CN113466913A - 基于液体闪烁体探测器的混合辐射场剂量测量系统 - Google Patents

基于液体闪烁体探测器的混合辐射场剂量测量系统 Download PDF

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莫钊洪
王亮
王勰
熊忠华
王亭亭
任忠国
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    • G01T1/02—Dosimeters
    • G01T1/023—Scintillation dose-rate meters

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Abstract

本发明公开了一种基于液体闪烁体探测器的混合辐射场剂量测量系统，包括液体闪烁体探测器、数字脉冲波形采集器和信号处理系统，液体闪烁体探测器与数字脉冲波形采集器连接，数字脉冲波形采集器与信号处理系统连接等；本发明实现混合辐射场中中子、伽马剂量率的同时测量，不仅降低了误差，而且实现脉冲信号的全数字化采集与存储，为后续处理提供了据支撑，在实际剂量监测与科研方面均有广泛应用前景。

Description

基于液体闪烁体探测器的混合辐射场剂量测量系统
技术领域
本发明涉及核技术应用技术领域，更为具体的，涉及基于液体闪烁体探测器的混合辐射场剂量测量系统。
背景技术
在核电站等涉核工作场所中，由于核材料衰变产生的射线种类复杂，能量分布广泛，具有典型的混合辐射场特点，其中强贯穿射线以n-γ为主，如何准确对其进行有效评估，对人员外照射评价、场所辐射安全态势监控等具有重要意义。
目前市面上主流的针对中子、伽马测量的探测有测量中子的He-3管、测量伽马的有NaI以及卤素管探测器，均可实现单一射线的测量，但仅仅是单一射线，不能实现混合辐射场中n-γ射线的同时监测，同时，其剂量评估大多采用探测器计数乘以粒子注量剂量转换因子的方法来计算，ICRP39号文明确给出了不同能量注量-剂量转换因子及品质因子的关系，尤其对于中子，非线性，不同能量差别非常明显，因此不基于谱分析的中子-伽马剂量评估方法必然导致非常大的误差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于液体闪烁体探测器的混合辐射场剂量测量系统，实现混合辐射场中中子、伽马剂量率的同时测量，不仅降低了误差，而且实现脉冲信号的全数字化采集与存储，为后续处理提供数据支撑，在实际剂量监测与科研方面均有广泛应用前景等。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
基于液体闪烁体探测器的混合辐射场剂量测量系统，包括液体闪烁体探测器、数字脉冲波形采集器和信号处理系统，液体闪烁体探测器与数字脉冲波形采集器连接，数字脉冲波形采集器与信号处理系统连接。
进一步地，所述信号处理系统包括数据采集模块、数据预处理模块、数据库管理模块、数据选择准则模块、数据分析模块和界面管理模块；
所述数据采集模块用于数字脉冲波形采集器与信号处理系统中的计算机之间的通信，通过计算机控制数字脉冲波形采集器的数据采集；
所述数据预处理模块用于对采集的原始数据中粒子信号的幅度和时间进行分析，获得粒子类型、粒子能量、粒子时间信息；
所述数据库管理模块包括原始数据库和解码数据库，所述原始数据库用于存储来自数字脉冲波形采集器的原始信号，进行数据预处理时，从原始数据库中读取数据，数据预处理完后，处理结果存放于解码数据库中，以供挑选所需的信息；
所述数据选择准则模块用于设置相应的参数来挑选经数据库管理模块处理后数据；
所述数据分析模块，在数据选择准则模块中设置好参数后，数据分析模块从解码数据库中提取出相应参数下的数据，以供进一步对数据进行分析；
所述界面管理模块，用于呈现数据，并能够直观地看到设置的参数、数据分析图。
进一步地，所述数据预处理模块包括脉冲信号甄别模块和剂量测量模块；所述脉冲信号甄别模块，用于甄别中子与伽马射线；所述剂量测量模块，用于计算中子与伽马射线周围剂量当量。
进一步地，所述脉冲信号甄别模块基于电荷比较法来实现中子、γ射线的甄别。
进一步地，所述剂量测量模块，利用n/γ甄别方法得到中子/伽马脉冲高度谱，利用中子/伽马脉冲高度谱与G(E)函数卷积计算得到中子/伽马周围剂量当量。
进一步地，利用mcnp软件模拟以及标准源实验分别获取得到中子、伽马的G(e)函数。
本发明的有益效果包括：
本发明实施例提供一种适用于n/γ混合辐射场剂量测量系统，基于液体闪烁探测器建立全数字化的核辐射复合剂量监测系统，可以实现混合辐射场中中子、伽马剂量率的同时测量，不仅降低了误差，而且实现脉冲信号的全数字化采集与存储，仪表便携、后期结果处理多样化等特点，适合混合辐射场科研与实际应用测量研究。
