一种表面放射性测量谱仪以及提高测量精度的方法

1.本发明属于核辐射探测器领域，尤其涉及一种表面放射性测量谱仪，以及一种提高表面放射性测量谱仪测量精度的方法。


背景技术：

2.随着科技和工业的发展，普通人在日常生活中能够接触到具有放射性的材料的机会越来越多。主要包括工业建筑材料、装饰性石材、宝石首饰等等。以建筑材料为例，一些建筑材料中含有放射性材料成分，或者能够释放放射性气体及其子体产物，并悬浮在空气中。放射性材料释放出能量较高的α粒子或其他的粒子。如果被人体吸入，则可能对内脏(尤其是肺部)进行照射。在长期的放射性照射下，容易产生肺部的病变，严重的可导致肺癌。大多数家庭居室中自然存在放射性气体氡，这些氡气的主要来源是装修用的石材或板材。石材的放射性核素含量随矿床、所在地等天然条件的不同而有所增减，必须对其进行监测，才能知道是否适合居室装修。放射性检测手段之一是将样品做成薄片，测量其表面放出的带电粒子。
3.在现有技术中，测量材料表面放射性的探测器主要包括半导体类、闪烁体类以及气体电离类。
4.1、半导体探测器的主要原理是通过半导体探测器直接捕获放射性粒子，放射性粒子在半导体中产生的载流子(电子和空穴)在反向偏压电场下被收集，由产生的电脉冲信号来测量放射性强度。但是，受限于目前的制造工艺，半导体探测器的探测面积通常在30cm2左右，难以达到更大的探测面积。
5.2、闪烁体类探测器的工作原理是通过放射性粒子轰击到闪烁体上，使闪烁体原子(或分子)电离并激发，在退激过程中发光，经过光电器件(如光电倍增管)将光信号变成可测的电信号来测量核辐射。闪烁计数器分辨时间短、效率高，还可根据电信号的大小测定粒子的能量。但是，闪烁体类探测器需要设置密封窗以密封闪烁体材料，而被测样品处于密封容器外部，放射性粒子在轰击到闪烁体之前已经经过了密封窗的衰减，因此探测效率不高。特别是对于人们更感兴趣的α粒子，因其行程更短，绝大多数情况下都不能穿过密闭窗，从而无法探测。
6.3、气体电离类探测器通过收集射线在气体中产生的电离电荷来测量放射性强度。气体电离类探测器的计数管工作在电离模式下，来自探测器不同位置的粒子所呈现的脉冲形状可能有所不同，依据此原理，探测器可以鉴别粒子来源，但是并不能对带电粒子的位置进行精确测量，这对其测量灵敏度的进一步提高带来很大的局限性。
7.因此，本领域技术人员期望研发一种表面放射性测量谱仪，既要能够解决探测面积太小的技术问题，也要能够解决探测精度的技术问题，更要解决对于带电粒子的能量和径迹的同时测量的技术问题。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种表面放射性测量谱仪，包括容器和探测部件，其特征在于，所述容器为由多个容器壁封闭而成的空间，所述探测部件被设置于所述容器内部。
9.进一步地，所述探测部件包括像素读出平面，所述像素平面被设置为能够记录带电粒子的平面位置坐标。
10.进一步地，所述像素读出平面可以根据信号的到达时间先后确定垂直于其方向的相对坐标。
11.进一步地，待测样品被放置于所述容器内进行测量。
12.进一步地，还包括电场生成部件，所述电场生成部件被设置于所述容器内部，所述电场生成部件包括阴极板与场笼，所述阴极板与所述场笼配合，生成均匀电场。
13.进一步地，所述阴极板被设置于所述容器的底部，所述待测样品被设置于所述阴极板上。
14.进一步地，所述阴极板为实心的导体板，或是由导电丝制成的网状板。
15.进一步地，所述场笼包括导电体框，所述导电体框由多个导电体等间距地设置构成。
16.进一步地，所述场笼还包括绝缘体，所述绝缘体填充在所述多个导电体之间的间隙中。
17.进一步地，所述容器包括圆柱形的容器室与圆形的容器盖，所述容器盖设置于所述容器室上方。
18.进一步地，所述像素读出平面设置于所述容器盖的下表面，所述阴极板被设置于所述容器室的底部。
