CN103344985A - 海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪 - Google Patents

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张颖颖
刘岩
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张颖
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Abstract

本发明公开了一种海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪，包括上下相对设置的两个NaI(Tl)晶体探测器，位于上方的为反符合探测器，位于下方的为主探测器；在反符合探测器的外部设置有复合材料的屏蔽罩；通过两个探测器产生的检测信号传输至信号处理电路，所述信号处理电路对主探测器输出的检测信号进行记录，并在同一射线被所述的两个晶体探测器都接收到时，消除该射线的检测记录。本发明在现有海洋原位γ能谱仪的基础上增加物质屏蔽和反符合探测器，利用物质屏蔽减小搭载平台的射线和宇宙射线及其次生射线软成分的影响，利用反符合探测器减小宇宙射线及其次生射线中的高能部分的干扰，从而抑制了海洋环境的本底，降低了γ能谱仪的探测下限。

Description

海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪
技术领域
本发明属于海洋放射性检测技术领域，具体地说，是涉及一种用于对海洋环境进行放射性检测的γ能谱仪。
背景技术
海洋中的放射性核素包括天然放射性核素和人工放射性核素。天然放射性核素包括三大天然放射性核素、独立的长寿原生核素和宇生核素；人工放射性核素是20世纪以来由于人类利用原子能而产生的放射性核素，如核电站、核弹、核潜艇等，这就使得海洋环境中出现了人工放射性污染。
当海洋中的放射性核素衰变产生的射线作用到海洋生物机体上时，就会将其能量传递给机体中的分子、细胞、组织和器官，从而引起机体中的分子、细胞、组织和器官的形态和功能发生变化，甚至出现致癌作用或者遗传效应，由此导致海洋食物链甚至人类食物链遭受污染，严重影响着人类的生命安全。因此，对海洋的放射性监测日益受到人们的重视。
目前，公知的海洋原位γ能谱仪仅依靠单一的传感器进行γ射线的检测工作，无法避免搭载平台的射线和宇宙射线及宇宙射线的次生射线对于低本底测量环境下的海洋放射性核素的影响，从而导致测量结果的不准确。
发明内容
本发明为了解决现有海洋原位γ能谱仪所存在的无法避免搭载平台的射线和宇宙射线及其次生射线干扰的不足，提供了一种海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪，可以抑制海洋环境的本底辐射，降低γ能谱仪的探测下限。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪，包括上下相对设置的两个NaI(Tl)晶体探测器，位于上方的为反符合探测器，位于下方的为主探测器；在反符合探测器的外部设置有屏蔽罩；通过两个NaI(Tl)晶体探测器产生的检测信号传输至信号处理电路，所述信号处理电路对主探测器输出的检测信号进行记录，并在同一射线被所述的两个NaI(Tl)晶体探测器都接收到时，消除该γ射线的检测记录。
其中，所述屏蔽罩优选设计成层结构的复合屏蔽罩，由外向内依次为不锈钢外壳、镉吸收片、内铅环和无氧铜内衬，可减小搭载平台的射线和宇宙射线及其次生射线的软成分。
进一步的，在所述反符合探测器和主探测器中分别设置有一NaI(Tl)晶体，两个NaI(Tl)晶体上下相对设置；在每个NaI(Tl)晶体上分别设置有光电倍增管，通过光电倍增管放大检测信号并输出至所述的信号处理电路。
为了使穿过上视NaI(Tl)晶体的宇宙射线能够尽可能地入射到下视NaI(Tl)晶体中，优选设置两个NaI(Tl)晶体的相邻面的面积形状相同，且上下完全相对。
为了在满足防水要求的同时，使人工射线能够尽可能地被主探测器接收到，在所述主探测器的外部设置有具有很小光电吸收截面的乙缩醛材料制成的罩壳。
进一步的，在所述反符合探测器和主探测器之间设置有铅钢合金隔板，所述屏蔽罩和罩壳固定在所述的铅钢合金隔板上。铅钢合金隔板的厚度可以屏蔽海洋放射性核素的射线，以减少穿过下视晶体进入上视晶体的射线。
