CN114609663A - 一种用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统 - Google Patents

一种用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统，该监测系统包括：服务器终端、交换机、辐射监测控制器和辐射传感器，其中辐射监测控制器与辐射传感器之间通过CAN总线进行通信，辐射传感器的核心为盖革计数管。本发明公开的特殊核材料纵深防御组网式辐射监测系统适用于大规模特殊核材料容器罐的一对一实时监测，该系统具有结构简单、探头紧凑、可靠性高的优点，并从原理上避免了特殊核材料敏感信息的泄露，降低了监测系统对敏感信息的入侵性。系统利用CAN总线进行辐射传感器组网，易于探测规模的快速拓展，能够实现对大量特殊核材料容器罐的一对一的实时监测，为系统快速准确定位非授权移动的特殊核材料位置提供方便。

Description

一种用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统
技术领域
本发明属于核安保技术领域，尤其涉及一种用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统。
技术背景
作为当代国际最重要的非传统安全问题之一，核安全问题与各个国家的安全稳定发展及其民众的生命财产安全息息相关。
目前，国内外针对特殊核材料的安保工作以放射性物质门式监测系统为主，对库存状态的特殊核材料的监控技术报道较为稀缺。亚洲领先的核安保交流和培训中心，中美核安保示范中心(COE)对库存中特殊核材料储存容器的纵深防御手段主要采取延迟技术，但该技术不具备对特殊核材料储存状态的综合监控能力。
辐射属性是核材料的基本属性之一，其储存场所存在特殊的γ和中子辐射，特殊核材料的移动会引起辐射场分布的变化，因此对辐射场进行监测可有效判断特殊核材料是否有被移动，同时结合多种非核传感器监测数据，可实现对特殊核材料储存状态的综合监控。
本发明针对该应用场景需求，提出了一种基于盖革管的辐射传感器及组网方式，可实现对库存状态下大量特殊核材料储存容器的一对一实时监控。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统，通过该监测系统能够实现大规模、高可靠性的核辐射监测。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统，所述监测系统包括：服务器终端、交换机、辐射监测控制器和辐射传感器；
所述服务器终端与交换机连接；
所述交换机连接多个辐射监测控制器；
所述辐射监测控制器有多个，每个辐射监测控制器连接多个辐射传感器，且每个辐射监测控制器的IP地址均不相同；
所述辐射传感器安装CAN收发器，其数量与待监测特殊核材料容器罐数量一致；辐射传感器根据待测存储特殊核材料的位置进行分组，每组分别通过CAN总线与其中一个辐射监测控制器实现通信连接，同时通过CAN总线实现各组中所有辐射传感器相互之间的通信。所述辐射监测控制器和辐射传感器的数量均可根据实际需求进行扩展。
优选的，所述辐射传感器包括：盖革管、不锈钢内壳、屏蔽体、不锈钢外壳、压缩弹簧、有机玻璃环、BNC接头、连接杆、底座和电路板；
所述不锈钢内壳为上下均开口的圆筒，不锈钢内壳包裹在盖革管外围，且与盖革管之间填充绝缘体；
所述屏蔽体包括侧壁屏蔽体、底部屏蔽体和顶部屏蔽体；
所述侧壁屏蔽体呈圆筒状，包裹在不锈钢内壳外侧；侧壁屏蔽体圆筒上开设有轴向贯穿圆筒的扇形缺口，在辐射监测时，所述扇形缺口对准特殊核材料容器罐；
所述顶部屏蔽体可拆卸连接在不锈钢内壳上端，顶部屏蔽体的下表面固定连接压缩弹簧；
所述底部屏蔽体通过绝缘胶粘接在不锈钢内壳和侧壁屏蔽体下端，底部屏蔽体上表面上粘接有机玻璃环，有机玻璃环上粘接压缩弹簧；
所述盖革管位于与顶部屏蔽体和底部屏蔽体连接的两个压缩弹簧之间；
所述不锈钢外壳为上下均开口的圆筒，包裹在侧壁屏蔽体和顶部屏蔽体外侧，并通过螺钉固定在底部屏蔽体上；
所述BNC接头的下端嵌入固定在底部屏蔽体上，上端与有机玻璃环粘接；
所述连接杆连接底部屏蔽体与底座；
所述电路板通过铜柱固定在底座上，且悬在底座中间。
优选的，所述屏蔽体为带有不锈钢包壳的铅，厚度为1cm。
