專利名稱：集裝箱內(nèi)核材料及其它放射性物質(zhì)檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是涉及集裝箱內(nèi)核材料及其它放射性物質(zhì)檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
核材料及放射性物質(zhì)的和平利用能造福人類，但是，如果不法分子及恐怖分子得到它們，用來進(jìn)行核恐怖活動(dòng)，會(huì)給人類帶來災(zāi)難。為了防止核材料的非法轉(zhuǎn)移，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)和世界各國(guó)都越來越重視對(duì)核材料的管制。當(dāng)今，世界上一些不法分子常常利用集裝箱非法轉(zhuǎn)移核材料及其它放射性物質(zhì)。集裝箱內(nèi)核材料及其它放射性物質(zhì)檢測(cè)裝置是防止這類非法轉(zhuǎn)移的有效工具。它不僅可以檢測(cè)用于制造核武器的鈾和钚等核材料，還可以檢測(cè)60Co、137Cs、241Am、133Ba等放射性物質(zhì)。目前已見有美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、意大利等國(guó)用來檢測(cè)人員和車輛的檢測(cè)設(shè)備，尚未見有檢測(cè)集裝箱內(nèi)核材料的報(bào)道，以及在各種屏蔽條件下，核材料及其它放射性物質(zhì)在集裝箱內(nèi)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。
本實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過精心設(shè)計(jì)和大量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、使用方便、檢測(cè)速度快的集裝箱內(nèi)核材料及其它放射性物質(zhì)檢測(cè)裝置。
本實(shí)用新型提供的集裝箱內(nèi)核材料及其它放射性物質(zhì)檢測(cè)裝置，其特征在于包括一個(gè)主機(jī)箱1和一個(gè)副機(jī)箱2，一左一右相對(duì)而立。機(jī)箱的內(nèi)表面附一層隔熱保溫材料。外殼為1.5毫米厚的鐵板11。主機(jī)箱、副機(jī)箱尺寸相同，根據(jù)所用閃爍體的尺寸和個(gè)數(shù)不同確定機(jī)箱尺寸，優(yōu)選為(220-280)厘米×(50-80)厘米×(20-25)厘米，機(jī)箱的面板用螺釘緊固在機(jī)箱的框架上，并在面板的四周加上密封墊圈。在主副機(jī)箱內(nèi)對(duì)稱設(shè)置2-4塊長(zhǎng)方形塑料閃爍體3，其尺寸為(70-100)厘米×(15-30)厘米×(4-5)厘米。在每塊塑料閃爍體的一端或兩端通過有機(jī)玻璃光導(dǎo)5與一個(gè)或兩個(gè)光電倍增管4相耦合，每個(gè)光電倍增管的信號(hào)輸出端與一個(gè)信號(hào)處理和控制單元6相連。每塊塑料閃爍體除探測(cè)面及有光電倍增管的一端外，其它各表面都由1.0厘米厚的鉛層7所包圍。鉛層用螺釘固定在箱體內(nèi)的支承板上。暖風(fēng)機(jī)8分置于主、副機(jī)箱內(nèi)塑料閃爍體的下方。UPS電源9放在主機(jī)箱內(nèi)塑料閃爍體的下方，供主、副機(jī)箱共用。報(bào)警指示燈12、工作指示燈13以及報(bào)警蜂鳴器14均安裝在主機(jī)箱的面板上方。工作參數(shù)的設(shè)置鍵盤設(shè)在主機(jī)箱內(nèi)的電子學(xué)機(jī)箱的面板上。
為了避免機(jī)箱直接接觸地面，而使底部遭雨水浸泡以及為了適合集裝箱的高度，可將機(jī)箱置于一個(gè)底座上。(底座可以做成水泥臺(tái)或鋼架的形式)按照本實(shí)用新型提供的集裝箱內(nèi)核材料及其它放射性物質(zhì)檢測(cè)裝置中，所述塑料閃爍體是例如ST401塑料閃爍體，它相對(duì)蒽晶體的發(fā)光效率為40％，發(fā)光衰減時(shí)間約為3ns，光譜主峰位為423nm，閃爍體表面涂氧化鈦全反射層。每塊塑料閃爍體相應(yīng)設(shè)置一到兩個(gè)光電倍增管，收集光信號(hào)。由于塑料閃爍體是長(zhǎng)條形的，在其兩端所產(chǎn)生的光在到達(dá)光電倍增管之前的衰減是有較大差別的。在離光電倍增管近的一端所產(chǎn)生的光在進(jìn)入光電倍增管之前，其衰減比遠(yuǎn)的一端的小得多。這些光信號(hào)會(huì)通過光電倍增管及后面的放大器在輸出端產(chǎn)生很大的電脈沖信號(hào)，為了使這些信號(hào)不致過大，在塑料閃爍體和光電倍增管之間設(shè)有機(jī)玻璃光導(dǎo)，使離光電倍增管近的一端所產(chǎn)生的光經(jīng)過一定的衰減后再進(jìn)入光電倍增管。
