阅读说明：本技术 辐射探测装置及系统 (Radiation detection device and system ) 是由 姜浩 王侃 李硕 王浩 于 2020-07-03 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种辐射探测装置及系统,包括放射源、辐射探测器、处理器以及外壳,放射源被配置为发射中子射线,闪烁体被配置为接收伽马射线并将伽马射线转换为可见光光子,光电转换器与闪烁体耦合并将可见光光子转换为电脉冲信号,电子采样器件被配置对电脉冲信号进行采样；处理器被配置为分别与放射源和辐射探测器连接；放射源、辐射探测器以及处理器容置于密封的外壳内。本发明容许放射源以及电子器件开通的时间更长,有利于获取到更为精确、更加连续的数据,在高环境温度下性能依然稳定。(The invention provides a radiation detection device and a radiation detection system, which comprise a radioactive source, a radiation detector, a processor and a shell, wherein the radioactive source is configured to emit neutron rays, a scintillator is configured to receive gamma rays and convert the gamma rays into visible light photons, a photoelectric converter is coupled with the scintillator and converts the visible light photons into electric pulse signals, and an electronic sampling device is configured to sample the electric pulse signals; the processor is configured to be connected with the radiation source and the radiation detector respectively; the radiation source, radiation detector and processor are housed within a sealed enclosure. The invention allows the radioactive source and the electronic device to be opened for a longer time, is beneficial to acquiring more accurate and continuous data, and has stable performance under high environmental temperature.)

辐射探测装置及系统

技术领域

本发明涉及高能射线探测领域，更具体地涉及一种辐射探测装置及系统。

背景技术

地质勘探中可以通过电、声、放射等多种方式获取地层的物理参数，进一步通过数据解析获取油气信息。核测井是一种常见的地质勘探技术，其包括中子测井技术。中子测井采用放射源发出高能射线，然后探测高能射线与地层元素反应后返回的射线，比如伽马射线，通过解析射线对应的信号中包含的信息可以分析相应的地层信息。

现有技术中需要采用深入井下的辐射探测器进行探测，辐射探测器受热量影响严重，若增加隔热的外壳，在数据采集过程中会使得内部空间升温过快，影响数据采集的准确性，同时会导致温度过高而不能正常工作，工作时长过短。

因此，有必要开发一种性能稳定、适用性强同时成本低廉的探测装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种辐射探测装置及系统，从而解决现有技术中探测器性能不稳定、适用性不强或者成本过高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供的辐射探测装置，包括放射源、辐射探测器、处理器以及外壳，其中，所述辐射探测器包括闪烁体、光电转换器以及电子采样器件，所述闪烁体被配置为接收伽马射线并将所述伽马射线转换为可见光光子，所述光电转换器与所述闪烁体耦合并将所述可见光光子转换为电脉冲信号，所述电子采样器件被配置对所述电脉冲信号进行采样；所述处理器被配置为分别与所述放射源和所述辐射探测器连接；所述放射源、所述辐射探测器以及所述处理器容置于密封的所述外壳内。

根据本发明的一个实施例，所述闪烁体的衰减时间不高于100ns。

根据本发明的一个实施例，所述闪烁体的相对光输出高于碘化钠闪烁体的光输出。

根据本发明的一个实施例，所述电子采样器件被配置为通过多电压阈值采样方法对所述电脉冲信号进行采样。

根据本发明的一个实施例，所述电子采样器件包括比较器以及转换器，其中，所述比较器被配置为将所述电脉冲信号的幅值与电压阈值进行比较，并输出对应的比较结果；所述转换器被配置为根据所述比较结果记录时间点数据，并将记录的时间点数据提供给所述处理器进行数据分析处理。

根据本发明的一个实施例，所述处理器被配置为同时控制所述放射源和所述辐射探测器的工作状态。

根据本发明的一个实施例，所述辐射探测装置进一步包括传感器，所述传感器分别与所述处理器以及所述电子采样器件连接，所述传感器被配置为测量所述电子采样器件的供电电压以及所述辐射探测器的信号增益。

