CN118091734A - 一种放射性溶液中a、β计数的快速测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于放射性元素测量技术领域，公开一种放射性溶液中a、β计数的快速测量装置及方法，其中，装置包括屏蔽室、测量杯、探测器、信号处理单元和PC端；探测器包括闪烁晶体、导光片、光电倍增器和信号连接器；屏蔽室和测量杯设置在箱室内，信号处理单元、PC端和探测器位于箱室外，测量杯设置在屏蔽室内，闪烁晶体位于测量杯下部，导光片位于闪烁晶体、光电倍增器之间。本发明在工程应用中无需精确控制样品体积、无需制源，可实现样品直接分析，无需前期处理制源，而且能有效提高样品分析效率、节省人力，具有快速、高效、准确、安全的特点。

Description

一种放射性溶液中a、β计数的快速测量装置及方法

技术领域

本发明属于放射性元素测量技术领域，特别涉及一种放射性溶液中a、β计数的快速测量装置及方法。

背景技术

在乏燃料后处理工艺过程中含有微量或痕量a、β放射性元素。通过准确测量a、β放射性元素在各工艺流程中的含量，实现对整个后处理工艺运行设备的监测和控制。因此，微量和痕量a、β放射性元素的分析在整个后处理工艺中具有非常重要的意义。

目前，α计数法分析结果可靠、设备维护方便，是后处理工艺中测定钚较优的方法。但该方法过程复杂，需经过定量滴源、烤干、烧炙等繁琐的样品制源过程，造成较大误差。

因此，建立一种可工程应用的不用精确控制样品体积、快速、无需制源的微量、痕量a、β放射性元素的a、β放射性元素活度浓度测定装置及方法，提升传统α计数法的技术水平，具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种放射性溶液中a、β计数的快速测量装置及方法，采用以下技术方案：

一种放射性溶液中a、β计数的快速测量装置，包括屏蔽室、测量杯、探测器、信号处理单元和PC端；其中，所述探测器包括闪烁晶体、导光片、光电倍增器和信号连接器；屏蔽室和测量杯设置在箱室内，信号处理单元、PC端和探测器位于箱室外，所述测量杯设置在所述屏蔽室内，所述闪烁晶体位于所述测量杯下部，所述导光片位于所述闪烁晶体、所述光电倍增器之间；

所述闪烁晶体，用于接收测量杯发出的α射线、β射线并生成闪烁光信号；

所述导光片，用于将闪烁晶体生成的闪烁光信号导出到光电倍增器；

所述光电倍增器，用于将闪烁光信号进行放大和光电转换，生成相应的α电脉冲、β电脉冲并通过信号连接器发送给信号处理单元；

所述信号处理单元，用于对α电脉冲、β电脉冲进行甄别，并根据甄别结果，将计算得到的单位时间内的α射线、β射线的计数值发送给PC端；

所述PC端，用于根据单位时间内的α射线、β射线的计数值，确定α、β放射性活度浓度。

进一步的，所述屏蔽室采用铅作为屏蔽材料。

进一步的，所述测量杯的杯盖及杯底采用塑料薄膜，塑料薄膜的材质为聚酯纤维。

进一步的，所述塑料薄膜厚度为2μm～3μm。

进一步的，所述闪烁晶体为ZnS(Ag)塑闪复合晶体、YAP(Ce)晶体或导光有机玻璃探测面喷涂ZnS(Ag)。

进一步的，所述闪烁晶体的厚度为2μm～3μm。

进一步的，所述闪烁晶体上包附有金属膜。

进一步的，所述屏蔽室底部设置有底板，所述底板上设置有测量孔，所述底板在所述屏蔽室的一侧设置有法兰，所述法兰与所述底板密封连接，所述法兰的中心孔与所述测量孔同心，所述测量杯的底部位于所述法兰的中心孔内，所述闪烁晶体位于所述测量孔内。

