CN115236720A

CN115236720A - 一种多种类射线探测装置

Info

Publication number: CN115236720A
Application number: CN202210865280.7A
Authority: CN
Inventors: 姚飞; 侯鑫; 魏嫣然; 汪宇; 廖鹏; 李林珊; 蒋持节
Original assignee: China South Industries Group Automation Research Institute
Current assignee: China South Industries Group Automation Research Institute
Priority date: 2022-07-21
Filing date: 2022-07-21
Publication date: 2022-10-25

Abstract

本发明公开了一种多种类射线探测装置,该装置包括至少两个第一测量通道，至少两个所述第一测量通道用于对至少两种不同类型的射线进行响应获得至少两种第一响应信息；所述第一测量通道包括吸收高能粒子或射线后发光的发光体以及第一硅光电倍增管。可同时测量x、γ、β、中子射线，并加入各测量通道γ响应相互补偿技术，可大幅减小不同类型射线串扰现象带来的测量偏差，减小误判情况，该小型化多种类探测装置可以集成多通道探头和读出电路，通过串行外设接口通讯给出x/γ剂量率、β计数、中子剂量率信息，适用于便携式仪表，抛投式探测器、应急机器人等平台，为事故分级、应急指挥、辐射防护、放射源定位等过程提供数据支撑。

Description

一种多种类射线探测装置

技术领域

本发明涉及射线探测技术领域，特别是涉及一种微型化高灵敏度的多种类射线探测装置。

背景技术

核试验的主要目的是：鉴定核爆炸装置的威力及其他性能，验证理论计算和结构设计是否合理，为定型生产提供依据,在核爆炸环境下研究核爆炸现象学和各种杀伤破坏因素的变化规律,研究核爆炸的和平利用等。

在核事故或核试验场地，其核素种类多样，射线种类往往覆盖x、γ、β、中子射线，即便是单一射线，也未知其种类。由于核事故场或核试验场地所具有较强的辐射和未知风险，为获取现场的放射性核素种类、辐射剂量率、事故范围等关键信息，需携带多种辐射探测仪表进行测量，这给应急人员和工作平台的工作带来不便，也增加了受辐照时间。

尤其在对现场射线种类进行探测时，由于现有技术中用于核事故场或核试验场地射线探测的探测设备均为单种类探测，一台设备只能探测一种射线，因此实际应用中，需要工作人员携带多台用于探测射线的探测设备，十分不便。同时单种测量类型的仪表往往都存在不同类型射线串扰问题，导致测量误差，也给辐射类型判别带来困难。

发明内容

本发明提供了一种多种类射线探测装置。可同时测量x、γ、β、中子射线，并加入各探测通道γ响应相互补偿技术，可大幅减小不同类型射线串扰现象带来的测量偏差，减小误判情况。

本发明提供了如下方案：

一种多种类射线探测装置，包括：

至少两个第一测量通道，至少两个所述第一测量通道用于对至少两种不同类型的射线进行响应获得至少两种第一响应信息；所述第一测量通道包括吸收高能粒子或射线后发光的发光体以及第一硅光电倍增管；

第二测量通道，所述第二测量通道用于对γ射线进行响应获得第二响应信息；所述第二测量通道包括第二硅光电倍增管；

其中，至少两种所述第一响应信息包括响应x/γ剂量率和/或响应β计数和/或响应中子剂量率；所述响应x/γ剂量率用于确定目标x/γ剂量率；所述响应β计数和/或响应中子剂量率用于分别扣除所述第二响应信息后获得目标β计数和/或模板中子剂量率。

优选地：所述第一响应信息包括响应x/γ剂量率，所述发光体包括组织等效塑料闪烁体。

优选地：所述组织等效塑料闪烁体的尺寸为10×10×10毫米。

优选地：所述第一响应信息包括响应β计数，所述发光体包括质量面密度小于2毫克/平方厘米的对联三苯。

优选地：所述对联三苯的面积为10×10毫米。

优选地：所述第一响应信息包括响应中子剂量率，所述发光体包括⁶Li的闪烁材料。

优选地：所述⁶Li的闪烁材料的尺寸为10×10×1毫米。

优选地：所述第一硅光电倍增管以及所述第二硅光电倍增管均连接有读出电路。

优选地：所述读出电路包括信号积分模块、放大模块、成形模块以及甄别模块。

优选地：所述读出电路与微控制单元相连，所述微控制单元包括若干串行外设接口。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本申请实施例提供的一种多种类射线探测装置,可同时测量x、γ、β、中子射线，并加入各测量通道γ响应相互补偿技术，可大幅减小不同类型射线串扰现象带来的测量偏差，减小误判情况，该小型化多种类探测装置可以集成多通道探头和读出电路，通过串行外设接口通讯给出x/γ剂量率、β计数、中子剂量率信息，适用于便携式仪表，抛投式探测器、应急机器人等平台，为事故分级、应急指挥、辐射防护、放射源定位等过程提供数据支撑。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

