CN108801715B - 一种放射性气溶胶实时采样测量装置的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型放射性气溶胶实时采样测量装置，包括气流入口装置、采样头、滤膜装置、中部腔体、尾部泵模块、辐射探测装置中；本发明装置包含至少两种不同类型的辐射探测器，可依据环境情况不同，选择不同探测器组合，探测器亦可单独装配，独立工作；辐射探测器将探测到的放射性数据经处理后、传输到数据处理终端模块，数据处理终端模块绘制出放射性剂量能谱并显示出环境辐射剂量率，同时判断环境辐射数据是否超标，若超标，将对超标数据做出警示。本发明结构新颖、集成度高、有高灵敏度的探测效率，具有较大的实用价值。

Description

一种放射性气溶胶实时采样测量装置的测量方法

技术领域

本发明涉及大气环境放射性取样与监测领域，尤其涉及一种放射性气溶胶实时采样测量装置的测量方法。

背景技术

在核设施的各类职业性工作场所中，由长寿命的α核素和β核素形成的放射性气溶胶是造成工作人员吸入危害的主要来源。对重要的核设施工作场所进行放射性气溶胶的连续监测，不仅对于即时测定从而有效控制工作场所的污染程度以保证工作人员健康具有重要意义，而且对于即时发现核设施的事故隐患，以便即时采取相关措施也具有实际意义。

国内现有常用大气放射性气溶胶取样器多采用主动式连续取样监测方式，如附图3所示为国内现有技术中的某一放射性气溶胶监测仪，其主要包含气溶胶采集模块、流量控制模块、机械传动组件及数据监测模块等，主要工作流程是通过步进电机控制走纸装置来驱动滤纸的更换，探测器对沉积在滤纸上的气溶胶颗粒进行放射性监测。此种取样方式需通过大流量的气流来使放射性气溶胶颗粒沉积在滤膜上，但颗粒沉积区域并不能与探测器探测灵敏区域相符合，涉及相关设备结构简单但装配复杂，不满足便携式的要求，且滤纸纸带包括走纸装置极易出现松动、卡顿等故障，整个取样装置不易于与其他载体设备相结合，应用途径受到限制。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种放射性气溶胶实时采样测量装置，该简易便捷装置可用于无人旋翼机的小型放射性气溶胶实时采样以及精确测量，可依据环境情况不同，选择不同探测器组合，探测器亦可单独装配，独立工作。测量后能够绘制放射性剂量能谱并显示出环境辐射剂量率，同时判断环境辐射数据是否超标并对超标数据做出警示。

本发明是这样实现的：

一种放射性气溶胶实时采样测量装置，其特征在于，装置包括气流入口装置，所述的气流入口装置后依次装配有采样头、滤膜装置、中部腔体、尾部泵模块四部分，气流入口装置为小口径气流入口。滤膜装置包括气溶胶滤膜以及滤膜支撑装置，通过滤膜固定装置将气溶胶滤膜固定在滤膜支撑装置上。

尾部泵模块内部含有气流通道，并集成有微型取样泵与气体流量监测器；即含取样泵及流量计。

所述的装置还包括辐射监测模块，辐射监测模块包括第一放射性监测探头与第二放射性检测探头；第一放射性监测探头位于采样头以及滤膜支撑装置之间，中部腔体内壁安置有第二放射性检测探头固定装置；第二放射性检测探头通过固定装置安装于中部腔体内部；放射性监测探头包含至少两种不同类型的辐射探测器，可依据环境情况不同，选择不同探测器组合，探测器亦可单独装配，独立工作。各模块采用装配方式，均可拆卸与拼装，模块之间预留有固定装置，可以快速对各模块内部情况进行查看，降低故障维修难度。

第一放射性监测探头侧面以及面向气流入口装置的一端包覆有探头包覆装置，留有一端作为探测端不进行包覆。第一放射性监测探头装配于采样头内，可根据需求进行拆卸，更换为其他不同类型放射性检测探头。辐射监测模块将探测到的放射性数据经核测量电子学处理器处理后传输到数据处理终端模块，数据处理终端模块将绘制出放射性剂量能谱并显示出环境辐射剂量率，同时判断环境辐射数据是否超标，若超标，将对超标数据做出警示。

进一步，所述的面向气流入口装置的一端包覆的探头包覆装置呈现扁锥形。据空气动力学研究分析，安装的探头包覆装置，且包覆装置前端呈扁锥形，可以减小探测器对采样头内部气流的紊乱效应，同时可避免放射性物质沉积在放射性监测探头上对其造成放射性污染及对测量结果造成误差

