中子-伽马探测器和数据处理方法与流程

1.本发明涉及核辐射测量技术领域，尤其涉及一种中子-伽马探测器和数据处理方法。


背景技术：

2.中子-伽马探测技术广泛应用于核电站、国防、石油测井、军事及核应急领域，在该领域的核设备建造、运行及中子、伽马相关应用中会在周围环境伴随中子辐射和伽马辐射，在某工作场所某些部位中子剂量和伽马剂量占总剂量较高份额，在应用过程中，中子辐射和伽马辐射剂量当量监测必不可少，因此，研制高效、综合性能优异的中子-伽马辐射监测仪对核电、军用设备等的安全运行具有重要意义。
3.对于中子-伽马辐射探测器，现有的探测器主要包括便携式中子探测器、中子谱仪、伽马探测器、伽马谱仪等，可覆盖绝大部分中子-伽马监测所适用的场景，有效的实现中子-伽马辐射监测。但是由于传统的探测器只能够测量单一射线，需要两台甚至多台探测器才能获取混合辐射场的γ射线和中子辐射，这对野外测量的便携性和功耗都提出了挑战。


技术实现要素：

4.本发明提供一种中子-伽马探测器和数据处理方法，用以解决传统的探测器只能够测量单一射线，需要两台甚至多台探测器才能获取混合辐射场的γ射线和中子辐射的问题。
5.第一方面，本发明提供一种中子-伽马探测器，所述中子-伽马探测器为一体化设计的探测器，其包括：
6.中子探头组件，用于检测中子信号；
7.伽马探头组件，用于检测伽马信号；
8.信号处理单元，其分别与所述中子探头组件和所述伽马探头组件连接，用于接收所述中子信号和所述伽马信号，并根据所述中子信号和所述伽马信号进行计算处理，以得到对应的中子剂量率值和伽马剂量率值。
9.在本发明的一实施例中，所述中子探头组件包括第一电路板、3he正比计数管以及中子前放模块，所述3he正比计数管的阳极接在所述中子前放模块上，所述中子前放模块固定在所述第一电路板上，所述中子前放模块还包括第一前置放大器、中子整形电路和中子高压电路。
10.在本发明的一实施例中，所述中子探头组件还包括慢化体、屏蔽层、以及屏蔽罩；所述慢化体包括第一慢化体和第二慢化体，所述第一慢化体位于所述屏蔽层的外部，所述第二慢化体、所述3he正比计数管、所述屏蔽罩以及所述中子前放模块均位于所述屏蔽层的内部；所述3he正比计数管的阴极固定在所述屏蔽罩上，所述第一电路板位于所述屏蔽罩的内部。
11.在本发明的一实施例中，所述伽马探头组件包括第二电路板、gm计数管以及伽马
前放模块，所述gm计数管、所述伽马前放模块以及所述信号处理单元均固定在所述第二电路板上。
12.在本发明的一实施例中，所述伽马前放模块包括第二前置放大器、伽马整形电路、伽马高压电路以及高压控制电路，所述高压控制电路包括一开关，通过所述开关开启高压模式和关断高压模式。
13.在本发明的一实施例中，所述信号处理单元包括处理器、通信模块以及电源模块，所述处理器用于对所述中子信号和所述伽马信号进行计算处理，以得到对应的中子剂量率值和伽马剂量率值。
14.在本发明的一实施例中，所述中子-伽马探测器还包括航插，所述信号处理单元通过所述通信模块与所述航插连接并通过所述航插与外部进行通讯，外部电源通过所述航插对所述中子-伽马探测器进行供电。
15.在本发明的一实施例中，所述慢化体由碳化硼或环氧树脂基材料制成，用于将入射的快中子慢化为慢热中子。
16.在本发明的一实施例中，所述屏蔽层由铅镉合金制成，用于屏蔽部分伽马射线。
17.在本发明的一实施例中，所述屏蔽罩由铜合金制成，用来屏蔽外部电磁干扰所述第一电路板和隔绝部分辐射。
18.在本发明的一实施例中，所述航插为4芯航插，其中2芯用于供电，2芯用于通讯。
19.在本发明的一实施例中，所述第一慢化体的形状为球形，所述第二慢化体的形状为圆柱体，所述屏蔽层的形状为圆柱体。
20.第二方面，本发明还提供一种数据处理方法，该方法应用于第一方面所述的中子-伽马探测器，所述方法包括：
21.获取中子信号并对所述中子信号进行预处理；
22.获取伽马信号并对所述伽马信号进行预处理；
23.通过预设算法对所述中子信号和所述伽马信号进行计算处理，以得到对应的中子剂量率值和伽马剂量率值。
