合相加信号的检测效率，A表示放射性活度。计数率表示单位时间内的脉冲计数。
放射性活度是指处于某一特定能态的放射性核在单位时间内的衰变数，可以利用放射性活度来表示放射性核的放射性强度。放射性活度的国际单位制单位是贝可勒尔(Bq)。
在一个实施例中，处理模块3还设置为：基于TDCR值与双重符合相加信号的检测效率εD之间的关系曲线，获取待测样品的双重符合相加信号的检测效率εD。
图12示出了TDCR值与双重符合相加信号的检测效率εD之间的关系曲线图，如图12所示，TDCR值与双重符合相加信号的检测效率εD之间具有特定的关系曲线，基于待测样品检测的TDCR值，即可获取与之相对应的双重符合相加信号的检测效率εD。图12标记了TDCR值为0.334时在所述关系曲线上的对应点，该点指示的双重符合相加信号的检测效率εD为34.1％。
数据获取模块2还设置为获取三重符合信号T；处理模块3设置为：基于所述三重符合信号T的计数率和所述双重符合相加信号D的计数率，获取待测样品的TDCR值，其中，
NT表示三重符合信号的计数率，ND表示双重符合相加信号的计数率。
由此可见，基于获取的双重符合相加信号D和三重符合信号T，通过计算各自的计数率，即可基于计数率计算待测样品的TDCR值；然后基于关系曲线能够获取对应于待测样品的TDCR值的双重符合相加信号的检测效率εD；基于双重符合相加信号D的计数率和双重符合相加信号的检测效率εD能够得到待测样品的放射性活度A，从而了解待测样品的放射性强度。
在另一个实施例中，处理模块3设置为：通过求解下式(5)的最小值，获取待测样品的双重符合相加信号的检测效率：
其中，
NAB、NBC、NAC表示3个双重符合信号的计数率，NT表示三重符合信号的计数率，εAB、εBC、εAC表示3个双重符合信号的检测效率，εT表示三重符合信号的检测效率，εD表示双重符合相加信号的检测效率，S(E)表示信号能谱分布，E表示入射粒子能量，Q(E)表示电离猝灭修正，Emax表示入射粒子最大能量，λA、λB、λC表示待求解的3个光传感器12的自由参数。
图13示出了图10的辐射检测装置获取的信号能谱分布图，其表示计数随电荷的分布情况。猝灭作用是指处于激发态的分子通过外界环境影响或分子内某个取代基团所导致的无辐射跃迁过程而失活的作用。自由参数(FOM)的意义为光传感器的光阴极产生一个光电子所需要的有效能量。λA、λB、λC三者相互独立。
通过求解式(5)的最小值，可以获取λA、λB、λC的值，再将其代入式(10)，可以计算得出待测样品的双重符合相加信号的检测效率εD。然后基于双重符合相加信号D的计数率和双重符合相加信号的检测效率εD能够得到待测样品的放射性活度A，从而了解待测样品的放射性强度。
处理模块3可以包括软件模块，设置为基于获取的数据进行处理和计算。所述辐射检测装置还包括交互模块，设置为获取用户的输入以及显示所述装置获取的数据并显示软件操作界面。软件模块能够接收用户对多个参数的设定，所述多个参数可以包括阈值(例如甄别阈)、积分时间区间、直流补偿、脉冲极性选择、触发时间补偿等。软件模块能够实时提供装置所测量的信号能谱分布图、脉冲信号波形图、幅值、TDCR实时测量数据、脉冲形状甄别(PSD)情况。软件模块能够对历史测量数据长期保存，从而可调用存储数据进行离线分析。本发明可以采用PSD技术进行α/β甄别。软件模块可以配置TDCR值与双重符合相加信号的检测效率εD之间的关系曲线。软件操作界面简洁、合理，具有可视化特点，可对测量数据集中显示与可视化监控。
参照图10，所述装置还包括电源模块16，用于为多个光传感器12供电，电源模块16可以包括程控高压电源。所述装置还包括控制模块5，控制模块5可以对电源模块16进行控制，控制模块5可以控制处理模块3也可以接收处理模块3的指示而进行控制。控制模块5可以包括微机。
下面描述操作本发明的辐射检测装置的软件模块以获取检测结果的方法。
步骤S1，测量光传感器的坪特性曲线，选择坪区电压作为工作电压；其中，坪特性曲线是指在放射源活度不变的情况下，计数率和外加电压之间的关系曲线；坪区是指随外加电压变化，计数率几乎不变的区域，该区域对应的外加电压为坪区电压；
步骤S2，设置采集参数，包括：通过观察信号波形图，设置每路信号的甄别阈，排除噪声干扰，并设置合理的积分时间；
设置的基本采集参数可以包括：
CH0、CH1、CH2、CH3：表示可选择的通道，四个通道均可开启或关闭采样；
步骤S3，设置符合参数，包括：通过测量样品活度随符合时间和积分电荷阈值的变化情况，设置合理的符合时间以及积分电荷阈值；其中，符合表示对多路信号进行组合以得到前述的双重符合信号、双重符合相加信号、三重符合信号；积分电荷阈值包括用于确定积分区间的第一电荷阈值和第二电荷阈值；
设置的符合参数可以包括：
选择数据库：表示选择要读取数据所存储在的数据库；
选择存储表：表示选择要读取数据所存储在的存储表格；
符合时间窗长(ns)：表示设置符合时间；
谱数据显示每道宽度：表示选择所测量能谱的显示精度；
电荷上限、电荷下限：表示设置β射线能谱对应的道址，一般以横坐标作为道址；
固定死区时间长度：表示设置脉冲死区时间间隔，死区时间表示导通延迟时间；
甄别系数：表示选择本底/信号的甄别参数；
测量过程可以实时显示双重符合相加信号的能谱或三重符合信号的能谱，两者可以切换显示，并可以实时显示9路信号的计数率。
步骤S4，计算待测样品的放射性活度，包括：调用所配置的TDCR值与双重符合相加信号的检测效率εD之间的关系曲线，基于所测得的待测样品的TDCR值，获取对应的待测样品的双重符合相加信号的检测效率εD；根据公式(1)计算待测样品的放射性活度A。由此完成整个测量过程。
利用本发明的检测装置对3H标准源进行检测，测得其放射性活度为(1.911±0.023)kBq，与国防科技工业电离辐射一级计量站建立的液体闪烁计数器标准装置的检测结果进行比较，后者所测得的放射性活度为(1.923±0.025)kBq，因此本装置测量结果的相对偏差为0.6％，两装置给出的测量结果在不确定度范围(2σ)内一致。本发明检测装置的测量结果的合成不确定度为1.2％，标准装置的测量结果的合成不确定度为1.3％。由此可见，本发明的辐射检测装置的测量准确性较高。
本发明的辐射检测装置结构简单，采用数字化测量方案，提供多种的信号分析手段，能够满足现场测量要求，也适用于计量科学研究。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。为了清楚地示出各个部件的细节，附图中的各个部件并不是按比例绘制的，所以附图中的各个部件的比例也不应作为一种限制。
虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。
Claims (25)
1.一种辐射检测装置，包括：
探测模块，所述探测模块包括光学室以及安装于所述光学室内的多个光电倍增管；
数据获取模块，所述数据获取模块设置为获取所述多个光电倍增管输出的信号；以及