塑料閃爍體不僅可探測(cè)γ射線，也可探測(cè)快中子。快中子與塑料閃爍體中的輕物質(zhì)(例如H)相互作用產(chǎn)生反沖質(zhì)子，這些反沖質(zhì)子會(huì)使塑料閃爍體的原子激發(fā)，受激原子在退激過程中發(fā)光，此光信號(hào)可通過光電倍增管變成電信號(hào)而被探測(cè)。對(duì)核材料钚而言，它不僅有γ射線放出，還有自發(fā)裂變中子放出。因此，采用塑料閃爍體作為探測(cè)器，對(duì)探測(cè)核材料钚更為有利。此外，塑料閃爍體還具有如下的優(yōu)點(diǎn)它不像碘化鈉閃爍體那樣易受周圍環(huán)境(如溫度、濕度)的影響，因此對(duì)其周圍的環(huán)境要求不苛刻。對(duì)于室外使用的裝置而言，這一點(diǎn)很重要。塑料閃爍體的體積可以做得比碘化鈉閃爍體大得多，可獲得高的探測(cè)靈敏度。
所述光電倍增管為例如直徑為38mm，頻譜響應(yīng)范圍為300-650nm，頻譜響應(yīng)的峰值波長(zhǎng)為420nm，陽(yáng)極暗電流約為3nA，最大不超過5nA，陽(yáng)極靈敏度約為35A/lm，與塑料閃爍體匹配。該光電倍增管暗電流小，以利于減小噪聲本底。考慮到核材料的放射性檢測(cè)原理是基于輻射強(qiáng)度和輻射能量的測(cè)量，是工作在電壓方式，閃爍體的發(fā)光時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，對(duì)時(shí)間響應(yīng)要求不高，故光電倍增管各電極的分壓方式采用均勻型分壓方式。此外，考慮到這類探測(cè)器對(duì)線性要求不高，分壓電阻采用高阻值選在兆歐量級(jí)，通常為100-500KΩ，以便減少分壓電阻的發(fā)熱和減少耗電。
所述信號(hào)處理和控制單元裝置主要包括前置放大器、主放大器、單道分析器、單片機(jī)、液晶顯示器、紅外線探測(cè)器等。
由光電倍增管陽(yáng)極輸出的信號(hào)首先經(jīng)前置放大器放大，再經(jīng)主放大器放大。由主放大器輸出的脈沖信號(hào)再經(jīng)單道分析器進(jìn)行幅度甄別后，形成邏輯脈沖被記錄。四路單道分析器的輸出送到一個(gè)單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器中進(jìn)行計(jì)數(shù)。
考慮到各路塑料閃爍體、光電倍增管的工作狀態(tài)以及前置放大器的放大倍數(shù)的差異，將每路主放大器的放大倍數(shù)和單道分析器的道寬設(shè)計(jì)成能分別單獨(dú)調(diào)節(jié)，以保證每路都能工作在較好的工作狀態(tài)。前置放大器、主放大器、單道分析器的電路圖如圖(2)、圖(3)、圖(4)所示。
影響裝置的靈敏度的一個(gè)重要因素是放射性本底的高低。如果探測(cè)區(qū)域的本底較高，則會(huì)降低裝置的探測(cè)靈敏度。本裝置主要是探測(cè)γ射線，因此必須盡量降低γ射線本底。為此，在塑料閃爍體的非探測(cè)面(正對(duì)被測(cè)對(duì)象的面稱之為探測(cè)面)圍上1cm厚的鉛板，用以降低來自非探測(cè)目標(biāo)的其它γ射線。使用上述鉛屏蔽后，本底γ射線可以降低到無屏蔽時(shí)的45％。其效果是較為明顯的。
為了防雨、防塵，對(duì)裝置的機(jī)箱采用了密封設(shè)計(jì)。在寒冷的天氣工作時(shí)為防止溫度過低，在主副機(jī)箱內(nèi)各裝一個(gè)暖風(fēng)機(jī)，以保證在低溫的環(huán)境下，機(jī)箱內(nèi)的溫度能維持在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，同時(shí)還可用來除濕。為了保證機(jī)箱內(nèi)的溫度不致太高，在機(jī)箱的內(nèi)表面加一層由絕熱材料做成的隔熱層，并將機(jī)箱的外表面做成淺色，通過上述措施，可以確保在炎熱和寒冷的天氣環(huán)境下，裝置能正常工作。
為了在發(fā)生報(bào)警時(shí)給出聲光報(bào)警顯示以及在通常情況下給出工作狀態(tài)顯示，設(shè)置了報(bào)警顯示燈、蜂鳴器和狀態(tài)指示燈。
為了保證在停電時(shí)裝置能繼續(xù)運(yùn)行，在機(jī)箱內(nèi)部設(shè)有一個(gè)UPS備用電源。在停電的情況下，保證裝置能繼續(xù)連續(xù)運(yùn)行2小時(shí)。