24.在本发明的一实施例中，通过预设算法对所述伽马信号进行计算处理，以得到伽马剂量率值的步骤包括：
25.在正常偏压下，所述gm计数管输出一个计数脉冲后，将其工作偏压降低到触发预设阈值下的某个固定电压一段时间，以使所述gm计数管不触发；当重新升压至工作偏压使所述gm计数管正常工作，并记录以此为起点到下一个计数脉冲出现的时间t；
26.基于该时间t求得辐射强度r，其中t与r成反比且满足关系式r＝k/t，k为常量本发明提供的中子-伽马探测器和数据处理方法，通过提供中子探头组件、伽马探头组件以及信号处理单元，能够同时获取混合辐射场的γ射线和中子辐射的信号，并经过信号处理单元的计算得到对应的中子剂量率值和伽马剂量率值。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些
附图获得其他的附图。
28.图1是本发明提供的中子-伽马探测器的模块框图；
29.图2是本发明实施例提供的中子-伽马探测器的功能模块框图；
30.图3是本发明实施例提供的中子-伽马探测器的结构示意图；
31.图4是本发明提供的第二电路板的结构示意图；
32.图5是本发明提供的数据处理方法的流程示意图。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。
35.为了解决传统的探测器只能够测量单一射线，需要两台甚至多台探测器才能获取混合辐射场的γ射线和中子辐射的问题，本发明提供一种中子-伽马探测器和数据处理方法，通过提供中子探头组件、伽马探头组件以及信号处理单元，能够同时获取混合辐射场的γ射线和中子辐射的信号，并经过信号处理单元的计算得到对应的中子剂量率值和伽马剂量率值。
36.本发明所述中子-伽马辐射仪可用于剂量监测，可应用于核反应堆、核电站及其它同位素应用场所的中子剂量率和伽马剂量率测量，具有测量时不同更换探头的特点，超出设定阈值及时报警，避免人员受到过量的辐射剂量。
37.下面结合图1-图5描述本发明的中子-伽马辐射仪。
38.请参考图1，图1是本发明提供的中子-伽马探测器的模块框图。一种中子-伽马探测器10，所述中子-伽马探测器为一体化设计的探测器，其包括中子探头组件100、伽马探头组件200以及信号处理单元300。
39.示例性地，中子探头组件100用于检测中子信号。
40.示例性地，伽马探头组件200用于检测伽马信号。
41.示例性地，信号处理单元300分别与中子探头组件100和伽马探头组件200连接，用于接收中子信号和伽马信号，并根据所述中子信号和所述伽马信号进行计算处理，以得到对应的中子剂量率值和伽马剂量率值。
42.以下通过一实施例对图1进行具体描述。
43.请参考图2、图3以及图4，图2是本发明实施例提供的中子-伽马探测器的模块框图，图3是本发明实施例提供的中子-伽马探测器的结构示意图，图4是本发明提供的第二电路板的结构示意图。一种中子-伽马探测器10，所述中子-伽马探测器为一体化设计的探测器，其包括中子探头组件100、伽马探头组件200以及信号处理单元300。
44.示例性地，中子探头组件100包括第一电路板106、3he正比计数管103以及中子前
放模块105，3he正比计数管103的阳极接在带高压的中子前放模块105上，中子前放模块105固定在第一电路板上，中子前放模块105还包括第一前置放大器1051、中子整形电路1052和中子高压电路1053，通过第一前置放大器1051和中子整形电路1052对中子信号进行放大、滤波、甄别、整形后形成标准的方波信号。
45.示例性地，中子探头组件100为多层套筒结构，其还包括慢化体101、屏蔽层102以及屏蔽罩104。慢化体101包括第一慢化体1011和第二慢化体1012，第一慢化体1011位于屏蔽层102的外部，第一慢化体1011也可以称为外层慢化体。第二慢化体1012、3he正比计数管103、屏蔽罩104以及中子前放模块105均位于屏蔽层102的内部，第二慢化体1012也可以称为内层慢化体。3he正比计数管103可设置在中子-伽马探测器10的中心位置，其阴极固定在屏蔽罩104上，第一电路板位于屏蔽罩104的内部。
