CN116953766B - 一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置及方法，该装置包括设置在金属外壳内的电源模块、升压模块、脉冲计数器、控制器、盖革计数管和姿态传感器；该方法包括步骤一、工作准备；步骤二、获取辐射剂量率的测量值；步骤三、确定盖革计数管有效检测面方向与伽马射线入射方向之间的夹角；步骤四、确定位姿补偿系数；步骤五、计算辐射剂量率的实际值。本发明通过在金属外壳内设置姿态传感器，并依据辐射监测装置中姿态传感器的测量结果，通过添加一个位姿补偿系数，对辐射监测结果进行修正，够有效减免因装置自身的位姿变化导致辐射监测结果的误差，进而提升辐射监测系统的稳定性和可靠性，以适用于辐射源长时间监测。
Description
技术领域
本发明属于核辐射监测技术领域，具体涉及一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置及方法。
背景技术
在核电站、放射性实验室等场所中，通常需要对保存或特定的辐射源进行长时间的辐射监测，以确保不会出现辐射源泄漏或丢失等意外事件发生，进而保障周边工作人员的人身与财产安全。
当前，在核辐射监测领域，大多采用基于盖革计数管的辐射监测设备对辐射源进行长时间定向监测任务。盖革计数管的结构较为简单，主要有阴、阳两个电极组成，管内充满了一定的惰性气体。当辐射粒子进入盖革计数管后，会撞击管中的惰性气体，并会因为气体放电现象而输出脉冲信号。辐射监测装置通过计数规定时间内的脉冲信号即可计算判断当前位置的辐射剂量率。
但是，在辐射监测装置的长时间工作过程中，不可避免的会因为冲击、振动等外界因素导致自身的位姿出现一定程度的变化，甚至可能导致辐射监测装置的倾倒。此时，盖革计数管的有效监测面积将发生改变，进而导致辐射监测装置的测量结果出现一定的误差，给相关人员设施的安全防护带来了一定的隐患。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置，其通过在金属外壳内设置姿态传感器，并依据辐射监测装置中姿态传感器的测量结果，通过添加一个位姿补偿系数，对辐射监测结果进行修正，够有效减免因装置自身的位姿变化导致辐射监测结果的误差，进而提升辐射监测系统的稳定性和可靠性，以适用于辐射源长时间监测。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置，其特征在于：包括设置在金属外壳内的电源模块、升压模块、脉冲计数器、控制器、盖革计数管和姿态传感器，所述升压模块和控制器均与电源模块连接，所述升压模块和脉冲计数器均与盖革计数管连接，所述盖革计数管用于检测伽马射线并输出脉冲信号，所述脉冲计数器和姿态传感器均与控制器连接，所述控制器上连接有用于与上位机进行通信的通信模块，所述姿态传感器竖直安装在金属外壳的内侧顶部，所述盖革计数管竖直安装在金属外壳内，所述盖革计数管的有效检测面呈竖向布设。
上述的一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置，其特征在于：所述电源模块的容量不低于30000mA。
上述的一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置，其特征在于：所述金属外壳为钛合金圆柱体金属外壳，所述姿态传感器和盖革计数管均沿金属外壳的高度方向布设，所述盖革计数管的轴线与所述金属外壳的轴线相平行。
同时，本发明还公开了一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、工作准备：将基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置置于距离待监测的辐射源设定距离处，并使盖革计数管的有效检测面与辐射源的伽马射线入射方向相互垂直；
其中，所述盖革计数管的轴线与水平面相互垂直，所述伽马射线入射方向与水平面相平行；
步骤二、获取辐射剂量率的测量值：利用盖革计数管对所处位置的辐射状况进行实时监测，并利用控制器对辐射监测结果进行计算，获取辐射剂量率的实时测量值；