处理模块，所示处理模块依据所述信号设置α能谱和β能谱信号甄别参数，以进行α/β分离。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探测模块收集液体闪烁体放射源发射的荧光。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据获取模块为数据获取采集卡，对所述探测模块的输出进行采集。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学室外设有辐射屏蔽层。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理模块通过SQL数据库数据表保存测量原始数据。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理模块具备α/β甄别功能，通过对FPGA写入脉冲形状处理算法，由信号下降沿表征参数实现。
7.根据权利要1所述的装置，其特征在于，所述处理模块进行实时测量，并及时输出当前符合测量结果。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述处理模块将过阈触发、信号定时标签、电荷积分数值以及信号下降沿表征参数存储在SQL数据库数据表中。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据获取模块还设置为获取三重符合信号以及双重符合相加信号；所述处理模块设置为：
基于三重符合信号的计数率和双重符合相加信号的计数率，获取待测样品的TDCR值，其中，
NT表示三重符合信号的计数率，ND表示双重符合相加信号的计数率。
10.一种辐射检测方法，包括：
使用数字采集卡对多个光电倍增管输出的信号进行波形采集；
对采集获得的信号进行处理，依据所述信号设置α能谱和β能谱信号甄别参数，以进行α/β分离。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，采用基于FPGA的数字采集卡对多个光电倍增管输出的信号进行波形采集。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，对FPGA写入脉冲处理程序，对采集信号进行过阈触发处理、信号定时处理、电荷积分处理。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述过阈触发处理包括基线计算以触发信号前多个采样平均值作为基线，与预设甄别阈值进行比较，在超过所述预设甄别阈值时触发。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述电荷积分处理包括在极零相消过零点开启积分时间窗，进行信号电荷积分。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述电荷积分处理的积分时间设置长窗和短窗，利用长窗与短窗间的积分差异进行α/β甄别。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述长窗设置宽度为整个脉冲宽度，通过电荷积分得到脉冲幅度大小，并且所述短窗设置宽度为信号上升沿至下降沿幅度的90％。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，将长窗积分电荷与短窗积分电荷之差作为信号尾部积分面积，尾部积分面积表征α、β脉冲的尾部特征，表征参数通过PSD表示，所述PSD为信号尾部积分面积与信号总积分面积的比值：
式中，
QL为长窗积分电荷值；
QS为短窗积分电荷值。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，对采集信号进行处理包括α、β甄别参数设置，同时结合PSD的上阈值、PSD的下阈值以及长窗电荷积分的上阈值、长窗电荷积分的下阈值，进行核素甄别。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，输出实际测量到的混合能谱、甄别后的β能谱和甄别后的α能谱。
20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，针对信号下降沿特征，定制表征参数。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，将信号定时标签、电荷积分数值以及信号下降沿表征参数存储在SQL数据库数据表中。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，调用数据表数据，进行信号符合，输出符合信号能谱。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，调用数据表数据，对符合信号进行表征参数分析，输出信号能量-表征参数二维谱。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，依据所述信号能量-表征参数二维谱，设置α、β信号甄别参数，进行α/β分离。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，输出α、β分离能谱以及相应计数率。
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| CN202110388151.9A Pending CN113109861A (zh) | 2021-04-12 | 2021-04-12 | 辐射检测装置及其方法 |
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| CN (1) | CN113109861A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113589352A (zh) * | 2021-08-11 | 2021-11-02 | 南华大学 | 一种基于时间谱的符合测量方法和装置 |
| CN114675320A (zh) * | 2022-03-28 | 2022-06-28 | 成都理工大学 | 一种混合β能谱的解谱方法、系统及存储介质 |
| CN117665890A (zh) * | 2023-12-05 | 2024-03-08 | 北京信息职业技术学院 | 一种用于人工放射性气溶胶检测仪的数字化测量装置 |
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-
2021
- 2021-04-12 CN CN202110388151.9A patent/CN113109861A/zh active Pending
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