CN2771855Y - 集装箱内核材料及其它放射性物质检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及集装箱内核材料及其它放射性物质检测装置，其特征在于包括主机箱和副机箱，一左一右相对而立，在主机箱内对称设置2－4块长方形塑料闪烁体，在每块塑料闪烁体的一端或两端通过有机玻璃光导(5)与一个或两个光电倍增管(4)相耦合，每个光电倍增管的信号输出端与一个信号处理和控制单元(6)相连。该装置具有结构简单、造价低、使用方便、检测速度快等特点，广泛应用于集装箱及各种车辆的检测。

Description

集装箱内核材料及其它放射性物质检测装置

技术领域

本实用新型涉及核技术应用领域，特别是涉及集装箱内核材料及其它放射性物质检测装置。

背景技术

核材料及放射性物质的和平利用能造福人类，但是，如果不法分子及恐怖分子得到它们，用来进行核恐怖活动，会给人类带来灾难。为了防止核材料的非法转移，国际原子能机构和世界各国都越来越重视对核材料的管制。当今，世界上一些不法分子常常利用集装箱非法转移核材料及其它放射性物质。集装箱内核材料及其它放射性物质检测装置是防止这类非法转移的有效工具。它不仅可以检测用于制造核武器的铀和钚等核材料，还可以检测⁶⁰Co、¹³⁷Cs、²⁴¹Am、¹³³Ba等放射性物质。目前已见有美国、英国、法国、意大利等国用来检测人员和车辆的检测设备，尚未见有检测集装箱内核材料的报道，以及在各种屏蔽条件下，核材料及其它放射性物质在集装箱内的检测数据。

本实用新型内容

本实用新型目的在于克服上述现有技术的不足，通过精心设计和大量检测实验，开发出一种结构简单、造价低、使用方便、检测速度快的集装箱内核材料及其它放射性物质检测装置。

本实用新型提供的集装箱内核材料及其它放射性物质检测装置，其特征在于包括一个主机箱1和一个副机箱2，一左一右相对而立。机箱的内表面附一层隔热保温材料。外壳为1.5毫米厚的铁板11。主机箱、副机箱尺寸相同，根据所用闪烁体的尺寸和个数不同确定机箱尺寸，优选为(220-280)厘米×(50-80)厘米×(20-25)厘米，机箱的面板用螺钉紧固在机箱的框架上，并在面板的四周加上密封垫圈。在主副机箱内对称设置2-4块长方形塑料闪烁体3，其尺寸为(70-100)厘米×(15-30)厘米×(4-5)厘米。在每块塑料闪烁体的一端或两端通过有机玻璃光导5与一个或两个光电倍增管4相耦合，每个光电倍增管的信号输出端与一个信号处理和控制单元6相连。每块塑料闪烁体除探测面及有光电倍增管的一端外，其它各表面都由1.0厘米厚的铅层7所包围。铅层用螺钉固定在箱体内的支承板上。暖风机8分置于主、副机箱内塑料闪烁体的下方。UPS电源9放在主机箱内塑料闪烁体的下方，供主、副机箱共用。报警指示灯12、工作指示灯13以及报警蜂鸣器14均安装在主机箱的面板上方。工作参数的设置键盘设在主机箱内的电子学机箱的面板上。

为了避免机箱直接接触地面，而使底部遭雨水浸泡以及为了适合集装箱的高度，可将机箱置于一个底座上。(底座可以做成水泥台或钢架的形式)

按照本实用新型提供的集装箱内核材料及其它放射性物质检测装置中，所述塑料闪烁体是例如ST401塑料闪烁体，它相对蒽晶体的发光效率为40％，发光衰减时间约为3ns，光谱主峰位为423nm，闪烁体表面涂氧化钛全反射层。每块塑料闪烁体相应设置一到两个光电倍增管，收集光信号。由于塑料闪烁体是长条形的，在其两端所产生的光在到达光电倍增管之前的衰减是有较大差别的。在离光电倍增管近的一端所产生的光在进入光电倍增管之前，其衰减比远的一端的小得多。这些光信号会通过光电倍增管及后面的放大器在输出端产生很大的电脉冲信号，为了使这些信号不致过大，在塑料闪烁体和光电倍增管之间设有机玻璃光导，使离光电倍增管近的一端所产生的光经过一定的衰减后再进入光电倍增管。