步骤三、确定盖革计数管有效检测面方向与伽马射线入射方向之间的夹角：利用姿态传感器实时监测基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置的位姿情况，当基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置的位姿发生变化时，根据该装置的位姿情况确定盖革计数管有效检测面方向与伽马射线入射方向之间的夹角；
步骤四、确定位姿补偿系数：根据盖革计数管有效检测面方向与伽马射线入射方向之间的夹角确定辐射监测结果的位姿补偿系数；
步骤五、计算辐射剂量率的实际值：根据位姿补偿系数对辐射剂量率的测量值进行补偿后得到辐射剂量率的实际值。
上述的一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测方法，其特征在于：步骤二中，获取辐射剂量率的测量值时，具体过程如下：
步骤201、盖革计数管通电后，其阴极与阳极间存在高压，当均匀辐射场内伽马射线射的辐射离子射入盖革计数管中后，使盖革计数管内的气体电离导电，并在阳极丝与管壁间产生放电现象，进而输出脉冲信号；
步骤202、通过脉冲计数器统计盖革计数管在单位时间内产生的脉冲信号数，并发送至控制器；
步骤203、控制器根据公式，得到辐射剂量率的测量值，其中，/>和/>均为盖革计数管的特征参数，均为常数。
上述的一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测方法，其特征在于：步骤三中，设定伽马射线入射方向为X轴负方向，Y轴方向与X轴方向垂直，Z轴方向与X轴和Y轴形成的水平面相垂直；X轴、Y轴和Z轴相交原点O；
根据姿态传感器检测到的位姿情况，记录基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置在X轴方向上的偏角；
步骤一中，在初始状态下，盖革计数管的有效检测面与伽马射线入射方向相互垂直，进而可以根据公式，可以得到盖革计数管的有效检测面与X轴方向之间的夹角/>。
上述的一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测方法，其特征在于：根据盖革计数管有效检测面方向与X轴方向之间的夹角，得到/>。
上述的一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测方法，其特征在于：步骤五中，根据公式，对获取的辐射剂量率的实时测量值/>进行补偿后，得到辐射剂量率的实际值/>。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用的装置，通过在金属外壳内设置脉冲计数器对盖革计数管输出的脉冲信号进行计数，并通过控制器对脉冲信号的数量进行计算并定时向上位机传输检测到的辐射剂量率数据，可以实现对特定辐射源的长时间自动辐射监测，进而有效避免辐射源泄漏的情况发生。
2、本发明采用的装置，通过在金属外壳内设置姿态传感器，在辐射源监测过程中，能够通过姿态传感器监测基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置的位姿变化情况，进而便于根据其位姿变化情况推算出盖革计数管的有效监测面积，能够有效减免因辐射监测装置自身的位姿变化导致辐射监测结果的误差，以适用于辐射源长时间监测。
3、本发明采用的方法，依据辐射监测装置中姿态传感器的测量结果，通过添加一个位姿补偿系数，对辐射监测结果进行修正，能够有效减免因辐射监测装置自身的位姿变化导致辐射监测结果的误差，进而能有效提升辐射监测装置在长时间监测过程中监测结果的稳定性和可靠性。
综上所述，本发明通过在金属外壳内设置姿态传感器，并依据辐射监测装置中姿态传感器的测量结果，通过添加一个位姿补偿系数，对辐射监测结果进行修正，够有效减免因装置自身的位姿变化导致辐射监测结果的误差，进而提升辐射监测系统的稳定性和可靠性，以适用于辐射源长时间监测。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置的电路原理框图。
图2为本发明盖革计数管在初始状态下与伽马射线的位置示意图。
图3为本发明盖革计数管在位姿变化后与伽马射线的位置示意图。
图4为发明方法的流程框图。
附图标记说明:
