一种便携式核放射性物质检测系统及检测方法
阅读说明：本技术 一种便携式核放射性物质检测系统及检测方法 (Portable nuclear radioactive substance detection system and detection method ) 是由 李岩 赵弘韬 赵孝文 李钢 杨斌 杨仲秋 王强 于 2019-11-21 设计创作，主要内容包括：一种便携式核放射性物质检测系统及检测方法属于核检测技术领域；手持设备由于使用者本身的操作局限性,核安保不全面；本系统包括集成高压模块依次与闪烁探测器、脉冲放大器、甄别成形模块和微处理器连接,微处理器分别与计数/计量显示模块、报警灯和电量显示模块连接；电源管理芯片、集成高压模块、脉冲放大器、甄别成形模块、微处理器、锂电池、闪烁探测器安装在外套筒内,报警灯安装在外套筒上端,计数/计量显示模块和电量显示模块安装在外套筒的前后两侧上部,外套筒的下端通过连接环与底座连接；本系统能与隔离带栏杆组成检测通道,满足核安保要求；本方法通过本系统相结合进行放射性物质检测,对出入人员及设备进行实时在线检测方法。(A portable nuclear radioactive substance detection system and a detection method belong to the technical field of nuclear detection; the handheld device is not comprehensive in security and protection due to the operation limitation of a user; the system comprises an integrated high-voltage module, a scintillation detector, a pulse amplifier, a discrimination forming module and a microprocessor, wherein the integrated high-voltage module is sequentially connected with the scintillation detector, the pulse amplifier, the discrimination forming module and the microprocessor, and the microprocessor is respectively connected with a counting/metering display module, an alarm lamp and an electric quantity display module; the power supply management chip, the integrated high-voltage module, the pulse amplifier, the screening and forming module, the microprocessor, the lithium battery and the scintillation detector are arranged in the outer sleeve, the alarm lamp is arranged at the upper end of the outer sleeve, the counting/metering display module and the electric quantity display module are arranged at the upper parts of the front side and the rear side of the outer sleeve, and the lower end of the outer sleeve is connected with the base through a connecting ring; the system can form a detection channel with the isolation belt handrail, and meets the requirement of nuclear security; the method is a real-time online detection method for personnel and equipment in and out through radioactive substance detection by the combination of the system.)