通常，在沒有裝載集裝箱的車輛進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí)，裝置一直處于本底測(cè)量狀態(tài)。只有當(dāng)集裝箱進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí)，裝置才由本底測(cè)量狀態(tài)轉(zhuǎn)入檢測(cè)狀態(tài)。而當(dāng)集裝箱離開檢測(cè)區(qū)域時(shí)，裝置又由檢測(cè)狀態(tài)轉(zhuǎn)入本底測(cè)量狀態(tài)(參見后面的檢測(cè)方法部分)。為了獲得集裝箱到位和離位的信號(hào)，在檢測(cè)裝置的前、后各設(shè)有一對(duì)紅外線探測(cè)器。當(dāng)集裝箱到達(dá)或離開檢測(cè)區(qū)域時(shí)，紅外線探測(cè)器都能輸出一個(gè)控制信號(hào)給單片機(jī)，用來控制裝置的工作狀態(tài)。
單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)主要完成對(duì)輸入脈沖信號(hào)的相加、展寬、計(jì)數(shù)、輸入?yún)?shù)、顯示和傳輸檢測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)接收紅外傳感器的信號(hào)以及控制閃燈和蜂鳴器等功能。它可對(duì)4路輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且要求每0.2秒采集一次數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行計(jì)算和判斷。系統(tǒng)可以接收紅外傳感器的開關(guān)量信號(hào)輸入，并根據(jù)輸入的開關(guān)量信號(hào)的變化來改變流程。系統(tǒng)采用16*2字符型LCD顯示系統(tǒng)狀態(tài)和所獲取的數(shù)據(jù)，可以通過鍵盤來對(duì)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改，可以通過串行口向計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。
單片機(jī)程序采用Franklin C51編寫。由于采用C語言編程，使程序易于修改和維護(hù)。程序采用模塊式編程，各個(gè)部分均寫成子程序的形式，如中斷子程序，串行通訊子程序、鍵盤輸入子程序，LCD顯示子程序等。
在單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)所有數(shù)據(jù)均通過RS-232C傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行顯示、計(jì)算和保存。單片機(jī)程序采用查詢的方式處理鍵盤的輸入，如在檢測(cè)過程中系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有鍵被按下，則判斷是特殊功能鍵還是數(shù)字鍵，如果是數(shù)字鍵則返回繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)；如果是特殊功能鍵，則判斷是哪一個(gè)功能鍵被按下并執(zhí)行相應(yīng)的功能。
單片機(jī)系統(tǒng)采用移動(dòng)平均檢測(cè)法來實(shí)現(xiàn)對(duì)通過檢測(cè)裝置的集裝箱進(jìn)行快速檢測(cè)，并做出是否攜帶放射性物質(zhì)的判斷。開始時(shí)，首先計(jì)算最初的80次本底計(jì)數(shù)的平均值。只要沒有集裝箱進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域，一直進(jìn)行本底計(jì)數(shù)。每次的本底計(jì)數(shù)值都存儲(chǔ)在擴(kuò)展內(nèi)存中，并不斷更新本底計(jì)數(shù)的平均值。只在有集裝箱通過檢測(cè)裝置時(shí)才結(jié)束本底計(jì)數(shù)，轉(zhuǎn)入檢測(cè)計(jì)數(shù)。
一般情況下，檢測(cè)計(jì)數(shù)被累積，每次都要更新，并同報(bào)警閥值比較。報(bào)警閥值是根據(jù)集裝箱進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域前最近的80次的本底計(jì)數(shù)的平均值來計(jì)算的。如果檢測(cè)計(jì)數(shù)超過報(bào)警閥值則發(fā)出報(bào)警，報(bào)警時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)通過繼電器控制報(bào)警閃燈閃光和使蜂鳴器鳴叫。
