CN114325809B - 基于电流积分型电子学系统的中子剂量仪 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于电流积分型电子学系统的中子剂量仪，属于辐射剂量检测技术领域。该中子剂量仪包括探头模块和电路模块。其中，探头模块包括由外而内依次设置的外层慢化体、金属层、高分子层、内层慢化体、计数器，中子能够在计数器内发生核反应产生电流信号。电路模块包括信号放大电路、数据处理电路，信号放大电路能够将电流信号转变为电压信号，数据处理电路能够将电压信号转变为电流信号，并能够根据电流信号确定中子的辐射剂量值。在检测过程中，无需通过记录当前脉冲信号的数目即可以通过获取当前中子产生的总电荷量来确定当前中子辐射剂量值。这样避免了漏计数产生，从而提高了中子剂量仪的检测精度。

Description

基于电流积分型电子学系统的中子剂量仪

技术领域

本公开涉及辐射剂量检测技术领域，尤其涉及一种基于电流积分型电子学系统的中子剂量仪。

背景技术

中子剂量仪是检测放射性工作场所内中子辐射剂量值的常见工具，剂量仪一般采用的是基于脉冲计数型放大电路的电子学系统。但是，当脉冲辐射场内多个中子在极短时间内同时入射探头内，脉冲计数型放大电路无法独立区分多个中子的脉冲信号，造成无法准确记录当前脉冲信号的数目，发生了漏计数情况，使得中子剂量仪无法准确地检测出当前中子辐射剂量值，从而降低了中子剂量仪的检测精度。

所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种基于电流积分型电子学系统的中子剂量仪，能够提高中子剂量仪的检测精度。为实现上述发明目的，本公开采用如下技术方案：

根据本公开的第一个方面，提供一种基于电流积分型电子学系统的中子剂量仪，所述中子剂量仪包括：

探头模块，包括由外而内依次设置的外层慢化体、金属层、高分子层、内层慢化体、计数器；中子能够在所述计数器内发生核反应后产生电流信号；

电路模块，包括信号放大电路，数据处理电路；所述信号放大电路能够将所述电流信号转变为电压信号，所述数据处理电路能够将所述电压信号转变为所述电流信号，并能够根据所述电流信号确定中子的辐射剂量值。

在本公开的一种示例性实施例中，所述数据处理电路能够根据所述电流信号确定中子在目标时间内产生的总电荷量，并依据所述总电荷量确定所述中子的反应数，进而根据所述中子的反应数来确定所述中子的辐射剂量值。

在本公开的一种示例性实施例中，所述外层慢化体为聚乙烯慢化体，所述聚乙烯慢化体厚度的范围为60～65mm；所述金属层为铅层，所述铅层厚度的范围为8～13mm；所述高分子层为含硼聚乙烯，所述含硼聚乙烯厚度的范围为2～7mm；所述内层慢化体为聚乙烯慢化体，所述聚乙烯慢化体厚度的范围为13～18mm。

根据本公开的第二个方面，提供一种中子辐射剂量值的检测系统，其特征在于，包括上述的中子剂量仪，所述检测系统还包括与所述中子剂量仪相连接的监控平台，所述监控平台能够实时检测所述中子的反应数和辐射剂量值。

