一種a和Y雙通道能譜連續監測方法及監測系統的製作方法

2023-09-19 03:37:35 1

一種a和Y雙通道能譜連續監測方法及監測系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種a和Y雙通道能譜連續監測方法及監測系統，其特徵在於：供電裝置為監測系統提供工作電壓；抬壓裝置、採樣裝置、測量裝置、樣品傳動裝置均通過驅動與狀態反饋模塊將各自的狀態信號傳輸至上位機，上位機通過驅動與狀態反饋模塊控制抬壓裝置配合採樣裝置對環境氣載放射性物質進行採樣，採集樣品通過樣品傳動裝置傳輸至測量裝置；上位機通過驅動與狀態反饋模塊控制抬壓裝置配合測量裝置對樣品釋放的a射線粒子和Y衰變光子進行測量，得到模擬脈衝信號並傳輸至信號預處理單元中進行處理後，得到a和Y測量譜線並傳輸至上位機；上位機計算得到採樣環境的放射性活度濃度，並進行顯示、存儲以及傳輸至中央處理器。
【專利說明】一種α和γ雙通道能譜連續監測方法及監測系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種環境氣載放射性物質的監測方法及監測系統，特別是關於一種α 和Υ雙通道能譜連續監測方法及監測系統。

【背景技術】
[0002] 在核工業生產、試驗過程中，可能釋放出放射性物質，它們以大氣為載體形成放射 性氣溶膠，並向環境中擴散，由於其電離效應高、濃度低、微粒易帶電，是造成人體內照射的 重要因素。放射性氣溶膠監測是核環境保護中的一項重要內容，對於保護環境安全、及時 發現放射性異常洩露、核事故應急處置具有重要意義。近年來，隨著人們環保意識的增強， 特別是2011年日本福島核電事故之後，環境中氣載放射性的監測受到了普遍的關注和重 視。世界多國都加強了環境放射性物質的監測，投入了大量人力、物力用於核輻射的防範與 核應急響應領域的研究。目前，我國核電產業發展迅速，在核電站的運行和核燃料的生產 過程中都有可能釋放出放射性物質，主要有鈾、鈽、銫等核素，它們以氣溶膠或氣態的形式 釋放到環境中。其中放射性核素鈽為極毒，半衰期為24110年，在人體中的允許沉積量僅為 〇. 6 μ g，工作人員一旦攝入在有生之年難以完全排出。因此，研究環境中低水平氣載放射性 物質監測，對保護環境和公眾健康是十分重要的。
[0003] 能譜測量是環境放射性監測中一種常用的分析方法，首先將放射性氣體吸附在濾 紙或某種材料上，然後根據所要測量的射線性質（如種類、能量等）選擇不同的探測器進行 測量，例如，Y射線可用碘化鈉或高純鍺Y譜儀進行測量；α或β射線常用塑料閃爍計數 器或半導體探測器以及譜儀系統進行測量。通過伽瑪譜儀可以對Cs-137、Cs-134、Sr-90、 Y-90等放射性元素進行測量，對放射性洩漏事故進行預警。通過α譜儀可以測量Pu、U等放 射性元素濃度，該濃度值是判斷反應堆堆芯融化的關鍵指標。放射性能譜測量儀是各種核 設施輻射場所、防化部隊、核應急與核查、反核恐怖等必不可少的裝備，也廣泛應用於機場、 港口、海關、車站及大型公共場所，用於環境輻射檢測、反核恐怖安檢、輻射源清理和其他應 用核技術的場合。
[0004] 目前，雖然國內外已有多種類型的α譜儀和Y譜儀可以用於放射性氣溶膠的監 測，然而，一方面，α譜儀和 Υ譜儀一般為兩套分離的設備，對所採集的樣品需進行先後兩 次測量，使用中不利於數據綜合分析及結果整合，並且無形中增加了測量時間，降低了工作 效率。該方法費工費時，不能及時發現核設施的異常洩漏和事故釋放，常常失去控制環境汙 染擴散的最佳時機，日本福島核電事故汙染擴散嚴重就是一個典型的事例。另一方面，這些 儀器主要用於核設施廠房或放射性工作場所的監測，屬於防護級監測設備。它們的探測下 限，氣溶膠為KTLK^Bq/m 3,這樣的探測下限是不能滿足環境級低水平放射性監測的需求。 因此，研製多通道環境放射性氣溶膠監測裝置，用於α、 Y能譜的同時測量，通過採用多種 譜線進行多種衰變類型放射性核素的綜合分析已勢在必行。
[0005] 採樣設備所採集的氣溶膠樣品中存在著多种放射性核素信息，這些信息體現在所 測的譜線之中，對樣品測量結果需要通過能譜分析技術來實現。然而，測量上述的核素信息 時會受到測量條件、探測器性能、分析方法等因素的影響，導致結果在不同本底上變化，由 於能譜特徵信號異常微弱，放射性統計漲落的影響十分明顯。此外，在實際測量中往往希 望能夠快速得到測量結果，儘早發現事故異常，在核事故的應急處置中更是如此。然而，由 於放射性測量譜線的統計漲落波動，需要通過累積一定的測量時間來確保分析結果的準確 性，這就導致了核能譜數據處理結果的滯後性，從而出現了時間上的監測空白區。因此，如 何快速從所測低解析度能譜數據中自動、快速獲得準確、可靠的測量結果，成為目前環境氣 載放射性監測中亟待解決的難題，具有重要的現實意義。


【發明內容】

[0006] 針對上述問題，本發明的目的是提供一種α和Y雙通道能譜連續監測方法及監 測系統，在環境中低水平放射性條件下，對不同衰變類型的放射性核素進行自動化、同步測 量。
