环境_剂量率及放射性气溶胶连续监测系统

核电子学与探测技术

NuclearElectronics&DetectionTechnology

.23　No.2　Vol

March　2003　　

环境Χ剂量率及放射性气溶胶连续监测系统

张　燕,刘明健,李　洋,闫立宽

(海军核化研究所,北京　100077)

　　摘要:通常环境核监测系统主要对Χ剂量率进行连续监测,而气溶胶的监测仍然以人工定时取样

测量为主。介绍了一种环境核监测设备,在对Χ剂量率进行连续监测的同时,实现了放射性气溶胶取样、测量和数据处理的自动化过程。

关键词:环境;核监测系统;探测器;放射性气溶胶

中图分类号:　X837　　文献标识码:　A　　文章编号:　025820934(2003)0220169203

0　引言

为了辐射防护的目的,对于核设施场所及其它核环境需要有可靠、先进的环境监测技术和手段,为发现核事故,并及时采取防护措施提供保障能力。本文介绍的环境Χ剂量率及放射性气溶胶连续监测系统可在正常和事故状态下,对环境Χ辐射和放射性气溶胶进行连续监测,为事故应急评价和环境影响评价提供监测数据。

2　系统的构成及功能环境Χ剂量率及放射性气溶胶连续监测系

统主要由中心站和若干个监测分站组成。

主站配有计算机、打印机、调制解调器和电台等;各分站配有主控器、放射性气Χ监测仪、溶胶监测仪、调制解调器、电台等,如图1所示。主站计算机装有监测系统软件,能够对各分站进行连续实时监测,具有系统时间校准,数据传输,数据库管理,显示打印等多项功能。分站主控器的主要功能是对Χ剂量监测仪和放射性气溶胶监测仪进行数据采集、控制、数据处理、数据传输等。

1　系统的特点

系统的监测项目包括Χ剂量率和放射性气溶胶监测,可在核事故情况下,提供较全面的放射性监测数据。

在正常情况下,各分站每5min测量一次Χ数据,当分站中任何一个站的Χ剂量率大于所选定的阈值时,则测量时间自动转换为1min。

气溶胶监测的取样时间和测量时间可根据情况灵活设定。系统采用有线和无线两种通讯方式进行数据传输,固定监测为主网,车载流动监测机动应急,能及时发现异常辐射。数据存储量大,可储存一年以上的监测数据。

收稿日期:2002207210

作者简介:张燕(19632),女,北京市人,海军核化研究所高级工程师,学士,从事核仪器研究。

3　Χ剂量监测仪的设计

数据接口板和主Χ剂量监测仪由探测器、

控器组成,它既是一个分站单元,又是一个独立的测量单元。

3.1　主要技术指标:

Χ剂量率:10～1Gy󰃗h;

～10Gy;Χ累积剂量:0

基本误差:±20%;

-7

能量响应:0.05～3.0MeV。3.2　探测器

探测器使用6只J305ΒΧG2M计数管并联作为低量程输出,6只管子呈立体交叉结构,具有较好的角响应。采用一支J303ΒΧ强流管作为

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高量程输出,高低量程转换通过高压切换而实现。为满足环境监测能量响应的需要,采用多孔

铅、锡材料做能量补偿。

图1　环境Χ剂量率及放射性气溶胶连续监测系统组成框图

3.3　量程自动转换和非线性补偿

Χ剂量监测仪的量程范围将近8个数量级,用软件实现量程的自动转换,自动识别。由于G2M计数管在量程范围内有非线性区,因此必须进行非线性补偿,仪器采用了分段补偿的方法。

送至线性放大器进行电压脉冲放大。反符合电路将线性放大器送来的电压脉冲信号进行甄别,将Α和Β所产生的电压脉冲信号分离、整形后送入单片机计数、处理,数据通过数据采集板送至计算机。计算机储存数据,用Α、Β比值法对人工核素进行定性定量分析。4.3　探测器和电荷放大器的设计

4　放射性气溶胶监测仪的设计这是集采样、测量、数据处理、自动控制于一体的环境放射性气溶胶监测设备,即可独立控制,也可并网使用。4.1　主要技术指标

Α探测效率≥25%(本底计数≤1󰃗h,总Α测量范围:0.04～3×102Bq󰃗L)。

Β探测效率≥15%(本底计数≤2󰃗min;总～10Bq󰃗Β测量范围:0.001L)。气泵:流量20～100L󰃗min,稳定度≤5%。4.2　组成及原理

用Υ20mm金硅面垒型半导体探测器作探测元件,采用超高速缓冲驱动器LH0033组成的电路对金硅面垒半导体探测器信号进行放

大。电荷放大器是放射性气溶胶监测仪的核心技术,由于传感器信号非常微弱,在设计中,用导磁性能较好的材料对电荷放大器和金硅面垒半导体探测器进行屏蔽,减少外界的电磁干扰。另外,在印刷电路板设计中,充分考虑了分布电容对电路的影响,电源对微弱信号的干扰以及有源器件间的相互干扰等。在本设计中,将电荷放大器和金硅面垒半导体探测器设计成一个组件(其结构示意图如图3所示),放置在铅室内,以屏蔽Χ辐射的干扰。

放射性气溶胶监测仪主要由取样回路和探测回路两部分组成,取样回路主要包括气泵、取样管路、取样控制器、气溶胶滤带、密封压头等;探测回路主要包括铅室、传感器、电荷探测器、线性放大器、反符合电路、成形电路、数据采集板、计算机等。如图2所示。