根据本公开的第三个方面，提供一种中子辐射剂量值的检测方法，应用于上述的检测系统，其特征在于，所述检测方法包括：

基于电压信号，建立时间与电流信号的对应关系；

根据所述时间与电流信号的对应关系确定所述中子在目标时间内产生的总电荷量；

根据所述中子在目标时间内的产生的总电荷量确定所述中子的反应数；

根据所述中子的反应数确定所述中子的辐射剂量值。

在本公开的一种示例性实施例中，基于电压信号，建立时间与电流信号的对应关系包括：

基于电压信号，建立第一预设公式；

所述第一预设公式为：

V＝f(I)；

在所述第一预设公式中，V为电压信号，I为电流信号，f为对应法则。

在本公开的一种示例性实施例中，基于电流信号和电压信号，建立时间与电流信号的对应关系还包括：

根据所述第一预设公式，将所述电压信号转变为所述电流信号；

根据所述电流信号，建立时间与电流信号的对应关系。

在本公开的一种示例性实施例中，所述中子在目标时间内产生的电荷量由第二预设公式确定，所述第二预设公式为

Q＝∫I·t；

在所述第二预设公式中，Q为所述中子在目标时间内产生的总电荷量，t为时间。

在本公开的一种示例性实施例中，根据所述中子在目标时间内的产生的总电荷量确定所述中子在目标时间内的反应数包括：

根据所述中子在目标时间内的产生的总电荷量，建立第三预设公式，所述第三预设公式为：

在所述第三预设公式中，N为所述中子在目标时间内的反应数，Q_i为单个所述中子核反应所产生的电荷量。

在本公开的一种示例性实施例中，根据所述中子在目标时间内的反应数确定所述中子的辐射剂量值包括：

根据所述中子在目标时间内的反应数，建立第四预设公式，所述第四预设公式为：

H＝K·N：

在所述第四预设公式中，K为中子通量与剂量的换算系数，H为所述中子的辐射剂量值。

本公开实施方式的一种基于电流积分型电子学系统的中子剂量仪，在检测过程中，无需通过记录当前脉冲信号的数目即可获取中子的辐射剂量值。本公开中，中子在计数器内发生核反应后产生电流信号，并将该电流信号发送至信号放大电路，信号放大电路能够将该电流信号转变为电压信号，数据处理电路将该电压信号再次转变为电流信号，并根据该电流信号确定中子的辐射剂量值。这样能够避免发生漏计数情况，从而提高了中子剂量仪的检测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施方式的一种中子剂量仪的爆炸图的结构示意图。

图2是本公开实施方式的一种中子剂量仪的装配图的结构示意图。

图3是本公开实施方式的一种中子剂量仪的电路模块的结构示意图。

图4是本公开实施方式的一种中子辐射剂量值的检测方法的流程图。

图5是本公开实施方式的一种时间与电流信号关系的曲线图。

图6是本公开实施方式的一种监控平台的示意图。

图中主要元件附图标记说明如下：

1、壳体；2、外层慢化体；3、金属层；4、高分子层；5、内层慢化体；6、计数器；7、信号放大电路；8、线性电源；9、开关电源；10、高压模块；11、数据处理电路；12、电源滤波器；13、网口输出端子；14、盖板；15、把手。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本公开的主要技术创意。

当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。用语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

中子剂量仪是检测放射性工作场所内中子辐射剂量值的常见工具，剂量仪一般采用的是基于脉冲计数型放大电路电子学系统。但是，当脉冲辐射场内多个中子在极短时间内同时入射探头内，脉冲计数型放大电路无法独立区分多个中子的脉冲信号，造成无法准确记录当前脉冲信号的数目，发生了漏计数情况，使得中子剂量仪无法准确地检测出当前中子辐射剂量值，从而降低了中子剂量仪的检测精度。

本公开实施方式提供一种基于电流积分型电子学系统的中子剂量仪，该中子剂量仪可以包括探头模块和电路模块。如图1～2所示，探头模块可以包括由外而内依次设置的外层慢化体2、金属层3、高分子层4、内层慢化体5、计数器6。中子能够在所述计数器6内发生核反应后产生电流信号。电路模块可以包括信号放大电路7和数据处理电路11。其中，数据处理电路11能够将电压信号转变为电流信号，并能够根据电流信号确定中子的辐射剂量值。

本公开实施方式的一种基于电流积分型电子学系统的中子剂量仪，在检测过程中，无需通过记录当前脉冲信号的数目即可确定中子的辐射剂量值。本公开中，中子在计数器6内发生核反应后能够产生电流信号，并能够将该电流信号发送至信号放大电路7，信号放大电路7能够将该电流信号转变为电压信号，数据处理电路11将该电压信号再次转变为电流信号，并根据该电流信号确定中子的辐射剂量值。这样能够避免发生漏计数情况，从而能够提高中子剂量仪的检测精度。

下面结合附图对本公开实施方式提供的中子剂量仪的各部件进行详细说明：

在本公开的一种实施例中，电路模块还可以包括数据采集电路。信号放大电路7能够将计数器6转换后的电流信号转变为电压信号，数据采集电路能够采集电压信号并将电压信号发送至数据处理电路11。数据处理电路11能够将该电流信号转变为电压信号，接着将所述电压信号转变为电流信号，并依据电流信号确定中子在目标时间内产生的总电荷量，并依据该总电荷量确定中子的反应数，进而根据中子的反应数来确定中子的辐射剂量值。