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为本发明实施例的结构框架示意图；
图2为本发明实施例的数据流程示意图。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
如图1～2所示，基于液体闪烁体探测器的混合辐射场剂量测量系统，设置有液体闪烁体探测器、数字脉冲波形采集器和信号处理系统，液体闪烁体探测器与数字脉冲波形采集器连接，数字脉冲波形采集器与信号处理系统连接。本实施例中，利用液体闪烁体探测器对n/γ射线均有响应的特点，使用数字化仪实现探测器输出脉冲的全记录，并对脉冲数据进行离线处理实现脉冲信号甄别以及脉冲高度记录，采用标准伽马、中子源照射刻度，结合模拟计算结果实现探测器刻度，进而实现混合辐射场中n/γ周围剂量当量率复合监测。
该实施例测量系统主要由硬件系统和软件系统两大部分组成，硬件结构主要包含探头、数字脉冲波形采集器和计算机三大部分。探头用于对粒子进行收集并输出脉冲信号，是硬件系统中最重要的部分，数字脉冲波形采集器主要用于将探头输出的模拟脉冲信号转换为数字脉冲信号。计算机主要用于在线存储数字脉冲波形采集器传送来的原始数据以及数据的离线处理与分析。三部分可由一可拆解式移动支架组合，方便使用。
该实施例测量系统针对涉核工作场所源项较为复杂的特点，利用液体闪烁体探测器对中子、伽马均有响应的特点，使用数字脉冲波形采集器实现探测器输出脉冲的全记录，通过基于LabVIEW平台开发的后处理软件，实现脉冲信号甄别(中子、伽马甄别)。在本实施例中，基于电荷比较法来实现中子、γ射线的甄别。根据对波形尾部积分的起点选择的方法不一样，电荷比较法又可分为两种：一种是长短窗定时电荷比较法；另一种是峰后定时电荷比较法。这两种方法的原理与本质都是一样的，其差别在于对尾部积分的定时起点时刻的选择不同。两种方法的总积分都是对整个波形进行积分；两种方法的尾部积分终点都是波形采样终点，长短窗定时电荷比较法的尾部积分起点为脉冲波形定时时刻往后的某个时刻，而峰后定时电荷比较法的尾部积分起点则为脉冲峰值往后的某个时刻。在本实施例中，定义脉冲形状甄别参数R：
R＝尾部积分/总积分＝A2/A1
式中，A2为尾部积分，A1为总积分。对于所有的n/γ甄别方法来说，FOM值(Figureof Merit，FOM)是衡量n/γ甄别程度的参数，定义优值系数FOM：
FOM＝|Xγ-Xn|/(Wγ+Wn)
式中，Xγ与Xn分别是γ峰与中子峰的横坐标值，Wγ与Wn则分别是γ峰与中子峰的半高宽。在γ峰与中子峰横坐标差值越大以及γ峰与中子峰宽度越窄的情况下，FOM值就越大。所以，FOM值越大其n/γ甄别效果越好。本实施例采用液体闪烁体来研制探测器，基于长短窗定时和峰后定时两种电荷比较法进行了甄别实验研究，甄别效果均较好。
其次，利用mcnp软件模拟以及标准源实验，分别获取中子、伽马G(e)函数，结合采集到的脉冲信息实现中子、伽马剂量率测量。
在其他实施例中，利用核辐射场复合监测样机对22Na以及252Cf进行测量，并利用软件模拟获取G(E)函数，对放射源周围剂量当量进行计算。对中子、伽马剂量当量率测量结果相对偏差均小于50％。具体结果如下表：
表1不确定度测试结果
Figure BDA0003086666030000051
Figure BDA0003086666030000061
求解G(E)函数的方法主要有迭代法和最小二乘法。最小二乘法的基本原理是，首先设定G(E)函数的基本形式，其中包括基函数、优化因子和待定系数等参数。然后用探测器测量得到的一系列放射源的标准能谱对以G(E)为权重的加权积分计算，再与这些放射源的理论剂量值对比，用最小二乘法处理，求出G(E)函数的参数。基函数的形式、优化因子则是根据理论、经验设定，并在计算过程中进行了多次调整后选定的。计算过程需要获得一系列单能射线的标准能谱，一种方法是通过标准源刻度实验测量，另一种方法便是采用的模拟计算方法。本发明已经通过模拟计算获得了EJ-339A探测器对于一些单能中子/光子的能谱，而对于放射源产生的理论剂量值，也可由理论计算获得，采用的G(E)函数形式如下：
Figure BDA0003086666030000062
其中，K是优化因子，表示多项式的项数；Ak为待定系数；logE是拟定的基函数，求解G(E)函数就是求解上式中的系数Ak。
对于所有的n/γ甄别方法来说，FOM值(Figure of Merit，FOM)，是衡量n/γ甄别程度的参数。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，在一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，进行测试或者实际的数据在程序实现中存在于只读存储器(Random Access Memory，RAM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)等。