技术领域
本发明属于核检测技术领域，尤其涉及一种便携式核放射性物质检测系统及检测方法。
背景技术
在通常的***行动中，幸存者将得到救援和治疗，恐怖行动后未受害者不会再受到危险。袭击可能引导起心理上冲击或恐吓，但这种影响在时间和空间上是有限度的；恐怖行动产生的尘埃可以扩散，火灾、建筑物毁损也可带来危险，但这些物质无固有的危险；清理工作局限于一定范围，发生事件的紧邻场所是安全的，可采用通常方法进行法律性调查。这类事件不会阻止有关当局提供正常的政务服务。
当放射性物质散布装置***时(核脏弹)，情况就不同，由于放射性物质污染外伤，使伤亡者的处理十分困难，袭击发生后即刻幸免外伤的人员仍有伤亡的可能性；***生成的弹片以及其他通常无害的物料将被放射性物质污染，受影响的地区要比肇事现场大得多。不能直观见到的长期健康影响以及不能作肯定性判断的辐射威胁将导致公众产生恐慌，最终扰乱社会秩序。
核与辐射恐怖威胁的两种典型手段：简单核装置和放射性散布装置(核脏弹或RDD)。今天仅在前苏联就有成千上万吨的武器级核材料，再加上数以万计的具有放射性的物质和大量的孤儿源。在如此众多的放射性物质中，即便是有极微小的部分落入***手中，也将会对人类社会造成无法想象的危害。
加强核安保是防止涉核事故及核***发生的最有效方法。核安保包括3个基本要素，分别是探测(detection)、延迟(delay)和响应(response)。其中，探测是指探知核安保事件发生并发出报警的技术手段；延迟是指能够延缓或阻止敌手实施行动的技术手段；响应是为终止核安保事件的发展而采取的快速行动。3个要素当中探测最为重要，只有发现放射性物质才能杜绝涉核事故的发生，放射性物质的检测是核安保工作开展的基础。
目前只有在安保级别极高的场合(如重要领导人或外宾参加的会议)才会有安保人员手持辐射剂量仪器进行核安保的检查，但是手持设备由于使用者本身的操作局限性，无法满足真正的核安保要求。
发明内容
本发明克服了上述现有技术的不足，提供一种便携式核放射性物质检测系统及检测方法，本系统采用闪烁探测器与供电锂电池一体化的立柱式结构设计，能与隔离带栏杆组成检测通道，可快速部署在核设施、边防口岸、地铁、机场、大型会议活动等重要场所的出入口使用，真正地满足了核安保要求；本方法通过本系统相结合的方式进行放射性物质检测，对出入人员及设备是否含有放射性进行实时在线检测方法。
本发明的技术方案：
技术方案一
一种便携式核放射性物质检测系统，包括锂电池、电源管理芯片、集成高压模块、闪烁探测器、脉冲放大器、甄别成形模块、微处理器、计数/计量显示模块、报警灯和电量显示模块；所述锂电池的输出端通过电源管理芯片分别向集成高压模块提供+12V电源，向脉冲放大器提供+12V电源和-12V电源，向甄别成形模块提供+5V电源，向微处理器提供+3.3V电源；所述集成高压模块的输出端依次与闪烁探测器、脉冲放大器、甄别成形模块和微处理器连接，所述微处理器的输出端分别与计数/计量显示模块、报警灯和电量显示模块连接；
所述电源管理芯片、集成高压模块、脉冲放大器、甄别成形模块和微处理器均设置在电路板上，所述锂电池、闪烁探测器和电路板安装在外套筒内，所述报警灯安装在外套筒上端，所述计数/计量显示模块和电量显示模块安装在外套筒的前后两侧上部，所述外套筒的下端通过连接环与底座连接，所述底座上设置有通讯口插座、电源开关、电池充电插座和天线插座，所述通讯口插座、电源开关、电池充电插座和天线插座均与微处理器连接；
所述闪烁探测器包括碘化钠闪烁体和两个光电倍增管，所述碘化钠闪烁体安装在两个光电倍增管之间；所述光电倍增管是包括光电阴极、倍增极和阳极的玻璃真空器件。
进一步地，所述锂电池、闪烁探测器和电路板安装在一起，所述闪烁探测器的加长闪烁体安装在最上方，电路板安装在中间位置，锂电池安装在最下方。
进一步地，所述外套筒为立式圆柱形结构，外径为80mm，高为1200mm。
进一步地，还包括底盘，所述底盘固定安装在底座下方，用于使底座直立和更加稳定。
技术方案二
