CN113484895A - 一种用于高氡本底的α表面污染检测仪及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于高氡本底的手持式α表面污染检测仪及检测方法，检测仪包括前置探头、二次仪表和屏蔽电缆。前置探头设置有探测器、电荷灵敏前置放大器和手持电磁屏蔽盒，探测器为前端设有浅凹槽和遮光镀层的PIPS或CZT；二次仪表包括脉冲调理单元、ADC模数转换单元、FPGA数字信号处理单元、控制单元、输入输出单元、电源伺服单元及一体化的手持电磁屏蔽盒；前置探头和二次仪表通过屏蔽电缆与多芯航空插头连接。针对平面型污染选用探测面积较大的探头，对异面型的污染选用探测面积较小的探头，通过能区计数法可有效甄别环境氡钍及子体对关心核素表面α污染测量的干扰，并可应用于放射性气溶胶取样后滤膜的快速甄别测量。

Description

一种用于高氡本底的α表面污染检测仪及检测方法
技术领域
本发明涉及辐射防护监测领域，更为具体的，涉及一种适用于高氡本底的手持式α表面污染检测仪及检测方法。
背景技术
目前国内外的手持式α表面污染仪主要采用在光导材料上涂覆对γ射线、β粒子、中子等不敏感的薄层ZnS：Ag闪烁体，进而基于光电倍增管或SiPM等光电转换器件收集α粒子激发闪烁体的荧光，信号经调理放大后通过脉冲幅度卡阈计数识别有无α污染，其优点是价格低廉，且探测面积可以根据需要做得比较大，如该类设备中常用的是由西安核仪器厂研发的FJ-2207型表面污染仪，其测量面积为50cm2。但由于ZnS：Ag闪烁体的能量分辨较差，难以对环境氡钍及衰变子体与待测关心核素出射的α粒子进行阈值以上的能量甄别，易造成本底计数干扰。
另外，前期相关的产品还有基于探测面积较小的金硅面垒探测器开发的α点测仪(核电子学与探测技术，2003年第23卷第6期P580-582)，但目前也只对输出的脉冲只进行卡单一阈值后进行计数，尚没有利用其能量分辨较高的甄别特性。
以上两种计数型的表面污染监测设备在高氡本底的场景，如在地下、坑道、洞库等通风条件较差的场所，无法在开展涉核辐射监测工作中准确判明是否存在关心核素的α表面污染。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，基于环境氡钍及子体出射的α粒子比常见锕系核素发射的α粒子能量高的物理事实，提供一种用于高氡本底的手持式便携α表面污染检测仪及检测方法，通过能区计数可甄别环境氡钍及子体对关心核素表面α污染测量的干扰，有效提高了检测精度；并可应用于放射性气溶胶取样后滤膜的快速甄别测量，进一步拓展了应用场景和使用范围。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种用于高氡本底的α表面污染检测仪，包括前置探头、二次仪表和屏蔽电缆。所述前置探头集成设置有探测器和电荷灵敏前置放大器及手持电磁屏蔽盒，探测器为前端设置有浅凹槽和镀层遮光的一体化PIPS或CZT，输出端设置有与电荷灵敏放大器匹配的转接模块；所述二次仪表包括脉冲调理单元、ADC模数转换单元、FPGA数字信号处理单元、控制单元、输入输出单元、电源伺服单元和一体化的手持电磁屏蔽盒，其中在脉冲调理单元与ADC模数转换单元之间，ADC模数转换单元与FPGA数字信号处理单元之间，以及脉冲调理单元、ADC模数转换单元、FPGA数字信号处理单元、输入输出单元、电源伺服单元与控制单元之间均设有匹配的连接；所述屏蔽电缆为多芯屏蔽电缆；所述前置探头通过多芯航空插头与多芯屏蔽电缆连接，多芯屏蔽电缆通过多芯航空插头与二次仪表连接。
进一步地，所述一体化PIPS或CZT探测器的前端凹槽槽深为1mm。
进一步地，所述一体化PIPS或CZT探测器的遮光镀层材质为铝。
进一步地，所述前置探头的探头保护盖子设置有擦拭样品支撑环。
进一步地，所述前置探头设置有圆柱形的手持电磁屏蔽盒，材质为铝合金。