进一步的，还包括密封盖，所述密封盖设置在箱室内，所述密封盖罩设在所述法兰的外侧，所述密封盖与所述法兰的外侧密封连接。

进一步的，还包括壳体，壳体设置在箱室外，所述壳体罩设在所述探测器的外部并与所述底板连接。

进一步的，所述信号处理单元包括电源、高压电路、前置放大电路、主放大电路、脉冲甄别电路和通讯接口电路；

其中，所述电源为所述高压电路供电，所述高压电路用于为所述光电倍增器提供偏置电压；

所述前置放大电路和所述主放大电路用于将所述光电倍增器发送的α电脉冲、β电脉冲进行放大整形后，发送给所述脉冲甄别电路；

所述脉冲甄别电路用于对放大整形后α电脉冲、β电脉冲进行脉冲幅度甄别和宽度甄别，根据α、β脉冲信号特征识别出α、β射线，并将单位时间内的α射线、β射线的计数值发送给所述PC端。

本发明还提供一种工艺样品中微量、痕量钚的α放射性活度浓度测定方法，包括以下步骤：

将待测工艺样品放入到测量杯内，盖好测量杯的屏蔽杯盖；

闪烁晶体接收测量杯内待测工艺样品发出的α射线并生成闪烁光信号，导光片将闪烁晶体生成的闪烁光信号导出到光电倍增器；

光电倍增器将闪烁光信号进行放大和光电转换，生成相应的α电脉冲并通过信号连接器发送给信号处理单元；

信号处理单元对α电脉冲进行甄别，并根据甄别结果，将计算得到的单位时间内的α射线的计数值发送给PC端；

PC端根据单位时间内的α射线的计数值，确定α放射性活度浓度。

本发明的有益效果：本发明在工程应用中无需精确控制样品体积、无需制源，可实现样品直接分析，无需前期处理制源，而且能有效提高样品分析效率、节省人力，具有快速、高效、准确、安全的特点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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示出了根据本发明实施例的一种放射性溶液中a、β计数的快速测量装置与箱室结合布置的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的信号处理单元的结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的用于探测器检修时的机械接口密封设计结构示意图。

图中：1、屏蔽室；2、测量杯；3、探测器；4、信号处理单元；5、PC端；6、闪烁晶体；7、导光片；8、光电倍增器；9、信号连接器；10、壳体；11、密封盖；12、底板；13、法兰。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

需要说明的是，本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。

本发明提供一种放射性溶液中a、β计数的快速测量装置及方法，自动化程度高、分析速度快，效率高，在工程应用中无需精确控制样品体积、无需制源，能够测定微量、痕量钚的α放射性活度浓度，也可以测量其他放射性元素的α放射性活度浓度。

如图1所示，一种放射性溶液中a、β计数的快速测量装置，包括屏蔽室1、测量杯2、探测器3、信号处理单元4和PC端5，其中，探测器3包括闪烁晶体6、导光片7和光电倍增器8。

其中，屏蔽室1和测量杯2设置在箱室内，探测器3、信号处理单元4和PC端5位于箱室外。

测量杯2设置在屏蔽室1内，闪烁晶体6设置在箱室外且位于测量杯2的下部，导光片7位于闪烁晶体6、光电倍增器8之间，光电倍增器8通过信号连接器9与信号处理单元4、PC端5依次连接。

例如，屏蔽室1采用铅作为屏蔽材料，采用合页式结构，便于推拉及拆卸，本发明的屏蔽室1包裹测量杯2的杯盖及杯侧，隔绝外部环境对测量过程的影响，保证测量准确性。

测量杯2分别采用一层或者多层聚酯纤维材料(麦拉膜)作为杯底和杯盖，测量杯2置于箱室内。

闪烁晶体6用于接收测量杯2内样品发出的α射线、β射线并生成闪烁光信号，闪烁晶体6作为探测器3探头的一部分，设置于箱室外。

导光片7用于将闪烁晶体6生成的闪烁光信号导出到光电倍增器8，导出效率95％以上。

光电倍增器8用于将闪烁光信号进行放大和光电转换，生成相应的α电脉冲、β电脉冲并通过信号连接器9发送给信号处理单元4。

本发明的光电倍增器8将闪烁晶体6检测到的光信号转化为电信号，具有高增益、高收集效率的特点。

信号处理单元4用于对α电脉冲、β电脉冲进行甄别，并根据甄别结果，将计算得到的单位时间内的α射线、β射线的计数值发送给PC端5。

PC端5用于根据单位时间内的α射线、β射线的计数值，确定α、β放射性活度浓度。

如图1所示，例如，屏蔽室1底部设置有底板12，底板12上设置有测量孔，底板12在屏蔽室1的一侧设置有法兰13，法兰13与底板12密封连接，例如，法兰13与底板12通过焊接连接或铆接连接；法兰13的中心孔与测量孔同心，测量杯2的底部位于法兰13的中心孔内，闪烁晶体6位于测量孔内。