19.进一步地，还包括密封机构，所述密封机构设置于所述容器盖与所述容器室之间。
20.进一步地，所述密封机构包括密封圈与多个卡扣，所述多个卡扣被设置于所述容器盖的圆周上。
21.进一步地，还包括抽气口，所述抽气口设置于所述容器室侧壁上，所述抽气口的一端与所述容器室内部连通。
22.进一步地，所述抽气口的另一端与抽气装置连接。
23.进一步地，所述抽气装置包括多级真空泵组。
24.进一步地，还包括气体循环装置，所述气体循环装置包括气体循环泵。
25.进一步地，还包括气体净化装置，所述气体净化装置设置于所述容器室的侧壁上。
26.本发明还提供了一种提高表面放射性测量谱仪测量精度的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
27.步骤1、将待测样品置于测量谱仪的容器中；
28.步骤2、对于待测样品释放的放射性粒子进行能量和三维径迹重建；
29.步骤3、通过步骤2中能量和三维径迹重建的结果推测放射性粒子的类型和生成的位置；
30.步骤4、通过对放射性粒子的生成位置，判断该粒子是否计入放射性强度的计算。
31.进一步地，步骤4中的判断逻辑具体为：
32.如果放射性粒子的生成位置位于待测样品区域，则将该粒子计入放射性强度计算
中；
33.如果放射性粒子的生成位置并非位于待测样品区域，则将该粒子视为本底放射性粒子，不计入放射性强度计算中。
34.相对于现有技术而言，本技术提供的表面放射性测量谱仪至少具有以下有益技术效果：
35.1、本技术的探测部件采用捕获电子的像素读出平面，与直接捕获放射性粒子的半导体探测器不同的是，其面积大小不受半导体制造工艺的限制，因此可以制作足够大(至少可以达到2000cm2)的探测部件。
36.2、在本技术中，待测样品置于仪器内部。从而带电粒子在到达读出平面之前，没有经过密封窗或其他仪器壁的衰减，进一步提高探测精度。
37.3、本技术能够实现对于带电粒子的能量重建功能，通过对带电粒子的能量分析可鉴别粒子类型，如低能β粒子与α粒子。通过能量筛选出感兴趣的粒子类型，进一步的分析能谱鉴别放射性核素种类。
38.4、本技术能够实现对于带电粒子的三维度径迹重建功能。不同类型的粒子，其径迹特点不同，如α粒子径迹较直，β粒子的径迹较为弯曲，通过对径迹的分析进一步加强了粒子种类的鉴别能力。除此之外，来自探测器不同部位的粒子径迹各有其特点。通过对带电粒子的能量和三维度径迹的数据结合鉴别粒子的类型和来源，从而在放射性强度的计算过程中，筛选出生成自样品的粒子，同时排除来自仪器的本底粒子，大大提高放射性探测精度。
附图说明
39.图1是本技术的一个实施例的总体结构示意图；
40.图2是本技术的一个实施例的容器内部结构示意图；
41.图3是本技术的一个实施例的径迹重建结果示意图；
42.图4是本技术的一个实施例的外部设施示意图；
43.图5是本技术的一个实施例的外部设施示意图；
44.其中，1-进气口，2-过滤器，3-减压阀，4-气压计，5-前端电子学，6-阀门，7-阀门，8-阀门，9-阀门，10-卡箍法兰，11-密封圈，12-气体纯化器，13-真空泵组，14-真空泵组，15-循环泵，21-读出平面，22-不锈钢密封腔，23-场笼，24-待测样品，25-阴极板，26-信号线。
具体实施方式
45.以下参考说明书附图介绍本发明的实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
46.在本发明中，所提到的“下”，指的是与自然重力相同的方向；“上”指的是与自然重力相反的方向。以下的实施例中，表面放射性测量谱仪的顶部向上设置，其底部向下设置。本发明中的x、y方向指的是以像素读出平面为基础建立的平面直角坐标系，并且，x、y的具体方向由像素读出平面自带的x、y读取通道确定。z方向具体指由容器底部指向容器顶部的方向。