Claims (6)

1.基于液体闪烁体探测器的混合辐射场剂量测量系统，其特征在于，包括液体闪烁体探测器、数字脉冲波形采集器和信号处理系统，液体闪烁体探测器与数字脉冲波形采集器连接，数字脉冲波形采集器与信号处理系统连接。
2.根据权利要求1所述的基于液体闪烁体探测器的混合辐射场剂量测量系统，其特征在于，所述信号处理系统包括数据采集模块、数据预处理模块、数据库管理模块、数据选择准则模块、数据分析模块和界面管理模块；
所述数据采集模块用于数字脉冲波形采集器与信号处理系统中的计算机之间的通信，通过计算机控制数字脉冲波形采集器的数据采集；
所述数据预处理模块用于对采集的原始数据中粒子信号的幅度和时间进行分析，获得粒子类型、粒子能量、粒子时间信息；
所述数据库管理模块包括原始数据库和解码数据库，所述原始数据库用于存储来自数字脉冲波形采集器的原始信号，进行数据预处理时，从原始数据库中读取数据，数据预处理完后，处理结果存放于解码数据库中，以供挑选所需的信息；
所述数据选择准则模块用于设置相应的参数来挑选经数据库管理模块处理后数据；
所述数据分析模块，在数据选择准则模块中设置好参数后，数据分析模块从解码数据库中提取出相应参数下的数据，以供进一步对数据进行分析；
所述界面管理模块，用于呈现数据，并能够直观地看到设置的参数、数据分析图。
3.根据权利要求2所述的基于液体闪烁体探测器的混合辐射场剂量测量系统，其特征在于，所述数据预处理模块包括脉冲信号甄别模块和剂量测量模块；所述脉冲信号甄别模块，用于甄别中子与伽马射线；所述剂量测量模块，用于计算中子与伽马射线周围剂量当量。
4.根据权利要求3所述的基于液体闪烁体探测器的混合辐射场剂量测量系统，其特征在于，所述脉冲信号甄别模块基于电荷比较法来实现中子、γ射线的甄别。
5.根据权利要求4所述的基于液体闪烁体探测器的混合辐射场剂量测量系统，其特征在于，所述剂量测量模块，利用n/γ甄别方法得到中子/伽马脉冲高度谱，利用中子/伽马脉冲高度谱与G(E)函数卷积计算得到中子/伽马周围剂量当量。
6.根据权利要求5所述的基于液体闪烁体探测器的混合辐射场剂量测量系统，其特征在于，利用mcnp软件模拟以及标准源实验分别获取得到中子、伽马的G(e)函数。
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