[0007] 為實現上述目的，本發明採取以下技術方案：一種α和Υ雙通道能譜連續監測 方法，其包括以下步驟：1)設置一由供電裝置、抬壓裝置、採樣裝置、測量裝置、樣品傳動裝 置、驅動與狀態反饋模塊、信號預處理單元以及上位機構成的α和 Υ雙通道能譜連續監 測系統，其中，抬壓裝置包括活動部、固定部、抬壓電機和第一光電位置傳感器；採樣裝置包 括進氣口、採樣濾紙、採樣託盤、流量計和抽氣泵；測量裝置包括PIPS探測器、Nal探測器、 測量託盤、電磁閥、壓力計和真空泵；樣品傳動裝置包括採樣紙帶卷、移紙電機和第二光電 位置傳感器；信號預處理單元包括放大器、模數轉換器和多道分析器；II)上位機預設系統 運行參數，其具體包括採樣條件參數、測量控制參數、環境放射性核素濃度計算參數和網絡 傳輸參數；採樣條件參數包括採樣時間、流量計係數和壓力係數，測量控制參數包括測量 時間、衰變等待時間、抽真空時間、傳動系統埠和ADC模塊地址，環境放射性核素濃度計 算參數包括取樣效率、探測效率、補償係數、能道範圍、報警限值，網絡傳輸參數包括設備名 稱、設備編號、遠程伺服器IP位址和數據上傳埠；III)啟動測量過程，上位機分配三個線 程：採樣測量線程、計算保存線程和數據發送線程，這三個線程並行執行，相互獨立，通過線 程間通知相銜接；1)採樣測量線程為主線程，完成兩項工作：一是對全過程中的運行狀態 參數進行監測，及時發現並處置運行故障；監測內容包括每個過程動作的執行時間、執行結 果和失敗嘗試次數，監測時間間隔為200毫秒；二是完成監測過程步驟的切換，實現對環境 放射性核素的自動化、連續測量；2)計算保存線程完成兩項工作，一是對α和γ雙通道譜 線進行處理，降低譜線中臨近幹擾核素特徵峰的影響，改善探測下限，準確計算環境放射性 物質的活度濃度；二是計算結果的存儲，包括本地結果報表文件、譜線數據文件、以及用於 遠程傳輸的經加密、壓縮處理的結果文件；3)數據發送線程完成對測量結果的遠程無線傳 輸，在啟動測量時數據發送線程與主線程同步啟動；上位機將計算保存線程中生成的經加 密、壓縮處理的結果文件通過3G無線方式傳輸至中央處理器，用於多地點、多設備的網絡 化測量。
[0008] 所述步驟III)中，對環境放射性核素進行測量的過程中，一個測量周期包括樣品 採集、衰變等待、自動換樣和譜線測量四個步驟，其具體為：（1)樣品採集階段，上位機通過 驅動與狀態反饋模塊啟動抬壓電機，抬壓電機驅動活動部向下壓緊採樣濾紙；上位機通過 驅動與狀態反饋模塊啟動抽氣泵，環境氣載放射性物質從進氣口吸入，依次經過採樣濾紙、 採樣託盤、流量計和抽氣泵，放射性物質收集在採樣濾紙表面；流量計通過驅動與狀態反饋 模塊將測得的流量傳輸至上位機，上位機實時監測流量大小並計算採樣體積；(2)到達預 設的採樣時間後，進入衰變等待階段，放射性物質中的天然放射性氡、釷及其子體核素在採 樣濾紙上進行自然衰變；（3)在到達衰變等待時間前100秒，進入自動換樣階段，上位機通 過驅動與狀態反饋模塊啟動抬壓電機，抬壓電機驅動活動部向上抬起，上位機通過驅動與 狀態反饋模塊啟動移紙電機，移紙電機帶動採樣濾紙由左向右水平移動，採樣濾紙帶動採 集到的樣品從採樣託盤上方移動至測量託盤上方；採樣濾紙移動過程中，第二光電位置傳 感器實時檢測移紙電機的動作是否執行到位，並將檢測結果通過驅動與狀態反饋模塊傳輸 至上位機；上位機通過驅動與狀態反饋模塊控制抬壓電機驅動活動部向下壓緊採樣濾紙， 確保採樣室和測量室密閉；第一光電傳感器實時檢測抬壓電機的動作是否執行到位，並將 檢測結果通過驅動與狀態反饋模塊傳輸至上位機；(4)到達預設的衰變時間後，上位機通 過驅動與狀態反饋模塊開啟電磁閥並啟動真空泵，真空泵對測量室進行抽真空；壓力計將 實時測量到的測量室內的壓力通過驅動與狀態反饋模塊傳輸至上位機，當測量室內的壓力 達到一定值後，進入譜線測量階段，上位機控制PIPS探測器和Nal探測器分別對採集樣品 所釋放的α射線粒子和Y光子進行測量；PIPS探測器和Nal探測器分別對託盤上方採樣 濾紙表面的採集樣品所釋放的α射線粒子和 Y光子進行測量，得到兩路電子脈衝模擬脈 衝信號；兩路電子脈衝模擬脈衝信號分別傳輸至信號預處理模塊進行放大、模數轉換和能 譜分析後，得到一路數位化的α測量譜線和一路數位化的 Υ測量譜線，並均通過乙太網接 口傳輸至上位機進行處理。
[0009] 所述步驟III)中，對α和Υ雙通道譜線進行處理的過程包括以下三個步驟：（1) 預處理階段，用於降低放射性測量中的統計漲落波動，減弱環境溫溼度變化對探測器譜線 的漂移影響，同時通過合適的初始值減少第二階段的迭代次數，本階段包括降噪尋峰、穩譜 修正、確定能窗和計算擬合初始參數；（2)完成擬合參數修正和反演參數修正，譜線擬合採 用洛倫茲函數，根據譜線中幹擾核素特徵峰的曲率進行判斷，修正擬合參數；之後由譜線高 能段向低能段進行前推反演，扣除幹擾核素拖尾，根據反演校驗結果修正參數，降低環境放 射性核素本底幹擾；（3)結合多次試驗獲得的補償係數、探測效率、取樣效率和取樣量，計 算對應採集樣品中放射性核素的活度濃度。