进一步，所述的滤膜支持装置位于第一放射性监测探头、第二放射性检测探头之间；滤膜支撑装置的中心支撑区域为圆形状，且中心支撑区域表面均匀分布着气孔，气体通透率70％以上；滤膜支撑装置面向第一放射性监测探头、第二放射性检测探头的端面均呈现敞口形；气溶胶滤膜大小与两个探测器(第一放射性监测探头以及第二放射性检测探头)有效测量区域大小一致。

进一步，所述的所述气溶胶滤膜由孔隙为微米级过滤材质制成，包括孔隙为0.45μm的玻璃纤维滤膜/混合纤维素膜/PVDF膜；所述的采样测量装置的材质采用以聚酰亚胺为基体树脂的碳纤维增强复合材料，该材质具备耐腐蚀、耐高温、耐辐照、高硬度的性能。

进一步，所述的尾部泵模块面向第二放射性检测探头的一端呈敞口形，有利于腔体内气体流动。尾部泵模块内部留有气流通道，经取样泵作用后，气流通过气流通道流出腔体；该模块内部集成有微型取样泵与气体流量计，可实时显示气体流量，以此为依据控制取样泵的流量大小，将气体流量控制在合适范围内。

进一步，所述的第一放射性监测探头与滤膜支撑装置之间的间距可调，且可控制在2毫米至2厘米之间。

进一步，所述的第二放射性检测探头通过探头固定装置安装在中部腔体中，且具有易拆卸易更换；探头固定装置均预留有走线通道，各通讯数据线均通过走线通道延伸到腔体外部，即布线仅分布于腔体外部，腔体内不布线。

进一步，所述的第一放射性监测探头采用探测α射线系列探测器，包括不限于金硅面垒半导体探测器、钝化离子注入平面硅探测器(PIPS)等；所述的第二放射性检测探头采用探测β及γ射线系列探测器，包括不限于塑料闪烁体探测器、金硅面垒半导体探测器、碘化钠探测器、碲锌镉探测器等。

进一步，所述采样测量装置外部设有的固定安装槽，安装槽与无人旋翼机相连接。除采样测量装置外部设有附属装配槽外，其内部也留有各模块所需安置槽。

本发明还公开了一种放射性气溶胶实时采样测量装置的测量方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一，检查旋翼机飞行平台，将气溶胶取样监测单元装配于飞行平台上，并测试通讯协议，确保设备可正常工作后，由操纵人员在上位机处规划设备飞行测量轨迹，后由上位机发出开始工作的操纵指令，随即旋翼机开始对感兴趣区域进行巡航；

步骤二，设备巡航期间，当下位机接收到取样工作指令后，取样泵启动，开始大气取样，并通过气体流量监测器的监测来控制气体流量大小，气体流量大小需保证绝大部分放射性气溶胶颗粒可沉积于滤膜上，以确保气体采样的准确性；

步骤三，大流量的取样气体在经滤膜装置过滤后，特定粒径大小范围内的放射性气溶胶颗粒会沉积在滤膜上；工作时，通过气体流量监测器的实时监测，了解到当前流速是否符合采样要求，随即通过控制取样泵来调节取样气体的流速；

步骤四，辐射监测模块对沉积在滤膜上的颗粒物质进行实时放射性剂量测量，测量数据储存于下位机的存储介质中，其中探测器的最小可探测活度(MDAC)计算方法如下：

其中，L_D为最小可探测限，L_C为最小可判断水平，K为单边置信度因子，δ_N为标准偏差，B为放射性本底，T_L为测量时间，I_γ为γ射线的发射概率，ε为探测器有效探测效率；

步骤五，剂量信息、流量信息、GPS信息经汇总后通过数传模块传输到上位机进行数据处理；上位机进行放射性能谱分析处理时，采用一种基于卷积神经网络的快速核素识别方法；

步骤六，上位机用于数据处理与数据可视化显示，将步骤五中获取得到的信息提供于操作人员分析。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1)采用小型化的气溶胶取样装置，易与各航空载体装配，包括不限于无人机、系留气球、气象气球、飞艇等，即便于设备集成化操作，且取样装置外部预留有设备固定装置，便于一体化安装；小型化取样装置与各类载体相结合，扩大了装置应用范围，可适用到更多工作环境下；

