CN116859438B - 一种瞬时弱辐射信号探测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种瞬时弱辐射信号探测装置及其方法，该装置包括：闪烁体探测器、若干光电倍增管、第一复合计数器、第二复合计数器和第三复合计数器；该方法包括以下步骤：闪烁体接收核辐射，产生光子，多个方向上的光电倍增器分别对光子进行光电转换，得到多个方向上的脉冲信号；对多个方向上的脉冲信号进行复合计数，对复合后的脉冲电信号进行识别，得到脉冲电信号对应的放射性核素种类。本发明在大面积闪烁体上安装多个光电倍增管，即采用多路脉冲复合计数的方式提高计数率；利用固定阈值脉宽与脉冲信号幅值间的线性关系，通过脉宽来反映对应核素的能量信息，通过脉宽预知的设定可达到放射性核素快速检出的目的。

Description

一种瞬时弱辐射信号探测装置及其方法

技术领域

本发明涉及放射性检测技术领域，更具体的说是涉及一种瞬时弱辐射信号探测装置及其方法。

背景技术

随着核技术在能源开发利用、航空航天、工业生产、勘探开发、农业种植及食品保鲜、核医学诊疗、科学研究等领域不断深化应用，核技术的安全利用也逐渐引起了人们的广泛关注，特别是针对大型核设施和公众健康安全的核安全保障工作就显得尤为重要。

近年来，国内外也加强了对核设施和公众场所的核安全保障工作，如开发了一系列安装于出入口针对人员和车辆的通道式检测系统，用来监测放射性物质流入或流出情况。特别是车辆通道放射性物质检测系统在边境口岸、核电站及核废料处理机构、废旧钢铁回收企业、海关等其他重要区域的出入口检测中发挥着重要作用，可以快速检测集装箱、大型车辆等是否夹带放射性物质，并在防止放射性危险物质扩散积极做好各种突发辐照风险应对方面发挥着重要作用，有效弥补了传统安检技术手段在核安全放射性检测方面的功能缺失。

但由于在实际检测应用过程中，被检测车辆通常以一定的可允许速度通过检测通道，这就对车辆通道放射性物质检测系统提出了较高要求，即：要在车辆移动通过通道的瞬间完成检测和甄别判断工作；同时由于车辆或集装箱的箱体也会对射线产生屏蔽作用，这就要求车辆通道放射性物质检测系统具有弱信号甄别功能。

目前，车辆通道放射性物质检测系统主要采用大面积塑料闪烁体+光电倍增管作为核心探测器，通过增加探测面积来提高检测范围和检测灵敏度。然而，塑料闪烁体虽然可以加工成很大的尺寸，但是其发光时间短，光输出产额低使它的探测效率和性能远低于NaI晶体。

因此，如何瞬时弱辐射信号探测的灵敏度和精确度是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种瞬时弱辐射信号探测装置及其方法，目的在于提高大面积辐射探测的能力并实现瞬时弱辐射信号的快速捕捉。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种瞬时弱辐射信号探测装置，包括：包括：闪烁体探测器、若干光电倍增管、第一复合计数器、第二复合计数器和第三复合计数器；