[0010] 一種實現所述監測方法的α和Υ雙通道能譜連續監測系統，其特徵在於：它包括 供電裝置、抬壓裝置、採樣裝置、測量裝置、樣品傳動裝置、驅動與狀態反饋模塊、信號預處 理單元以及上位機；所述供電裝置為所述抬壓裝置、採樣裝置、測量裝置、樣品傳動裝置、驅 動與狀態反饋模塊、信號預處理單元以及上位機供電；所述抬壓裝置、採樣裝置、測量裝置、 樣品傳動裝置均通過所述驅動與狀態反饋模塊將各自的狀態信號傳輸至所述上位機，所述 上位機通過所述驅動與狀態反饋模塊控制所述抬壓裝置配合所述採樣裝置對環境氣載放 射性物質進行採樣，採樣得到的樣品通過所述樣品傳動裝置傳輸至所述測量裝置；所述上 位機通過所述驅動與狀態反饋模塊控制所述抬壓裝置配合所述測量裝置對採集樣品所釋 放的α射線粒子和 Υ衰變光子進行測量，得到模擬脈衝信號並傳輸至所述信號預處理單 元；所述信號預處理單元對接收到的模擬脈衝信號進行放大、模數轉換和能譜分析後，得到 α和Υ測量譜線並傳輸至所述上位機；所述上位機對α和Υ測量譜線進行降噪、擬合和 修正處理後，計算得到採集樣品的放射性活度濃度，所述上位機將計算結果進行顯示和存 儲，並通過3G無線方式傳輸至中央處理器。
[0011] 所述抬壓裝置包括活動部、固定部、抬壓電機和第一光電位置傳感器；所述活動部 對應設置在所述固定部上方，所述抬壓電機設置在所述活動部外側並通過電機軸與所述活 動部連接，所述抬壓電機通過所述驅動與狀態反饋模塊與所述上位機連接，所述上位機通 過所述驅動與狀態反饋模塊控制所述抬壓電機帶動所述活動部上下移動；所述第一光電位 置傳感器設置在所述抬壓電機上，並實時檢測所述抬壓電機的動作是否執行到位，將檢測 結果通過所述驅動與狀態反饋模塊傳輸至所述上位機；位於所述活動部和固定部的同一 端，在所述活動部和固定部中分別對應開設一圓臺形腔室，當所述抬壓電機帶動所述活動 部向下移動並壓在所述固定部上時，兩所述圓臺形腔室扣合在一起構成採樣室。
[0012] 所述採樣裝置包括進氣口、採樣濾紙、採樣託盤、流量計和抽氣泵；所述進氣口通 過管路與所述活動部的頂端連接，所述採樣濾紙設置在所述活動部與固定部之間並位於所 述採樣託盤上方；所述採樣託盤設置在所述固定部中開設的所述圓臺形腔室的上端，所述 圓臺形腔室的下端通過管路和所述流量計與所述抽氣泵連接，所述進氣口、管路、圓臺形腔 室、採樣濾紙、採樣託盤、流量計和抽氣泵構成採樣氣流通路；所述流量計測量採樣環境氣 載放射性物質的體積並將測量結果通過所述驅動與狀態反饋模塊傳輸至所述上位機；所 述抽氣泵通過所述驅動與狀態反饋模塊與所述上位機連接，接收所述上位機發出的驅動信 號。
[0013] 所述測量裝置包括PIPS探測器、Nal探測器、測量託盤、電磁閥、壓力計和真空泵； 位於所述抬壓裝置連接所述進氣口端的相對端，所述PIPS探測器內嵌於所述活動部中，其 探測面高於所述活動部的底端2?5毫米，所述Nal探測器與PIPS探測器對應設置並穿設 在所述固定部中；所述測量託盤設置在所述Nal探測器的頂端，所述測量託盤與所述採樣 託盤位於同一水平線上；所述活動部與固定部壓合在一起時，所述PIPS探測器、Nal探測器 和測量託盤構成測量室，所述測量室外設置屏蔽罩，在所述屏蔽罩外設置所述電磁閥、壓力 計和真空泵，所述真空泵通過管路依次連接所述壓力計、電磁閥和測量室；所述PIPS探測 器和Nal探測器均通過導線與所述上位機連接；所述電磁閥、壓力計和真空泵均通過所述 驅動與狀態反饋模塊與所述上位機連接，所述上位機通過所述驅動與狀態反饋模塊控制所 述電磁閥和真空泵動作，所述壓力計將測量得到的所述測量室內的壓力通過所述驅動與狀 態反饋模塊傳輸至所述上位機，測量室內的壓力降到設定值後，所述上位機控制所述PIPS 探測器和Nal探測器分別對採集樣品所釋放的α射線粒子和γ光子進行測量，得到兩路 電子脈衝模擬信號並傳輸至所述信號預處理單元進行處理。
[0014] 所述樣品傳動裝置包括採樣紙帶卷、移紙電機和第二光電位置傳感器；所述採樣 紙帶卷位於所述抬壓裝置連接所述進氣口一端的外側，所述採樣濾紙的一端固定在所述採 樣紙帶卷上，另一端穿過所述活動部和固定部之間構成的採集樣品橫向傳輸通路後固定在 所述移紙電機上，所述移紙電機通過所述驅動與狀態反饋模塊與所述上位機連接，所述上 位機通過所述驅動與狀態反饋模塊控制所述移紙電機動作；所述移紙電機上設置所述第二 光電位置傳感器，所述第二光電位置傳感器實時檢測所述移紙電機的動作是否執行到位， 並將檢測結果通過所述驅動與狀態反饋模塊傳輸至所述上位機。
[0015] 所述信號預處理單元包括放大器、模數轉換器和多道分析器，所述放大器分別對 兩路電子脈衝模擬信號進行放大，放大後的兩路電子脈衝模擬信號分別傳輸至所述模數轉 換器進行模數轉換，得到兩路電子脈衝數位訊號並分別傳輸至所述多道分析器進行能譜分 析，得到一路數位化的α測量譜線和一路數位化的Y測量譜線並通過乙太網接口傳輸至 所述上位機。