可选的，该中子剂量仪还可以包括壳体1和与壳体1相连接的盖板14。壳体1和盖板14能够形成一容置腔，中子剂量仪的探头模块和电路模块能够容置于该容置腔内。这样可以利用壳体1和盖板14来保护该中子剂量仪的探头模块和电路模块，使其不会受到环境因素而对其检测精度的影响。

可选的，该容置腔可以整体呈圆柱形或者矩形。在本公开中，该容置腔呈圆柱形，即壳体1和与壳体1相连接的盖板14也呈圆柱状。

可选的，盖板14远离壳体1的一侧设置有把手15，该把手15的形状为U型结构，这样能够便于检测人员搬运和移动中子剂量仪。

可选的，壳体1厚度的范围为2～3mm。

可选的，壳体1和盖板14的材料可以是铝。

可选的，外层慢化体2为聚乙烯慢化体，该聚乙烯慢化体用于慢化中子，聚乙烯慢化体厚度的范围为60-65mm；金属层3为铅层，该铅层用于与高能中子发生核反应，铅层厚度的范围为8～13mm；高分子层4为含硼聚乙烯，该含硼聚乙烯用于吸收中子，含硼聚乙烯厚度的范围为2～7mm；内层慢化体5为聚乙烯慢化体，该聚乙烯慢化体用于慢化中子，聚乙烯慢化体厚度的范围为13～18mm。

优选的，聚乙烯慢化体厚度为62.5mm；铅层厚度为10mm；含硼聚乙烯厚度为5mm；聚乙烯慢化体厚度为16.25mm。

可选的，计数器的内部气体压强处于负压状态，即内部的气体压强小于标准大气压，其通常采用0.67atm，气体的类型为BF₃。

可选的，如图3所示，该电路模块还可以包括线性电源8、开关电源9、高压模块10、电源滤波器12即网口输出端子13。其中，线性电源8可以用于信号放大电路7供电。线性电源8的输出可以为220V的交流电源，输出为-5V～+5V。开关电源9可以用于高压模块10和数据处理电路11供电，开关电压的输出可以为220V的交流电源。高压模块10可以用于通过其内部的滑动变阻器调整输出的电压信号，高压模块10的输入可以为12V的直流电压，其输出的电压范围为2000～3000V。电源滤波器12可以用于过滤220V交流电内的噪声，其输入为220V的交流电源。网口输出端子13可以为超5类网线，用于接入监控平台。

本公开实施方式中提供一种中子辐射剂量值的检测方法，如图4所示，该中子辐射剂量值的检测方法可以包括步骤S100、步骤S110、步骤S120、步骤S130。其中：

步骤S100，基于电压信号，建立时间与电流信号的对应关系。

步骤S110，根据时间与电流信号的对应关系确定中子在目标时间内产生的总电荷量。

步骤S120，根据中子在目标时间内的产生的总电荷量确定中子的反应数。

步骤S130，根据中子的反应数确定中子的辐射剂量值。

本公开实施方式的中子辐射剂量值的检测方法，在检测过程中，无需通过记录当前脉冲信号的数目即可以通过获取当前中子产生的总电荷量来确定当前中子的反应数。这样避免了漏计数产生，从而提高了中子辐射剂量值的检测精度。

可选的，在步骤S100中，基于电压信号，确定时间与电流信号的对应关系。该电流信号可以是中子在计数器6中进行核反应所产生的电流信号。由于其产生的电流信号较为微弱，故需要信号放大电路7对该电流信号进行放大并转换为电压信号。该电压信号可以是中子剂量仪中的放大器将射入计数器6中产生的电流信号转换后的电压信号。步骤S100可以包括：

基于电压信号，建立第一预设公式；

该第一预设公式为：

V＝f(I)；

其中，V为电压信号，I电流信号，f为对应法则。

可选的，在步骤S100中还可以包括步骤S200，其中：

步骤S200，根据第一预设公式，将电压信号重新在转变为电流信号，并根据该电流信号，建立时间与电流信号的对应关系。

可选的，在步骤S200中，通过不断采集电压信号，并根据第一预设公式将电压信号转变为电流信号。这样就能够获取中子在不同时间内的电流信号，并将各个电流信号与不同时间绘制成曲线图，即可建立时间与电流信号的对应关系。