又进一步的，所述γ能谱仪通过搭载平台投放入海水中，所述搭载平台可以为船体或者浮标；当所述搭载平台为浮标时，在浮标中开设上下贯通的竖井，在竖井中安装有支架，在所述支架的底部安装所述的γ能谱仪。
优选的，所述检测信号为脉冲信号，当所述主探测器或反符合探测器接收到入射射线时，输出一个幅度与入射射线的能量相对应的脉冲信号至所述的信号处理电路；所述信号处理电路对主探测器输出的脉冲信号进行记录，根据脉冲信号的幅度分析出射线的能量，形成能谱图；当信号处理电路检测到反符合探测器和主探测器同时输出脉冲信号时，消除所述的脉冲信号。
作为所述信号处理电路的一种优选电路组建方式，在所述信号处理电路中设置有两个前置放大器、两个可控放大器、两个模数转换电路和一个主控单元；所述反符合探测器输出的检测信号，依次经第一前置放大器和第一可控放大器进行信号放大，并经第一模数转换电路进行模数转换后，生成数字信号输出至主控单元；所述主探测器输出的检测信号，依次经第二前置放大器和第二可控放大器进行信号放大，并经第二模数转换电路进行模数转换后，生成数字信号输出至主控单元；所述主控单元根据接收到的数字信号生成能谱图。
进一步的，在所述主控单元中设置有主控制器、可编程逻辑芯片和数模转换电路，所述可编程逻辑芯片接收两个模数转换电路输出的数字信号，分析生成能谱图。主控制器完成能谱仪的时序控制、命令响应和数据通信等功能，当主控制器检测到谱线漂移时，可输出放大倍数调整信号至数模转换电路，经数模转换电路转换成模拟信号后，分别输出至两个可控放大器，对两个可控放大器的放大倍数进行调整。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明通过在现有的海洋原位γ能谱仪的基础上增加物质屏蔽和反符合探测器，利用物质屏蔽减小搭载平台的射线和宇宙射线及其次生射线软成分的影响，利用反符合探测器减小宇宙射线及其次生射线中的高能部分的干扰，由此有效抑制了海洋环境的本底，降低了γ能谱仪的探测下限。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本发明所提出的海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪的一种实施例的机械结构示意图；
图2是搭载平台的一种实施例的结构示意图；
图3是本发明所提出的海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪的一种实施例的电路原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。
本实施例的海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪为了消除搭载平台的射线和宇宙射线及其次生射线对海洋放射性检测产生的干扰，在γ能谱仪中设置了两个NaI(Tl)晶体探测器，并将两个NaI(Tl)晶体探测器设置成上下相对的位置关系，位于上方的称为反符合探测器，位于下方的称为主探测器。为了减小搭载平台的射线和宇宙射线的软成分进入探测器，本实施例在反符合探测器的外部还设置了屏蔽罩，利用所述屏蔽罩可以对搭载平台的射线和宇宙射线的软成分进行有效地屏蔽；利用所述反符合探测器可以减小宇宙射线及其次生射线中的高能部分的干扰，从而抑制了海洋环境的本底，降低了γ能谱仪的探测下限。
作为本实施例的一种优选设计方案，在所述主探测器和反符合探测器中分别设置有一NaI(Tl)晶体1、2，在两个NaI(Tl)晶体1、2上分别设置有用于将两个NaI(Tl)晶体1、2输出的微弱光信号转变为电信号，并成比例地加以放大的光电倍增管3、4，参见图1所示。为了描述清楚起见，将主探测器中的NaI(Tl)晶体1称之为下视晶体，将反符合探测器中的NaI(Tl)晶体2称之为上视晶体。将上视晶体2和下视晶体1上下相对设置，优选设置上视晶体2和下视晶体1的相邻面的面积和形状相同，且上下完全相对，如图1所示。例如：可以选择等半径的两个圆柱形NaI(Tl)晶体作为所述的上视晶体2和下视晶体1，且上下叠放设置，形成所述的γ能谱仪。在下视晶体1的底面设置光电倍增管3，所述光电倍增管3的感光面的面积应尽量与下视晶体1的底面面积相当，以有效接收通过下视晶体1发出的光信号。同理，在上视晶体2的顶面设置光电倍增管4，优选采用多个小体积的光电倍增管4分布在上视晶体2的顶面，在减小屏蔽罩尺寸的同时尽可能多的接收通过上视晶体2转换输出的光信号。