[0016] 本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明的監測系統由於包括 供電裝置、抬壓裝置、採樣裝置、測量裝置、樣品傳動裝置、驅動與狀態反饋模塊、信號預處 理單元、上位機，利用採樣裝置對環境氣載放射性物質進行採樣，並採用測量裝置中的PIPS 探測器和Nal探測器同時對採集樣品所釋放的α射線粒子和γ光子進行測量，因此本發 明能夠通過對系統結構和控制流程的設計，實現對鈾、鈽、銫等不同衰變類型的放射性核素 的自動化同步測量。2、本發明由於設置了驅動與狀態反饋模塊，第一光電位置傳感器、流量 計、第二光電位置傳感器和壓力計分別通過該模塊將對抬壓電機動作的檢測結果、對採樣 體積的測量結果、對移紙電機動作的檢測結果以及測量室內的壓力傳輸至上位機，上位機 根據接收到的狀態數據通過驅動與狀態反饋模塊對抬壓電機、抽氣泵、移紙電機、電磁閥和 真空泵繼進行實時控制，因此本發明能夠對整個測量過程的狀態參數進行實時監測，及時 發現並處置過程動作運行異常的問題，從而確保整個系統能夠自動化、穩定地運行。3、本發 明由於上位機中分配了採樣測量線程、計算保存線程和數據發送線程，這三個線程並行執 行，相互獨立，通過線程間通知相銜接，因此本發明能夠縮短監測周期，提高監測效率。4、在 雙通道能譜組合測量中，存在真空測量環境創建、外圍屏蔽、探測效率變化、譜線波動等問 題，這些問題嚴重影響環境低水平放射性測量的準確性，本發明由於採用預處理修正、數字 擬合反演和補償修正改進等計算方法對α和Υ雙通道譜線進行處理，因此本發明能夠降 低探測下限，提高測量精度。基於以上優點，本發明可以廣泛應用於環境放射性監測領域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是本發明α和Υ雙通道能譜連續監測系統的總體結構示意圖
[0018] 圖2是本發明α和Υ雙通道能譜連續監測系統中各裝置之間的連接關係示意圖
[0019] 圖3是本發明α和Υ雙通道能譜連續監測方法的流程圖
[0020] 圖4是本發明測量譜線數據的處理流程圖

【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
[0022] 如圖1所示，本發明的α和Υ雙通道能譜連續監測系統，其包括供電裝置1、抬 壓裝置2、採樣裝置3、測量裝置4、樣品傳動裝置5、驅動與狀態反饋模塊6、信號預處理單 元7和上位機8。其中，供電裝置1為抬壓裝置2、採樣裝置3、測量裝置4、樣品傳動裝置5、 驅動與狀態反饋模塊6、信號預處理單元7和上位機8供電。抬壓裝置2、採樣裝置3、測量 裝置4、樣品傳動裝置5均通過驅動與狀態反饋模塊6將各自的狀態信號傳輸至上位機8， 根據接收到的狀態信號，上位機8通過驅動與狀態反饋模塊6控制抬壓裝置2配合採樣裝 置3對環境氣載放射性物質進行採樣，採樣得到的樣品通過樣品傳動裝置5傳輸至測量裝 置4 ;上位機8通過驅動與狀態反饋模塊6控制抬壓裝置2配合測量裝置4對採集樣品所 釋放的α射線粒子和Υ衰變光子進行測量，得到模擬脈衝信號並傳輸至信號預處理單元 7 ;信號預處理單元7對接收到的模擬脈衝信號進行放大、模數轉換和能譜分析後，得到數 字化的α和Y測量譜線並傳輸至上位機8。上位機8對接收到的α和γ測量譜線進行 降噪、擬合和修正等處理後，計算得到採集樣品的放射性活度濃度，上位機8將計算結果進 行顯示和存儲，並通過3G無線方式傳輸至中央處理器（圖中未示出），用於監測數據的網絡 化集成。
[0023] 上述實施例中，如圖1和圖2所示，抬壓裝置2包括活動部21、固定部22、抬壓電 機23和第一光電位置傳感器24。活動部21對應設置在固定部22上方，抬壓電機23設置 在活動部21外側並通過電機軸與活動部21連接，抬壓電機23通過驅動與狀態反饋模塊6 與上位機8連接,上位機8通過驅動與狀態反饋模塊6控制抬壓電機23帶動活動部21上 下移動（圖2中抬壓電機23與驅動與狀態反饋模塊6的連線未示出），當活動部21向下移 動時，移動到與固定部22壓合，當活動部21向上移動時，移動到活動部21與固定部22之 間形成採集樣品橫向傳輸通路。第一光電位置傳感器24設置在抬壓電機23上，用於實時 檢測抬壓電機23的動作是否執行到位，並將檢測結果通過驅動與狀態反饋模塊6傳輸至上 位機8 (圖2中第一光電位置傳感器24與驅動與狀態反饋模塊6的連線未示出）。位於活 動部21和固定部22的同一端，在活動部21和固定部22中分別對應開設一圓臺形腔室25， 當抬壓電機23帶動活動部21向下移動並壓在固定部22上時，兩圓臺形腔室25扣合在一 起構成採樣室。
[0024] 上述實施例中，如圖1和圖2所示，採樣裝置3包括進氣口 31、採樣濾紙32、採樣 託盤33、流量計34和抽氣泵35。進氣口 31通過管路與活動部21的頂端連接，採樣濾紙 32設置在活動部21與固定部22之間並位於採樣託盤33上方。採樣託盤33設置在固定 部22中開設的圓臺形腔室25的上端，圓臺形腔室25的下端通過管路和流量計34與抽氣 泵35連接，進氣口 31、管路、圓臺形腔室25、採樣濾紙32、採樣託盤33、流量計34和抽氣泵 35構成採樣氣流通路。流量計34測量採樣環境氣載放射性物質的體積並將測量結果通過 驅動與狀態反饋模塊6傳輸至上位機8。抽氣泵35通過驅動與狀態反饋模塊6與上位機8 連接，接收上位機8發出的驅動信號（圖2中流量計34、抽氣泵35與驅動與狀態反饋模塊 6的連線均未示出）。