步骤S110还可以包括：根据时间与电流信号的对应关系确定中子在目标时间内产生的总电荷量。而中子在目标时间内产生的总电荷量由第二预设公式确定，第二预设公式为：

Q＝∫I·t；

在所述第二预设公式中，Q为中子在目标时间内产生的总电荷量，t为时间。

基于时间与电流信号的对应关系，在目标时间内，可以对电流信号进行积分，并将积分后的电流信号与时间相乘即可以确定当前中子的总电荷量。利用该方法，可以获取当前中子产生的总电荷量，从而便于确定中子当前的反应数。

在步骤S120中，根据中子在目标时间内的产生的总电荷量确定中子在目标时间的反应数。

具体的，根据中子在目标时间内的产生的总电荷量，建立第三预设公式，第三预设公式为：

在上述第三预设公式中，N为所述中子在目标时间内的反应数，Q_i为单个所述中子核反应所产生的电荷量。

由此可以看出，在本公开中，无需采用记录脉冲信号的方式，即可以通过中子在目标时间内产生的总电荷量从而来确定中子在目标时间内的反应数。这样能够避免发生漏记数产生，从而能够极大提高中子辐射剂量值检测的准确性。

在步骤S130中，根据所述中子在目标时间内的反应数确定所述中子的辐射剂量值，其中：

根据中子在目标时间内的反应数，建立第四预设公式，该第四预设公式为：

H＝K·N：

在第四预设公式中，K为中子通量与剂量的换算系数，H为中子的辐射剂量值。

可以理解的是，不同种类的中子的通量与剂量的换算系统是不同的。本公开在此不做特殊的限定，本领域技术人员能够根据不同种类的中子选取不同的通量与剂量的换算系统，从而来确定中子的辐射剂量值。

下面以一种实施例的方式对中子辐射剂量值的检测方法应用于中子剂量仪进行详细的说明。

具体的，中子剂量仪可以包括探头模块和电路模块。探头模块可以包括由外而内依次设置的外层聚乙烯慢化体、铅层、含硼聚乙烯、内层聚乙烯慢化体、正比计数器。该正比计数器内部其他压强为负压，其气压值为0.67atm。电路模块可以包括数据采集电路、信号放大电路7、数据处理电路11、线性电源8、开关电源9、高压模块10、电源滤波器12、网口输出端子13。其中，中子剂量仪还可以包括壳体1和盖板14，壳体1和盖板14之间通过紧固件进行连接。例如可以是螺栓、螺钉等。

在中子剂量仪进行检测时，其主要步骤如下：首先，中子在正比计数器内发生核反应从而产生电流信号，该电流信号经过信号放大电路7转换之后可以转变为电压信号。数据处理电路11能够根据上述的第一预设公式将电压信号转变为电流信号，接着数据处理电路11能够根据该电流信号绘制时间与电流信号的曲线图。如图5所示，该曲线图的横坐标为τ、2τ、3τ、4τ、5τ。纵坐标为电流信号I。其中，τ＝10ns(纳秒)。数据处理电路11根据该曲线图计算出电流信号在目标时间内的积分量，然后通过第二预设公式计算出当前目标时间内中子产生的电荷量。接着数据处理电路11根据中子产生的总电荷量，通过第三预设公式计算出中子在目标时间的反应数。数据处理电路11根据中子在目标时间内的反应数，利用第四预设公式计算出中子的辐射剂量值。

基于上述对中子剂量仪的说明，可以确定中子剂量仪的技术指标如下：

(1)测量射线种类：(脉冲)中子；

(2)能量区间：0.025eV-3.0GeV；

(3)剂量区间：10nSv/h-1000mSv/h；

(4)单次脉冲中子束接收最大剂量：2.0μSv；

(5)单中子脉冲信号响应时间：≤15us；

(6)灵敏度：1.0cps/(μSv/h)；

(7)伽马噪声抑制率：<1.0μSv/h@100mSv/h，662keV。

本公开实施方式中还提供一种中子辐射剂量值的检测系统，该检测系统可以包括上述的中子剂量仪，该检测系统还可以包括与中子剂量仪相连接的监控平台，该监控平台能够实时监控中子的反应数和辐射剂量值。

可选的，在监控平台可以是基于labview软件开发的上位机，如图6所示，可以看出该监控平台可以具备数据采集、控制、显示结果的功能，也能够实现调节数据的采样频率、采样周期等参数。也能够实时监控中子的反应数和辐射剂量值。