其中，若干光电光电倍增管均匀设置在所述闪烁体探测器的两侧；

所述闪烁体探测器一侧的每个光电倍增管依次通过对应的分压电路、放大器、以及单道分析器与所述第一复合计数器的输入端连接；

所述闪烁体探测器另一侧的每个光电倍增管依次通过对应的分压电路、放大器、以及单道分析器与所述第二复合计数器的输入端连接；

所述第一复合计数器的输出端和第二复合计数器的输出端，同时与所述第三复合计数器的输入端连接。

优选的，所述闪烁体探测器包括塑料闪烁体。

优选的，所述塑料闪烁体与各个所述光电倍增管之间采用硅油作为光导进行耦合。

优选的，所述塑料闪烁体的外部非耦合部分涂抹铝粉，并利用不透光黑色热缩层对所述外部非耦合部分进行包覆。

优选的，瞬时弱辐射信号探测装置还包括单片机，所述单片机通过加和计数器与所述第三复合计数器相连。

优选的，所述单片机包括脉冲信号识别模块，所述脉冲信号识别模块包括依次连接的前置放大器、线性放大器、应用比较器、脉宽转换单元和放射性核素种类识别单元；

其中，所述前置放大器用于将光电倍增管产生的弱脉冲电信号转换成强脉冲电信号；

所述线性放大器用于输出单极性的指数衰减波形脉冲信号；

所述应用比较器，用于处理放大后的指数衰减波形脉冲信号，选择阈值电压V_Y，输出脉冲宽度为t_Y的高电平；

所述脉宽转换单元，用于根据所述高电平的脉冲宽度t_Y与所述指数衰减波形的脉冲幅值V₀之间的线性关系，计算得到脉冲宽度t_Y；

所述放射性核素种类识别单元，用于根据所述脉冲宽度t_Y和图谱得到对应的放射性核素种类，完成放射性物质的探测识别。

优选的，所述指数衰减波形脉冲信号的表达式为：

V(t)＝V₀·e^-t/τ

式中：V(t)为t时刻电压值，V₀为脉冲幅值，τ为电路相关时间常数。

优选的，所述高电平的脉冲宽度tY与所述指数衰减波形的脉冲幅值V0之间的线性关系为：

t_Y＝(lnV₀-lnV_Y)/τ

当电路参数确定后，τ和V_Y均为固定值，则：

t_Y＝k·lnV₀-b

式中：k和b为常数项。

优选的，所述单片机还包括报警模块，所述报警模块包括阈值甄别器和声光报警单元；

所述阈值甄别器与所述加和计数器连接，当所述加和计数器产生的脉冲计数超过剂量限值的计数时，所述阈值甄别器产生预警信号；

所述声光报警单元用于接收所述预警信号，并进行声光预警。

一种瞬时弱辐射信号探测方法，包括以下步骤：

闪烁体接收核辐射，产生光子，多个不同的光电倍增管分别对光子进行光电转换，得到多个不同的脉冲电信号；

对多个不同的脉冲电信号进行复合计数，对复合后的脉冲电信号进行识别，得到脉冲电信号对应的放射性核素种类。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种瞬时弱辐射信号探测装置及其方法，该装置在大面积闪烁体多个位置分别安装光电倍增管，即采用多路脉冲复合计数的方式提高计数率；

本发明能够利用固定阈值脉宽与脉冲信号幅值间的线性关系，通过脉宽来反映对应核素的能量信息，通过脉宽预知的设定可达到放射性核素快速检出的目的。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种瞬时弱辐射信号探测装置的整体结构示意图；

图2为本发明提供的一种瞬时弱辐射信号探测装置中闪烁体和光电倍增管的安装示意图；

图3(a)为前置放大器和线性放大器输出的单极性的指数衰减波形图，图3(b)为应用比较器输出的高电平波形图。

闪烁体探测器-1、光电倍增管-2、安装面-3。

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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例首先公开了一种瞬时弱辐射信号探测装置，如图1所示，包括：闪烁体探测器1、四个光电倍增管2、第一复合计数器、第二复合计数器和第三复合计数器；

如图2所示，闪烁体探测器1的外形正面为去掉四个角的长方形，闪烁体探测器的四角位置为安装面3，光电倍增管2安装在安装面3上，每个光电倍增管2均连接有分压电路、放大器、以及单道分析器。

本实施中：四个光电倍增管2由高压电源进行供电，分压电路主要为具有不同电压需求的部件提供电源供应。还需要说明的是，在实际的应用过程中分压电路也可以为放大器提供电源，将分压电路连接于放大器和光电倍增管2之间。