[0025] 上述實施例中，如圖1和圖2所示，測量裝置4包括PIPS(離子注入型表面鈍化 矽）探測器41、Nal (碘化鈉）探測器42、測量託盤43、電磁閥44、壓力計45和真空泵46。 位於抬壓裝置2連接進氣口 31端的相對端，PIPS探測器41內嵌於活動部21中，其探測面 高於活動部21的底端2?5毫米，防止樣品沾汙探測面，Nal探測器42與PIPS探測器41 對應設置並穿設在固定部22中；測量託盤43設置在N aI探測器42的頂端，測量託盤43與 採樣託盤33位於同一水平線上。活動部21與固定部22壓合在一起時，PIPS探測器41、 Nal探測器42和測量託盤43構成測量室，測量室外設置屏蔽罩47,以減小外部環境對譜線 測量的幹擾。在屏蔽罩47外設置電磁閥44、壓力計45和真空泵46,真空泵46通過管路依 次連接壓力計45、電磁閥44和測量室。PIPS探測器41和Nal探測器42均通過導線與上 位機8連接，上位機8通過導線將測量控制信號分別傳輸至PIPS探測器41和Nal探測器 42 ;電磁閥44、壓力計45和真空泵46均通過驅動與狀態反饋模塊6與上位機8連接（圖 2中電磁閥44、壓力計45和真空泵46均通過驅動與狀態反饋模塊6與上位機8的連線均 未示出），上位機8通過驅動與狀態反饋模塊6控制電磁閥44和真空泵46動作，壓力計45 將測量得到的測量室內的壓力通過驅動與狀態反饋模塊6傳輸至上位機8,測量室內的壓 力降到設定值後，上位機8控制PIPS探測器41和Nal探測器42分別對採集樣品所釋放的 α射線粒子和Y光子進行測量，得到兩路電子脈衝模擬信號並傳輸至信號預處理單元7進 行處理。
[0026] 上述實施例中，如圖1和圖2所示，樣品傳動裝置5包括採樣紙帶卷51、移紙電機 52和第二光電位置傳感器53 ;採樣紙帶卷51位於抬壓裝置2連接進氣口 31 -端的外側， 採樣濾紙32的一端固定在採樣紙帶卷51上，另一端穿過活動部21和固定部22之間構成 的採集樣品橫向傳輸通路後固定在移紙電機52上，移紙電機52通過驅動與狀態反饋模塊 6與上位機8連接，上位機8通過驅動與狀態反饋模塊6控制移紙電機52動作。移紙電機 52上設置第二光電位置傳感器53,第二光電位置傳感器53實時檢測移紙電機52的動作是 否執行到位，並將檢測結果通過驅動與狀態反饋模塊6傳輸至上位機8,從而確保樣品傳輸 的準確性和可靠性（圖2中移紙電機52、第二光電位置傳感器53與驅動與狀態反饋模塊6 的連線均未示出）。上述實施例中，如圖1和圖2所示,驅動與狀態反饋模塊6通過RS485 接口與上位機8連接，接收上位機8發出的控制信號，並將接收到的控制信號通過導線傳輸 至抬壓裝置2、採樣裝置3、測量裝置4和樣品傳動裝置5,驅動其執行相應動作；抬壓裝置 2、採樣裝置3、測量裝置4和樣品傳動裝置5分別將過程執行結果通過驅動與狀態反饋模塊 6接收反饋至上位機8。其中，抬壓裝置2、採樣裝置3、測量裝置4和樣品傳動裝置5中與 驅動與狀態反饋模塊6通過導線連接的具體驅動與反饋部件包括：抬壓電機23、第一光電 位置傳感器24、流量計34、抽氣泵35、電磁閥44、壓力計45、真空泵46、移紙電機52和第二 光電位置傳感器53,（圖2中各驅動與反饋部件和驅動與狀態反饋模塊6之間的連線均未 示出）。
[0027] 上述實施例中，如圖2所示，信號預處理單元7包括放大器71、模數轉換器72和多 道分析器73。放大器71分別對兩路電子脈衝模擬信號進行放大，放大後的兩路電子脈衝模 擬信號分別傳輸至模數轉換器72進行模數轉換，得到兩路電子脈衝數位訊號並分別傳輸 至多道分析器73進行能譜分析，得到一路數位化的α測量譜線和一路數位化的γ測量譜 線。α和 Υ測量譜線通過乙太網接口傳輸至上位機8。上位機8對接收到的α和γ測 量譜線進行處理，計算樣品的放射性活度，顯示和存儲測量結果，並通過3G無線方式傳輸 至中央處理器（圖中未示出），用於監測數據的網絡化集成。
[0028] 如圖3所示，一種基於α和Υ雙通道能譜連續監測系統的監測方法，其包括以下 步驟：
[0029] I)上位機8預設系統運行參數，其具體包括採樣時間、流量計係數和壓力係數等 採樣條件參數，測量時間、衰變等待時間、抽真空時間、傳動系統埠和ADC模塊地址等測 量控制參數，取樣效率、探測效率、補償係數、能道範圍和報警限值等環境放射性核素濃度 計算參數，設備名稱、設備編號、遠程伺服器IP位址和數據上傳埠等網絡傳輸參數。
[0030] II)啟動測量過程，上位機8分配三個線程：採樣測量線程、計算保存線程和數據 發送線程，這三個線程並行執行，相互獨立，通過線程間通知相銜接。
[0031] 1)採樣測量線程為主線程，完成兩項工作：一是對全過程中的運行狀態參數進行 監測，及時發現並處置運行故障；監測內容包括每個過程動作的執行時間、執行結果和失敗 嘗試次數，監測時間間隔為200毫秒；二是完成監測過程步驟的切換，實現對環境放射性核 素的自動化、連續測量。
[0032] 對環境放射性核素進行自動化、連續測量的過程中，一個測量周期具體包括樣品 採集、衰變等待、自動換樣和譜線測量四個步驟：
[0033] (1)樣品採集階段，上位機8通過驅動與狀態反饋模塊6啟動抬壓電機23,抬壓電 機23驅動活動部21向下壓緊採樣濾紙32 ;上位機8通過驅動與狀態反饋模塊6啟動抽氣 泵35,環境氣載放射性物質從進氣口 31吸入，依次經過採樣濾紙32、採樣託盤33、流量計 34和抽氣泵35,其中放射性物質收集在採樣濾紙32表面；流量計34通過驅動與狀態反饋 模塊6將測得的流量傳輸至上位機8,上位機8實時監測流量大小並計算採樣體積。