如图3所示，测量装置还包括密封盖11，密封盖11设置在箱室内，密封盖11罩设在法兰13的外侧，密封盖11与法兰13的外侧密封连接，例如，密封盖11与法兰13的外侧之间设置有O型圈。

当需要维修探测器3时，将屏蔽室1移开，将密封盖11拧在法兰13上，压迫法兰13上的O型圈，将测量孔密封，然后再取出探测器3进行维修，密封盖11的作用是在检维修探测器3时防止箱室内的放射性气氛外溢。维修完成后，将探测器3装回原位，探测器3通过O型圈与法兰13密封连接，然后打开密封盖11，再装上屏蔽室1进行测样。整个检维修过程不会破坏箱室整体的密封性。

例如，测量杯2杯身选用耐酸碱腐蚀、耐有机溶剂腐蚀、易清洗的材质，如：高密度聚乙烯、聚丙烯等。保证测量杯经过多次测量洗涤后仍可以达到本底水平，测量精度保持不变；测量杯2分别采用一层或者多层塑料薄膜作为杯底和杯盖，塑料薄膜厚度为2μm～3μm，薄膜可选材质为聚酯纤维、聚碳酸酯、聚丙烯材质等，上述材料对α、β射线的阻挡率较小，且具有防止放射性沾污和耐酸碱腐蚀的特性。

例如，闪烁晶体6为ZnS(Ag)塑闪复合晶体、YAP(Ce)晶体或导光有机玻璃探测面喷涂ZnS(Ag)。

其中，ZnS(Ag)塑闪复合晶体或YAP(Ce)晶体可对α粒子及β射线产生闪烁光信号，仅适用于纯钚体系或者其它β射线或者γ射线强度不高的体系中。

导光有机玻璃探测面喷涂ZnS(Ag)对α粒子的发光效率高，而对γ射线和电子不灵敏，很适合在强β本底下探测α粒子，ZnS(Ag)的喷涂厚度约为1～10μm。

例如，闪烁晶体6的厚度为2μm～3μm，闪烁晶体6上包附一层或多层金属膜，防止探测器漏光，例如，金属膜可选材质为Al、Ag、Au等；在金属膜的外面再包裹一层塑料薄膜避免放射性样品直接沾污晶体，一旦沾污，只需更换薄膜即可，薄膜可选材质为聚酯纤维、聚碳酸酯、聚丙烯材质等。

例如，闪烁晶体6和测量杯2底部采用分体式设计，使得计数仪可直接接触式测量，无需前处理制源。

例如，放射性溶液中a、β计数的快速测量装置还包括壳体10，壳体10位于箱室外，壳体10罩设在探测器3的外部并与屏蔽室1的底部的底板12连接，导光片7、光电倍增器8和信号连接器9固定在壳体10中。

本发明的屏蔽室1和测量杯2布置于热室或手套箱内部，闪烁晶体6、导光片7、光电倍增器8、探测器3、信号处理单元4和PC端5等布置于热室或手套箱外，从而实现分体式设计，方便仪器检维修。

如图2所示，例如，信号处理单元4包括电源、高压电路、前置放大电路、主放大电路、脉冲甄别电路和通讯接口电路。

电源为高压电路供电，高压电路用于为光电倍增器8提供正常使用时所需的偏置电压；前置放大电路和主放大电路用于将光电倍增器8发送的α电脉冲、β电脉冲进行放大整形后，发送给脉冲甄别电路；脉冲甄别电路用于对放大整形后α电脉冲、β电脉冲进行脉冲幅度甄别和宽度甄别，根据α、β脉冲信号特征识别出α、β射线，并通过通讯接口电路将单位时间内的α射线、β射线的计数值发送给PC端5。

其中，信号处理单元4的高压电路的输出可通过软件控制，也可实时监控高压模块输出的高压值，确保电路运行正常；脉冲甄别电路采用幅度甄别和宽度甄别的双重判别准则，准确地甄别出α、β射线或针对性的特征识别α射线；信号处理电路性能稳定，抗干扰能力强。