1—姿态传感器；2—电源模块；3—升压模块；
4—脉冲计数器；5—控制器；6—盖革计数管；
7—通信模块。
具体实施方式
如图1所示的一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置，其特征在于：包括设置在金属外壳内的电源模块2、升压模块3、脉冲计数器4、控制器5、盖革计数管6和姿态传感器1，所述升压模块3和控制器5均与电源模块2连接，所述升压模块3和脉冲计数器4均与盖革计数管6连接，所述盖革计数管6用于检测伽马射线并输出脉冲信号，所述脉冲计数器4和姿态传感器1均与控制器5连接，所述控制器5上连接有用于与上位机进行通信的通信模块7，所述姿态传感器1竖直安装在金属外壳的内侧顶部，所述盖革计数管6竖直安装在金属外壳内，所述盖革计数管6的有效检测面呈竖向布设。
实际使用时，通过在金属外壳内设置脉冲计数器4对盖革计数管6输出的脉冲信号进行计数，并通过控制器5对脉冲信号的数量进行计算并定时向上位机传输检测到的辐射剂量率数据，可以实现对特定辐射源的长时间自动辐射监测，进而有效避免辐射源泄漏的情况发生。
需要说明的是，通过在金属外壳内设置姿态传感器1，在辐射源监测过程中，能够通过姿态传感器1监测基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置的位姿变化情况，进而便于根据其位姿变化情况推算出盖革计数管6的有效监测面积，能够有效减免因辐射监测装置自身的位姿变化导致辐射监测结果的误差，以适用于辐射源长时间监测。
具体实施时，电源模块2用于供电，脉冲计数器4用于对盖革计数管6中输出的脉冲信号进行统计计数，控制器5能够基于脉冲计数器4统计的脉冲信号计算相应的辐射剂量率，通信模块7用于将计算结果上传至上位机中进行保存。
具体实施时，升压模块3能将电源模块2输出的3.7V工作电压升压并进行稳压，进而输出400V电压给盖革计数管6供电。
本实施例中，所述电源模块2的容量不低于30000mA。
实际使用时，电源模块2的容量不低于30000mA，能够完成对辐射源进行一年时间以上的持续监测任务。
本实施例中，所述金属外壳为钛合金圆柱体金属外壳，所述姿态传感器1和盖革计数管6均沿金属外壳的高度方向布设，所述盖革计数管6的轴线与所述金属外壳的轴线相平行。
实际使用时，金属外壳起辐射防护以及强度防护的作用，钛合金不仅能保证辐射监测装置的结构强度，对伽马射线的阻挡作用也较低，对辐射监测装置的检测效率影响较小。
如图2至图4所示的一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、工作准备：将基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置置于距离待监测的辐射源设定距离处，并使盖革计数管6的有效检测面与辐射源的伽马射线入射方向相互垂直；
其中，所述盖革计数管6的轴线与水平面相互垂直，所述伽马射线入射方向与水平面相平行；
实际使用时，基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置的金属外壳底部直接放置在水平地面上，由于辐射监测装置一般放置在距离辐射源较远的地方进行监测，且辐射监测装置中的盖革计数管6尺寸较小，因此可以将辐射源发出的伽马射线近似简化成一个均匀的辐射场，且盖革计数管6检测到的辐射粒子数量等效于垂直射入盖革计数管6有效检测面的辐射粒子数量。
步骤二、获取辐射剂量率的测量值：利用盖革计数管6对所处位置辐射场内的辐射状况进行实时监测，并利用控制器5对辐射监测结果进行计算，获取辐射剂量率的实时测量值；
步骤三、确定盖革计数管有效检测面方向与伽马射线入射方向之间的夹角：利用姿态传感器1实时监测基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置的位姿情况，当基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置的位姿发生变化时，根据该装置的位姿情况确定盖革计数管6有效检测面方向与伽马射线入射方向之间的夹角；
步骤四、确定位姿补偿系数：根据盖革计数管6有效检测面方向与伽马射线入射方向之间的夹角确定辐射监测结果的位姿补偿系数；