47.实施例1
48.如图1、图2所示，本实施例采用整体呈长方体的不锈钢密封腔22作为测量容器。在不锈钢密封腔22中，底部设置有阴极板25。一方面，阴极板25配合场笼23产生均匀电场；另一方面，阴极板25也作为待测样品24的承载板。在本实施例中，阴极板25是导体实心板，在其他类似的实施例中，阴极板25也可以是由导电丝制成的网状平面板。场笼23由导电体框、绝缘体以及电阻构成。将多个相同尺寸的导电体均匀、等间距地设置以形成导电体框。相邻的导电体之间设置绝缘材料和电阻。在本实施例中，场笼中23的绝缘材料优选地采用亚克力材料。在其他类似的实施例中，充当场笼绝缘材料的不限于亚克力，甚至不限于固体绝缘材料，还可以是气体绝缘材料。以本实施例的设置，将产生电场方向朝下的均匀电场，处于该电场内部的电子由于带负电，将在电场的作用下向上运动，最终到达不锈钢密封腔22的顶部。作为探测部件，本实施例在不锈钢密封腔的顶部设置有micromegas读出平面21。读出平面21在x方向、y方向分别提供了各64个读出通道。因此，该读出平面21可以记录达到其上的电子的x、y坐标，是一种像素型读出平面。这种像素型读出平面由铜和聚酰亚胺薄膜组成，其特点是不受半导体制造工艺的限制，可以按需要扩展读出平面的面积。与半导体探测器典型的探测面积30cm2相比，本实施例所采用的读出平面21可以很轻松地达到2000cm2的探测面积。在其他类似的实施例中，也可以采用其他类型的像素读出平面来记录电子的坐标，例如基于gem探测器的读出平面等等。只要能够达到记录电子x、y坐标的技术效果的像素读出平面，并且探测面积不受半导体制造工艺限制，都可以作为本发明的探测部件。
49.在不锈钢密封腔22中，封闭有作为工作气体的氩气。当放置于阴极板25上的待测样品24表面释放出放射性粒子(本实施例中以α粒子为例)。α粒子与氩气相互作用后，致使氩气电离，从而产生电子。此时电子在由阴极板25与场笼23产生的电场作用下，朝向与电场方向相反的方向运动。在本实施例中，电子朝向不锈钢密封腔22的顶部运动。当电子到达不锈钢密封腔22的顶部时，被设置在不锈钢密封腔顶部22的读出平面21捕获。当氩气电离产生的电子被读出平面21捕获后，读出平面21即可记录该电子所在的位置的x、y坐标。由于电子在刚生成时即处于电场的作用下，因此在不锈钢密封腔22中进行直线运动。被捕获的电子的x、y坐标，即是待测样品24释放出的α粒子所在位置的x、y坐标，即便有所偏差，误差也是可以接受的。在该α粒子的运动过程中，不停地与氩气互相作用并致使氩气电离，同时不停地产生电子。这些电子均被读出平面21捕获并记录x、y坐标后，即得到了α粒子的三维径迹在xy平面上的投影。
50.在z方向上，以第一个电子到达读出平面21的时间作为时间0点，并计算随后到读出平面21的其他电子的时间，即可得到电子生成时的z方向位置坐标，即α粒子的三维径迹在z方向的位置坐标。并且，α粒子的径迹末端会产生大量能量堆积的布拉格峰，因此很容易判断径迹的哪一端为α粒子的产生位置。将α粒子在运动过程中的x、y、z坐标通过信号线26，经过电子学处理后输入计算机，即能够实现对于α粒子的三维径迹重构，从而确定α粒子的生成位置是处于样品的区域还是除样品以外的容器区域。如图3所示，为采用本实施例的三维径迹重构功能而获取的粒子径迹示意图。
51.本实施例采用计算机算法来辨别α粒子的来源，如果生成位置处于待测样品摆放的区域，则判定该α粒子应当在计算表面放射性时被计算在内；如果生成位置处于非待测样品摆放区域，则判定该α粒子为容器或探测装置、电场生成装置产生的放射性粒子，则该α粒子应当在计算表面放射性时被排除(即被视为本底放射性)。本实施例中的表面放射性测量
谱仪，通过对放射性粒子的三维径迹重构来判定本底放射性，从而提高对待测样品的表面放射性的测量精度。此外由于待测样品直接放置于容器内部，其产生的放射性粒子直接与工作气体接触并相互作用，并没有通过任何密封屏蔽材料，因此没有损耗和衰减，进一步提高了测量精度。