根据本发明的一个实施例，所述传感器包括温度传感器。

根据本发明的一个实施例，所述辐射探测器至少为两个，每个所述辐射探测器分别与所述处理器以及所述电子采样器件连接。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括包括低温区域，所述低温区域位于所述外壳内并与所述放射源、所述处理器以及所述辐射探测器隔开，所述低温区域向所述外壳内发生热传递。

根据本发明的一个实施例，所述低温区域通过导热器向所述外壳内部发送热传递。

根据本发明的一个实施例，所述导热器为异形导热片。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括包括冷却器，所述冷却器位于所述外壳内并被配置为向所述处理器、所述电子采样器件发生热传递。

根据本发明的一个实施例，所述冷却器通过导热器向所述外壳内部发送热传递。

根据本发明的一个实施例，所述导热器为异形导热片。

根据本发明的一个实施例，所述导热器至少两个。

本发明还提供了一种辐射探测系统，所述辐射探测系统包括上位机以及如上述任一实施例所述的辐射探测装置，所述上位机通过通信线缆与所述处理器密封连接。

本发明提供的辐射探测装置及系统，容许放射源以及电子器件开通的时间更长，有利于获取到更为精确、更加连续的数据，在高环境温度和600KeV～10MeV宽射线能量范围下性能依然稳定，能够获得更准确的探测信息。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的辐射探测装置的平面布置示意图；

图2是根据本发明另一个实施例的辐射探测装置的平面布置示意图；

图3是根据本发明又一个实施例的辐射探测装置的平面布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例所提供的辐射探测装置及系统进行详细说明。

图1示出了一种辐射探测装置，该装置包括处理器1、辐射探测器2、放射源3和外壳10，处理器1、辐射探测器2以及放射源3均设置于外壳10内，处理器1分别与辐射探测器2以及放射源3连接，处理器1用于控制放射源3的工作状态，比如控制放射源3发射中子或者中断发射，处理器1同时用于控制辐射探测器2并接收辐射探测器2所探测到的射线信号；放射源3可以根据处理器1的指令发射中子或者中断发射；辐射探测器2可以根据处理器1的指令探测伽马射线，将其转化为电信号并发射给处理器1进行处理。处理器1可以通过多个接口分别连接放射源3和辐射探测器2，或者通过一个固定的接口再分别连接放射源3和辐射探测器2。

具体地，处理器1被配置为能够发射控制指令并处理电信号的任何处理器或者控制器，比如，FPGA芯片或者MCU等。处理器1优选的采用耐高温材料制作，从而适应石油勘探中井下的高温环境。

辐射探测器2被配置为能够将伽马射线转换为电信号的任何辐射探测器。比如，辐射探测器2可以包括闪烁体、光电转换器以及电子采样器件，其中，闪烁体和光电转换器相互耦合，电子采样器件与光电转换器连接，闪烁体用于接收伽马射线并将这些伽马射线转换为可见光，光电转换器用于将可见光转换为电信号，电子采样器件用于采集这些电信号，电子采样器件也可以进一步对采集的电信号进行去噪、数据打包等处理。

辐射探测器2优选地采用闪烁体辐射探测器，从而适应不同种类以及不同剂量率条件下的探测，比如，在本发明中，闪烁体可以选择相对光输出高于100％的闪烁体，其具有高光输出和短衰减时间的特点，比如溴化镧、氯化镧等闪烁体。值得注意的是，“相对光输出”是相对于碘化钠闪烁体而言，当高能射线入射并将能量沉积到闪烁体内时，会产生大量光子，而这些光子数和能量很难同时测量，因此采用相对于碘化钠闪烁体的光输出来标记其它闪烁体的性能，在测定时，标准碘化钠闪烁体的发光作为基准值100％，进一步标定被测闪烁体样品的相对值。“高光输出”和“短衰减时间”是针对现有技术而言相对的性能特点，例如，碘化钠闪烁体的相对光输出为100％，溴化镧闪烁体的相对光输出为178％左右，则溴化镧闪烁体具有相对的高光输出的特点；碘化钠闪烁体的衰减时间为250ns左右，溴化镧闪烁体的衰减时间为18ns左右，则溴化镧闪烁体具有相对的短衰减时间的特点。采用相对的高光输出和短衰减时间，有利于获得更准确的探测数据，防止信号堆积引起辐射探测器死机，或者防止信号采集时升温过快，这是由于衰减时间极大地制约了闪烁体将高能射线转化为可见光光子的能力，进而制约了信号采集的准确性。本领域技术人员可以根据具体的探测需求选择合适的相对光输出和衰减时间，在此不再赘述。另外，为了适应石油勘探中井下的高温高磁环境，光电转换器优选地采用耐高温材料，比如，可以在175℃或者更高的温度下正常工作的PMT。