基本原理是单片机控制电路启动抽气泵工作,对空气中的放射性气溶胶采样。采样结束后,关掉抽气泵,启动伺服电机将样品自动置于探测器下面。放射性气溶胶中的Α和Β射线通过探测器转换成电信号,电荷灵敏放大器将探测器上电荷进行电荷放大,并将放大后的信号170

5　软件设计

5.1　中心站系统管理软件

中心站系统管理软件采用Windows下的

可视化编程语言Delphi,界面美观,操作直观、简单。软件的功能框图如图4所示。5.2　分站系统软件

分站系统软件使用C++程序语言设计开发。各个分站系统拥有自己的关键字,当主站发出呼叫时,各个分站接收到命令字,判别是否呼

6　关键技术

6.1　Α、Β信号的获取

当空气中的氡、钍子体基本处于平衡状态,取样过程中氡、钍子体气溶胶浓度保持不变,在累积取样一段时间后,样品上的氡、钍子体的总Β和总Α放射性的比值K天然=nΒ天然󰃗nΑ天然为常数。当空气中发生人工Β或Α污染时,总Β和总󰃗Α的比值发生变化,基于这一原理采用ΑΒ比

值法进行放射性气溶胶连续自动监测。这要求探测器能够同时获得Α和Β信号,选用中阻率的金硅面垒半导体探测器,由于衰变时Α、Β射线的能量不同,探测器产生的信号幅度不同,通

图2　放射性气溶胶监测仪结构示意图

过幅度甄别电路,将两种信号分离,分别累计,计算、处理,有效地解决了放射性气溶胶Α󰃗Β比值法的探测问题。6.2　电荷灵敏放大器用金硅面垒半导体探测器探测Α、Β射线,在高压的作用下是一个电荷积累的过程。传统的电荷灵敏放大器是采用J型场效应管组成电荷放大电路。由于使用的是分立元件,其电磁兼容性很差。它受电源、数字电路、主放大电路等电路的干扰,往往不能工作。很难找到一个调试方法解决这个问题。而且,同样的工艺生产出来的电荷放大电路,个体差异也比较大,联机调试的难度很大。采用超高速缓冲驱动器LH0033集成电路组成的电荷灵敏放大器,对电源的要求不高(纹波为不大于5mV即可满足要求),抗干扰能力强,具有较好的电磁兼容性。而且电路的一致性好,便于互换。该电荷灵敏放大器的研制成功彻底解决了金硅面垒半导体探测器的电荷放大电磁兼容性和一致性的问题。6.3　接口技术

在系统的组成中,接口技术是需要重点解决的问题。接口包括Χ探测器数据采集、放射性气溶胶监测仪计算机接口、有线无线通讯接口等。在接口技术中,尽量简化硬件控制,用软件逻辑时序控制法进行数据传输、控制及数据采

图3　电荷放大器、金硅面垒半导体探

测器组件结构示意图

图4　中心站系统管理软件功能框图集。满足了自动监测的要求。

(下转第181页,Continuedonpage181)

叫本站,若是本站,开始应答并执行命令。

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程序主要是用Windriver和VisualC++编写)供用户调用,为用户自己编写提供了方便。

5　系统性能测量

由于系统对同步性能要求的特殊性,除了高速A󰃗D卡的性能指标外,系统性能主要体现在两个指标上:各路之间对同一信号进行采样,其结果之间的时间延迟∃,以及∃的晃动(即大量测量∃值得到的其标准偏差∆)。系统性能的具体要求为:∃max≤0.5ns,3∆≤1ns。经过我们与合作单位长时间的测试,这个系统是符合要求的,性能指标都很好地达到了要求。

图2　前端电路基本框图

5920接口芯片,除了完成采集卡的初始化以

外,还可以通过中断、查询方式与PC进行通信;而时钟分配卡主要是通过并口进行配置,可以通过并口实时地完成改变输出时钟频率、产生软件触发、切换触发模式等功能。

整个软件包括系统初始化,采样控制,数据传输部分和波形显示几个部分。用户用我们提供的程序完全可以完成整个系统的控制,同时我们也提供了相应的底层接口(A󰃗D卡的底层

6　结束语

高速数据采集同步系统综合应用了PCI

总线设计、设备驱动程序设计、VC编程等一系列较新技术,保证了这个系统的稳定。

Designofmulti-channelsynchronizedhighspeed

dataacquisitionA󰃗Dsystem

HEHao,YANGJun2feng,WUJie,WANGYan2fang

(DeptofModernPhysics,USTC,HefeiofAnhuiProv.230027,China)

Abstract　Itintroducesthemethodofdesigningamulti2channelsynchronizedA󰃗Dsystemwhichin2～100MSPS,8bit)andatime󰃗cludes8PCI2BusA󰃗DCards(25triggenerator(configedthroughparal2lelport).

Keywords:highspeedA󰃗D;PCI;parallelport;Windows98;WinDriver;synchronize

(上接第171页,Continuedfrompage171)

ThecontinuousmonitoringsystemforΧdoserateandradioactiveaerosolusedinenvironment

ZHANGYan,LIUMing2jian,LIYang,YANLi2kuan

(NavyNuclearandChemicalInstitute,Beijing100077,China)

Abstract　Ingeneral,thenuclearmonitoredsystemusedinenvironmentmonitorcontinuallyforΧdoserate.Thispaperintroduceasystemofnuclearmonitored.ItmonitorcontinuallyforΧdoserate,atthesametimeitcanmonitorcontinuallyforradioactiveaerosol,fullyautomaticinsampling,measurementanddata2processing.

Keywords:environment;nuclearmonitoredsystem;detector;radioactiveaerosol

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