实际使用时，依据辐射监测装置中姿态传感器1的测量结果，通过添加一个位姿补偿系数，对辐射监测结果进行修正，能够有效减免因辐射监测装置自身的位姿变化导致辐射监测结果的误差，进而能有效提升辐射监测装置在长时间监测过程中监测结果的稳定性和可靠性。
步骤五、计算辐射剂量率的实际值：根据位姿补偿系数对辐射剂量率的测量值进行补偿后得到辐射剂量率的实际值。
实际使用时，根据盖革计数管6有效检测面方向与伽马射线入射方向之间的夹角，来确定一个辐射监测结果的位姿补偿系数，并根据位姿补偿系数对辐射剂量率的测量值进行补偿，进而得到辐射剂量率的实际值，能够有效减免因装置自身的位姿变化导致辐射监测结果的误差，进而提升辐射监测系统的稳定性和可靠性。
具体实施时，步骤二中，获取辐射剂量率的测量值时，具体过程如下：
步骤201、盖革计数管6通电后，其阴极与阳极间存在高压，当均匀辐射场内伽马射线射的高速辐射离子射入盖革计数管6中后，使盖革计数管6内的气体电离导电，并在阳极丝与管壁间产生放电现象，进而输出脉冲信号；
步骤202、通过脉冲计数器4统计盖革计数管6在单位时间内产生的脉冲信号数，并发送至控制器5；
步骤203、控制器5根据公式，计算得到辐射剂量率的测量值/>，其中，/>和/>均为盖革计数管6的特征参数，均为常数。
实际使用时，由于在一定的核辐射剂量率范围内，盖革计数管6的输出脉冲数与辐射剂量率基本上是一个线性关系，因此，可以视为盖革计数管6的输出脉冲数/>与辐射剂量率是线性关系，进而基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置处辐射剂量率的测量值，可以采用公式/>进行计算。
具体实施时，盖革一米勒计数管的工作原理基于放射性衰变的特性。放射性元素会自行衰变，释放出粒子或辐射能。放射性衰变的过程是随机的，不可预测。因此，在一定时间内，放射性元素发生衰变的数量是随机的，服从泊松分布。为盖革计数管6的放射性元素发生衰变的次数，/>为时间。
具体实施时，步骤三中，设定伽马射线入射方向为X轴负方向，Y轴方向与X轴方向垂直，Z轴方向与X轴和Y轴形成的水平面相垂直；X轴、Y轴和Z轴相交原点O；
根据姿态传感器1检测到的位姿情况，记录基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置在X轴方向上的偏角；
步骤一中，在初始状态下，盖革计数管6的有效检测面与伽马射线入射方向相互垂直，进而可以根据公式，可以得到盖革计数管6的有效检测面与X轴方向之间的夹角/>。
具体实施时，步骤四中，由于辐射剂量率与盖革计数管6的有效检测面在单位时间内检测到的辐射粒子数量成正相关，因此，根据公式，计算得到位姿补偿系数/>，其中，/>为初始状态下盖革计数管6的有效监测面积，/>为盖革计数管6位姿变化后的有效监测面积；
根据盖革计数管6有效检测面方向与X轴方向之间的夹角，得到。
实际使用时，由于盖革计数管6为圆柱形，且其检测面为外圆柱面，因此，盖革计数管6在Y轴方向和Z轴方向上的偏角均不会对盖革计数管6的有效监测面进行影响，因此，仅有盖革计数管6在X轴方向产生偏角后，才会对盖革计数管6的有效监测面进行影响，在进行辐射剂量率的补偿计算时，仅考虑盖革计数管6在X轴方向的偏移即可。
具体实施时，步骤五中，根据公式，对获取的辐射剂量率的实时测量值/>进行补偿后，得到辐射剂量率的实际值/>。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测方法，其特征在于：该方法采用的辐射源长时间监测装置包括设置在金属外壳内的电源模块（2）、升压模块（3）、脉冲计数器（4）、控制器（5）、盖革计数管（6）和姿态传感器（1），所述升压模块（3）和控制器（5）均与电源模块（2）连接，所述升压模块（3）和脉冲计数器（4）均与盖革计数管（6）连接，所述盖革计数管（6）用于检测伽马射线并输出脉冲信号，所述脉冲计数器（4）和姿态传感器（1）均与控制器（5）连接，所述控制器（5）上连接有用于与上位机进行通信的通信模块（7），所述姿态传感器（1）竖直安装在金属外壳的内侧顶部，所述盖革计数管（6）竖直安装在金属外壳内，所述盖革计数管（6）的有效检测面呈竖向布设；
该方法包括以下步骤：