46.示例性地，第一慢化体1011的形状可以球形，第二慢化体1012的形状可以圆柱体，第一慢化体1011和第二慢化体1012均可以由碳化硼(b4c)或环氧树脂基材料制成，能在高温条件下保持慢化体101的形状不变，慢化体101用于将入射的快中子慢化为慢热中子，能够改善本发明所述中子-伽马探测器的能量响应。
47.示例性地，屏蔽层102的形状可以是圆柱体，其用于屏蔽部分伽马射线对3he正比计数管103的影响，降低相互辐射造成的干扰。屏蔽层102可以由铅镉合金制成，屏蔽层102的厚度范围为1～3mm。
48.因此，3he正比计数管103的外部依次是圆柱体的第二慢化体1012、圆柱体的屏蔽层102以及球形的第一慢化体1011。
49.示例性地，屏蔽罩104用来屏蔽外部电磁干扰第一电路板和隔绝部分辐射，能屏蔽恶劣环境下电磁干扰对中子-伽马探测器10的影响。屏蔽罩104可以由铜合金制成，屏蔽罩104的厚度范围为2～4mm。
50.本发明的第一慢化体1011和第二慢化体1012均采用耐高温的b4c/环氧树脂基材料，能在高温条件下保持慢化体101的形状不变。屏蔽层102能屏蔽伽马射线对3he正比计数管103的影响，降低相互辐射造成的干扰。屏蔽罩104能屏蔽恶劣环境下电磁干扰对中子-伽马探测器10的影响。故，本发明所述中子-伽马探测器10可置于高温、高湿、高放射性等恶劣环境下，对中子、伽马辐射剂量进行监测。
51.现有技术中，在核应急救援、核事故发生时，会出现高温、高湿、高放射性等恶劣环境，仍然需要连续监测区域内中子辐射和伽马辐射剂量率水平，并将测量信息上传至主控制单元，为判断和评估事故严重程度、制定事故处理方案、评估事故后果等提供必要的可靠的辐射监测数据，一般应用于此环境的中子探测器或伽马探测器通常都是将探头与后续信号处理单元分隔开来，通过一根屏蔽线缆进行连接，由于探测器产生的信号非常微弱，通过一根屏蔽线缆远距离传输微弱的模拟信号，将会带来比较大的噪声，甚至会淹没目标信号，造成误报，不能准确的反应测量区域内中子辐射和伽马辐射剂量率水平。
52.而本发明所述中子-伽马探测器为一体化探测器，能在高温、高湿、高放射性的环境中使用，克服现有技术中通过屏蔽线缆远距离传输高压、模拟信号中带来的噪声干扰，使得监测不准，容易误报等问题，并提高设备的抗扰能力，并且本发明所述中子-伽马探测器对传输方式的要求不那么严苛。
53.示例性地，伽马探头组件200包括第二电路板201、gm计数管202以及伽马前放模块
203。gm计数管202、伽马前放模块203以及信号处理单元300均固定在第二电路板201上。伽马前放模块203包括第二前置放大器2031、伽马整形电路2032、伽马高压电路2033以及高压控制电路2034。第二前置放大器2031用于放大gm计数管202的输出信号，提高信噪比，提升负载能力，伽马整形电路2032用于滤波和甄别第二前置放大器2031输出的信号，并将其整形成可用方波信号。高压控制电路2034包括一高速开关，通过该高速开关开启高压模式和关断高压模式，以通过控制该高速开关的开启、关断来控制高压的有无，实现人工对gm计数管202的死时间控制。
54.由于正离子鞘对电场的屏蔽作用，在放电结束后gm计数管202有一段时间不能响应脉冲信号，这段时间称为死时间。
55.示例性地，信号处理单元300包括处理器3001、通信模块3002以及电源模块3003，处理器3001用于对中子信号和伽马信号进行计算处理，以得到对应的中子剂量率值和伽马剂量率值。
56.进一步的，本发明所述中子-伽马探测器10还可以包括报警模块，信号处理单元300根据其计算出的中子剂量率值和伽马剂量率值，如果中子剂量率值和伽马剂量值中任一一个值超出预设阈值，可通过报警模块及时报警，可避免人员受到过量的辐射剂量。
