氣態氚活度測量裝置的製作方法
2023-08-03 20:26:26 1
專利名稱：氣態氚活度測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及核輻射探測中的氚活度測量，尤其涉及一種低活度的氣態氚活度測量
>J-U裝直。
背景技術：
氚是廣泛存在於環境中的低能P發射體，自然界中存在的天然氚極微，主要由宇宙射線中的中子和質子轟擊大氣層中的160和16N形成。在人類開展產氚活動之後，各種以氣體、液體或固體形式排放到地表或大氣中的氚構成環境氚源的重要部分。氚作為裂變動力運行堆排放的重要放射性氣體核素，各種核設施洩漏入周圍環境的氚，會造成周圍環境大氣氚活度的升高。而工作在核電站反應堆廠房及有關輔助廠房的工作人員必然會通過各種途徑攝入氚，從而造成一定程度的內照射傷害。因此，如何高精度地測量空氣中的氚活度是氣態氚測量的一個關鍵問題，。目前氚的適用面不夠廣泛，測量的方法也較少，主要包括以下兩種，一是將氚催化氧化成氚化水之後利用閃爍體探測器進行測量；二是採用氣體探測器如電離室、正比計數器進行氣體的測量。兩者面向不同的測量對象，後續採用不同的信號處理系統對探測器輸出的信號進行整合，通過通信模塊傳送給測量軟體。對於第一種測量方法，針對空氣中含有的氣態氚，將其轉化成液態氚進行測量，一方面提高了測量的難度，另一方面也降低了數據的精確度。對於第二種測量方法，因為氚輻射的P粒子的平均能量為5. 72KeV，最大能量為18.6KeV,測定氣體狀態下試樣中氣的含量,可以米用電離室和內充氣的氣體放電器。實際工作中粒子相對a粒子在高壓下電離的粒子對要少的多，僅採用普通的空氣作為工作氣體，對於活度較低的氚氣，探測器在測量的時候容易探測不到，或探測精度不夠。所以低活度的氚氣活度測量本身就是一個棘手的問題。經過多次氣態氚活度測量實驗我們發現，當氣體放電器測量過較高活度的氚氣後，再測量低活度的氚氣時，會出現無法響應、或數據偏差的問題，經過反覆研究和實驗發現，這是由於環境中存留的少量氚會使測量裝置內也保留少量氚氣，形成本底值和探測下限，造成記憶效應，只能對較大活度的氚進行測量，而對於活度低的氣態氚，則無法響應、或數據出現偏差。為了解決這些問題，就需要設計高精度的、低本底值、低探測下限的探測系統以提高探測器的探測效率。也就是需要降低探測器的本底值和探測下限，消除記憶效應。正比計數器中大量的氣體放大作用是其輸出信號為脈衝信號的主要原因，傳統的測量裝置不能準確處理、分析正比計數器輸出的信號，可能會出現核輻射信號被淹沒或者譜峰重疊現象的發生，造成「誤計」、「漏計」的現象。因此，亟需一種能夠便捷對空氣中氣態氚進行快速充氣測量的裝置。
發明內容
本發明的目的就在於提供一種解決上述問題，能夠快速、有效測量空氣中的氚活度，避免空氣對測量結果的幹擾，實現環境低本底輻射劑量的準確測量，同時能夠實時顯示測量譜線，提高低能射線的核輻射測量儀器的實用性和長效性的氣態氚活度測量裝置。為了實現上述目的，本發明採用的技術方案是這樣的一種氣態氚活度測量裝置，包括探測單元、信號獲取單元和中央處理器，所述信號獲取單元將探測單元檢測到的信號形成對應幅度的脈衝信號，並送入中央處理器中計數、分析和處理，還包括一真空單元；
所述真空單元包括一個三通，所述三通一端連接真空表，另外兩端分別連接一主管
道；
其中一主管道與探測單元連通，且該主管道上設有閥門；
另一主管道遠離三通的一端分為四個自帶閥門的支管道，分別一一對應連通真空抽氣泵、氦檢漏儀和兩個氣體瓶；
所述探測單元包括一個或多個正比計數器，每個正比計數器僅有一個供氣體出入的氣體出入口，所述氣體出入口上設有閥門，且均能分別通過閥門與對應主管道連通；