进一步地，所述电荷灵敏前置放大器与电磁屏蔽盒通过BNC转接头焊接固定，电磁屏蔽盒的底部与探测器通过BNC转接头扣紧连接，可方便拆卸更换探测器。
进一步地，所述FPGA数字信号处理单元具备滤波成形、基线恢复、幅度转换及谱分能区统计功能。
进一步地，所述输入单元为按键或触屏输入，可设置开/关机、测量时间、谱区间道址；输出单元可实现谱结果显示及保存功能，且可对划分的多个能量区间进行计数，其中第一区间为低能本底、第二区间为关心核素α能区、第三区间为环境氡钍及子体α能区。
一种基于如上所述的用于高氡本底的α表面污染检测仪的检测方法，包括如下步骤：
针对平面型污染选用探测面积较大的PIPS探测器，对异面型的污染表面选用探测面积较小的PIPS或CZT探测器，将选取探测器与前置放大器固定相连，打开二次仪表电源，在设定好测量时间、甄别区间道址等参数后，打开探头保护盖子将探测器贴近待测物品表面进行直接测量；或采用柔性滤布对待测物品表面进行擦拭，将擦拭样品置于探头保护盖子内侧的擦拭样品支撑环上，盖好探头保护盖子后在擦拭样品与较大面积的PIPS探测器距离相同的条件下开展测量。进一步地，对所述α表面污染检测仪的测量结果采用如下公式进行能量拖尾补偿修正处理：
Figure BDA0003082360690000031
Figure BDA0003082360690000032
其中t为测量时间，ε为探测器对标准刻度源的2π探测效率，S为探测器的有效测量面积，ni为关心核素区域的污染值，N为关心核素α能区的计数，NRn-Th为环境氡钍及子体α能区的计数，nb为环境氡钍及子体的本底污染值，K为环境氡钍及子体拖尾至关心核素α能区的计数与氡钍及子体α能区计数的比值，通过在高氡环境的干净区域测量得到。
本发明的有益效果包括：
本发明通过实现便携α能区计数可有效甄别环境氡钍及子体对关心核素表面α污染测量的干扰，较传统单一阈值计数型的α表面污染监测设备，提高了在高氡背景下的检测精度；并可进一步推广应用于放射性气溶胶取样后滤膜的快速甄别测量，可靠保障相关辐射防护监测工作的顺利进行。
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3中的一种用于高氡本底的α表面污染检测仪的结构示意图；图中，1-探头保护盖子，2-擦拭样品支撑环，3-擦拭样品，4-探测器，5-电荷灵敏前置放大器，6-手持电磁屏蔽盒，7-多芯航空插头，8-多芯屏蔽电缆，9-脉冲调理单元，10-ADC模数转换单元，11-FPGA数字信号处理单元，12-控制单元，13-输入输出单元，14-电源伺服单元，15-一体化手持电磁屏蔽盒。
图2为本发明实施例4中的PIPSα谱仪对Pu-Am源与气溶胶滤膜氡钍子体的甄别测量结果对比示意图；其中，左边图为取样后直接测量的结果图，右边图为取样后30mins测量的结果图；
图3为本发明实施例4中的CZTα谱仪对Pu-Am源与气溶胶滤膜氡钍子体的甄别测量结果。
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。
实施例1，一种适用于高氡本底下的手持式α表面污染检测仪，用于待测物品表面α污染的直接能区甄别测量，包括前置探头、二次仪表和屏蔽电缆。所述前置探头集成设置有探测器4和电荷灵敏前置放大器5及手持电磁屏蔽盒6，其中探测器4为前端设置有浅凹槽和遮光镀层的一体化PIPS或CZT，凹槽槽深为1mm，遮光镀层材质为铝，输出端设置有与圆柱形铝合金材质的电磁屏蔽盒6匹配的BNC转接头，便于拆卸更换。