放射性辐射监测原理及工程运用

放射性辐射监测装置主要由以下部分组成：

放射源→闪烁探测器→多道脉冲幅度分析仪→主控板→上位机。

1.放射性辐射的来源

放射性辐射分为三类：

放射性物质以波或微粒形式发射出的一种能量就叫核辐射。

核辐射主要是α、β、γ三种射线：

α射线是氦核，外照射穿透能力很弱，只要用一张纸就能挡住，但吸入体内危害大；

β射线是电子流，照射皮肤后烧伤明显。这两种射线由于穿透力小，影响距离比较近只要辐射源不进入体内，影响不会太大；

γ射线的穿透力很强，是一种波长很短的电磁波，能穿越人体，对健康影响巨大。

核辐射的主要危害就是来自于γ射线。探测放射性辐射，主要是探测γ射线。

γ射线，又称γ粒子流，是原子核能级跃迁退激时释放出的射线，是波长短于0.01埃的电磁波。由荧光晶体、光电倍增管和电子仪器组成的闪烁计数器是探测γ射线强度的常用仪器。

2.本底辐射

本底辐射是指人类生活环境本来存在的辐射，主要包括宇宙射线和自然界中天然放射性核素发出的射线。生活在地球上的人都受到天然本底辐射,不同地区、不同居住条件下的居民,所接受的天然本底辐射的剂量水平是有很大差异的。天然辐射（本底辐射）主要来自于土壤、岩石、水和大气中的天然放射性核素和宇宙射线。

测量本底是指辐射探测器测量到的与待测信号叠加在一起的非待测信号。由于存在宇宙射线和环境中的天然放射性，所有的辐射探测器都会产生一些本底信号。这种本底信号随着探测器的大小与类型有着显著的差异，也随着探测器周围的屏蔽程度而变化。由于本底的大小最终决定了可探测的最低辐射水平，这对地放射性辐射源的应用时很重要的。另外本底也常常影响到探测器的常规使用，所以大多数探测器都带有某种程度的外屏蔽，以期降低本底，实现对低放射性活度的测量。

辐射探测器的测量本底有辐射本底和噪声本底两个部分组成。辐射本底主要来源如下：

(1) 探测器本身构成材料中含有天然放射性杂质以及紧靠探测器放置的辅助设备支撑物和屏蔽物中含有的天然放射性杂质所产生的辐射；

(2) 测试场所的地面、墙面或其他建筑物种含有的放射性所产生的辐射；

(3) 探测器周围空气中的放射性；

(4) 宇宙射线本身带来的本底，以及宇宙射线与大气及探测系统相互作用产生的次级辐射带来的本底；

(5) 与源有关的本底。在γ射线谱系中，由于源的初级γ射线与探测器周围结构材料和屏蔽材料的相互作用而产生一些干扰辐射造成的辐射本底，其主要过程包括初级γ射线的康普顿以及由于电子产生或光电吸收过程发生的次级湮没光子和特征X射线，只有移去探测器附近的所有材料才能消除这些效应。

除了上述各种辐射本底外，测量本底还包括噪声本底。噪声本底主要指电子仪器的噪声、电磁干扰、探测器的暗电流和噪声、绝缘体的漏电流与击穿、探测器的损伤，以及探测器的工作条件参数选取不当而产生的噪声。

辐射测量中，要求测量本底尽可能小，信噪比尽可能高。这就需要根据不同的物理测试对象设计相应的测量系统，并要求该测试系统对待测信号的灵敏度高，对非待测信号的灵敏度低或不灵敏。

用屏蔽材料进行屏蔽：

很多探测器对中子和γ信号的灵敏度相差不大，对非待测信号灵敏度较低的探测器比较难找。实验中，降低非待测信号的办法之一是，在辐射进入探测器之前对非待测信号进行物理衰减，但是这种办法同样会使待测信号在一定程度上被衰减。通过选择合适的材料，使待测和非待测两种信号的衰减比例不同，从而实现内本底的降低。通常的做法是中子测量探测器使用高Z材料（比如铅）屏蔽γ，γ测量探测器使用含氢材料（比如聚乙烯）屏蔽中子。

外本底的来源非常多，一般主要考虑辐射通道和附近空间的影响，以及射线作用在通视管材料、准直器、探测器外壳、附近其它位置的仪器、设备等产生的混合散射。该类型的散射较为复杂，通常选用适当材料对探测器的非信号接收面进行包裹屏蔽，效果较好。

采用符合或者反符合来消除本底：

通过使用反符合屏蔽消除高能贯穿的宇宙射线，主要探测器被另一个或一组探测器（称为屏蔽探测器）所包围，主要探测器的输出信号只有当不伴随外层探测器的符合脉冲时才被记录。