电子采样器件被配置为能够将电信号数字化的任何器件，比如PCB板电路控制器件或者不同的数字化模块，包括MVT(Multi-VoltageThreshold，多电压阈值，简称MVT)数字化模块或者TOT(time over threshold)数字化模块等。完成采样后，电子采样器件可以将这些数字化信号发送至处理器1进行处理。

为了辐射探测装置能够以优良的状态兼顾探测不同剂量率条件下的伽马射线，电子采样器件优选地采用多电压阈值采样方法完成电脉冲信号的采样，通常情况下，伽马射线被闪烁体转化后产生的电脉冲信号具有相对快速的上升沿和相对缓慢的下降沿，由于探测时，在同一时间会产生不计其数的电脉冲信号，这些信号堆积在一起，使用传统的等时间间隔采样的方法已经无法区分所采集的时间、电压信息对归属于哪个电脉冲信号，因此无法在这种情况下使用。而多电压阈值采样方法通过设置多个电压阈值，比如3个，分别记为V1、V2、V3，通过比较器记录电脉冲信号越过这些电压阈值的时间，采用时间数字转换器将相应的时刻数字化，此时，将会产生6个采样点，每一个采样点对应电压、时间的数字信息，比如，(V₁、T₁₁)、(V₂、T₂₁)、(V₃、T₃₁)、(V₃、T₃₂)、(V₂、T₂₂)和(V₁、T₁₂)，其中前3对数字信息在脉冲的上升沿，后3对数字信息在脉冲的下降沿。电压阈值的数量通常需要与比较器的数量对应，每个比较器对应一个电压阈值。通过MVT采样可以解决短时间内到达大量电脉冲信号引起的信号叠加的问题，解决系统信息采集不准确和处理器发热过快的问题。

因此，电子采样器件可以配置为包括比较器以及转换器，其中，比较器可以配置为将辐射探测器响应于所接收到的光子而输出的待测电脉冲信号的幅值与电压阈值进行比较，并输出对应的比较结果；转换器可以配置为根据比较结果记录时间点数据，并将记录的时间点数据提供给后端连接的处理器1进行数据分析处理，处理器将时间点数据拟合还原得到数字化的脉冲信号，并可以通过该数字化的脉冲信号获取电脉冲信号相关的信息，比如能量信息提取等。当电子采样器件完成上述电脉冲信号的采样之后，可以根据时间数据以及电脉冲信号的幅度与其所对应的能量之间的关系进行数据分析处理，比如，脉冲信号还原、时间、能量、位置信息提取等，这属于本领域技术人员容易实现的，在此不再赘述。

放射源3被配置为产生中子射线，比如同位素放射源、加速器放射源或者反应堆放射源，优选地，放射源3采用小型便携式的放射源以降低成本。

外壳10由于需要进入高温高湿高磁的复杂地质环境中，因此需要外壳10具有高强度、耐高温、密封性以及磁屏蔽等性能。优选地，耐高温性能指外壳可以耐受500℃的温度，从而尽可能避免使内部的器件升温过快。

根据本发明的一个实施例，辐射探测装置还可以包括传感器4，，传感器4分别与处理器1、电子采样器件连接，传感器4被配置为用于获取温度传感器的数据以监控环境温度的变化，同时可以被配置为测量电子采样器件中的供电电压以及辐射探测器的信号增益，传感器4获取的此类数据可以进一步发送至处理器1并接受处理器1的指令进行工作。传感器4可以是能够实现上述功能的任何器件，比如PCB板电路控制器件，在此不再赘述。

另外，在图1的实施例中，外壳10内部具有一低温区域5，该低温区域5与处理器、辐射探测器、传感器和放射源隔离开，低温区域5上可以设置导热器8，低温区域5在密闭的外壳10内部提供一个冷源，通过导热器8可以实现外壳10内部的电子器件的热量与低温区域5之间的热传递，从而克服了密闭的外壳10内部的电子器件(比如，处理器1、电子采样器件等)在工作时引起密闭空间内温度快速升高的问题，通过热传递延缓了电子器件温度升高的时间，提高辐射探测器在地下能够正常工作的时间。