2)放射性气溶胶取样器采用模块化装配方式，各模块均可拆卸与拼装，模块之间预留有固定装置，可以快速对各模块内部情况进行查看，降低故障维修难度；

3)采样头前部有一小口径气流的气流入口装置，据空气动学研究分析，可增大管口流速，提高管口压强，有利于气流在腔体内的流动以及放射性颗粒在滤纸上的均匀分布；

4)气溶胶取样器应用到两组放射性监测探头：第一放射性监测探头位于滤膜装置的前端，可以对沉积在滤膜上的α放射性物质进行探测，以此减小α粒子在滤膜中因损失效应引起的测量误差，且第一放射性监测探头外部安装有探头包覆装置，该包覆装置前端呈扁锥形，据空气动力学研究分析，可以减小探测器对采样头内部气流的紊乱效应，同时可避免放射性物质沉积在第一放射性监测探头上对其造成放射性污染及对测量结果造成误差；

第二放射性检测探头位于滤膜装置的后端，可以对沉积在滤膜上的β放射性物质与γ放射性物质进行实时探测；综上，该装置可以同时对α放射性物质、β放射性物质及γ放射性物质进行同时探测，具有更广的应用范围与更高的探测效率；

5)滤膜装置包含气溶胶滤膜与滤膜支撑装置，滤膜支撑装置前端与后端均呈敞口形，且中心过滤区域大小与探测器有效探测面积一致，有利于气溶胶颗粒均匀分布于滤膜上，提高了探测器的探测效率；

6)各放射性监测探头外部与气溶胶取样器外壁之间均留有探头固定装置，该探头固定装置上预留有走线通道，各通讯数据线均通过走线通道延伸到腔体外部，即布线仅分布于腔体外部，腔体内不布线，降低了走线对于腔体内气体流动的影响，提高了测量精度；

7)尾部泵模块前端呈敞口形，有利于腔体内气体流动，模块内部留有气流通道，经取样泵作用后，气流通过气流通道流出腔体；该模块内部集成有微型取样泵与气体流量计，可实时显示气体流量，以此为依据控制取样泵的流量大小，将气体流量控制在合适范围内。

附图说明

图1是本发明放射性气溶胶实时采样测量装置的结构示意图；

图2是本发明放射性气溶胶实时采样测量装置实施例中的测量方法流程图；

图3是本发明背景技术中国内某放射性气溶胶监测仪结构示意图；

图4是本发明放射性气溶胶实时采样测量装置实施例中的滤膜支承装置示意图；

其中，1-气流入口装置，2-采样头，3-第一放射性监测探头，4-探头包覆装置，5-滤膜支撑装置，6-气溶胶滤膜，7-第二放射性检测探头，8-探头固定装置，9-气流通道，10-尾部泵模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明公开了一种放射性气溶胶实时采样测量装置，包括：气流入口装置1，采样头2，第一放射性监测探头3，探头包覆装置4，滤膜支撑装置5，气溶胶滤膜6，第二放射性检测探头7，探头固定装置8，气流通道9，尾部泵模块10，并集成有微型取样泵与气体流量监测器(即含有取样泵及流量计)。

所述放射性气溶胶采样测量装置由采样头、滤膜装置、中部腔体、尾部泵模块四部分组成，采样测量装置外部设有附属装配槽，可装配到多旋翼无人机上，在内部亦留有各模块所需安置槽；

采样头前端包含小口径气流入口，即气流入口装置1，取样泵正常工作时气流由此进入采样腔室；气流入口装置1后依次装配有采样头2、滤膜装置、中部腔体、尾部泵模块10四部分；

采样头内部安装有第一放射性监测探头3，第一放射性监测探头3可根据需求进行拆卸，更换为其他类型放射性检测探头；第一放射性监测探头3外部安装有探头包覆装置4，包覆装置前端，即面向气流入口装置1的一端包覆的探头包覆装置4成一定角度的扁锥形，可避免放射性物质沉积在第一放射性监测探头3上对其造成放射性污染及对测量结果造成误差；

滤膜支撑装置5安装在采样头2与中部腔体之间，其前后形状均呈敞口形，滤膜大小与探测器有效测量区域大小一致，有利于气溶胶颗粒均匀分布于滤膜上，提高了探测器的探测效率；中部腔体内安置有第二放射性检测探头7，待放射性气溶胶颗粒沉积到滤膜上后，可对其进行放射性测量，第二放射性检测探头7亦可更换为其他类型的探测器；

尾部泵模块10前端，面向第二放射性检测探头7的一端呈敞口形，尾部泵模块10内部含有气流通道9，并集成有微型取样泵与气体流量监测器，正常工作时取样泵与流量计一同工作，根据流量计的显示，通过调节取样泵来控制气体流量；

第一放射性监测探头3与第二放射性检测探头7形成辐射监测模块，所述辐射监测模块将探测到的放射性数据经核测量电子学处理器处理后传输到数据处理终端模块，数据处理终端模块将绘制出放射性剂量能谱并显示出环境辐射剂量率，同时判断环境辐射数据是否超标，若超标，将对超标数据做出警示。