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说，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是本发明实施例提供的一种多种类射线探测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种多种类射线探测装置的另一结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一路读出电路的功能图；

图4是本发明实施例提供的整体读出电路的功能图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1、图2，为本发明实施例提供的一种多种类射线探测装置，如图1、图2所示，该装置可以包括：

至少两个第一测量通道(1a、1b、1c)，至少两个所述第一测量通道(1a、1b、1c)用于对至少两种不同类型的射线进行响应获得至少两种第一响应信息；所述第一测量通道包括吸收高能粒子或射线后发光的发光体以及第一硅光电倍增管；

第二测量通道2，所述第二测量通道2用于对γ射线进行响应获得第二响应信息；所述第二测量通道包括第二硅光电倍增管；

近年来，随着探测材料和传感器技术的发展，使得基于光电传感器与闪烁材料设计的高灵敏度辐射传感器小型化变得容易，同时一个便携式或小型化仪表集成多种类型射线探测功能也成为可能。

本申请实施例提供的多种类射线探测装置，同一装置提供了多个第一测量通道，每个测量通道可以用于对一种类型的射线进行测量，从而达到同一装置可以同时对多种射线进行测量的目的。

另外，由于γ射线具有较强的穿透性，同时对所有物质都有一定的反应截面，所以每种类型的探头都会有γ响应，这就导致了β探头和中子探头都会受到γ的串扰，受到γ串扰的影响的部分为射线转换材料(将射线转换为可见光)和光电传感器(将可见光转换为电流)，本申请实施例采用单独的第二测量通道记录γ响应，扣除其它通道的硅光电倍增管对γ的响应达到提高探测效率以及提高计数精度的目的。

可以理解是，本申请实施例提供的第一测量通道可以根据实际需要设置其数量以及所需检测的射线或高能粒子的种类。例如，在一种实现方式下，本申请实施例可以提供所述第一响应信息包括响应x/γ剂量率，所述发光体包括组织等效塑料闪烁体。为了减小装置整体的尺寸，本申请实施例可以提供所述组织等效塑料闪烁体的尺寸为10×10×10毫米。

所述第一响应信息包括响应β计数，所述发光体包括质量面密度小于2毫克/平方厘米的对联三苯。所述对联三苯的面积为10×10毫米。

所述第一响应信息包括响应中子剂量率，所述发光体包括⁶Li的闪烁材料。所述⁶Li的闪烁材料的尺寸为10×10×1毫米。

进一步的，如图3、图4所示所述第一硅光电倍增管以及所述第二硅光电倍增管均连接有读出电路3。所述读出电路3包括信号积分模块31、放大模块32、成形模块33以及甄别模块34。所述读出电路与微控制单元相连，所述微控制单元包括若干串行外设接口。

每路读出电路的作用是将探头输出电流脉冲进行积分，转化为指数衰减的电压信号，电压信号再进行放大，高斯成形，提升信噪比，最后经过阈值比较，输出TTL，供后续电路记录和分析。

采用HV电源为硅光电倍增管(Silicon photomultiplier，国际上简称SiPM)提供工作电压；各个测量通道的模拟电路，实现探头输出电流信号的探测；MCU分别记录各个测量通道的事件，分析，扣除γ串扰，最终得到每种射线的事件计数，记录并通过串行外设接口(SPI：Serial Peripheral Interface)发送。

下面以设置3路第一测量通道(x/γ测量通道1a、β测量通道1b、中子测量通道1c)以及一路第二测量通道2(空的硅光电倍增管)为例，对本申请实施例提供的装置进行详细说明。

核事故、核试验场地，射线种类复杂，辐射强度大，多种单一类型辐射测量仪表使用，存在操作不便，测量串扰大，增加应急人员受照射时间和测量误差的情况。

本申请提供的方案可以包含4个测量通道，前3个通道分别实现x/γ、β、中子测量，第4个通道实现SiPM的γ响应测量。同时，提供了一种γ串扰扣除技术，用于扣除β通道、中子通道的γ响应。另外，还提供了一种读出电路，对4个通道的信号采集和事件判断和记录。

所述的x/γ测量通道1a：包含：10×10×10mm组织等效塑料闪烁体、SiPM、读出模拟电路。

所述的β测量通道1b：包含：面积10×10mm对联三苯、SiPM、读出模拟电路。

所述的中子测量通道1c：包含：10×10×1mm的⁶Li的闪烁材料、SiPM、读出模拟电路。

所述的γ串扰扣除技术：包含β闪烁材料采用质量面密度小于2mg/cm²高β/γ比的对联三苯，中子闪烁材料采用含⁶Li闪烁材料，单独采用空的SiPM记录γ响应，扣除x/γ测量通道以外的其它通道的SiPM对γ的响应。