优选的，所述连接杆为伸缩杆。
优选的，所述BNC接头的地线与不锈钢内壳连接，且通过不锈钢内壳连接到盖革管上端的压缩弹簧上；所述BNC接头的信号线穿过有机玻璃环与盖革管下端的压缩弹簧连接。
优选的，所述绝缘体为绝缘橡胶。
优选的，所述电路板包括接头、CAN收发器、微控制器单元、高压模块、SMA接头、陶瓷电容和阈值甄别器；所述接头包括电源接头和CAN总线接头；所述电源接头外接电源为电路板供电；所述CAN总线接头连接CAN收发器；所述CAN收发器连接在微控制器单元；所述高压模块和阈值甄别器的其中一个端口均连接在微控制器单元上；所述高压模块另一个端口连接在SMA接头与陶瓷电容之间；所述SMA接口通过信号线连通盖革管4-1 的阳极，所述陶瓷电容连接在阈值甄别器的一个输入端口上，所述阈值甄别器另一个输入端口输入阈值电压。
本发明的有益效果是：本发明提供的用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统，以盖革管作为辐射传感器，通过CAN总线进行辐射探测器组网，形成大规模、高可靠性和特殊核材料容器罐一对一的核辐射实时监测系统，该系统结构简单，能够实现探测器的小型化和紧凑化设计；同时对盖革管进行了全方位的屏蔽设计，大幅度降低了本底干扰，提高了探测可靠性；除此之外，使用盖革管作为探测器，由于无法获取容器罐内核材料种类等敏感信息，进一步提升了特殊核材料监测的安全性；最后利用CAN总线进行辐射探测器组网，易于探测网络规模的拓展，能够实现多个特殊核材料容器罐的一对一的实时监测，提高了监测的准确性，也为定位辐射发生变化的特殊核材料位置提供了方便，本发明公开的用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统具有良好的应用前景和可拓展性。
附图说明
图1为本发明实施例中用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中辐射传感器的结构示意图；
图3为本发明实施例中侧壁屏蔽体的结构示意图；
图4为本发明实施例中电路板的结构示意图；
图中：1.服务器终端 2.交换机 3.辐射监测控制器 4.辐射传感器 5.特殊核材料容器罐 4-1.盖革管 4-2.不锈钢内壳 4-3.侧壁屏蔽体 4-4.不锈钢外壳 4-5.底部屏蔽体4-6.顶部屏蔽体 4-7.压缩弹簧 4-8.有机玻璃环 4-9.BNC接头 4-10.连接杆 4-11.底座4-12.电路板 4-1201.电源接头 4-1202.CAN总线接头 4-1203.CAN收发器 4-1204.微控制器单元 4-1205.高压模块 4-1206.SMA接头 4-1207.陶瓷电容 4-1208.阈值甄别器。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种如图1所示的用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统，该监测系统包括：服务器终端1、交换机2、辐射监测控制器3和多个辐射传感器4；如图所示，服务器终端1与交换机2连接，服务器终端1主要用于收集、显示信息及下发指令；交换机2连接多个辐射监测控制器3，交换机2通过TCP/IP通信协议与辐射监测控制器3之间实现通信，同时，交换机2可以为多个辐射监测控制器3分配IP地址并供电；辐射监测控制器3 有多个，每个辐射监测控制器3连接多个辐射监测控制器4，且每个辐射监测控制器3的 IP地址均不相同；辐射监测控制器通过CAN总线与多个用于特殊核材料容器罐5实时监测的组网式辐射传感器4之间互相通信；辐射传感器4的数量根据待监测特殊核材料容器罐5 的数量进行调整，保证辐射传感器4和特殊核材料容器罐5之间一一对应；辐射传感器4 根据待测存储特殊核材料的位置进行分组，每组分别通过CAN总线与其中一个辐射监控器 3通信连接。
交换机2通过TCP/IP协议与辐射监测控制器3进行通信，理论上一台交换机2可以为 2个及以上的辐射监测控制器3分配IP地址；辐射监测控制器3通过CAN总线与用于特殊核材料容器罐实时监测的组网式辐射传感器4进行通信，理论上一组CAN总线可以负载 200个节点，而且CAN总线中的电平不受负载节点的增加而改变，因此，本发明的用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统具有可拓展性，并能够实现大规模的特殊核材料实时监测。