取样器材质采用耐腐蚀、耐高温、耐辐照、高硬度材料制作，例如：以聚酰亚胺为基体树脂的碳纤维增强复合材料。

采样测量装置外部设有的固定安装槽可与无人旋翼机相连接。

第一放射性监测探头3与滤膜支撑装置5之间的间距可控制在2毫米至2厘米之间，根据具体情况调节。

如图4所示，滤膜装置包含气溶胶滤膜6与滤膜支撑装置5，通过滤膜固定装置将气溶胶滤膜6固定在滤膜支撑装置5上；滤膜支撑装置5的中心支撑区域为圆形，且中心支撑区域表面均匀分布气孔，气体通透率70％以上，滤膜支撑装置5前后端均呈一定角度的敞口形状。气溶胶滤膜6由孔隙为微米级的特殊过滤材质制成，例如：孔隙为0.45μm的玻璃纤维滤膜/混合纤维素膜/PVDF膜。

第二放射性检测探头7通过探头固定装置8安置在中部腔体中，且具有易拆卸易更换的功能。探头固定装置8均预留有走线通道，各通讯数据线均通过走线通道延伸到腔体外部，即布线仅分布于腔体外部，腔体内不布线。

第一放射性监测探头3采用探测α射线系列探测器，包括不限于金硅面垒半导体探测器、钝化离子注入平面硅探测器(PIPS)；第二放射性检测探头7采用探测β及γ射线系列探测器，包括不限于塑料闪烁体探测器、金硅面垒半导体探测器、碘化钠探测器、碲锌镉探测器等。

本发明还提供一种基于上述一种放射性气溶胶实时采样测量装置的测量方法，以下为具体使用方法与工作过程。

步骤1)，气溶胶取样器先装配于无人旋翼机上，经上位机发送操纵指令后，旋翼机对感兴趣区域进行巡航；

步骤2)，巡航期间，当取样泵接收到工作指令后，开始取样流程，通过气体流量监测器的监测来控制流量大小；

步骤3)，大流量的取样气体在经滤膜装置过滤后，特定粒径大小范围内的放射性气溶胶颗粒会沉积在滤膜上；取样时，通过流量计的实时监测，操作人员可以了解到当前流速是否符合采样要求，随即通过控制取样泵来调节取样气体的流速；

步骤4)，放射性监测探头组对沉积在滤膜上的颗粒物质进行实时放射性测量；其中探测器的最小可探测活度(MDAC)计算方法如下：

其中，L_D为最小可探测限，L_C为最小可判断水平，K为单边置信度因子，δ_N为标准偏差，B为放射性本底，T_L为测量时间，I_γ为γ射线的发射概率，ε为探测器有效探测效率；

步骤5)，环境剂量信息、流量信息、GPS信息经过ARM开发板汇总后通过数传模块传输到上位机进行数据处理；

步骤6)，上位机用于数据处理与数据可视化显示，将步骤五中获取得到的信息提供与操作人员分析。

下面主要具体描述本发明的放射性气溶胶实时采样与精确测量的使用方法与工作过程，如图2所示：

根据环境测量需要，将气溶胶实时采样测量装置通过连接设备安装到无人旋翼机上。对无人机飞控系统进行起飞前的检测，确保设备的性能完好；

操作人员将旋翼机升空后，在待检测区域进行定速巡航，到达检测点后，操作人员向下位机发送检测命令，启动取样泵与气体流量计；

待测气体在取样泵作用下由采样头入口流入取样器腔体，经过放射性气溶胶滤膜时，特定粒径范围大小的放射性气溶胶颗粒沉积在滤膜上；取样时，通过流量计的实时监测，操作人员可以了解到当前流速是否符合采样要求，随即通过控制取样泵来调节取样气体的流速。

探测α射线系列探测器以及探测β及γ射线系列探测器两组探测器，即第一放射性监测探头3以及第二放射性检测探头7同时对气溶胶滤膜6上的沉积物进行放射性测量，测量数据每隔特定时间(如1秒)传输到数据处理模块进行数据处理打包，之后通过数传模块将各类汇总信息打包发送到上位机。

上位机接收到打包信息后对其进行数据解码，在放射性数据监测软件上显示出环境剂量值并绘制出剂量分布图。

放射性数据监测软件内部集成卷积神经网络快速识谱算法，可快速、准确识别出核素信息供工作人员分析使用。

整套放射性气溶胶采样监测系统集成化程度高，易装配，系统操作简单，人员经简单培训即可操作使用，通过数传模块实时获取环境剂量信息，结合放射性数据监测软件可使操作人员对环境剂量进行详细监测。