单道分析器用于选取特定阈值脉冲幅度区间内的输入脉冲的计数；这里选取的特定阈值脉冲幅度是指根据用户探测需要，设置特定数值的阈值来对脉冲幅度进行限定，超过该阈值的脉冲被记录，低于该阈值的脉冲则被忽略掉。

设置于闪烁体探测器1一侧的两个光电倍增管2均通过对应的分压电路、放大器、以及单道分析器连接第一复合计数器，闪烁体探测器1另一侧的两个光电倍增管2同样通过对应的分压电路、放大器、以及单道分析器与第二复合计数器连接，第一复合计数器和第二复合计数器均连接第三复合计数器，通过第三复合计数器对第一复合计数器和第二复合计数器输出的脉冲计数进行再次复合。

本发明实施例通过多路计数的复合来提高整体计数水平，避免了因塑料闪烁体面积过大，光子行程过长衰减而导致的计数降低问题，通过四个方向的复合，实现了对不同角度和位置入射射线的覆盖检测。

在本实施例中：

针对大型车辆放射性物质的检测，需要较大面积的闪烁体探测器实现对车身的全覆盖，但由于射线产生的光子会在大面积闪烁体长距离传输过程中产生衰减，导致这些光子无法被光电倍增管2所捕获转换为电信号，进而影响放射性物质检测的准确性。为了降低由于大面积探测器光子衰减对探测精准度的不利影响，本实施例采用闪烁体探测器1四端耦合光电倍增管2的结构设来提高对瞬时弱辐射信号快速捕捉和感知，其中包括四个光电倍增管2，闪烁体探测器1采用塑料闪烁体；脉冲信号识别模块可以采用单片机来完成。

多路脉冲复合计数的工作原理是分别将闪烁体探测器1左上和左下的脉冲计数进行复合以及右上和右下的脉冲计数进行复合，然后将左右两侧的计数进行复合。

在其他实施例中，闪烁体探测器也可以采用其他类型的闪烁体，如碘化钠nai闪烁体。

为了进一步实施上述技术方案，闪烁体探测器1采用塑料闪烁体，塑料闪烁体与各个光电倍增管2之间采用硅油作为光导进行耦合；闪烁体探测器1的外部非耦合部分涂抹铝粉，并利用不透光黑色热缩层对非耦合部分进行包覆。

在本实施例中：

闪烁体探测器1外部非耦合部分涂抹铝粉的目的是提高反射效率，利用不透光黑色热缩材料进行包覆做遮光处理。

为了进一步实施上述技术方案，还包括加和计数器，加和计数器分别与第三复合计数器和单片机相连。

为了进一步实施上述技术方案，单片机主要用于实现放射性物质的快速检测识别，单片机内部设置有脉冲信号识别模块，脉冲信号识别模块包括依次连接的前置放大器、线性放大器、应用比较器、脉宽转换单元和放射性核素种类识别单元；