[0034] (2)到達預設的採樣時間後，進入衰變等待階段，放射性物質中的天然氡、釷及其 子體核素在採樣濾紙32上進行自然衰變，從而減少其在測量過程中對人工放射性核素的 幹擾。
[0035] (3)在到達衰變等待時間前100秒，進入自動換樣階段，上位機8通過驅動與狀態 反饋模塊6啟動抬壓電機23,抬壓電機23驅動活動部21向上抬起,上位機8通過驅動與狀 態反饋模塊6啟動移紙電機52,移紙電機52帶動採樣濾紙32由左向右水平移動，採樣濾紙 32帶動採集到的樣品從採樣託盤33上方移動至測量託盤43上方。採樣濾紙32移動過程 中，第二光電位置傳感器53實時檢測移紙電機52的動作是否執行到位，並將檢測結果通過 驅動與狀態反饋模塊6傳輸至上位機8。
[0036] 上位機8通過驅動與狀態反饋模塊6控制抬壓電機23驅動活動部21向下壓緊採 樣濾紙32,確保採樣室和測量室密閉。第一光電傳感器實時檢測抬壓電機23的動作是否執 行到位，並將檢測結果通過驅動與狀態反饋模塊6傳輸至上位機8,確保換樣的準確性和可 靠性。
[0037] (4)到達預設的衰變時間後，上位機8通過驅動與狀態反饋模塊6開啟電磁閥44 並啟動真空泵46,真空泵46對測量室進行抽真空，以提高α測量譜線的解析度；壓力計45 將實時測量到的測量室內的壓力通過驅動與狀態反饋模塊6傳輸至上位機8,當測量室內 的壓力達到一定值後，進入譜線測量階段，上位機8控制PIPS探測器41和Nal探測器42 分別對採集樣品所釋放的α射線粒子和 Y光子進行測量。
[0038] PIPS探測器41和Nal探測器42分別對託盤上方採樣濾紙32表面的採集樣品所 釋放的α射線粒子和Y光子進行測量，得到兩路電子脈衝模擬脈衝信號；兩路電子脈衝模 擬脈衝信號分別傳輸至信號預處理單元7進行放大、模數轉換和能譜分析後，得到一路數 字化的α測量譜線和一路數位化的 Υ測量譜線，並均通過乙太網接口傳輸至上位機8進 行處理。其中，樣品採集與譜線測量採用同步方式進行，即開始當前周期譜線測量過程的同 時，啟動抽氣泵35,開始下一個測量周期的樣品採集過程。該方式可以縮短監測周期，提高 監測效率，這在環境級低水平放射性測量的情況下，樣品採集和譜線測量需要較長時間時， 效果更為明顯。
[0039] 2)計算保存線程完成兩項工作，一是對α和Υ雙通道譜線進行處理，降低譜線中 臨近幹擾核素特徵峰的影響，改善探測下限，準確計算環境氣載放射性物質的活度濃度。二 是計算結果的存儲，包括本地結果報表文件、譜線數據文件、以及用於遠程傳輸的經加密、 壓縮處理的結果文件。
[0040] 由於測量計算的複雜性及保存過程涉及到多道分析器73的數據傳輸和資料庫的 建立、更新，需消耗較長時間，尤其在多次測量，數據量增大之後，無法在200ms的監測間隔 內完成所有控制和運算指令，因此單獨開闢計算保存線程，與主線程相分離，在啟動測量時 分配內存空間，並建立處理任務隊列。計算保存線程在啟動測量時與主線程同步啟動，在譜 線測量完成後，採樣測量線程僅發出譜線處理的線程間通知，就可以繼續開始下一個周期 的樣品採集任務，複雜的譜線數據處理工作由計算保存線程來並行完成。
[0041] 3)數據發送線程完成對測量結果的遠程無線傳輸。為了避免網絡連接故障導致的 數據頻繁發送及系統資源佔用問題，單獨開闢本線程，在啟動測量時與主線程同步啟動。上 位機8將計算保存線程中生成的經加密、壓縮處理的結果文件通過3G無線方式傳輸至中央 處理器，用於多地點、多設備的網絡化測量。
[0042] 上述步驟II)中，如圖4所示，上位機8對α和γ雙通道譜線進行處理的過程包 括以下三個步驟：
[0043] (1)預處理階段，主要用於降低放射性測量中的統計漲落波動，減弱環境溫溼度變 化對探測器譜線的漂移影響，同時通過合適的初始值減少第二階段的迭代次數，本階段包 括降噪尋峰、穩譜修正、確定能窗和計算擬合初始參數。
[0044] (2)主要完成擬合參數修正和反演參數修正，譜線擬合採用洛倫茲函數，根據譜線 中幹擾核素特徵峰的曲率進行判斷，修正擬合參數。之後由譜線高能段向低能段進行前推 反演，扣除幹擾核素拖尾，根據反演校驗結果修正參數，降低環境放射性核素本底幹擾。
[0045] (3)結合多次試驗獲得的補償係數、探測效率、取樣效率、取樣量等參數，計算對應 採集樣品中放射性核素的活度濃度。
[0046] 上述各實施例僅用於說明本發明，其中各部件的結構、連接方式和方法步驟等都 是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除 在本發明的保護範圍之外。
【權利要求】