Claims (5)

1.一种放射性气溶胶实时采样测量装置的测量方法，其特征在于，装置包括气流入口装置(1)，所述的气流入口装置(1)后依次装配有采样头(2)、滤膜装置、中部腔体、尾部泵模块(10)四部分；

所述的滤膜装置包括气溶胶滤膜(6)以及滤膜支撑装置(5)；气溶胶滤膜(6)通过滤膜固定装置固定在滤膜支撑装置(5)上；

所述的尾部泵模块(10)内部含有气流通道(9)，并集成有微型取样泵与气体流量监测器；

所述的装置还包括辐射监测模块，辐射监测模块包括第一放射性监测探头(3)与第二放射性检测探头(7)；第一放射性监测探头(3)位于采样头(2)以及滤膜支撑装置(5)之间，第二放射性检测探头(7)固定于中部腔体内部；所述的第一放射性监测探头(3)侧面以及面向气流入口装置(1)的一端包覆有探头包覆装置(4)；所述的滤膜支撑装置(5)位于第一放射性监测探头(3)、第二放射性检测探头(7)之间；滤膜支撑装置(5)的中心支撑区域为圆形，且中心支撑区域表面均匀分布气孔；

滤膜支撑装置(5)面向第一放射性监测探头(3)、第二放射性检测探头(7)的端面均呈现敞口形；气溶胶滤膜大小与第一放射性监测探头(3)、第二放射性检测探头(7)有效测量区域大小一致；

所述的第一放射性监测探头(3)与滤膜支撑装置(5)之间的间距可调，且可控制在2毫米至2厘米之间；所述的第二放射性检测探头(7)通过探头固定装置(8)安装在中部腔体中，且具有易拆卸易更换的优点；探头固定装置(8)均预留有走线通道，各通讯数据线均通过走线通道延伸到腔体外部；所述的第一放射性监测探头(3)采用探测α射线系列探测器；所述的第二放射性检测探头(7)采用探测β及γ射线系列探测器；

所述的测量方法步骤如下：

步骤一，检查旋翼机飞行平台，将气溶胶取样监测单元装配于飞行平台上，并测试通讯协议，确保设备可正常工作后，由操纵人员在上位机处规划设备飞行测量轨迹，后由上位机发出开始工作的操纵指令，随即旋翼机开始对感兴趣区域进行巡航；

步骤二，设备巡航期间，当下位机接收到取样工作指令后，取样泵启动，开始大气取样，并通过气体流量监测器的监测来控制气体流量大小；

步骤三，大流量的取样气体在经滤膜装置过滤后，特定粒径大小范围内的放射性气溶胶颗粒会沉积在滤膜上；工作时，通过气体流量监测器的实时监测，了解到当前流速是否符合采样要求，随即通过控制取样泵来调节取样气体的流速；

步骤四，辐射监测模块对沉积在滤膜上的颗粒物质进行实时放射性剂量测量，测量数据储存于下位机的存储介质中，其中探测器的最小可探测活度(MDAC)计算方法如下：

其中，L_D为最小可探测限，L_C为最小可判断水平，K为单边置信度因子，δ_N为标准偏差，B为放射性本底，T_L为测量时间，I_γ为γ射线的发射概率，ε为探测器有效探测效率；

步骤五，其后将无人机飞行过程中实时获取到的GPS信息、步骤四中测量得到的环境剂量信息、流量信息，汇总后通过数传模块传输到上位机进行数据处理；

步骤六，上位机用于数据处理与数据可视化显示，将步骤五中的处理后的信息提供于操作人员分析。

2.根据权利要求1所述的一种放射性气溶胶实时采样测量装置的测量方法，其特征在于，所述的面向气流入口装置(1)的一端包覆的探头包覆装置(4)呈现扁锥形。

3.根据权利要求1所述的一种放射性气溶胶实时采样测量装置的测量方法，其特征在于，所述的气溶胶滤膜为玻璃纤维滤膜/混合纤维素膜/PVDF膜；所述的气溶胶实时采样测量装置的材质采用以聚酰亚胺为基体树脂的碳纤维增强复合材料。

4.根据权利要求1所述的一种放射性气溶胶实时采样测量装置的测量方法，其特征在于，所述的尾部泵模块(10)面向第二放射性检测探头(7)的一端呈敞口形。

5.根据权利要求1所述的一种放射性气溶胶实时采样测量装置的测量方法，其特征在于，所述采样测量装置外部设有固定安装槽，安装槽与无人旋翼机相连接。