在該系統(tǒng)的控制下，只要事先設(shè)置好運(yùn)行參數(shù)，全部檢測(cè)過程可以自動(dòng)完成。
本實(shí)用新型提供的集裝箱內(nèi)核材料及其它放射性物質(zhì)檢測(cè)裝置特點(diǎn)為1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)異，探測(cè)靈敏度較高，在集裝箱行駛速度為18米/分，高濃鈾細(xì)棒密集堆放，外加50毫米厚的鋼板屏蔽的條件下，對(duì)高濃鈾探測(cè)靈敏度為1050克。
2檢測(cè)速度快，在一分鐘內(nèi)可完成對(duì)一個(gè)集裝箱的檢測(cè)。
3誤報(bào)率低，在無核材料及其它放射性物質(zhì)的情況下30,000次移動(dòng)平均檢測(cè)中，無一次報(bào)警。
4機(jī)箱及其內(nèi)各元器件的尺寸和布局設(shè)計(jì)合理，裝置結(jié)構(gòu)緊湊、牢固。
5塑料閃爍體與光電倍增管之間的耦合工藝，保證了高的光耦合效率。
6進(jìn)行了防潮、防塵和防冷凍設(shè)計(jì)。
7自動(dòng)化程度高，使用方便。
8具有備用電源，在突然停電的情況下，可保證裝置正常運(yùn)行2小時(shí)。
本實(shí)用新型提供的集裝箱內(nèi)核材料及其它放射性物質(zhì)檢測(cè)裝置可廣泛應(yīng)用于各種集裝箱的檢測(cè)，還可用于各種車輛的檢測(cè)。


圖1為檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖圖2為前置放大器電路圖圖3為主放大器線路圖圖4為單道分析器線路圖具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型用下列具體實(shí)施方案結(jié)合附圖來進(jìn)一步說明本實(shí)用新型，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不限于具體實(shí)施方案。
集裝箱內(nèi)核材料及其它放射性物質(zhì)檢測(cè)裝置包括一個(gè)主機(jī)箱1和一個(gè)副機(jī)箱2，一左一右相對(duì)而立。主副機(jī)箱內(nèi)對(duì)稱設(shè)置2-4塊長(zhǎng)方形塑料閃爍體3。閃爍體的尺寸為100×15×4厘米3。在每塊塑料閃爍體的一端通過有機(jī)玻璃光導(dǎo)5與在其上的一個(gè)光電倍增管4相耦合。每個(gè)光電倍增管的信號(hào)輸出端與一個(gè)信號(hào)處理和控制單元6相連。光電倍增管的直徑為38mm，頻譜響應(yīng)范圍為300-650nm，峰值波長(zhǎng)為420nm，陽(yáng)極暗電流約為3nA，陽(yáng)極靈敏度為35A/lm。每塊塑料閃爍體除探測(cè)面及有光電倍增管的一端外，其它各表面都有1.0cm厚的鉛層7所包圍，鉛層用螺釘固定在箱體的支撐板上；暖風(fēng)機(jī)8分別設(shè)在主副機(jī)箱內(nèi)的塑料閃爍體下方，報(bào)警指示燈12，工作指示燈13及報(bào)警蜂鳴器均安裝在主機(jī)箱的面板上方(見圖1)。
裝置的檢測(cè)流程是在沒有車輛通過檢測(cè)區(qū)域時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)處于準(zhǔn)備狀態(tài)，連續(xù)地以設(shè)定的時(shí)間間隔測(cè)量環(huán)境本底計(jì)數(shù)，同時(shí)進(jìn)行自檢，并按最近的本底計(jì)數(shù)計(jì)算平均本底，同時(shí)設(shè)定報(bào)警閾值。當(dāng)有車輛進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí)，探測(cè)車輛進(jìn)入的紅外對(duì)射傳感器會(huì)給出信號(hào)，使檢測(cè)系統(tǒng)停止本底測(cè)量而進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)，在每個(gè)設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)，并且每當(dāng)有一個(gè)新的測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，都按移動(dòng)平均法計(jì)算出最新的移動(dòng)平均值。若在檢測(cè)過程中，有移動(dòng)平均值超過預(yù)先設(shè)定的報(bào)警閥值，便發(fā)出報(bào)警。當(dāng)被檢測(cè)車輛駛出探測(cè)區(qū)域(探測(cè)車輛駛出的紅外對(duì)射傳感器會(huì)給出信號(hào))，而后面沒有車輛繼續(xù)要接受檢測(cè)時(shí)，系統(tǒng)便回到測(cè)本底狀態(tài)。全部運(yùn)行程序可由一單片機(jī)或微機(jī)來執(zhí)行。