其中，前置放大器用于将光电倍增管产生的弱脉冲电信号转换成强脉冲电信号；

线性放大器用于输出单极性的指数衰减波形脉冲信号；

应用比较器，用于处理放大后的指数衰减波形脉冲信号，选择阈值电压V_Y，输出脉冲宽度为t_Y的高电平；

脉宽转换单元，用于根据所述高电平的脉冲宽度t_Y与所述指数衰减波形的脉冲幅值V₀之间的线性关系，计算得到脉冲宽度t_Y；

放射性核素种类识别单元，用于根据所述脉冲宽度t_Y和图谱得到对应的放射性核素种类，完成放射性物质的探测识别。

在本实施例中，经由线性放大器放大后输出近似为一个单极性的指数衰减波形，如图3(a)所示，应用比较器输出的高电平如图3(b)所示。

为了进一步实施上述技术方案，指数衰减波形表达式为：

V(t)＝V₀·e^-t/τ

式中：V(t)为t时刻电压值，V₀为脉冲幅值，τ为电路相关时间常数；

高电平的脉冲宽度t_Y与指数衰减波形的脉冲幅值V₀之间的线性关系为：

t_Y＝(lnV₀-lnV_Y)/τ

当电路参数确定后，τ和V_Y均为固定值，则：

t_Y＝k·lnV₀-b

式中：k和b为常数项。

在本实施例中：

固定阈值脉宽t_Y同脉冲信号幅值V₀的对数值成线性关系。测量脉冲信号的固定阈值脉宽，就可以对应相应的脉冲幅值，脉宽越宽，脉冲信号幅值越大，相应的核辐射能量就越高。通过已知的脉宽数值及图谱就可以推断出对应的放射性核素种类，进而达到放射性物质的快速检测识别。

为了进一步实施上述技术方案，单片机还设置有报警模块，报警模块主要包括阈值甄别器和声光报警单元，其中，阈值甄别器与所述加和计数器连接，当所述加和计数器产生的脉冲计数超过剂量限值的计数时，阈值甄别器产生预警信号并传递给声光报警单元；声光报警单元接收到预警信号后进行声光预警。

需要说明的是：

通常报警模块中报警阈由天然放射性本底及其统计涨落来决定，是发生误报警和漏报警的关键参数，同时也是有效甄别弱放射性物质的关键。

放射性测量的计数值服从正态分布。统计误差是由相当于一定置信度的置信区间来表示。对于某次测量的计数值N，其标准误差这个测量结果可表示为这是一个随机的计数区间，它表示真值出现概率的宽度，这个概率为68.3％。有时也用不同宽度如/>和/>来表示概率区间，它表示真值出现在/>和/>区间的概率分别为99.5％和99.7％。测量精度常用相对标准误差来表示，N越大测量精度越高。

为得到放射性样品测量的净计数N₀，总是进行两次等时测量，先测有样品的计数N_S，它是样品和本底的总计数，再测一次去除样品的计数，它只是本底计数N_b，两者之差即为样品的净计数N₀＝N_S-N_b。净计数率为t为测量时间。净计数率的标准误差/>可按多元函数的统计误差来计算：

式中，n_S＝N_S/t，n_b＝N_b/t。

探测灵敏度，即可探测到的最小放射性活度A₀可表示为本底计数率标准误差的3倍：

式中，ε为探测效率。从统计规律出发，假设σ为本底计数率的标准误差，本底计数率在n₀±3σ区间的概率为99.7％，而大于n_b+3σ的概率仅为0.15％。因此，当本底计数率大于n_b+3σ时基本可排除本底的影响而判断主要来自外部射线源的贡献。

假设当地天然放射性本底的平均计数率为N_b，其标准误差是平均天然本底当量剂量率为/>计数率和剂量率的报警阈分别为n_t和H_t，可按以下几种数值关系选设报警阈：

(1)取误报概率很低；

(2)取这是在最大本底计数率的基础上再加上其3倍的标准误差，误报概率应很低且足够灵敏，当需要时可按标定公式转化为/>

(3)取n_t＝K·n_b，系数K＝2.3～10，当时K＝2.3时为判断限，虽灵敏但误报概率大，当K＝3时为临界值，误报和漏报概率相当，当K＝4.6时为探测限，漏报概率低但误差较大，当K＝10时为定量限，几乎不存在漏报且误差很小，当需要时可按标定公式转化为

本发明还公开了一种瞬时弱辐射信号探测方法，包括以下步骤：

闪烁体探测器1接收核辐射，产生光子，多个不同方向上的光电倍增器分别对光子进行光电转换，得到多个方向上的脉冲电信号；

对多个不同的脉冲信号进行复合计数，对复合后的脉冲电信号进行识别，得到脉冲电信号对应的放射性核素种类。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种瞬时弱辐射信号探测装置，其特征在于，包括：闪烁体探测器、若干光电倍增管、第一复合计数器、第二复合计数器和第三复合计数器；