塑料闪烁体不仅可探测γ射线，也可探测快中子。快中子与塑料闪烁体中的轻物质(例如H)相互作用产生反冲质子，这些反冲质子会使塑料闪烁体的原子激发，受激原子在退激过程中发光，此光信号可通过光电倍增管变成电信号而被探测。对核材料钚而言，它不仅有γ射线放出，还有自发裂变中子放出。因此，采用塑料闪烁体作为探测器，对探测核材料钚更为有利。此外，塑料闪烁体还具有如下的优点：它不像碘化钠闪烁体那样易受周围环境(如温度、湿度)的影响，因此对其周围的环境要求不苛刻。对于室外使用的装置而言，这一点很重要。塑料闪烁体的体积可以做得比碘化钠闪烁体大得多，可获得高的探测灵敏度。

所述光电倍增管为例如直径为38mm，频谱响应范围为300-650nm，频谱响应的峰值波长为420nm，阳极暗电流约为3nA，最大不超过5nA，阳极灵敏度约为35A/lm，与塑料闪烁体匹配。该光电倍增管暗电流小，以利于减小噪声本底。考虑到核材料的放射性检测原理是基于辐射强度和辐射能量的测量，是工作在电压方式，闪烁体的发光时间相对较长，对时间响应要求不高，故光电倍增管各电极的分压方式采用均匀型分压方式。此外，考虑到这类探测器对线性要求不高，分压电阻采用高阻值选在兆欧量级，通常为100-500KΩ，以便减少分压电阻的发热和减少耗电。

所述信号处理和控制单元装置主要包括前置放大器、主放大器、单道分析器、单片机、液晶显示器、红外线探测器等。

由光电倍增管阳极输出的信号首先经前置放大器放大，再经主放大器放大。由主放大器输出的脉冲信号再经单道分析器进行幅度甄别后，形成逻辑脉冲被记录。四路单道分析器的输出送到一个单片机的定时计数器中进行计数。

考虑到各路塑料闪烁体、光电倍增管的工作状态以及前置放大器的放大倍数的差异，将每路主放大器的放大倍数和单道分析器的道宽设计成能分别单独调节，以保证每路都能工作在较好的工作状态。前置放大器、主放大器、单道分析器的电路图如图(2)、图(3)、图(4)所示。

影响装置的灵敏度的一个重要因素是放射性本底的高低。如果探测区域的本底较高，则会降低装置的探测灵敏度。本装置主要是探测γ射线，因此必须尽量降低γ射线本底。为此，在塑料闪烁体的非探测面(正对被测对象的面称之为探测面)围上1cm厚的铅板，用以降低来自非探测目标的其它γ射线。使用上述铅屏蔽后，本底γ射线可以降低到无屏蔽时的45％。其效果是较为明显的。

为了防雨、防尘，对装置的机箱采用了密封设计。在寒冷的天气工作时为防止温度过低，在主副机箱内各装一个暖风机，以保证在低温的环境下，机箱内的温度能维持在一个合适的范围内，同时还可用来除湿。为了保证机箱内的温度不致太高，在机箱的内表面加一层由绝热材料做成的隔热层，并将机箱的外表面做成浅色，通过上述措施，可以确保在炎热和寒冷的天气环境下，装置能正常工作。

为了在发生报警时给出声光报警显示以及在通常情况下给出工作状态显示，设置了报警显示灯、蜂鸣器和状态指示灯。

为了保证在停电时装置能继续运行，在机箱内部设有一个UPS备用电源。在停电的情况下，保证装置能继续连续运行2小时。

通常，在没有装载集装箱的车辆进入检测区域时，装置一直处于本底测量状态。只有当集装箱进入检测区域时，装置才由本底测量状态转入检测状态。而当集装箱离开检测区域时，装置又由检测状态转入本底测量状态(参见后面的检测方法部分)。为了获得集装箱到位和离位的信号，在检测装置的前、后各设有一对红外线探测器。当集装箱到达或离开检测区域时，红外线探测器都能输出一个控制信号给单片机，用来控制装置的工作状态。