PC端5包括电脑操作端及数据获取和分析软件，主要进行探测数据的实时采集和处理、数据存储、报表生产和参数设置等功能，具体如下：

实时数据采集：能够实时、正确显示设备采集到的数据。实时数据及状态显示；数据分析：可将采集到的数据进行二次分析；参数设置：可对测量时间、测量次数等参数进行设置；历史数据查询：根据时间或编号对样品历史数据查询绘制曲线；报表输出功能：PC端5可根据采集到的数据生成报表并打印输出。

基于上述放射性溶液中a、β计数的快速测量装置，本发明还提供一种工艺样品中微量、痕量钚的α放射性活度浓度测定方法，包括以下步骤：

S1、将待测工艺样品放入到测量杯2内，盖好测量杯2的屏蔽杯盖，开始测量。

S2、闪烁晶体6接收测量杯2内待测工艺样品发出的α射线并生成闪烁光信号，导光片7将闪烁晶体6生成的闪烁光信号导出到光电倍增器8。

S3、光电倍增器8将闪烁光信号进行放大和光电转换，生成相应的α电脉冲并通过信号连接器9发送给信号处理单元4。

S4、信号处理单元4对α电脉冲进行甄别，并根据甄别结果，将计算得到的单位时间内的α射线的计数值发送给PC端5。

S5、PC端5根据单位时间内的α射线的计数值，确定α放射性活度浓度。

当探测器6需更换时，取下测量杯3和屏蔽室1，拧紧密封盖11,(如图3所示)，保证箱室内的密封环境，防止放射性外溢。

本发明经过信号收集和数据处理最终得到样品中钚的α放射性活度浓度，区别于传统α计数法，本方法进行α活度测定时不用精确控制样品体积、无需制源，分析速度快，效率高。

基于上述放射性溶液中a、β计数的快速测量装置，本发明还提供一种天然本底测试方法，包括以下步骤：

将放射性溶液中a、β计数的快速测量装置放置在无参考辐射源的房间内，将探测器3的光电倍增器8、信号处理单元4和PC端5依次连接，信号处理单元4的电源给光电倍增器8供电，PC端5预热完成后读取信号处理单元4输出的原始计数率，即为天然本底计数率(cps)。PC端5中待显示的计数率(cps)数值稳定时，开始进行本底测量。数据记录时，分别记录计数率(cps)，每个测量状态下，待测量数值稳定后，设置测量时间250s，每250s记录一个数据，记录10个数据，并计算其探测效率。测试数据记录到表1内。

基于上述放射性溶液中a、β计数的快速测量装置，本发明还提供一种α表面源响应测试方法，包括以下步骤：

将放射性溶液中a、β计数的快速测量装置放置在无参考辐射源的房间内，将探测器3的光电倍增器8、信号处理单元4和PC端5依次连接，打开信号处理单元4的电源。预热完成后，闪烁晶体6表面加Am-241表面源，表面源紧贴闪烁晶体6。PC端5中待显示的计数率(cps)数值稳定后，开始记录加源计数率，设置测量时间250s，每250s记录一个数据，记录10个数据测试数据，如表1所示，实验结论表面特征性识别α放射性活度浓度测定装置对α信号可较好识别。

基于上述放射性溶液中a、β计数的快速测量装置，本发明还提供一种β表面源和γ点源响应测试方法，包括以下步骤：

将放射性溶液中a、β计数的快速测量装置放置在无参考辐射源的房间内，将探测器3的光电倍增器8、信号处理单元4和PC端5依次连接，打开信号处理单元4的电源。预热完成后，闪烁晶体6表面分别加⁹⁰Sr-⁹⁰Y表面源、Cs-137点源，源紧贴探测面，观察软件，待显示的计数率(cps)数值稳定后，开始记录加源计数率，设置测量时间60s，每60s记录一个数据，记录10个数据测试数据如表1所示，实验结论表面特征性识别α放射性活度浓度测定装置对β和γ信号均无响应。

表1

本发明的放射性溶液中a、β计数的快速测量装置及方法，可实现样品直接分析，无需前期处理制源，而且能有效提高样品分析效率、节省人力，具有快速、高效、准确、安全的特点。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种放射性溶液中a、β计数的快速测量装置，其特征在于，包括屏蔽室、测量杯、探测器、信号处理单元和PC端；其中，所述探测器包括闪烁晶体、导光片、光电倍增器和信号连接器；屏蔽室和测量杯设置在箱室内，信号处理单元、PC端和探测器位于箱室外，所述测量杯设置在所述屏蔽室内，所述闪烁晶体位于所述测量杯下部，所述导光片位于所述闪烁晶体、所述光电倍增器之间；