1. 一種α和Y雙通道能譜連續監測方法，其包括以下步驟： I) 設置一由供電裝置、抬壓裝置、採樣裝置、測量裝置、樣品傳動裝置、驅動與狀態反饋 模塊、信號預處理單元以及上位機構成的α和 Υ雙通道能譜連續監測系統，其中，抬壓裝 置包括活動部、固定部、抬壓電機和第一光電位置傳感器；採樣裝置包括進氣口、採樣濾紙、 採樣託盤、流量計和抽氣泵；測量裝置包括PIPS探測器、Nal探測器、測量託盤、電磁閥、壓 力計和真空泵；樣品傳動裝置包括採樣紙帶卷、移紙電機和第二光電位置傳感器；信號預 處理單元包括放大器、模數轉換器和多道分析器； II) 上位機預設系統運行參數，其具體包括採樣條件參數、測量控制參數、環境放射性 核素濃度計算參數和網絡傳輸參數；採樣條件參數包括採樣時間、流量計係數和壓力係數， 測量控制參數包括測量時間、衰變等待時間、抽真空時間、傳動系統埠和ADC模塊地址， 環境放射性核素濃度計算參數包括取樣效率、探測效率、補償係數、能道範圍、報警限值，網 絡傳輸參數包括設備名稱、設備編號、遠程伺服器IP位址和數據上傳埠； III) 啟動測量過程，上位機分配三個線程：採樣測量線程、計算保存線程和數據發送 線程，這三個線程並行執行，相互獨立，通過線程間通知相銜接； 1) 採樣測量線程為主線程，完成兩項工作：一是對全過程中的運行狀態參數進行監 測，及時發現並處置運行故障；監測內容包括每個過程動作的執行時間、執行結果和失敗嘗 試次數，監測時間間隔為200毫秒；二是完成監測過程步驟的切換，實現對環境放射性核素 的自動化、連續測量； 2) 計算保存線程完成兩項工作，一是對α和Y雙通道譜線進行處理，降低譜線中臨近 幹擾核素特徵峰的影響，改善探測下限，準確計算環境放射性物質的活度濃度；二是計算結 果的存儲，包括本地結果報表文件、譜線數據文件、以及用於遠程傳輸的經加密、壓縮處理 的結果文件； 3) 數據發送線程完成對測量結果的遠程無線傳輸，在啟動測量時數據發送線程與主線 程同步啟動；上位機將計算保存線程中生成的經加密、壓縮處理的結果文件通過3G無線方 式傳輸至中央處理器，用於多地點、多設備的網絡化測量。
2. 如權利要求1所述的一種α和Υ雙通道能譜連續監測方法，其特徵在於：所述步 驟III)中，對環境放射性核素進行測量的過程中，一個測量周期包括樣品採集、衰變等待、 自動換樣和譜線測量四個步驟，其具體為： (1) 樣品採集階段，上位機通過驅動與狀態反饋模塊啟動抬壓電機，抬壓電機驅動活動 部向下壓緊採樣濾紙；上位機通過驅動與狀態反饋模塊啟動抽氣泵，環境氣載放射性物質 從進氣口吸入，依次經過採樣濾紙、採樣託盤、流量計和抽氣泵，放射性物質收集在採樣濾 紙表面；流量計通過驅動與狀態反饋模塊將測得的流量傳輸至上位機，上位機實時監測流 量大小並計算採樣體積； (2) 到達預設的採樣時間後，進入衰變等待階段，放射性物質中的天然放射性氡、釷及 其子體核素在採樣濾紙上進行自然衰變； (3) 在到達衰變等待時間前100秒，進入自動換樣階段，上位機通過驅動與狀態反饋模 塊啟動抬壓電機，抬壓電機驅動活動部向上抬起，上位機通過驅動與狀態反饋模塊啟動移 紙電機，移紙電機帶動採樣濾紙由左向右水平移動，採樣濾紙帶動採集到的樣品從採樣託 盤上方移動至測量託盤上方；採樣濾紙移動過程中，第二光電位置傳感器實時檢測移紙電 機的動作是否執行到位，並將檢測結果通過驅動與狀態反饋模塊傳輸至上位機； 上位機通過驅動與狀態反饋模塊控制抬壓電機驅動活動部向下壓緊採樣濾紙，確保採 樣室和測量室密閉；第一光電傳感器實時檢測抬壓電機的動作是否執行到位，並將檢測結 果通過驅動與狀態反饋模塊傳輸至上位機； (4)到達預設的衰變時間後，上位機通過驅動與狀態反饋模塊開啟電磁閥並啟動真空 泵，真空泵對測量室進行抽真空；壓力計將實時測量到的測量室內的壓力通過驅動與狀態 反饋模塊傳輸至上位機，當測量室內的壓力達到一定值後，進入譜線測量階段，上位機控制 PIPS探測器和Nal探測器分別對採集樣品所釋放的α射線粒子和γ光子進行測量； PIPS探測器和Nal探測器分別對託盤上方採樣濾紙表面的採集樣品所釋放的α射線 粒子和Υ光子進行測量，得到兩路電子脈衝模擬脈衝信號；兩路電子脈衝模擬脈衝信號分 別傳輸至信號預處理模塊進行放大、模數轉換和能譜分析後，得到一路數位化的α測量譜 線和一路數位化的Υ測量譜線，並均通過乙太網接口傳輸至上位機進行處理。
3. 如權利要求1或2所述的一種α和γ雙通道能譜連續監測方法，其特徵在於：所 述步驟III)中，對α和Υ雙通道譜線進行處理的過程包括以下三個步驟： (1) 預處理階段，用於降低放射性測量中的統計漲落波動，減弱環境溫溼度變化對探測 器譜線的漂移影響，同時通過合適的初始值減少第二階段的迭代次數，本階段包括降噪尋 峰、穩譜修正、確定能窗和計算擬合初始參數； (2) 完成擬合參數修正和反演參數修正，譜線擬合採用洛倫茲函數，根據譜線中幹擾核 素特徵峰的曲率進行判斷，修正擬合參數；之後由譜線高能段向低能段進行前推反演，扣除 幹擾核素拖尾，根據反演校驗結果修正參數，降低環境放射性核素本底幹擾； (3) 結合多次試驗獲得的補償係數、探測效率、取樣效率和取樣量，計算對應採集樣品 中放射性核素的活度濃度。