如果被记录的放射性同位素同时发射一个以上的可辨别的有符合关系的辐射，通过运用符合技术就能有效地降低本底。将两个探测器的信号进行符合，许多本底事件将被消除，因为本底事件每次只能在一个探测器内出现。

3.闪烁探测器

闪烁探测器是利用电离辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探测器。

闪烁体探测器的工作原理如下：入射辐射在闪烁体内损耗并沉积能量，引起闪烁体中原子（或离子、分子）的电离激发，之后受激粒子退激放出波长接近于可见光的闪烁光子。闪烁光子通过光导射入光电倍增管的光阴极并打出光电子，光电子受打拿级之间强电场的作用加速运动并轰击下一打拿级，打出更多光电子，由此实现光电子的倍增，直到最终到达阳极并在输出回路中产生信号。

闪烁探测器根据闪烁体材料来分：

• 无机闪烁体：包括碱金属卤化物晶体（如NaI(Tl)、CsI(Tl)等，其中Tl是激活剂）、其他无机晶体（如CdWO4、BGO等）、玻璃体

• 有机闪烁体：有机晶体（如蒽、芪等）、有机液体、塑料闪烁体

• 气体闪烁体：如氩、氙等

最常用的闪烁探测器是NaI(TI)探测器，对于单次光电子入射，探测器的输出信号为脉冲电流波形，经过外围RC耦合电路形成脉冲电压波形。

探测器入射的辐射量不同，则产生的电压脉冲信号的幅值也不同。外围RC耦合电路元件参数不同，得到的脉冲波形也有所区别。

具体内容参考：http://www.docin.com/p-1281557693.html。

4.多道脉冲幅度分析仪

测量电脉冲信号幅度分布的仪器。它把脉冲信号按幅度的大小进行分类并记录每类信号的数目。常用于分析射线探测器的输出信号，测量射线的能谱。多道脉冲幅度分析器把整个被分析的幅度范围划分成若干个相等的区间（区间的大小称为道宽，区间的数目称为道数），一次测量就可以得到输入脉冲的幅度分布谱。

通过多道脉冲幅度分析仪，不仅能够得到辐射强度，也能得到辐射能谱。根据不同的物质具有不同的辐射能谱，可以判断辐射源放射性元素。

能谱的一般形式：

横轴为能量，纵轴为粒子数或粒子占比。可以看出，不同的元素具有不同的能谱。

多道脉冲幅度分析仪主要部件为：

ADC转换+DSP处理（FPGA）+ARM+数据通信接口（串口或USB）。

采用16位高速模数转换器（ADC）将接收到的模拟信号转换成数字信号，数字滤波、FPGA并行处理等先进技术的采用使得信号分析更加准确、高效、快捷，嵌入式ARM处理器将信号分析所得振幅分布谱图，通过RS232通讯接口传送给计算机终端，由计算机终端进行显示、储存或打印，以供研究人员分析使用。

一种多道脉冲幅度分析仪的技术参数：

● 计数通道:         2048道（可软件设定为1024道或512道）；

● 输入信号带宽：    200KHz～10MHz（输入脉冲信号半高宽：>100nS）；

● 最小脉冲上升时间：20ns；

● 信号输入幅度：    0～±5V或0～±10V；

● 单通道最大计数：  4.29×109（4字节）；

● 计数率：          ≥ 1Mcps；

● 道宽：            2.5mV（信号输入幅度0～±5V）；

                     5mV  （信号输入幅度0～±10V）；

● 通讯接口：        RS-232（115200bps,8,N,1）；

● 信号输入方式：    BNC输入；

● 输入阻抗：        1kΩ；

● 输入电容：        <5pF；

● 脉冲峰检测方式：

      阙后第一峰，适用核物理的频谱分析；

      阙后绝对峰，典型适用于脉冲计数分布分析；

● 系统精度：        ≤1%；

● ADC采样位数：    16位；

● ADC转换时间：    10nS；

● 噪声峰峰值幅度： <1mV；

● 微分非线性：     <±1.0%(99％量程) ；

● 积分非线性：     <±0.8%(99％量程) ；

● 零点漂移:        72小时零点漂移小于1道；

● 零点温度系数：   <0.2道/℃；

● 外形尺寸：       123×90×29（mm）；

● 净重：           <400g；

● 工作环境：      温度 －10～70℃    湿度 ≤90%；

● 存储环境：      温度 －40～80℃    湿度 ≤90%。

脉冲幅度分析仪的设计可参考如下两份资料：

①http://www.elecfans.com/analog/20180123621204.html

②https://wenku.baidu.com/view/499141f6910ef12d2af9e719.html