52.实施例2
53.如图4所示，在本实施例中，测量容器的材料仍然为不锈钢，但其整体形状被制作成圆柱形，因而成为一个圆柱形密封腔。圆柱形密封腔由两部分组成，上部为一个圆形腔盖，下部为圆柱形腔室，圆柱形腔室侧面与底面封闭，仅留上部的圆形开口。圆形腔盖的直径略大于圆形开口的直径，使得圆形腔盖覆盖在圆形开口上时，可以与圆柱形腔室配合形成密闭空间。为了保证气密性，在圆形腔盖上设置有橡胶材质的密封圈11，同时还在圆形腔盖的圆周上设置数个卡箍法兰10。当圆形腔盖覆盖住圆柱形腔室的开口时，用卡箍法兰10将圆形腔盖与圆柱形腔室锁紧，而密封圈11恰好与圆柱形腔室的开口边缘接触。保证工作气体不会泄漏，从而确保放射性测量的准确性。
54.每一次取出/放入待测样品，都需要打开圆形腔盖，因此工作气体会逸散。如需进行下一次测量，则需要重新充入工作气体。因此在本实施例中设置了一整套供气系统。如图4所示，进气口1连接到气源，进气口1的后端依次连接有过滤器2、减压阀3以及气压计4。阀门6、7、8分别控制着三路并联的气路。其中阀门6控制的气路连接到真空泵组14。阀门7控制的气路中依次连接有气体纯化器12、循环泵15以及阀门9，最后连接到圆柱形测量容器侧壁，并与测量容器内部连通。气阀8控制的气路连接到圆形腔盖上，并与测量容器内部连通。此外，设置于测量容器内部直接连通的真空泵组13。优选地，真空泵组13、14可采用多级真空泵组。
55.本实施例的工作过程如下：
56.在测量容器中放置待测样品，并确认容器密封达到要求以后，即打开阀门6、8，关闭阀门7、9，关闭气源，打开真空泵组13、14开始抽真空。在抽真空的过程中，通过气压计4及真空泵组上的真空规来监控真空度。在真空度达到要求以后，关闭真空泵组13、14以及阀门6，打开气源，向测量容器内充入工作气体。工作气体除了氩气以外，还可以根据需要选用其他可以被电离的气体，如氙气或其他混合气体。在充气过程中同样通过气压计4来监控气压。工作气体的气压达到要求以后，即可开始放射性的测量。测量的数据通过前端电子学5输入计算机并作相应的处理，通过实施例1中的径迹重建方法，降低本底误差。在测量过程中，为了保证工作气体的有效性，可打开阀门7、8、9，并启动循环泵15，通过气体纯化器12来去除工作气体中的电负性气体，防止电负性气体对测量结果造成不良影响。
57.实施例3
58.本实施例的器件连接结构如图5所示。本实施例的部件连接与实施例2大致相同。与实施例2不同的是，在本实施例中，去除了阀门6-真空泵组14这条气路，还去除了气压计4、阀门7、气体纯化器12、循环泵15这些部件，使得阀门9原本与循环泵15连接的一端直接与大气连通。本实施例的优点在于，结构十分简单。不需要付出循环泵组以及多组真空泵的成本。由于结构简单，因此安装也更便捷，适用于硬件条件不足的场合。
59.由于本实施例在结构上做了一些简化，其工作过程也与实施例2略有不同：
60.在测量容器中放置待测样品，并确认容器密封达到要求以后，关闭阀门8、阀门9，
启动真空泵组13进行抽真空。在真空泵组13运行适当时间以后，关闭真空泵组13。打开气源以及阀门8，向测量容器内充入工作气体，然后打开阀门9，使得工作气体通过阀门8进入测量容器，并通过阀门9离开测量容器。在测量过程中，由于探测器材料表面释气而产生的电负性气体，随着气流通过阀门9离开测量容器，因此尽管本实施例没有设置气体循环装置，却仍然可以保证测量过程中工作气体的有效性，不影响测量结果。
61.本实施例在采用成本较低的工作气体，且硬件条件难以满足的场景下，能够以极低的成本保证测量正常进行。
62.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。