在本实施例中，所述屏蔽罩优选设计成层结构的复合屏蔽罩，罩扣在上视晶体2与光电倍增管4的外部，且由外向内依次为不锈钢外壳11、镉吸收片10、内铅环9和无氧铜内衬8，参见图1所示。其中，不锈钢外壳11可以起到防水、防腐和机械支撑的作用；镉吸收片10作为热中子屏蔽层；内铅层9用于屏蔽搭载平台的射线和宇宙射线及其次生射线的软成分；无氧铜内衬8主要用于屏蔽210Pb子体210Bi的β射线产生的轫致辐射。
为了适应γ能谱仪的水下工作环境，在所述下视晶体1和光电倍增管3的外部还罩扣有罩壳5，参见图1所示。所述罩壳5优选采用具有很小光电吸收截面的材料制成，例如乙缩醛材料或者PVC材料等。在对主探测器起到防水、耐压作用的同时，确保海洋放射性核素产生的射线尽可能多的射入下视晶体1，提高主探测器对海洋放射性核素γ射线的探测效率。
在上视晶体2和下视晶体1之间还设置有隔板7，如图1所示，优选采用铅钢合金材料制成所述的隔板7。将屏蔽罩的不锈钢外壳11和罩壳5分别通过紧固件6安装在铅钢合金隔板7上，以实现屏蔽罩和罩壳5在铅钢合金隔板7上的安装固定。利用所述铅钢合金隔板7还可以屏蔽海洋放射性核素的γ射线，以减少穿过下视晶体1进入上视晶体2的射线。
将本实施例的γ能谱仪通过搭载平台投放到待检测的水域中，使γ能谱仪完全浸入水下，检测海洋放射性核素的γ射线。在本实施例中，所述搭载平台可以是船体（例如海洋监测船等），也可以是浮标12，参见图2所示。若采用船体作为搭载平台，则可以直接通过支架将所述的γ能谱仪投放入海水中，进行走航式测量。待检测完毕后，收起支架，即可实现γ能谱仪的安全回收。若采用浮标12作为搭载平台，则可以在浮标12上开设上下贯通的竖井13，如图2所示，然后在竖井13中安装支架14，在支架14的底部安装所述的γ能谱仪15。这样，在将浮标12投入到待检测的水域中时，可以使γ能谱仪15完全浸入水面16以下，检测海洋放射性核素的γ射线。待检测完毕后，提起支架14，即可收回γ能谱仪15。
在将γ能谱仪15通过搭载平台投放到待检测的水域中后，位于γ能谱仪15上方的海水可以屏蔽掉部分来自搭载平台的射线和宇宙射线及其次生射线的中子和软成分。对于能量较高的宇宙射线或者其次生射线可能会穿透屏蔽罩，射入上视晶体2。若此射线能够穿透铅钢合金隔板7再射入下视晶体1时，通过主探测器和反符合探测器的光电倍增管3、4均会输出检测信号，传输至信号处理电路。所述信号处理电路对主探测器输出的检测信号进行记录，并在检测到同一射线被两个NaI(Tl)晶体1、2接收到时，认为该射线是来自宇宙射线或其次生射线。由于此宇宙射线及其次生射线不是海洋放射性核素产生的γ射线，因此，信号处理电路消除该射线的检测记录，不用于后续能谱图的生成过程。由此便克服了搭载平台的射线和宇宙射线及其次生射线对于海洋低本底环境下放射性核素检测的影响，显著降低了γ能谱仪的探测下限。
在本实施例中，主探测器和反符合探测器以脉冲信号的形式输出采集到的检测信号，即输出一个幅度与所述γ射线的能量相对应的脉冲信号。当信号处理电路检测到主探测器有脉冲信号输出，且反符合探测器没有脉冲信号输出时，记录主探测器输出的脉冲信号有效；若当信号处理电路检测到主探测器有脉冲信号输出时，反符合探测器也有脉冲信号输出，则认为此入射到的主探测器和反符合探测器的射线是来自同一宇宙射线或其次生射线，此时信号处理电路判定此次记录为无效记录，消除此次记录，进而达到消除宇宙射线及其次生射线对海洋低本底测量环境下放射性核素检测的影响。
作为所述信号处理电路的一种优选设计方案，为了实现对主探测器和反符合探测器输出的脉冲信号的可靠接收，在本实施例中，所述信号处理电路主要采用两个前置放大器、两个可控放大器、两个模数转换电路（A/D电路）和主控单元组建而成，参见图3所示。其中，通过反符合探测器中的光电倍增管PMT1转换输出的脉冲检测信号，首先传输至第一前置放大器，经由第一前置放大器进行信号的放大处理后，输出至第一可控放大器作进一步的放大处理；放大后的脉冲信号传输至第一A/D电路，将模拟信号转换成数字信号后，输出至主控单元进行处理。同理，通过主探测器中的光电倍增管PMT2转换输出的脉冲检测信号依次经由第二前置放大器、第二可控放大器进行信号放大，并通过第二A/D电路进行模数转换处理后，生成数字信号传输至主控单元，以分析生成能谱图。