所述閥門均與中央處理器相連，由中央處理器控制其開合。作為優選所述信號獲取單元為一路或多路連接電荷靈敏前置放大器的多道幅度脈衝分析器，且為一路時，電荷靈敏前置放大器與一正比計數器的高壓埠可拆卸連接，為多路時，多個電荷靈敏前置放大器與多個正比計數器的高壓埠一一對應相連，多道幅度脈衝分析器與中央處理器相連。作為優選所述正比計數器僅有一個氣體出入口具體為，所述正比計數器為封閉了一個氣口的流氣式正比計數器。作為優選所述正比計數器具體為，包括作為陰極的密封中空金屬罩、金屬罩內部作為陽極的芯線、固定在金屬罩上與芯線連接的高壓接頭，所述金屬罩上僅設有一個與其內部連通的氣體出入口。作為優選所述高壓接頭位於金屬罩一端，所述氣體出入口位於金屬罩另一端。作為優選當正比計數器為多個時，每個正比計數器的體積大小各不相同。與現有技術相比，本發明的優點在於利用正比計數器作為探測單元，通過真空單元對正比計數器進行氣體的抽出、充入控制，可以更換正比計數器內的工作氣體，克服了空氣做工作氣體時，0粒子相對a粒子在高壓下電離的粒子少很多，不利於測量的缺陷，其中，正比計數器只有一個氣體出入口進行抽真空，充氣的操作，由於只需加高壓測量，也無需在正比計數器上開設入射窗口，以上兩點有效克服了採用流氣式結構氣體易洩露的缺陷。真空單元通過三通和閥門實現其連接的各設備，如正比計數器、氦檢漏儀、氣體瓶、真空抽氣泵的連通或阻擋，方便對正比計數器抽真空，或充入氣體瓶內的氣體，結構簡單，操作性強。而利用本發明設定有效的抽真空方式，可以有效清除正比計數器、氣體瓶內殘留的氚氣，降低正比計數器的本底和探測限。由於正比計數器加高壓後輸出的信號不可直接測量，所以需要經電荷靈敏前置放大器進行整形後，才能通過多道脈衝幅度分析器進行信號幅度、脈寬的測量，測量後的數據信息送入中央處理器中，通過匹配的軟體可實現單次測量、長穩測量、設定時間等功能，同時實現放射性活度實現顯示、譜線顯示、自動尋峰、譜線加亮、峰面積計算、能量刻度等功倉泛。
圖1為本發明實施例1的結構示意 圖2為本發明實施例2的結構示意 圖3為本發明電荷靈敏前置放大器的電路 圖4為本發明電荷靈敏前置放大器跟隨器的電路 圖5為本發明中央處理器內置軟體功能框 圖6為不同電壓下的計數率值 圖7為低活度氚計算值與測量值比較 圖8為高活度氚計算值與測量值比較圖。圖中1、三通;2、主管道;3、閥門；4、支管道。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明作進一步說明。實施例1 :參見圖1，一種氣態氚活度測量裝置，包括探測單元、信號獲取單元和中央處理器，所述信號獲取單元將探測單元檢測到的信號形成對應幅度的脈衝信號，並送入中央處理器中計數、分析和處理，該裝置還包括一真空單元；
所述真空單元包括一個三通I，所述三通I 一端連接真空表，另外兩端分別連接一主管道2;
其中一主管道2與探測單元連通，且該主管道2上設有閥門3 ；
另一主管道2遠離三通I的一端分為四個自帶閥門3的支管道4，分別一一對應連通真空抽氣泵、氦檢漏儀和兩個氣體瓶；
所述探測單元包括一個或多個正比計數器，本實施例中選用四個，且每個正比計數器的體積大小各不相同，分別為100mL、200mL、300mL、400mL、每個正比計數器僅有一個供氣體出入的氣體出入口，所述氣體出入口上設有閥門3，且均能分別通過閥門3與對應主管道2連通；
所述閥門3均與中央處理器相連，由中央處理器控制其開合；