如图2所示辐射传感器4包括：盖革管4-l、不锈钢内壳4-2、屏蔽体、不锈钢外壳4-4、压缩弹簧4-7、有机玻璃环4-8、BNC接头4-9、连接杆4-10、底座4-11和电路板4- 12。不锈钢内壳4-2为上下均开口的圆筒，不锈钢内壳4-2包裹在盖革管4-1外围，且与盖革管4-1之间填充绝缘体，作为一个实施例，这里的绝缘体选择绝缘橡胶，该绝缘体用于不锈钢内壳与盖革管的阳极绝缘，并防止盖革管4-1与不锈钢内壳4-2碰撞而导致其破碎，且实现与底部屏蔽体4-5的粘接；作为实施例，上述屏蔽体包括侧壁屏蔽体4-3、底部屏蔽体4-5和顶部屏蔽体4-6；其中侧壁屏蔽体4-3呈圆筒状，其包裹在不锈钢内壳4-2的外侧，如图3所示，侧壁屏蔽体4-3的圆筒上开设有轴向贯穿圆筒的扇形缺口，在辐射监测时，该扇形缺口对准特殊核材料容器罐5，保证盖革管能够接收到辐射，以及实现辐射的准直；顶部屏蔽体4-6通过螺纹连接在不锈钢内壳4-2上端，顶部屏蔽体4-6下表面固定安装压缩弹簧4-7；底部屏蔽体4-5通过绝缘胶粘接在不锈钢内壳4-2和侧壁屏蔽体4-3下端，底部屏蔽体4-5上表面上粘接有机玻璃环4-8，有机玻璃环4-8上表面固定连接压缩弹簧4- 7，如图所示，盖革管4-1卡在上下压缩弹簧4-7上，且保持与压缩弹簧4-7的接触，有机玻璃环4-8固定在压缩弹簧4-7和底部屏蔽体4-5之间，保证盖革管4-1阳极与底部屏蔽体4-5之间的绝缘；侧壁屏蔽体4-3、底部屏蔽体4-5和顶部屏蔽体4-6均为带有不锈钢包壳的铅，厚度在1cm左右；不锈钢外壳4-4为上下均开口的圆筒，包裹在侧壁屏蔽体4-3和顶部屏蔽体4-6外侧，并通过螺钉固定在底部屏蔽体4-5上；不锈钢内壳4-2和不锈钢外壳4-4 可以有效保护盖革管不受外部伤害。BNC接头4-9的下端嵌入并固定在底部屏蔽体4-5 上，其上端与有机玻璃环4-8的下端粘接，BNC接头4-9的地线与不锈钢内壳4-2连接，且通过不锈钢内壳4-2连接到盖革管4-1上端的压缩弹簧4-7上，BNC接头4-9的信号线穿过有机玻璃环4-8与盖革管4-1下端的压缩弹簧4-7连接；连接杆4-10上端的托盘可拆卸连接在底部屏蔽体4-5，下端连接底座4-11，连接杆4-10可以选择伸缩杆，这样就可以保证盖革管根据特殊核材料容器罐5的高低进行上下位置的调整；底座4-11为不锈钢底座；电路板4-12通过铜柱固定在底座4-11上，且悬在底座4-11中间，该设计避免底座4-11因导电而造成的电路板4-12短路。
上述辐射传感器4内的所有金属螺钉、螺栓等均利用不锈钢进行包裹。盖革管进行安装或更换时，只需拧开顶部屏蔽体4-6，将盖革管4-1阳极朝BNC接头的方向放置，保证盖革管4-1阳极和压缩弹簧4-7充分接触后，再将顶部屏蔽体4-6安装上即可。
如图4所示，电路板4-12包括接头、CAN收发器4-1203、微控制器单元4-1204、高压模块4-1205、SMA接头4-1206、陶瓷电容4-1207和阈值甄别器4-1208；如图所示，接头包括电源接头4-1201和CAN总线接头4-1202；电源接头4-1201外接电源为电路板4-12供电；CAN总线接头4-1202通过和CAN收发器4-1203连接来实现CAN通信；CAN收发器 4-1203，高压模块4-1205和阈值甄别器4-1208的一个端口均连接在微控制器单元4-1204 上，微控制器单元4-1204用来实现接收阈值甄别器4-1208的信号、为高压模块4-1205提供控制电压，实现辐射传感器重启的远程控制以及与CAN收发器4-1203进行通信；高压模块4-1205的另一个端口连接在SMA接头4-1206与陶瓷电容4-1207之间，阈值甄别器4- 1208的一个输入端口连接陶瓷电容4-1207，另一个输入端口输入阈值电压，阈值甄别器4- 1208将盖革管4-1产生的模拟信号转化为微控制器单元4-1204能识别的数字信号；高压模块4-1205通过SMA接口4-1206为盖革管4-1提供高压；SMA接口通过信号线连通盖革管 4-l的阳极和陶瓷电容4-1207；陶瓷电容4-1207将高压模块4-1205产生的高压直流信号隔离，只允许盖革管4-1产生的高频脉冲信号进入阈值甄别器4-1208中，并与阈值电压进行比较，使符合条件的信号进入微控制器单元4-1204。