在所述主控单元中设置有主控制器、可编程逻辑芯片CPLD和数模转换电路（D/A电路），参见图3所示。其中，可编程逻辑芯片CPLD接收两个模数转换电路输出的数字信号，并进行滤波去噪、基线恢复、反符合能谱合成以及脉冲幅度分析等一系列处理后，生成能谱图；主控制器完成能谱仪的时序控制、命令响应和数据通信等功能。由于光电倍增管PMT1、PMT2在工作时，其放大倍数会因工作环境的温度变化而发生改变，进而导致谱线的漂移，当主控制器检测到谱线发生漂移时，根据漂移量产生控制信号输出至D/A电路，经D/A电路将数字信号转换成模拟信号后，分别传输至两个可控放大器，对两个可控放大器的放大倍数进行调整，实现稳谱功能。 
当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪，其特征在于：包括上下相对设置的两个NaI(Tl)晶体探测器，位于上方的为反符合探测器，位于下方的为主探测器；在反符合探测器的外部设置有屏蔽罩；通过两个NaI(Tl)晶体探测器产生的检测信号传输至信号处理电路，所述信号处理电路对主探测器输出的检测信号进行记录，并在同一射线被所述的两个NaI(Tl)晶体探测器都接收到时，消除该射线的检测记录。
2.根据权利要求1所述的海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪，其特征在于：在所述反符合探测器和主探测器中分别设置有一NaI(Tl)晶体，两个NaI(Tl)晶体上下相对设置；在每个NaI(Tl)晶体上分别设置有光电倍增管，通过光电倍增管放大检测信号并输出至所述的信号处理电路。
3.根据权利要求2所述的海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪，其特征在于：所述两个NaI(Tl)晶体的相邻面的面积形状相同，且上下完全相对。
4.根据权利要求1所述的海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪，其特征在于：所述屏蔽罩为层结构的复合屏蔽罩，由外向内依次为不锈钢外壳、镉吸收片、内铅环和无氧铜内衬。
5.根据权利要求1所述的海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪，其特征在于：在所述主探测器的外部设置有由乙缩醛材料制成的罩壳。
6.根据权利要求5所述的海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪，其特征在于：在所述反符合探测器和主探测器之间设置有铅钢合金隔板，所述屏蔽罩和罩壳固定在所述的铅钢合金隔板上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪，其特征在于：所述γ能谱仪通过搭载平台投放入水中，所述搭载平台为船体或者浮标；当所述搭载平台为浮标时，在浮标中开设上下贯通的竖井，在竖井中安装有支架，在所述支架的底部安装所述的γ能谱仪。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪，其特征在于：所述检测信号为脉冲信号，当所述主探测器或反符合探测器接收到入射射线时，输出一个幅度与入射射线的能量相对应的脉冲信号至所述的信号处理电路；所述信号处理电路对主探测器输出的脉冲信号进行记录，根据脉冲信号的幅度分析出射线的能量，形成能谱图；当信号处理电路检测到反符合探测器和主探测器同时输出脉冲信号时，消除所述的脉冲信号。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪，其特征在于：在所述信号处理电路中设置有两个前置放大器、两个可控放大器、两个模数转换电路和一个主控单元；所述反符合探测器输出的检测信号，依次经第一前置放大器和第一可控放大器进行信号放大，并经第一模数转换电路进行模数转换后，生成数字信号输出至主控单元；所述主探测器输出的检测信号，依次经第二前置放大器和第二可控放大器进行信号放大，并经第二模数转换电路进行模数转换后，生成数字信号输出至主控单元；所述主控单元根据接收到的数字信号生成能谱图。
10.根据权利要求9所述的海洋原位反符合屏蔽γ能谱仪，其特征在于：在所述主控单元中设置有主控制器、可编程逻辑芯片和数模转换电路；所述可编程逻辑芯片接收两个模数转换电路输出的数字信号，分析生成能谱图；主控制器完成能谱仪的时序控制、命令响应和数据通信功能，当主控制器检测到谱线漂移时，输出用于调整放大倍数的控制信号至数模转换电路，经数模转换电路转换成模拟信号后，分别输出至两个可控放大器，对两个可控放大器的放大倍数进行调整。
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