57.示例性地，本发明所述中子-伽马探测器10还包括航插400，航插400位于中子-伽马探测器10的底部，信号处理单元300通过其通信模块3002与航插400连接并通过航插400与外部进行通讯，外部电源通过航插400能够对中子-伽马探测器10进行供电。其中，航插可以采用4芯航插，其中2芯用于供电，2芯用于通讯。由于本发明所述中子-伽马探测器10只有航插400对外，故能够保证仪器的密封效果。
58.以下对本发明所述中子-伽马探测器的工作原理进行描述：
59.中子与3he正比计数管103中的3he气体发生核反应，核反应产生的质子和氖核向不同的方向运动而激发周围的气体电离，可通过采集探测带电的粒子进行中子探测，电信号经中子前放模块105进行放大、滤波、甄别、整形后形成标准的方波信号，信号传输至信号处理单元300，进行算法计算后得出中子剂量率值。
60.γ射线由gm计数管202进行探测，在正常偏压下，gm计数管202监测到γ射线后输出一个计数脉冲后，电信号经伽马前放模块203进行放大、滤波、甄别、整形后形成标准的方波信号，传输至信号处理单元300，信号处理单元300收到信号后控制高压控制电路关闭高压，将其偏压降低到触发预设阈值下的某个固定电压一段时间，使gm计数管202不触发。然后，信号处理单元300重新控制高压控制电路升压至工作偏压使gm计数管202正常工作，记录以此为起点到下一个计数脉冲出现的时间t，并基于该时间t求得辐射强度r。其中，r＝f(t)，gm计数管202的1个工作周期内，只有1个工作脉冲产生，gm计数管202的工作偏压恢复时刻到计数出现这段时间的t与r成反比且满足关系式r＝k/t，k为常量。
61.当中子剂量率值或伽马剂量率值超过预设阈值时，中子-伽马探测器10的报警模块则通过航插400发送报警信号，提醒控制室工作人员采取相应措施。
62.需要说明的是，本发明所述伽马前放模块203的高压控制电路中的高压偏置由信号处理单元300控制高速开关以实现高压的切换，实现人工对gm计数管202的死时间控制。
63.下面对本发明提供的数据处理方法进行描述，下文描述的数据处理方法与上文描述的中子-伽马探测器可相互对应参照。
64.请参考图，图5是本发明提供的数据处理方法的流程示意图。一种数据处理方法，该方法应用于上述所述的中子-伽马探测器，所述方法包括：
65.步骤510，获取中子信号并对所述中子信号进行预处理。
66.步骤520，获取伽马信号并对所述伽马信号进行预处理。
67.步骤530，通过预设算法对所述中子信号和所述伽马信号进行计算处理，以得到对应的中子剂量率值和伽马剂量率值。
68.示例性地，上述步骤530中，通过预设算法对所述伽马信号进行计算处理，以得到伽马剂量率值的步骤包括：
69.步骤5301，在正常偏压下，gm计数管输出一个计数脉冲后，将其工作偏压降低到触发预设阈值下的某个固定电压一段时间，以使所述gm计数管不触发；当重新升压至工作偏压使gm计数管正常工作，并记录以此为起点到下一个计数脉冲出现的时间t。
70.步骤5302，基于该时间t求得辐射强度r，该辐射强度r表示伽马剂量率值。
71.其中，r＝f(t)，gm计数管的1个工作周期内，只有1个工作脉冲产生，gm计数管的工作偏压恢复时刻到计数出现这段时间t与r成反比且满足关系式r＝k/t，k为常量。
72.需要说明的是，本发明采用上述步骤5301和步骤5302的处理方法，可以将gm计数管的量程扩宽一个量级，能够测得更高的伽马辐射剂量。