所述闪烁晶体，用于接收测量杯发出的α射线、β射线并生成闪烁光信号；

所述导光片，用于将闪烁晶体生成的闪烁光信号导出到光电倍增器；

所述光电倍增器，用于将闪烁光信号进行放大和光电转换，生成相应的α电脉冲、β电脉冲并通过信号连接器发送给信号处理单元；

所述信号处理单元，用于对α电脉冲、β电脉冲进行甄别，并根据甄别结果，将计算得到的单位时间内的α射线、β射线的计数值发送给PC端；

所述PC端，用于根据单位时间内的α射线、β射线的计数值，确定α、β放射性活度浓度。

2.根据权利要求1所述的放射性溶液中a、β计数的快速测量装置，其特征在于，所述屏蔽室采用铅作为屏蔽材料。

3.根据权利要求1所述的放射性溶液中a、β计数的快速测量装置，其特征在于，所述测量杯的杯盖及杯底采用塑料薄膜，塑料薄膜的材质为聚酯纤维。

4.根据权利要求3所述的放射性溶液中a、β计数的快速测量装置，其特征在于，所述塑料薄膜厚度为2μm～3μm。

5.根据权利要求1所述的放射性溶液中a、β计数的快速测量装置，其特征在于，所述闪烁晶体为ZnS(Ag)塑闪复合晶体、YAP(Ce)晶体或导光有机玻璃探测面喷涂ZnS(Ag)。

6.根据权利要求1所述的放射性溶液中a、β计数的快速测量装置，其特征在于，所述闪烁晶体的厚度为2μm～3μm。

7.根据权利要求1所述的放射性溶液中a、β计数的快速测量装置，其特征在于，所述闪烁晶体上包附有金属膜。

8.根据权利要求1所述的放射性溶液中a、β计数的快速测量装置，其特征在于，所述屏蔽室底部设置有底板，所述底板上设置有测量孔，所述底板在所述屏蔽室的一侧设置有法兰，所述法兰与所述底板密封连接，所述法兰的中心孔与所述测量孔同心，所述测量杯的底部位于所述法兰的中心孔内，所述闪烁晶体位于所述测量孔内。

9.根据权利要求8所述的放射性溶液中a、β计数的快速测量装置，其特征在于，还包括密封盖，所述密封盖设置在箱室内，所述密封盖罩设在所述法兰的外侧，所述密封盖与所述法兰的外侧密封连接。

10.根据权利要求8或9所述的放射性溶液中a、β计数的快速测量装置，其特征在于，还包括壳体，壳体设置在箱室外，所述壳体罩设在所述探测器的外部并与所述底板连接。

11.根据权利要求1-9任一所述的放射性溶液中a、β计数的快速测量装置，其特征在于，所述信号处理单元包括电源、高压电路、前置放大电路、主放大电路、脉冲甄别电路和通讯接口电路；

其中，所述电源为所述高压电路供电，所述高压电路用于为所述光电倍增器提供偏置电压；

所述前置放大电路和所述主放大电路用于将所述光电倍增器发送的α电脉冲、β电脉冲进行放大整形后，发送给所述脉冲甄别电路；

所述脉冲甄别电路用于对放大整形后α电脉冲、β电脉冲进行脉冲幅度甄别和宽度甄别，根据α、β脉冲信号特征识别出α、β射线，并将单位时间内的α射线、β射线的计数值发送给所述PC端。

12.一种工艺样品中微量、痕量钚的α放射性活度浓度测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待测工艺样品放入到测量杯内，盖好测量杯的屏蔽杯盖；

闪烁晶体接收测量杯内待测工艺样品发出的α射线并生成闪烁光信号，导光片将闪烁晶体生成的闪烁光信号导出到光电倍增器；

光电倍增器将闪烁光信号进行放大和光电转换，生成相应的α电脉冲并通过信号连接器发送给信号处理单元；

信号处理单元对α电脉冲进行甄别，并根据甄别结果，将计算得到的单位时间内的α射线的计数值发送给PC端；

PC端根据单位时间内的α射线的计数值，确定α放射性活度浓度。