进一步地，根据本发明的一个实施例，辐射探测装置还可以配置为与上位机7一起形成辐射探测系统，其中，上位机7为辐射探测系统的总控制中心，其与辐射探测装置中的处理器1之间通过通信电缆连接，该通信电缆可以穿过外壳10并与外壳10之间保持密封配合。上位机7用于监控或者处理辐射探测系统的工作状态和/或向辐射探测系统的各个部件发送工作指令，从而储存、分析处理器1所发送的探测数据并且监控探测装置的部件工作状态，或者向探测装置发送指令以使探测装置开始或者暂停工作。上位机7还可以控制传感器4，使其调节输出的电脉冲信号的增益，从而可以使得探测装置的探测结果更加准确。

根据本发明的另一个实施例，如图2所示，与图1的实施例相比，其中相同或者相似的部件通过增加“'”的附图标记进行标示，比如处理器1'，以下仅描述与图1的实施例相比不同之处。在图2的实施例中，辐射探测装置的外壳10'内设置有两个辐射探测器2'，两个辐射探测器2'分别与处理器1'连接，电子采样器件分别与两个辐射探测器2'连接，每个辐射探测器2'的结构和功能均与图1中所述相同，处理器1'和电子采样器件可以分别控制或者监控两个辐射探测器2'的工作，这一方面可以防止探测装置在探测过程中某一辐射探测器突然失灵，保证探测过程仍然可以进行，另一方面可以增加探测到的数据的多元性，两个辐射探测器的数据可以互补，使得探测结果更加准确。

根据本发明的另一个实施例，如图3所示，与图1的实施例相比，其中相同或者相似的部件通过增加“"”的附图标记进行标示，以下仅描述与图1的实施例相比不同之处。在图3的实施例中，外壳10"内部具有多个制冷器5"，制冷器5"与处理器、辐射探测器、传感器和放射源隔离开，制冷器5"上可以设置导热器8"，制冷器5"在密闭的外壳10"内部提供一个冷源，通过导热器8"可以实现外壳10"内部的电子器件的热量与制冷器5"之间的热传递，从而克服了密闭的外壳10"内部的电子器件(比如，处理器1"、电子采样器件等)在工作时引起密闭空间内温度快速升高的问题，通过热传递延缓了电子器件温度升高的时间，提高辐射探测器在地下能够正常工作的时间

另外，本领域技术人员应当理解的是，每一个冷却器/低温区域上均可以设置多个导热片，每一个导热片的形状可以根据需要进行匹配设置，比如，导热片可以设置为异形导热片以增大导热面积，提高热平衡效果，导热片也可以设置为分别靠近发热电子器件，比如，分别靠近处理器以及电子采样器件设置，从而以尽可能高的效率实现热传递，尽可能长的延长密闭空间内温度升的过高的时间。

本发明实施例还提供了一种辐射探测系统，其可以包括上述实施例中的辐射探测装置，该辐射探测系统可以根据辐射探测装置的探测结果进行分析处理，从而可以实现地质资源勘探的目的。关于数据分析处理如何进行图像重建处理的具体过程，可以参照现有技术中的相关描述，在此不再赘叙。

本发明提供的辐射探测装置/系统在进行探测时，将辐射探测装置通过通信线缆放置于井下，通过总控制器发出工作指令使得放射源开始工作，释放中子射线，当地层中有石油或者其它气体资源时，中子射线与氢核相碰撞时，由于两者质量相近，快中子的大部分动能传递给氢核而变成了慢中子，后者易被各种物质的原子核俘获，释放出大量伽马射线，这些伽马射线随机的向四周发射并且可以被辐射探测器接收，通过分析探测数据即可判断地质层中的构造。

本发明提供的辐射探测装置/系统容许放射源以及电子器件开通的时间更长，有利于获取到更为精确、更加连续的数据，在高环境温度和600KeV～10MeV宽射线能量范围下性能依然稳定，能够获得更准确的探测信息。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。