所述二次仪表包括脉冲调理单元9、ADC模数转换单元10、FPGA数字信号处理单元11、控制单元12、输入输出单元13、电源伺服单元14和一体化的手持电磁屏蔽盒15，其中控制单元12为低功耗单片机或者嵌入式系统；输入输出单元为按键或触屏输入，可设置开/关机、测量时间、甄别区间道址，并实现谱结果显示及保存功能，可对划分的多个能量区间进行计数，其中第一区间为低能本底、第二区间为关心核素α能区、第三区间为环境氡钍α能区；电源伺服单元14为充电锂电池组及高低压电源转换电路，可输出+80V高压至探测器、±12V至前放、并为脉冲调理单元9、ADC模数转换单元10、FPGA数字信号处理单元11、低功耗控制单元12、输入输出单元13提供工作电压；一体化手持电磁屏蔽盒15为具有人体功能学的铝合金材质封装外壳，可对内置电路起电磁屏蔽作用；在脉冲调理单元9与ADC模数转换单元10之间，ADC模数转换单元10与FPGA数字信号处理单元11之间，以及脉冲调理单元9、ADC模数转换单元10、FPGA数字信号处理单元11、输入输出单元13、电源伺服单元14与控制单元12之间均设有匹配的连接。所述屏蔽电缆8为包括电源线、信号线、地线的多芯屏蔽电缆。所述前置探头通过多芯航空插头7与多芯屏蔽电缆8连接，多芯屏蔽电缆8通过多芯航空插头7与二次仪表连接。
实施例2在实施例1的基础上，可配套多探头组合，针对平面型污染可选用面积大于25cm2的圆形或方形PIPS探头，对异面型的污染表面可选用探测面积小于等于4cm2的圆形或方形PIPS、CZT探头。将选取探测器与前置放大器固定相连，打开二次仪表电源，在设定好测量时间、甄别区间道址等参数后，打开探头保护盖子将探测器凹槽的上表面(非灵敏区)贴近待测物体后，按开始键进行直接测量，至结束停止。
对测量结果采用如下公式进行能量拖尾补偿修正处理，由修正后的结果显示污染的类型和数值：
Figure BDA0003082360690000061
Figure BDA0003082360690000062
其中t为测量时间，ε为探测器的对标准刻度源的2π探测效率，S为探测器的有效测量面积，ni为关心核素区域的污染值，N为关心核素α能区的计数，NRn-Th为环境氡钍及子体α能区的计数，nb为环境氡钍及子体的本底值，K为环境氡钍及子体拖尾至关心核素α能区的计数与氡钍及子体α能区计数的比值，通过在高氡环境的干净区域测量得到。
实施例3在实施例2的基础上，前置探头的探头保护盖子1设置有擦拭样品支撑环2。在该实施方案中，为提高测量弱放射性沾染的实效性，可采用柔性滤布擦拭待测物品后置于大面积探头保护盖内侧的样品槽中作为擦拭样品3，盖好探头后可在擦拭样品3与探测器4距离相同的条件下开展手持式测量，测量结果的数据处理方式与实施例2相同。
实施例4，本发明还可应用于放射性气溶胶取样后滤膜的快速甄别测量。这里给出一个实例：采用在直径为1.5cm的不锈钢基底上电镀活度为2.52Bq的Pu-Am混合源模拟实际作业流程中可能涉及的小活度表面污染，并对密闭实验室的空气以15L/min的流速进行30min气溶胶采样，取下直径为3.8cm的滤膜后，立即采用直径为6cm的PIPS型谱仪对电镀源和滤膜进行同步测量30min，随后在此基础上再测量20min，两次测量的结果如图2所示。可见在设定甄别道址为110的情况下，关心核素区域主体与和氡钍子体在能谱上均得到有效甄别，其中氡钍子体影响为图中点虚线以下区域，在误差允许范围内可进一步通过拖尾补偿的方法加以扣除，且随着衰变时间的增加明显减少。对于2cm×2cm的小面积CZT探头，先对取样滤膜测量30min，再在相同的工作偏压和电子学参数条件下对电镀源进行比对测量30min，结果如图3所示。可见小面积的CZT探测器的能量分辨较大面积的PIPS探测器要好，在相同的甄别阈值下，关心核素与天然氡钍子体的甄别效果更为显著。
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。
除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
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 (10)