一种基于技术方案一所述一种便携式核放射性物质检测系统实现的检测方法，包括以下步骤：
步骤a、开启电源开关，锂电池为各个模块进行供电；
步骤b、闪烁探测器探知γ射线，输出的负极性脉冲信号；
步骤c、由于所述负极性脉冲信号幅度小，通过脉冲放大器进行反相放大；
步骤d、放大的正极性脉冲信号经甄别成形模块将幅度参差不齐的脉冲信号整形为幅度均整齐的正脉冲信号；
步骤e、所述整齐的正脉冲信号经过微处理器进行数据处理、运算与判断，通过微处理器进行参数设定和修改，当计数或剂量超过设定阈值时，通过报警灯报警；当计数超过剂量换挡分界值时，自动改换标定常数进行运算并通过计数/计量显示模块显示；通过电量显示模块实时显示锂电池的剩余电量。
进一步地，步骤b中所述闪烁探测器探知γ射线的方法包括入射到碘化钠闪烁体上的γ射线使碘化钠闪烁体电离和激发，通过电离辐射而损失能量；被激发的原子或分子退激时发射荧光，即光子，碘化钠闪烁体吸收的能量部分转为光能；光子通过光学玻璃窗口被收集到光电倍增管的光电阴极上；被收集的光子在光电阴极上通过光电效应产生光电子；光电子通过倍增极和递增的加速电场依次倍增；倍增的大量电子最后被阳极收集并在外负载电阻上形成可观测的负极性脉冲电信号。
进一步地，通过报警灯进行报警的方法包括假定当地的天然放射性最大的本底计数率为nb，计数率的报警阈ny按下式计算出：
按上式求出当量剂量率的报警阈
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
本发明提供了一种便携式核放射性物质检测系统及检测方法，本系统采用闪烁探测器与供电锂电池一体化的立柱式结构设计，能与隔离带栏杆组成检测通道，可快速部署在核设施、边防口岸、地铁、机场、大型会议活动等重要场所的出入口使用，具有便携和快速部署的功能，满足了真正的核安保要求；并且能对弱放射性物质快速响应，最大程度地控制涉核事故的发生；
本方法以核物理测量原理为基础，采用双路光电倍增管碘化钠闪烁体辐射探测器与多路脉冲信号采集相结合的方式进行放射性物质检测，对出入人员及设备是否含有放射性进行实时在线检测方法。
附图说明
图1是本发明电气组成框图；
图2是本发明外观结构图；
图3是闪烁探测器结构图。
图中；1-锂电池、2-电源管理芯片、3-集成高压模块、4-闪烁探测器、41-碘化钠闪烁体、42-光电倍增管、5-脉冲放大器、6-甄别成形模块、7-微处理器、8-计数/计量显示模块、9-报警灯、10-电量显示模块、11-外套筒、12-连接环、13-底座、14-底盘。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
具体实施方式一
一种便携式核放射性物质检测系统，如图1所示，包括锂电池1、电源管理芯片2、集成高压模块3、闪烁探测器4、脉冲放大器5、甄别成形模块6、微处理器7、计数/计量显示模块8、报警灯9和电量显示模块10；所述锂电池1的输出端通过电源管理芯片2分别向集成高压模块3提供+12V电源，向脉冲放大器5提供+12V电源和-12V电源，向甄别成形模块6提供+5V电源，向微处理器7提供+3.3V电源；所述集成高压模块3的输出端依次与闪烁探测器4、脉冲放大器5、甄别成形模块6和微处理器7连接，所述微处理器7的输出端分别与计数/计量显示模块8、报警灯9和电量显示模块10连接；
如图2所示，所述电源管理芯片2、集成高压模块3、脉冲放大器5、甄别成形模块6和微处理器7均设置在电路板上，所述锂电池1、闪烁探测器4和电路板安装在外套筒11内，所述报警灯9安装在外套筒11上端，所述计数/计量显示模块8和电量显示模块10安装在外套筒1的前后两侧上部，所述外套筒11的下端通过连接环12与底座13连接，所述底座13上设置有通讯口插座、电源开关、电池充电插座和天线插座，所述通讯口插座、电源开关、电池充电插座和天线插座均与微处理器7连接；所述计数/计量显示模块8和电量显示模块10等显示部件设置在上部便于观察，通讯口插座、电源开关、电池充电插座和天线插座等操作部件设置在下部便于隐蔽；
如图3所示，所述闪烁探测器4包括碘化钠闪烁体41和两个光电倍增管42，所述碘化钠闪烁体41安装在两个光电倍增管42之间；所述光电倍增管42是包括光电阴极、倍增极和阳极的玻璃真空器件。
具体地，所述甄别成形模块包括电压比较器；在电压比较器的反相输入端连接一个可调的阀电压Vy，所述只能大于Vy的放大信号有整形输出，小于Vy时无输出，能够有效地去掉小幅度的噪声和干扰信号。