其中，若干光电光电倍增管均匀设置在所述闪烁体探测器的两侧；所述闪烁体探测器一侧的每个光电倍增管依次通过对应的分压电路、放大器、以及单道分析器与所述第一复合计数器的输入端连接；

所述闪烁体探测器另一侧的每个光电倍增管依次通过对应的分压电路、放大器、以及单道分析器与所述第二复合计数器的输入端连接；

所述第一复合计数器的输出端和第二复合计数器的输出端，同时与所述第三复合计数器的输入端连接；

还包括单片机，所述单片机通过加和计数器与所述第三复合计数器相连；所述单片机还包括报警模块，所述报警模块包括阈值甄别器和声光报警单元；

所述阈值甄别器与所述加和计数器连接，当所述加和计数器产生的脉冲计数超过剂量限值的计数时，所述阈值甄别器产生预警信号；

所述声光报警单元用于接收所述预警信号，并进行声光预警；

所述报警模块按以下数值关系选设报警阈:

(1)取

(2)取

(3)取n_t＝K·n_b，系数K＝10；

其中，表示剂量率的报警阀，/>表示平均天然本底当量剂量率；n_t表示计数率的报警阀，n_b表示当地天然放射性最大本底计数率，/>表示标准误差。

2.根据权利要求1所述的一种瞬时弱辐射信号探测装置，其特征在于，所述闪烁体探测器包括塑料闪烁体。

3.根据权利要求2所述的一种瞬时弱辐射信号探测装置，其特征在于，所述塑料闪烁体与各个所述光电倍增管之间采用硅油作为光导进行耦合。

4.根据权利要求2所述的一种瞬时弱辐射信号探测装置，其特征在于，所述塑料闪烁体的外部非耦合部分涂抹铝粉，并利用不透光黑色热缩层对所述外部非耦合部分进行包覆。

5.根据权利要求1所述的一种瞬时弱辐射信号探测装置，其特征在于，所述单片机包括脉冲信号识别模块，所述脉冲信号识别模块包括依次连接的前置放大器、线性放大器、应用比较器、脉宽转换单元和放射性核素种类识别单元；

其中，所述前置放大器用于将光电倍增管产生的弱脉冲电信号转换成强脉冲电信号；

所述线性放大器用于输出单极性的指数衰减波形脉冲信号；

所述应用比较器，用于处理放大后的指数衰减波形脉冲信号，选择阈值电压V_Y，输出脉冲宽度为t_Y的高电平；

所述脉宽转换单元，用于根据所述高电平的脉冲宽度t_Y与所述指数衰减波形的脉冲幅值V₀之间的线性关系，计算得到脉冲宽度t_Y；

所述放射性核素种类识别单元，用于根据所述脉冲宽度t_Y和图谱得到对应的放射性核素种类，完成放射性物质的探测识别。

6.根据权利要求5所述的一种瞬时弱辐射信号探测装置，其特征在于，所述指数衰减波形脉冲信号的表达式为：

V(t)＝V₀·e^-t/τ

式中：V(t)为t时刻电压值，V₀为脉冲幅值，τ为电路相关时间常数。

7.根据权利要求5所述的一种瞬时弱辐射信号探测装置，其特征在于，所述高电平的脉冲宽度t_Y与所述指数衰减波形的脉冲幅值V₀之间的线性关系为：

t_Y＝(ln V₀-ln V_Y)/τ

当电路参数确定后，τ和V_Y均为固定值，则：

t_Y＝k·lnV₀-b

式中：k和b为常数项。

8.一种瞬时弱辐射信号探测方法，基于权利要求1-7任意一项所述的一种瞬时弱辐射信号探测装置，其特征在于，包括以下步骤：

闪烁体接收核辐射，产生光子，多个不同的光电倍增管分别对光子进行光电转换，得到多个不同的脉冲电信号；

对多个不同的脉冲电信号进行复合计数，对复合后的脉冲电信号进行识别，得到脉冲电信号对应的放射性核素种类。