综上所述，本发明的用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统主要针对大量罐装特殊核材料库存的检测需求，使用操作简单、方便的盖革管，通过CAN总线协议进行大规模组网，从而实现对成百上千个罐装特殊核材料一对一的实时监测。

Claims (7)

1.一种用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统，其特征在于，所述监测系统包括：服务器终端、交换机、辐射监测控制器和辐射传感器；
所述服务器终端与交换机连接；
所述交换机通信连接多个辐射监测控制器；
所述辐射监测控制器有多个，每个辐射监测控制器均连接多个辐射传感器，且每个辐射监测控制器的IP地址均不相同；
所述辐射传感器安装CAN收发器，其数量与待监测特殊核材料容器罐的数量一致；辐射传感器根据待测存储特殊核材料的位置进行分组，每组分别通过CAN总线与其中一个辐射监测控制器实现通信连接，同时通过CAN总线实现各组中所有辐射传感器相互之间的通信；
所述辐射监测控制器和辐射传感器的数量均根据实际需求进行扩展。
2.根据权利要求1所述的用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统，其特征在于，
所述辐射传感器包括：盖革管、不锈钢内壳、屏蔽体、不锈钢外壳、压缩弹簧、有机玻璃环、BNC接头、连接杆、底座和电路板；
所述不锈钢内壳为上下均开口的圆筒，不锈钢内壳包裹在盖革管外围，且与盖革管之间填充绝缘体；
所述屏蔽体包括侧壁屏蔽体、底部屏蔽体和顶部屏蔽体；
所述侧壁屏蔽体呈圆筒状，包裹在不锈钢内壳外侧；侧壁屏蔽体圆筒上开设有轴向贯穿圆筒的扇形缺口，在辐射监测时，所述扇形缺口对准特殊核材料容器罐；
所述顶部屏蔽体可拆卸连接在不锈钢内壳上端，顶部屏蔽体的下表面固定连接压缩弹簧；
所述底部屏蔽体通过绝缘胶粘接在不锈钢内壳和侧壁屏蔽体下端，底部屏蔽体上表面上粘接有机玻璃环，有机玻璃环上粘接压缩弹簧；
所述盖革管位于与顶部屏蔽体和底部屏蔽体连接的两个压缩弹簧之间；
所述不锈钢外壳为上下均开口的圆筒，包裹在侧壁屏蔽体和顶部屏蔽体外侧，并通过螺钉固定在底部屏蔽体上；
所述BNC接头的下端嵌入固定在底部屏蔽体上，上端与有机玻璃环粘接；
所述连接杆连接在底部屏蔽体与底座之间；
所述电路板通过铜柱固定在底座上，且悬在底座中间。
3.根据权利要求2所述的用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统，其特征在于，
所述屏蔽体为带有不锈钢包壳的铅，厚度为1cm。
4.根据权利要求2所述的用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统，其特征在于，所述连接杆为伸缩杆。
5.根据权利要求2所述的用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统，其特征在于，所述BNC接头的地线与不锈钢内壳连接，且通过不锈钢内壳连接到盖革管上端的压缩弹簧上；所述BNC接头的信号线穿过有机玻璃环与盖革管下端的压缩弹簧连接。
6.根据权利要求2所述的用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统，其特征在于，所述绝缘体为绝缘橡胶。
7.根据权利要求2所述的用于特殊核材料纵深防御的组网式辐射监测系统，其特征在于，所述电路板包括接头、CAN收发器、微控制器单元、高压模块、SMA接头、陶瓷电容和阈值甄别器；所述接头包括电源接头和CAN总线接头；所述电源接头外接电源为电路板供电；所述CAN总线接头连接CAN收发器；所述CAN收发器连接在微控制器单元；所述高压模块和阈值甄别器的其中一个端口均连接在微控制器单元上；所述高压模块另一个端口连接在SMA接头与陶瓷电容之间；所述SMA接口通过信号线连通盖革管4-1的阳极，所述陶瓷电容连接在阈值甄别器的一个输入端口上，所述阈值甄别器另一个输入端口输入阈值电压。
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