具体地，所述锂电池1、闪烁探测器4和电路板安装在一起，所述闪烁探测器4的加长闪烁体安装在最上方，电路板安装在中间位置，锂电池1安装在最下方。
具体地，所述锂电池1为12.6V的锂电池，容量为30Ah，电池电压经电源管理芯片2产生各模块所需的工作电压，并且能够节约用电。
具体地，所述外套筒11为立式圆柱形结构，外径为80mm，高为1200mm。
具体地，还包括底盘14，所述底盘14固定安装在底座13下方，用于使底座13直立和更加稳定。
具体地，所述报警灯通过卡扣固定在外套筒上11。
具体地，关机充电，电量显示模块10上下共10条暗线，刚充满电最上一条亮，随着使用时间亮线逐渐下移，当移到倒数第二条时亮线闪动，报警电量不足。为防止电池过度放电，此时应关机充电，专用充电器的二芯插头插到立柱下方底座右边的充电插座上，电源插头接到市电上即开始充电，充电器红灯亮，红变绿表示已充满，至少需12h。
具体地，所述微处理器7为单片机，采样时间为1秒，实时更新显示部件的画面，具有下列功能：
1、参数设定和修改功能，参数包括标定常数和报警阈，可电擦除、电设定、电修；
2、运算与判断功能，采集的计数通过适当计算公式自行换算成剂量，当计数或剂量超过设定阈值时要给出报警开关信号；当计数超过剂量换挡分界值时可自动改换标定常数进行运算并显示；
3、剂量标定前，画面显示内容为计数率cps，每秒更新一次，报警阈可按大于天然本底计数率的某一数值进行设置，超阈可报警；
4、剂量标定后并设定好标定常数，画面显示内容为当量剂量率，单位为μSv/h，每秒更新一次，报警阈可按大于天然本底剂量率的某一数值进行设置，超阈可报警；
5、超阈报警功能，标定前后均可启动声、光同时报警，只是比较判定的内容不同。
具体地，在本系统预留扩展口，实现远程控制与监控，具体包括在监控软件中设置甄别阈等信息，与主控进行数据信息交互，一方面既控制采集器阈值，采集器通道的选择等，又接收到微处理器传上来的计数率信息，进行分析处理。另外，监控软件还实现了计数率谱线显示，历史数据的提取与保存。
本系统采用闪烁探测器4与供电锂电池1一体化的立柱式结构设计，能与隔离带栏杆组成检测通道具有便携和快速部署的能力，主要针对边防口岸、地铁、机场、大型会议等重要场所的核安保应用，对进出人员是否携带放射性物质进行监测。它在有效控制核材料，防止核扩散，防止核恐怖活动方面能起重要作用。只要将这种装置部署于人员必经的出入口处，当携带放射性物质诸如携带60Co、137Cs等放射性同位素或在医院注射过核药物(如碘-125粒子源、氟-18造影剂等)的人员通过装置时，便会发出声光报警，并通过数据监控软件进行记录存储，实现软件远程联网记录相关信息，发出辐射超限声光报警并输出监测报告。
本系统的探测效率能够在数秒以内快速检测出入人员是否携带放射性物质，相对手持辐射剂量仪安检方法，不仅高效全面，也极大地降低了测量者的专业要求。本系统设计采用多路脉冲和符合计数与超长碘化钠晶体相结合的方法来提高探测效率，使其对于弱放射性物质以及被高度屏蔽的放射源也具有较高的探测效果。
本装置能够实现下列指标：
(1)测量方法：直立定点非接触测量；
(2)测量灵敏区域：半径为1米的半圆扇形区域；
(3)启动时间：小于5s，仪器开启电源即刻显示计数率或剂量率；
(4)能量响应范围：30keV～3MeV；
(5)剂量率响应范围：0.1μSv/h～100μSv/h，下限对应的计数率远大于本底计数率标准误差的3倍，探测下限可靠，上限对应的计数率不会引起计数率过载；
(6)入射角响应Rα：<15％；
(7)灵敏度一致性：<30％；
(8)报警响应时间：1s，设备受源照射后即刻报警；
(9)报警方式：断续/连续声光报警；
(10)误报警率：在天然环境本底下，连续工作8h误报次数为零；
(11)漏报警率：用241Am低能γ源距立柱0.5m处左右匀速移动照射时，剂量显示值均超过报警阈；
(12)变异系数(瞬时稳定性与长期稳定性)：相对标准差均小于5％；
(13)相对误差：立柱与标准剂量仪器比对测量的相对误差小于30％；
(14)外形尺寸：立柱底座
(15)重量：立柱9Kg,底座9Kg；
(16)功耗：静态耗电约80mA，报警时耗电约200mA。
具体实施方式二
一种基于具体实施方式一所述一种便携式核放射性物质检测系统实现的检测方法，包括以下步骤：
步骤a、开启电源开关，锂电池1为各个模块进行供电；