当该检测系统用于监控中子的反应数和辐射剂量值时，该检测系统可以包括中子剂量仪和与中子剂量仪相连接的上位机。在对中子辐射剂量值进行检测前，需要将中子剂量仪与上位机进行安装，以保证能够准确监控。该安装步骤可以分为工艺安装方法和信号传输线的安装方法。

可选的，工艺安装方法可以为：将中子剂量仪的盖板14打开，由外向内依次放入外层聚乙烯慢化体、铅层、含硼聚乙烯、内层聚乙烯慢化体、正比计数器。利用网口输出端子13与上位机的网口进行连接。

可选的，信号传输线的安装方法可以为：正比计数器的信号输出与信号放大电路7的信号输入端相连。连接方式为SMA/LEMO/BNC接头。正比计数器轴丝与高压模块10的输出端相连。信号放大电路7的输出端与数字电路的输入端相连。数据处理电路11的输出端与网口输出端子13的输入端相连。网口输出端子13的输出端与上位机相连。电源滤波器12的输出端与线性电源8和开关电源9的输入端相连。线性电源8的输出端与信号放大电路7的供电端相连。开关电源9的输出端与高压模块10和数据处理电路11的供电端相连。

需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等，均应视为本公开的一部分。

应可理解的是，本公开不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本公开能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本公开的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本公开延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本公开的多个可替代方面。本说明书的实施方式说明了已知用于实现本公开的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本公开。

Claims (8)

1.一种基于电流积分型电子学系统的中子剂量仪，其特征在于，所述中子剂量仪包括：

探头模块，包括由外而内依次设置的外层慢化体、金属层、高分子层、内层慢化体、计数器；中子能够在所述计数器内发生核反应后产生电流信号；

电路模块，包括信号放大电路，数据处理电路；所述信号放大电路能够将所述电流信号转变为电压信号，所述数据处理电路能够将所述电压信号转变为所述电流信号，并能够根据所述电流信号确定中子的辐射剂量值；

其中，所述数据处理电路能够根据所述电流信号确定中子在目标时间内产生的总电荷量，并依据所述总电荷量确定所述中子的反应数，进而根据所述中子的反应数来确定所述中子的辐射剂量值；

其中，所述外层慢化体为聚乙烯慢化体，所述聚乙烯慢化体厚度的范围为60~65mm；所述金属层为铅层，所述铅层厚度的范围为8~13mm；所述高分子层为含硼聚乙烯，所述含硼聚乙烯厚度的范围为2~7mm；所述内层慢化体为聚乙烯慢化体，所述聚乙烯慢化体厚度的范围为13~18mm。

2.一种中子辐射剂量值的检测系统，其特征在于，包括如权利要求1所述的中子剂量仪，所述检测系统还包括与所述中子剂量仪相连接的监控平台，所述监控平台能够实时检测所述中子的反应数和辐射剂量值。

3.一种中子辐射剂量值的检测方法，应用于如权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述检测方法包括：

基于电压信号，建立时间与电流信号的对应关系；

根据所述时间与电流信号的对应关系确定所述中子在目标时间内产生的总电荷量；

根据所述中子在目标时间内的产生的总电荷量确定所述中子的反应数；

根据所述中子的反应数确定所述中子的辐射剂量值。

4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，基于电压信号，建立时间与电流信号的对应关系包括：

基于电压信号，建立第一预设公式；

所述第一预设公式为：；

在所述第一预设公式中，V为电压信号，I为电流信号，f为对应法则。

5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，基于电流信号和电压信号，建立时间与电流信号的对应关系还包括：

根据所述第一预设公式，将所述电压信号转变为所述电流信号；

根据所述电流信号，建立时间与电流信号的对应关系。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述中子在目标时间内产生的电荷量由第二预设公式确定，所述第二预设公式为：；

在所述第二预设公式中，Q为所述中子在目标时间内产生的总电荷量，t为时间。

7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，根据所述中子在目标时间内的产生的总电荷量确定所述中子在目标时间内的反应数包括：

根据所述中子在目标时间内的产生的总电荷量，建立第三预设公式，所述第三预设公式为：；

在所述第三预设公式中，N为所述中子在目标时间内的反应数，Q _i 为单个所述中子核反应所产生的电荷量。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，根据所述中子在目标时间内的反应数确定所述中子的辐射剂量值包括：

根据所述中子在目标时间内的反应数，建立第四预设公式，所述第四预设公式为：；

在所述第四预设公式中，K为中子通量与剂量的换算系数，H为所述中子的辐射剂量值。

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