1.一种用于高氡本底的α表面污染检测仪，其特征在于，包括前置探头、二次仪表和屏蔽电缆；所述前置探头集成设置有探测器(4)和电荷灵敏前置放大器(5)及手持电磁屏蔽盒(6)，探测器(4)为前端设置有浅凹槽和遮光镀层的一体化PIPS或CZT，输出端设置有与电荷灵敏放大器(5)匹配的转接模块；所述二次仪表包括脉冲调理单元(9)、ADC模数转换单元(10)、FPGA数字信号处理单元(11)、控制单元(12)、输入输出单元(13)电源伺服单元(14)和一体化手持电磁屏蔽盒(15)，其中在脉冲调理单元(9)与ADC模数转换单元(10)之间，ADC模数转换单元(10)与FPGA数字信号处理单元(11)之间，以及脉冲调理单元(9)、ADC模数转换单元(10)、FPGA数字信号处理单元(11)、输入输出单元(13)、电源伺服单元(14)与控制单元(12)之间均设有匹配的连接；所述屏蔽电缆为多芯屏蔽电缆(8)；所述前置探头通过多芯航空插头(7)与多芯屏蔽电缆(8)连接，多芯屏蔽电缆(8)通过多芯航空插头(7)与二次仪表连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于高氡本底的α表面污染检测仪，其特征在于，所述一体化PIPS或CZT探测器的前端凹槽槽深为1mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于高氡本底的α表面污染检测仪，其特征在于，所述一体化PIPS或CZT探测器的遮光镀层材质为铝。
4.根据权利要求1所述的一种用于高氡本底的α表面污染检测仪，其特征在于，所述前置探头的探头保护盖子(1)设置有擦拭样品支撑环(2)。
5.根据权利要求1所述的一种用于高氡本底的α表面污染检测仪，其特征在于，所述前置探头设置有圆柱形的手持电磁屏蔽盒(6)，其材质为铝合金。
6.根据权利要求1所述的一种用于高氡本底的α表面污染检测仪，其特征在于，所述电荷灵敏放大器(5)与电磁屏蔽盒(6)通过BNC转接头焊接固定，电磁屏蔽盒(6)的底部与探测器(4)通过BNC转接头扣紧连接，可方便拆卸更换探测器。
7.根据权利要求1所述的一种用于高氡本底的α表面污染检测仪，其特征在于，所述FPGA数字信号处理单元(11)具备滤波成形、基线恢复、幅度转换及谱分能区统计功能。
8.根据权利要求1所述的一种用于高氡本底的α表面污染检测仪，其特征在于，所述输入输出单元(12)为按键或触屏输入，能设置开/关机、测量时间、谱区间道址；输出单元能实现谱结果显示及保存功能，且能对划分的多个能量区间进行计数，其中第一区间为低能本底、第二区间为关心核素α能区、第三区间为环境氡钍及子体α能区。
9.一种基于权利要求1～8中所述的用于高氡本底的α表面污染检测仪的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
针对平面型污染选用探测面积较大的PIPS探测器，对异面型的污染表面选用探测面积较小的PIPS或CZT探测器，将选取探测器(4)与前置放大器(5)固定相连，打开二次仪表电源，在设定好测量时间、甄别区间道址等参数后，打开探头保护盖子(1)将探测器贴近待测物品表面进行直接测量；或采用柔性滤布对待测物品表面进行擦拭后，将擦拭样品(3)置于探头保护盖子(1)内侧的擦拭样品支撑环(2)上，盖好探头保护盖子(1)后在擦拭样品(3)与较大面积的PIPS探测器(4)距离相同的条件下开展测量。
10.根据权利要求9所述的用于高氡本底的α表面污染检测仪的检测方法，其特征在于，对所述α表面污染检测仪的测量结果采用如下公式进行能量拖尾补偿修正处理：
Figure FDA0003082360680000031
Figure FDA0003082360680000032
其中t为测量时间，ε为探测器对标准刻度源的2π探测效率，S为探测器的有效测量面积，ni为关心核素区域的污染值，N为关心核素α能区的计数，NRn-Th为环境氡钍及子体α能区的计数，nb为环境氡钍及子体的本底污染值，K为环境氡钍及子体拖尾至关心核素α能区的计数与氡钍及子体α能区计数的比值，通过在高氡环境的干净区域测量得到。
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