4. 一種實現如權利要求1?3任一項所述監測方法的α和γ雙通道能譜連續監測系 統，其特徵在於：它包括供電裝置、抬壓裝置、採樣裝置、測量裝置、樣品傳動裝置、驅動與狀 態反饋模塊、信號預處理單元以及上位機；所述供電裝置為所述抬壓裝置、採樣裝置、測量 裝置、樣品傳動裝置、驅動與狀態反饋模塊、信號預處理單元以及上位機供電；所述抬壓裝 置、採樣裝置、測量裝置、樣品傳動裝置均通過所述驅動與狀態反饋模塊將各自的狀態信號 傳輸至所述上位機，所述上位機通過所述驅動與狀態反饋模塊控制所述抬壓裝置配合所述 採樣裝置對環境氣載放射性物質進行採樣，採樣得到的樣品通過所述樣品傳動裝置傳輸至 所述測量裝置；所述上位機通過所述驅動與狀態反饋模塊控制所述抬壓裝置配合所述測量 裝置對採集樣品所釋放的α射線粒子和 Υ衰變光子進行測量，得到模擬脈衝信號並傳輸 至所述信號預處理單元；所述信號預處理單元對接收到的模擬脈衝信號進行放大、模數轉 換和能譜分析後，得到α和Υ測量譜線並傳輸至所述上位機；所述上位機對α和Υ測量 譜線進行降噪、擬合和修正處理後，計算得到採集樣品的放射性活度濃度，所述上位機將計 算結果進行顯示和存儲，並通過3G無線方式傳輸至中央處理器。
5. 如權利要求4所述的一種α和γ雙通道能譜連續監測系統，其特徵在於：所述抬 壓裝置包括活動部、固定部、抬壓電機和第一光電位置傳感器；所述活動部對應設置在所述 固定部上方，所述抬壓電機設置在所述活動部外側並通過電機軸與所述活動部連接，所述 抬壓電機通過所述驅動與狀態反饋模塊與所述上位機連接，所述上位機通過所述驅動與狀 態反饋模塊控制所述抬壓電機帶動所述活動部上下移動；所述第一光電位置傳感器設置在 所述抬壓電機上，並實時檢測所述抬壓電機的動作是否執行到位，將檢測結果通過所述驅 動與狀態反饋模塊傳輸至所述上位機；位於所述活動部和固定部的同一端，在所述活動部 和固定部中分別對應開設一圓臺形腔室，當所述抬壓電機帶動所述活動部向下移動並壓在 所述固定部上時，兩所述圓臺形腔室扣合在一起構成採樣室。
6. 如權利要求5所述的一種α和γ雙通道能譜連續監測系統，其特徵在於：所述採樣 裝置包括進氣口、採樣濾紙、採樣託盤、流量計和抽氣泵；所述進氣口通過管路與所述活動 部的頂端連接，所述採樣濾紙設置在所述活動部與固定部之間並位於所述採樣託盤上方； 所述採樣託盤設置在所述固定部中開設的所述圓臺形腔室的上端，所述圓臺形腔室的下端 通過管路和所述流量計與所述抽氣泵連接，所述進氣口、管路、圓臺形腔室、採樣濾紙、採樣 託盤、流量計和抽氣泵構成採樣氣流通路；所述流量計測量採樣環境氣載放射性物質的體 積並將測量結果通過所述驅動與狀態反饋模塊傳輸至所述上位機；所述抽氣泵通過所述驅 動與狀態反饋模塊與所述上位機連接，接收所述上位機發出的驅動信號。
7. 如權利要求6所述的一種α和γ雙通道能譜連續監測系統，其特徵在於：所述測量 裝置包括PIPS探測器、Nal探測器、測量託盤、電磁閥、壓力計和真空泵；位於所述抬壓裝置 連接所述進氣口端的相對端，所述PIPS探測器內嵌於所述活動部中，其探測面高於所述活 動部的底端2?5毫米，所述Nal探測器與PIPS探測器對應設置並穿設在所述固定部中； 所述測量託盤設置在所述Nal探測器的頂端，所述測量託盤與所述採樣託盤位於同一水平 線上；所述活動部與固定部壓合在一起時，所述PIPS探測器、Nal探測器和測量託盤構成測 量室，所述測量室外設置屏蔽罩，在所述屏蔽罩外設置所述電磁閥、壓力計和真空泵，所述 真空泵通過管路依次連接所述壓力計、電磁閥和測量室；所述PIPS探測器和Nal探測器均 通過導線與所述上位機連接；所述電磁閥、壓力計和真空泵均通過所述驅動與狀態反饋模 塊與所述上位機連接，所述上位機通過所述驅動與狀態反饋模塊控制所述電磁閥和真空泵 動作，所述壓力計將測量得到的所述測量室內的壓力通過所述驅動與狀態反饋模塊傳輸至 所述上位機，測量室內的壓力降到設定值後，所述上位機控制所述PIPS探測器和Nal探測 器分別對採集樣品所釋放的α射線粒子和 Y光子進行測量，得到兩路電子脈衝模擬信號 並傳輸至所述信號預處理單元進行處理。
8. 如權利要求6或7所述的一種α和γ雙通道能譜連續監測系統，其特徵在於：所述 樣品傳動裝置包括採樣紙帶卷、移紙電機和第二光電位置傳感器；所述採樣紙帶卷位於所 述抬壓裝置連接所述進氣口 一端的外側，所述採樣濾紙的一端固定在所述採樣紙帶卷上， 另一端穿過所述活動部和固定部之間構成的採集樣品橫向傳輸通路後固定在所述移紙電 機上，所述移紙電機通過所述驅動與狀態反饋模塊與所述上位機連接，所述上位機通過所 述驅動與狀態反饋模塊控制所述移紙電機動作；所述移紙電機上設置所述第二光電位置傳 感器，所述第二光電位置傳感器實時檢測所述移紙電機的動作是否執行到位，並將檢測結 果通過所述驅動與狀態反饋模塊傳輸至所述上位機。
9. 如權利要求5或6或7所述的一種α和γ雙通道能譜連續監測系統，其特徵在於： 所述信號預處理單元包括放大器、模數轉換器和多道分析器，所述放大器分別對兩路電子 脈衝模擬信號進行放大，放大後的兩路電子脈衝模擬信號分別傳輸至所述模數轉換器進行 模數轉換，得到兩路電子脈衝數位訊號並分別傳輸至所述多道分析器進行能譜分析，得到 一路數位化的α測量譜線和一路數位化的Y測量譜線並通過乙太網接口傳輸至所述上位 機。
【文檔編號】G01T1/36GK104215997SQ201410446875
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月3日 優先權日:2014年9月3日
【發明者】徐宏坤, 牟長麗, 王戈, 韓善彪, 邊江, 張碩, 殷蔭 申請人:北京市射線應用研究中心