所述的读出电路：包含分别对4个通道的信号积分、放大、成形、甄别电路和记录电路，对4个测量通道进行事件记录和分析，并符合扣除γ响应MCU电路。

通过上述方案设计的小型化多种类探测器模块，尺寸可以为30×30×20mm。

分别对x/γ射线灵敏度为＞15cps/(μSv/h)，对β探测效率为＞30％(³⁶Cl)，对热中子探测效率为＞35％。

β通道的γ串扰为＜0.6cpm/(μSv/h)。

中子通道的γ串扰为＜0.1cpm/(μSv/h)。

与目前的小型化的探测器模块普遍采用SiPin相比，其灵敏度高出30倍以上,其γ串扰响应低100倍。

其中，SiPin指标，对x/γ射线灵敏度最大为0.5cps/(μSv/h)，对β探测效率为＞30％(³⁶Cl)，对热中子探测效率最大为0.5％。β通道的γ串扰为＜60cpm/(μSv/h)，中子通道的γ串扰为＜0.1cpm/(μSv/h)。

本申请实施例提供的多种类射线探测装置，可实现x、γ、β、中子剂量监测，包括：采用10×10×10mm组织等效塑料闪烁体和SiPM对x、γ射线测量、采用的面积10×10mm对联三苯和SiPM对β测量、采用含10×10×1mm的6Li的闪烁材料和SiPM对中子测量，采用空的SiPM对γ射线测量，其中空的SiPM探头用于补偿其它3个探头中SiPM对γ的响应；读出电路设计，包括分别对4个通道的信号积分、放大、成形、甄别、并记录，符合扣除γ串扰电路，实现对x、γ探头、β探头、中子探头信号和空的SiPM探头信号的采集、事件判断和记录功能。

由于γ射线具有较强的穿透性，同时对所有物质都有一定的反应截面，所以每种类型的探头都会有γ响应，这就导致了β探头和中子探头都会受到γ的串扰，受到γ串扰的影响的部分为射线转换材料(将射线转换为可见光)和光电传感器(将可见光转换为电流)，本申请提供的的γ串扰扣除技术，针对β射线测量选用质量面密度2mg/cm²高β/γ比的对联三苯，在保证β测量效率大于30％条件下，大幅降低γ响应，其β/γ高达1000；针对中子射线测量选用含⁶Li闪烁材料，材料本身对γ灵敏度较低，同时对γ的光产额较低，通过后面甄别阈值设置，可实现对γ的无响应，且对热中子探测效率大于30％。针对β和中子探头的光电传感器SiPM的γ响应，通过采用一路空的相同SiPM器件进行γ响应补偿，其补偿后γ响应计数降低为之前的

(N为未补偿前γ响应计数)。

本申请提供的多种类射线探测装置，可实现x/γ、β、中子剂量监测，使仪器小型化、测量简单化，减少了应急人员受照射时间和测量误差的情况。

如图1、图2所示，PCB板4正面分布β测量通道1b、中子测量通道1c和空的SiPM(第二测量通道2)，PCB板4背面分布x/γ测量通道1a和读出电路3。

本申请实施例提供的一种多种类射线探测装置，可同时测量x、γ、β、中子射线，并加入各测量通道γ响应相互补偿技术，可大幅减小不同类型射线串扰现象带来的测量偏差，减小误判情况，该小型化多种类探测装置可以集成多通道探头和读出电路，通过串行外设接口通讯给出x/γ剂量率、β计数、中子剂量率信息，适用于便携式仪表，抛投式探测器、应急机器人等平台，为事故分级、应急指挥、辐射防护、放射源定位等过程提供数据支撑。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加上必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种多种类射线探测装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的多种类射线探测装置，其特征在于，所述第一响应信息包括响应x/γ剂量率，所述发光体包括组织等效塑料闪烁体。

3.根据权利要求2所述的多种类射线探测装置，其特征在于，所述组织等效塑料闪烁体的尺寸为10×10×10毫米。

4.根据权利要求1所述的多种类射线探测装置，其特征在于，所述第一响应信息包括响应β计数，所述发光体包括质量面密度小于2毫克/平方厘米的对联三苯。

5.根据权利要求4所述的多种类射线探测装置，其特征在于，所述对联三苯的面积为10×10毫米。

6.根据权利要求1所述的多种类射线探测装置，其特征在于，所述第一响应信息包括响应中子剂量率，所述发光体包括⁶Li的闪烁材料。

7.根据权利要求6所述的多种类射线探测装置，其特征在于，所述⁶Li的闪烁材料的尺寸为10×10×1毫米。

8.根据权利要求1所述的多种类射线探测装置，其特征在于，所述第一硅光电倍增管以及所述第二硅光电倍增管均连接有读出电路。

9.根据权利要求8所述的多种类射线探测装置，其特征在于，所述读出电路包括信号积分模块、放大模块、成形模块以及甄别模块。

10.根据权利要求8所述的多种类射线探测装置，其特征在于，所述读出电路与微控制单元相连，所述微控制单元包括若干串行外设接口。