步骤一、工作准备：将基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置置于距离待监测的辐射源设定距离处，并使盖革计数管（6）的有效检测面与辐射源的伽马射线入射方向相互垂直；
其中，所述盖革计数管（6）的轴线与水平面相互垂直，所述伽马射线入射方向与水平面相平行；
步骤二、获取辐射剂量率的测量值：利用盖革计数管（6）对所处位置的辐射状况进行实时监测，并利用控制器（5）对辐射监测结果进行计算，获取辐射剂量率的实时测量值；
步骤三、确定盖革计数管有效检测面方向与伽马射线入射方向之间的夹角：利用姿态传感器（1）实时监测基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置的位姿情况，当基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置的位姿发生变化时，根据该装置的位姿情况确定盖革计数管（6）有效检测面方向与伽马射线入射方向之间的夹角；
步骤四、确定位姿补偿系数：根据盖革计数管（6）有效检测面方向与伽马射线入射方向之间的夹角确定辐射监测结果的位姿补偿系数；
步骤五、计算辐射剂量率的实际值：根据位姿补偿系数对辐射剂量率的测量值进行补偿后得到辐射剂量率的实际值。
2.按照权利要求1所述的一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测方法，其特征在于：所述电源模块（2）的容量不低于30000mA。
3.按照权利要求1所述的一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测方法，其特征在于：所述金属外壳为钛合金圆柱体金属外壳，所述姿态传感器（1）和盖革计数管（6）均沿金属外壳的高度方向布设，所述盖革计数管（6）的轴线与所述金属外壳的轴线相平行。
4.按照权利要求1所述的一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测方法，其特征在于：步骤二中，获取辐射剂量率的测量值时，具体过程如下：
步骤201、盖革计数管（6）通电后，其阴极与阳极间存在高压，当均匀辐射场内伽马射线射的辐射离子射入盖革计数管（6）中后，使盖革计数管（6）内的气体电离导电，并在阳极丝与管壁间产生放电现象，进而输出脉冲信号；
步骤202、通过脉冲计数器（4）统计盖革计数管（6）在单位时间内产生的脉冲信号数，并发送至控制器（5）；
步骤203、控制器（5）根据公式，得到辐射剂量率的测量值，其中，/>和/>均为盖革计数管（6）的特征参数，均为常数。
5.按照权利要求1所述的一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测方法，其特征在于：步骤三中，设定伽马射线入射方向为X轴负方向，Y轴方向与X轴方向垂直，Z轴方向与X轴和Y轴形成的水平面相垂直；X轴、Y轴和Z轴相交原点O；
根据姿态传感器（1）检测到的位姿情况，记录基于位姿补偿的辐射源长时间监测装置在X轴方向上的偏角；
步骤一中，在初始状态下，盖革计数管（6）的有效检测面与伽马射线入射方向相互垂直，进而可以根据公式，可以得到盖革计数管（6）的有效检测面与X轴方向之间的夹角/>。
6.按照权利要求5所述的一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测方法，其特征在于：根据盖革计数管（6）有效检测面方向与X轴方向之间的夹角，得到/>。
7.按照权利要求6所述的一种基于位姿补偿的辐射源长时间监测方法，其特征在于：步骤五中，根据公式，对获取的辐射剂量率的实时测量值/>进行补偿后，得到辐射剂量率的实际值/>。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| G-M计数管在环境γ辐射连续监测中的应用;岳清宇, 王薇, 盛沛茹;辐射防护;第25卷(第4期);第37-40页 * |
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|---|---|
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