所述信號獲取單元為一路連接電荷靈敏前置放大器的多道幅度脈衝分析器，其中，電荷靈敏前置放大器與一正比計數器的高壓埠可拆卸連接，多道幅度脈衝分析器與中央處理器相連。由於正比計時器僅有一個供氣體出入的氣體出入口，可以通過以下兩種方式實現
其一，將具有兩個氣口的流氣式正比計數器的氣口封閉一個，僅留下一個氣口作為氣體出入口，實現氣體的抽出、充入等操作。其二，所述正比計數器具體為，包括作為陰極的密封中空金屬罩、金屬罩內部作為陽極的芯線、固定在金屬罩上與芯線連接的高壓接頭，所述金屬罩上僅設有一個與其內部連通的氣體出入口，且所述高壓接頭位於金屬罩一端，所述氣體出入口位於金屬罩另一端。
由於氚氣極易溶於水，一般測量氚氣都是將其轉化為氚水利用液體閃爍體探測器進行測量。傳統儀器測量採用大型、複雜的裝置，對氚氣進行過濾、蒸餾、採集，而本實施例展示的真空單元僅需要將正比計數器抽真空，將內部的水蒸氣、雜質除去，加入工作氣體和樣品氣體進行測量即可。如此既簡化了結構及測量的繁瑣步驟，同時也提高了探測效率。參照圖1，通過三通I及閥門3的控制，可以實時觀測當前正比計數器管內的氣體壓強。本發明的結構特殊，使兩個主管道2兩端連接的各個設備均能通過閥門3連通，本發明不僅在測量前用來清除水蒸氣，還可以在測量結束後，循環進行抽真空、充PlO (90%氬氣+10%甲烷)氣體，對正比計數器進行清洗，避免氣體對正比計數器沾汙。本發明使用的正比計數器結構為兩種，一種是封閉了一個氣口的流氣式結構，另一種只有一個氣體出入口，既可用於流氣式氣體測量，也可用作內充氣式氣體測量。氚氣與PlO氣體混合後充入正比計數器內，在高壓的激發下，正比計數器內的氣體可以100%被電離，輸出隨機的脈衝信號，具有較好的能量解析度和能量線性響應，探測效率高，壽命長，廣泛應用於核物理和粒子物理實驗，尤其能夠高效率的探測低能量射線。參見圖3，由於正比計數器外加高壓，其輸出的信號不可直接測量，必須經由電荷靈敏前置放大器整形才能測量，故本發明的電荷靈敏前置放大器的結構參見圖3，本實施例中，運放為AD8065，引入IpF反饋電容，電容為廣泛應用於精密電子儀器中的雲母電容。輸入電荷Q都積累在電容上，輸出信號電壓幅度近似等於電容上的電壓，為了釋放電容上不斷累積的電荷量，並穩定反饋的直流工作點，附加一個阻值為100M的反饋電阻。經過電荷靈敏前置放大器的整形之後，正比計時器的信號可以通過示波器進行信號幅度、脈寬的測量。為了避免電路由於後級輸入阻抗比較小，信號會有相當一部分損耗在前級的輸出電阻上。參見圖4，採用AD844在前置放大器之後設置了一級跟隨器，運放的電源部分採用±5V，利用4. 7 Q電阻、22uF電容組成的濾波電路進行濾波。這部分輸入阻抗高，而輸出阻抗低，起到承上啟下的作用。信號進入多道幅度脈衝分析器中進行處理，多道幅度脈衝分析器包括主放大電路、脈衝幅度甄別電路、ADC觸發電路和通信模塊。信號經多道幅度脈衝分析器中進行處理後，由通信模塊將數據發送至中央處理器，中央處理器內置測量軟體，可實現多種功能，參見圖5，本實施例中，我們採用MicrosoftVisual Studio 2010的MFC Ribbon界面風格開發一套具有長時間測量、定時測量、長穩測量並統計、感興趣區設置、能量刻度、譜光滑、尋峰、顯示區設置、峰面積計算、核素識別、核素資料庫等功能為一體的應用軟體。軟體包括數據採集和譜數據分析兩大功能區，其中，數據採集功能分為參數設置，手動計數，定時計數，長穩測量，文件轉換等五項內容，主要實現動態實時測量以及測量過程中的參數設置和控制，並可以將測量後生成的文件轉換為Excel報表或者通過軟體的統計功能實現數據的分析和統計。譜數據分析功能區包括數據分析、核素資料庫兩項內容。