步骤b、闪烁探测器4探知γ射线，输出的负极性脉冲信号；
步骤c、由于所述负极性脉冲信号幅度小，通过脉冲放大器5进行反相放大；
步骤d、放大的正极性脉冲信号经甄别成形模块6将幅度参差不齐的脉冲信号整形为幅度均整齐的正脉冲信号；
步骤e、所述整齐的正脉冲信号经过微处理器7进行数据处理、运算与判断，通过微处理器7进行参数设定和修改，当计数或剂量超过设定阈值时，通过报警灯9报警；当计数超过剂量换挡分界值时，自动改换标定常数进行运算并通过计数/计量显示模块8显示；通过电量显示模块10实时显示锂电池1的剩余电量。
具体地，步骤b中所述闪烁探测器4探知γ射线的方法包括入射到碘化钠闪烁体41上的γ射线使碘化钠闪烁体41电离和激发，通过电离辐射而损失能量；被激发的原子或分子退激时发射荧光，即光子，碘化钠闪烁体41吸收的能量部分转为光能；光子通过光学玻璃窗口被收集到光电倍增管42的光电阴极上；被收集的光子在光电阴极上通过光电效应产生光电子；光电子通过倍增极和递增的加速电场依次倍增；倍增的大量电子最后被阳极收集并在外负载电阻上形成可观测的负极性脉冲电信号。
具体地，由于各放射性核素衰变的γ光子能量不同，因此使用碘化钠闪烁体检测不同核素的能谱形状也会有所不同。能谱识别算法即是通过比较分析检测对象能谱与本底能谱作出报警判断，其本质是根据检测能谱形状的变化来判断该检测对象是否含有放射性核素。在实际测量过程中，通过建立不同核素的感兴趣区，主要特征区域，利用检测能谱在本底情况下和探测情况下特征区低能部分脉冲计数与高能特征脉冲计数进行判断对比。
其中，CL为检测能谱特征区低能脉冲计数，CH为检测能谱特征区高能脉冲计数，DL为检测能谱特征区低能脉冲计数，DH为检测能谱特征区高能脉冲计数。在正常状态下,N非常接近于0，当含有辐射源时，通过能谱识别和脉冲计数的形式探测得到的N将不趋近于0。
本方法以核物理测量原理为基础，采用双路光电倍增管碘化钠闪烁体辐射探测器与多路脉冲信号采集和能谱识别算法相结合的方式进行放射性物质检测，对出入人员及设备是否含有放射性进行实时在线检测，实现软件远程联网记录相关信息，发出辐射超限声光报警并输出监测报告。
具体地，当入射光子较少时，其能量分辨率较差，很难从放大器的输出波形清楚地看到对应于试验源的能峰的脉冲，在选择放大倍数时，将无法按照传统的形式进行放大倍数和能量窗的下阈设计和宽度选择。
本系统将利用递推的形式，先设定好监测报警阈值和放大倍数，通过改变单道分析器的道阈值及道宽，测量有源计数和本底的康谱顿曲线。根据本底计数和有源计数计算出源的净计数，再算出净计数与本底平方根之比值，并分别作出这些量随单道的道下阈的变化曲线。通过这些曲线的分析，便可选择出合适的放大倍数和能量窗的下阈和宽度。
设定报警阈值为：
其中A0为环境平均本底，B为影响因子，通过实验精度进行验证(约为2-5)。放大倍数和能量窗的选取原则：利用有源净计数与本底的平方根之比进行判断，比值越大测量精度越高。
具体地，本系统测量的是γ射线计数率，通过实验标定和运算可将计数率转换成当量剂量率。采用137Csγ放射源和标准剂量仪器做比对测量。放射源置于离地面与仪器闪烁体中心相同的高度，即875mm。在离源不同距离处测量仪器的平均计数率n，再在同一位置用标准剂量仪器测量对应的当量剂量率
为准确起见，也可对本系统进行分段标定，假设在分段处的计数率为no，当测量的计数率n≤no时采用第一段的标定常数a1，b1进行运算并显示；当计数率n≥no时采用第二段的标定常数a2，b2进行运算并显示。
通过实验标定求出标定常数，设定后系统测量的计数率通过运算可自动转换成当量剂量率并显示，当量剂量率的单位为μSv/h。
具体地，通过报警灯9进行报警的方法包括假定当地的天然放射性最大的本底计数率为nb，计数率的报警阈ny按下式计算出：
按上式求出当量剂量率的报警阈
具体实施方式三
在具体实施方式一的基础上所述一种便携式核放射性物质检测系统实现的使用方法，包括如下：
(1)安放，开箱取出本系统，直立于不易刮碰的位置，为稳定放置可加底盘14；
(2)开机，按下外套筒11下方底座上的电源开关，计数/计量显示模块8即刻显示出天然放射性本底当量剂量率，电量显示模块10上出现亮条显示剩余电量，这时本系统就进入正常值班工作状态；
(3)关机，不用时再按一下电源开关就关机了。
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