73.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种中子-伽马探测器，其特征在于，所述中子-伽马探测器为一体化设计的探测器，其包括：中子探头组件，用于检测中子信号；伽马探头组件，用于检测伽马信号；信号处理单元，其分别与所述中子探头组件和所述伽马探头组件连接，用于接收所述中子信号和所述伽马信号，并根据所述中子信号和所述伽马信号进行计算处理，以得到对应的中子剂量率值和伽马剂量率值。2.根据权利要求1所述的中子-伽马探测器，其特征在于，所述中子探头组件包括第一电路板、3he正比计数管以及中子前放模块，所述3he正比计数管的阳极接在所述中子前放模块上，所述中子前放模块固定在所述第一电路板上，所述中子前放模块还包括第一前置放大器、中子整形电路和中子高压电路。3.根据权利要求2所述的中子-伽马探测器，其特征在于，所述中子探头组件还包括慢化体、屏蔽层、以及屏蔽罩；所述慢化体包括第一慢化体和第二慢化体，所述第一慢化体位于所述屏蔽层的外部，所述第二慢化体、所述3he正比计数管、所述屏蔽罩以及所述中子前放模块均位于所述屏蔽层的内部；所述3he正比计数管的阴极固定在所述屏蔽罩上，所述第一电路板位于所述屏蔽罩的内部。4.根据权利要求2所述的中子-伽马探测器，其特征在于，所述伽马探头组件包括第二电路板、gm计数管以及伽马前放模块，所述gm计数管、所述伽马前放模块以及所述信号处理单元均固定在所述第二电路板上。5.根据权利要求4所述的中子-伽马探测器，其特征在于，所述伽马前放模块包括第二前置放大器、伽马整形电路、伽马高压电路以及高压控制电路，所述高压控制电路包括一开关，通过所述开关开启高压模式和关断高压模式。6.根据权利要求1所述的中子-伽马探测器，其特征在于，所述信号处理单元包括处理器、通信模块以及电源模块，所述处理器用于对所述中子信号和所述伽马信号进行计算处理，以得到对应的中子剂量率值和伽马剂量率值。7.根据权利要求6所述的中子-伽马探测器，其特征在于，所述中子-伽马探测器还包括航插，所述信号处理单元通过所述通信模块与所述航插连接并通过所述航插与外部进行通讯，外部电源通过所述航插对所述中子-伽马探测器进行供电。8.根据权利要求3所述的中子-伽马探测器，其特征在于，所述慢化体由碳化硼或环氧树脂基材料制成，用于将入射的快中子慢化为慢热中子。9.根据权利要求3所述的中子-伽马探测器，其特征在于，所述屏蔽层由铅镉合金制成，用于屏蔽部分伽马射线。10.根据权利要求3所述的中子-伽马探测器，其特征在于，所述屏蔽罩由铜合金制成，用来屏蔽外部电磁干扰所述第一电路板和隔绝部分辐射。11.根据权利要求7所述的中子-伽马探测器，其特征在于，所述航插为4芯航插，其中2芯用于供电，2芯用于通讯。12.根据权利要求3所述的中子-伽马探测器，其特征在于，所述第一慢化体的形状为球形，所述第二慢化体的形状为圆柱体，所述屏蔽层的形状为圆柱体。13.一种数据处理方法，其特征在于，该方法应用于权利要求1～12所述的中子-伽马探
测器，所述方法包括：获取中子信号并对所述中子信号进行预处理；获取伽马信号并对所述伽马信号进行预处理；通过预设算法对所述中子信号和所述伽马信号进行计算处理，以得到对应的中子剂量率值和伽马剂量率值。14.根据权利要求13所述的数据处理方法，其特征在于，通过预设算法对所述伽马信号进行计算处理，以得到伽马剂量率值的步骤包括：在正常偏压下，所述gm计数管输出一个计数脉冲后，将其工作偏压降低到触发预设阈值下的某个固定电压一段时间，以使所述gm计数管不触发；当重新升压至工作偏压使所述gm计数管正常工作，并记录以此为起点到下一个计数脉冲出现的时间t；基于该时间t求得辐射强度r，其中t与r成反比且满足关系式r＝k/t，k为常量。

技术总结
本发明提供一种中子-伽马探测器和数据处理方法，所述中子-伽马探测器为一体化设计的探测器，其包括：中子探头组件，用于检测中子信号；伽马探头组件，用于检测伽马信号；信号处理单元，其分别与所述中子探头组件和所述伽马探头组件连接，用于接收所述中子信号和所述伽马信号，并根据所述中子信号和所述伽马信号进行计算处理，以得到对应的中子剂量率值和伽马剂量率值。本发明能够同时获取混合辐射场的γ射线和中子辐射的信号，并经过信号处理单元的计算得到对应的中子剂量率值和伽马剂量率值。算得到对应的中子剂量率值和伽马剂量率值。算得到对应的中子剂量率值和伽马剂量率值。


技术研发人员：刘孝成 兰江 尤兴志 蔡庸军
受保护的技术使用者：中船重工安谱（湖北）仪器有限公司
技术研发日：2022.11.28
技术公布日：2023/7/26