通過一些常用的譜分析操作，實現對核素的初步定性和定量分析。在利用本發明進行高壓測試時，需要針對具體設備，進行多點電壓測試，一般情況下，電壓越低，計數越偏小，而電壓越高，則越容易出現信號畸變，所以，需要找出最合適的操作電壓。圖7、圖8中，測量值是通過本發明測量所得的數值，而計算值為理論計算所得的數值。由圖7可知，本發明對低活度氣態氚隨氚含量的增加呈現一定的線性變化，由圖8可知，本發明對於極高活度的氚樣則無法呈現線性，隨著氚樣的增加，計數率接近正比計數器測量上限，繼續增加氚樣則計數率無明顯變化，見圖C。可見本裝置能實現對低活度氚樣的有效測量。而對於高濃度、高活度氚，只需要進行稀釋即可利用本發明進行測量。現在，在1900V的高壓下，多次測量的本底總計數率和探測限計算結果如表I所示
表I 1900V下測量的本底計數率及探測限
權利要求
1.一種氣態氚活度測量裝置，包括探測單元、信號獲取單元和中央處理器，所述信號獲取單元將探測單元檢測到的信號形成對應幅度的脈衝信號，並送入中央處理器中計數、分析和處理，其特徵在於還包括一真空單元； 所述真空單元包括一個三通，所述三通一端連接真空表，另外兩端分別連接一主管道； 其中一主管道與探測單元連通，且該主管道上設有閥門； 另一主管道遠離三通的一端分為四個自帶閥門的支管道，分別一一對應連通真空抽氣泵、氦檢漏儀和兩個氣體瓶； 所述探測單元包括一個或多個正比計數器，每個正比計數器僅有一個供氣體出入的氣體出入口，所述氣體出入口上設有閥門，且均能分別通過閥門與對應主管道連通； 所述閥門均與中央處理器相連，由中央處理器控制其開合。
2.根據權利要求1所述的氣態氚活度測量裝置，其特徵在於所述信號獲取單元為一路或多路連接電荷靈敏前置放大器的多道幅度脈衝分析器，且為一路時，電荷靈敏前置放大器與一正比計數器的高壓埠可拆卸連接，為多路時，多個電荷靈敏前置放大器與多個正比計數器的高壓埠一一對應相連，多道幅度脈衝分析器與中央處理器相連。
3.根據權利要求1所述的氣態氚活度測量裝置，其特徵在於所述正比計數器僅有一個氣體出入口具體為，所述正比計數器為封閉了一個氣口的流氣式正比計數器。
4.根據權利要求1所述的氣態氚活度測量裝置，其特徵在於所述正比計數器具體為，包括作為陰極的密封中空金屬罩、金屬罩內部作為陽極的芯線、固定在金屬罩上與芯線連接的高壓接頭，所述金屬罩上僅設有一個與其內部連通的氣體出入口。
5.根據權利要求4所述的氣態氚活度測量裝置，其特徵在於所述高壓接頭位於金屬罩一端，所述氣體出入口位於金屬罩另一端。
6.根據權利要求1所述的氣態氚活度測量裝置，其特徵在於當正比計數器為多個時，每個正比計數器的體積大小各不相同。
全文摘要
本發明公開了一種氣態氚活度測量裝置，包括探測單元、信號獲取單元和中央處理器，所述信號獲取單元將探測單元檢測到的信號形成對應幅度的脈衝信號，並送入中央處理器中計數、分析和處理，還包括一真空單元，真空單元通過三通和閥門實現其連接的各設備，如正比計數器、氦檢漏儀、氣體瓶、真空抽氣泵的連通或阻擋，方便對正比計數器抽真空，或充入氣體瓶內的氣體，結構簡單，操作性強。而利用本發明設定有效的抽真空方式，可以有效清除正比計數器、氣體瓶內殘留的氚氣，降低探測單元的本底和探測限，實現對低活度的氣態氚活度的高精度有效測量，提高探測單元的探測效率。
文檔編號G01T1/18GK103033838SQ20121036326
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者庹先國, 成毅, 李哲, 連曉雯, 周國家, 宋茜茜, 周傳文 申請人:成都理工大學