单片机数据采集和控制系统

单片机数据采集和控制系统主要完成对输入脉冲信号的相加、展宽、计数、输入参数、显示和传输检测数据，同时接收红外传感器的信号以及控制闪灯和蜂鸣器等功能。它可对4路输入脉冲信号进行计数，并且要求每0.2秒采集一次数据，同时进行计算和判断。系统可以接收红外传感器的开关量信号输入，并根据输入的开关量信号的变化来改变流程。系统采用16*2字符型LCD显示系统状态和所获取的数据，可以通过键盘来对内部参数进行设置和修改，可以通过串行口向计算机发送数据。

单片机程序采用Franklin C51编写。由于采用C语言编程，使程序易于修改和维护。程序采用模块式编程，各个部分均写成子程序的形式，如：中断子程序，串行通讯子程序、键盘输入子程序，LCD显示子程序等。

在单片机进行检测时所有数据均通过RS-232C传送到计算机中进行显示、计算和保存。单片机程序采用查询的方式处理键盘的输入，如在检测过程中系统发现有键被按下，则判断是特殊功能键还是数字键，如果是数字键则返回继续进行检测；如果是特殊功能键，则判断是哪一个功能键被按下并执行相应的功能。

单片机系统采用移动平均检测法来实现对通过检测装置的集装箱进行快速检测，并做出是否携带放射性物质的判断。开始时，首先计算最初的80次本底计数的平均值。只要没有集装箱进入检测区域，一直进行本底计数。每次的本底计数值都存储在扩展内存中，并不断更新本底计数的平均值。只在有集装箱通过检测装置时才结束本底计数，转入检测计数。

一般情况下，检测计数被累积，每次都要更新，并同报警阀值比较。报警阀值是根据集装箱进入检测区域前最近的80次的本底计数的平均值来计算的。如果检测计数超过报警阀值则发出报警，报警时单片机系统通过继电器控制报警闪灯闪光和使蜂鸣器鸣叫。