裝置的檢測(cè)靈敏度用本裝置對(duì)真實(shí)的高濃鈾、低濃鈾、高濃钚和銫137放射源進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，測(cè)得的檢測(cè)靈敏度分別列于表1、2、3、4。
表1.對(duì)高濃鈾(U-235富集度為90％)細(xì)棒(φ6×248)的檢測(cè)靈敏度
表2.對(duì)低濃鈾(鈾235富集度為2.8％的U3O8)的檢測(cè)靈敏度 表3.對(duì)高濃钚(钚-239的富集度為90％)的檢測(cè)靈敏度 表4.對(duì)銫137放射源的檢測(cè)靈敏度
權(quán)利要求1一種集裝箱內(nèi)核材料及其它放射性物質(zhì)檢測(cè)裝置，其特征在于包括一個(gè)主機(jī)箱(1)和一個(gè)副機(jī)箱(2)，一左一右相對(duì)而立，機(jī)箱內(nèi)表面附一層泡沫塑料隔熱保溫材料，外殼為1.5毫米厚的鐵板，機(jī)箱的面板用螺釘緊固在機(jī)箱的框架上，在面板的四周加有密封墊圈；在主副機(jī)箱內(nèi)對(duì)稱設(shè)置2-4塊長(zhǎng)方形塑料閃爍體(3)，其尺寸為220-280厘米×50-80厘米×20-25厘米，在每塊塑料閃爍體的一端或兩端通過有機(jī)玻璃光導(dǎo)(5)與一個(gè)或兩個(gè)光電倍增管(4)相耦合，每個(gè)光電倍增管的信號(hào)輸出端與一個(gè)信號(hào)處理和控制單元(6)相連；每塊塑料閃爍體除探測(cè)面及有光電倍增管的一端外，其它各表面都由1.0厘米厚的鉛屏蔽層(7)所包圍，鉛屏蔽層用螺釘固定在箱體內(nèi)的支承板上；暖風(fēng)機(jī)(8)置于主、副機(jī)箱內(nèi)塑料閃爍體的下方，UPS電源(9)放在主機(jī)箱內(nèi)塑料閃爍體的下方，為主、副機(jī)箱所共用；報(bào)警指示燈(12)、工作指示燈(13)以及報(bào)警蜂鳴器(14)均安裝在主機(jī)箱的面板上方。
2根據(jù)權(quán)利要求1的集裝箱內(nèi)核材料及其它放射性物質(zhì)檢測(cè)裝置，其特征在于所述塑料閃爍體相對(duì)蒽晶體的發(fā)光效率為40％，發(fā)光衰減時(shí)間約3ns，光譜主峰位為423nm，閃爍體表面涂氧化鈦全反射層。
3根據(jù)權(quán)利要求1的集裝箱內(nèi)核材料及其它放射性物質(zhì)檢測(cè)裝置，其特征在于所述光電倍增管直徑為38mm，頻譜響應(yīng)范圍為300-650nm，頻譜響應(yīng)的峰值波長(zhǎng)為420nm，陽(yáng)極暗電流約為3-5nA，陽(yáng)極靈敏度為35A/1m，均勻型分壓方式，分壓電阻為兆歐姆量級(jí)。
4根據(jù)權(quán)利要求1的集裝箱內(nèi)核材料及其它放射性物質(zhì)檢測(cè)裝置，其特征在于所述信號(hào)處理和控制單元包括前置放大器、主放大器、單道分析器、單片機(jī)、液晶顯示器、紅外線探測(cè)器。
專利摘要本實(shí)用新型涉及集裝箱內(nèi)核材料及其它放射性物質(zhì)檢測(cè)裝置，其特征在于包括主機(jī)箱和副機(jī)箱，一左一右相對(duì)而立，在主機(jī)箱內(nèi)對(duì)稱設(shè)置2－4塊長(zhǎng)方形塑料閃爍體，在每塊塑料閃爍體的一端或兩端通過有機(jī)玻璃光導(dǎo)(5)與一個(gè)或兩個(gè)光電倍增管(4)相耦合，每個(gè)光電倍增管的信號(hào)輸出端與一個(gè)信號(hào)處理和控制單元(6)相連。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、使用方便、檢測(cè)速度快等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于集裝箱及各種車輛的檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N23/227GK2771855SQ200520005229
公開日2006年4月12日 申請(qǐng)日期2005年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月2日
發(fā)明者趙榮生, 趙新, 張文良, 趙英楠, 趙景岐, 甘霖, 黃志誠(chéng), 朱天玉, 張麗萍, 芳忻, 李新軍 申請(qǐng)人:北京埃索特核電子機(jī)械有限公司