在该系统的控制下，只要事先设置好运行参数，全部检测过程可以自动完成。

本实用新型提供的集装箱内核材料及其它放射性物质检测装置特点为：

1结构简单，性能优异，探测灵敏度较高，在集装箱行驶速度为18米/分，高浓铀细棒密集堆放，外加50毫米厚的钢板屏蔽的条件下，对高浓铀探测灵敏度为1050克。

2检测速度快，在一分钟内可完成对一个集装箱的检测。

3误报率低，在无核材料及其它放射性物质的情况下30,000次移动平均检测中，无一次报警。

4机箱及其内各元器件的尺寸和布局设计合理，装置结构紧凑、牢固。

5塑料闪烁体与光电倍增管之间的耦合工艺，保证了高的光耦合效率。

6进行了防潮、防尘和防冷冻设计。

7自动化程度高，使用方便。

8具有备用电源，在突然停电的情况下，可保证装置正常运行2小时。

本实用新型提供的集装箱内核材料及其它放射性物质检测装置可广泛应用于各种集装箱的检测，还可用于各种车辆的检测。

附图说明

图1为检测装置结构示意图

图2为前置放大器电路图

图3为主放大器线路图

图4为单道分析器线路图

具体实施方式

本实用新型用下列具体实施方案结合附图来进一步说明本实用新型，但本实用新型的保护范围并不限于具体实施方案。

集装箱内核材料及其它放射性物质检测装置包括一个主机箱1和一个副机箱2，一左一右相对而立。主副机箱内对称设置2-4块长方形塑料闪烁体3。闪烁体的尺寸为100×15×4厘米³。在每块塑料闪烁体的一端通过有机玻璃光导5与在其上的一个光电倍增管4相耦合。每个光电倍增管的信号输出端与一个信号处理和控制单元6相连。光电倍增管的直径为38mm，频谱响应范围为300-650nm，峰值波长为420nm，阳极暗电流约为3nA，阳极灵敏度为35A/lm。每块塑料闪烁体除探测面及有光电倍增管的一端外，其它各表面都有1.0cm厚的铅层7所包围，铅层用螺钉固定在箱体的支撑板上；暖风机8分别设在主副机箱内的塑料闪烁体下方，报警指示灯12，工作指示灯13及报警蜂鸣器均安装在主机箱的面板上方(见图1)。

装置的检测流程是：在没有车辆通过检测区域时，检测系统处于准备状态，连续地以设定的时间间隔测量环境本底计数，同时进行自检，并按最近的本底计数计算平均本底，同时设定报警阈值。当有车辆进入检测区域时，探测车辆进入的红外对射传感器会给出信号，使检测系统停止本底测量而进入检测状态，在每个设定的时间间隔内测量一个数据，并且每当有一个新的测量数据产生时，都按移动平均法计算出最新的移动平均值。若在检测过程中，有移动平均值超过预先设定的报警阀值，便发出报警。当被检测车辆驶出探测区域(探测车辆驶出的红外对射传感器会给出信号)，而后面没有车辆继续要接受检测时，系统便回到测本底状态。全部运行程序可由一单片机或微机来执行。

装置的检测灵敏度：

用本装置对真实的高浓铀、低浓铀、高浓钚和铯137放射源进行了检测试验，测得的检测灵敏度分别列于表1、2、3、4。

表1.对高浓铀(U-235富集度为90％)细棒(φ6×248)的检测灵敏度

表2.对低浓铀(铀235富集度为2.8％的U₃O₈)的检测灵敏度

表3.对高浓钚(钚-239的富集度为90％)的检测灵敏度

表4.对铯137放射源的检测灵敏度

Claims (4)

1一种集装箱内核材料及其它放射性物质检测装置，其特征在于包括一个主机箱(1)和一个副机箱(2)，一左一右相对而立，机箱内表面附一层泡沫塑料隔热保温材料，外壳为1.5毫米厚的铁板，机箱的面板用螺钉紧固在机箱的框架上，在面板的四周加有密封垫圈；在主副机箱内对称设置2-4块长方形塑料闪烁体(3)，其尺寸为220-280厘米×50-80厘米×20-25厘米，在每块塑料闪烁体的一端或两端通过有机玻璃光导(5)与一个或两个光电倍增管(4)相耦合，每个光电倍增管的信号输出端与一个信号处理和控制单元(6)相连；每块塑料闪烁体除探测面及有光电倍增管的一端外，其它各表面都由1.0厘米厚的铅屏蔽层(7)所包围，铅屏蔽层用螺钉固定在箱体内的支承板上；暖风机(8)置于主、副机箱内塑料闪烁体的下方，UPS电源(9)放在主机箱内塑料闪烁体的下方，为主、副机箱所共用；报警指示灯(12)、工作指示灯(13)以及报警蜂鸣器(14)均安装在主机箱的面板上方。

2根据权利要求1的集装箱内核材料及其它放射性物质检测装置，其特征在于所述塑料闪烁体相对蒽晶体的发光效率为40％，发光衰减时间约3ns，光谱主峰位为423nm，闪烁体表面涂氧化钛全反射层。

3根据权利要求1的集装箱内核材料及其它放射性物质检测装置，其特征在于所述光电倍增管直径为38mm，频谱响应范围为300-650nm，频谱响应的峰值波长为420nm，阳极暗电流约为3-5nA，阳极灵敏度为35A/1m，均匀型分压方式，分压电阻为兆欧姆量级。

4根据权利要求1的集装箱内核材料及其它放射性物质检测装置，其特征在于所述信号处理和控制单元包括前置放大器、主放大器、单道分析器、单片机、液晶显示器、红外线探测器。

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