实时、现场水中痕量放射性物质和辐射远程无线监测系统

摘要

实时、现场水中痕量放射性物质和辐射远程无线监测系统，检测技术领域用于水中痕量放射性物质和辐射的监测，克服现有技术中存在的操作复杂、精度低、具危险性，不能实现实时监测等缺点。由浮在监测现场水面上的水面平台，固定在水面平台上面的浮筒，安装在浮筒内的由全球卫星定位(GPS)模块，数据处理和电信号无线发送装置，太阳能电池板，浸在水中的放射性辐射探测器，与放射性辐射探测器连结的由渗透膜和高分子凝胶组成的放射性核素累积装置，沉在水底的蓄电池，无线信号接收机和主控计算机组成。其积极效果是扩大了低痕量方向的监测范围，能查询历史数据、预设阈值、实时报警，监测精度高，对监测人员无辐射危害，操作简便，制造成本低。

说明书

技术领域

本发明属于自动化检测技术领域。可广泛用于国家安全、核实验、核电站、核原料开采、医学、水处理过程中核污染监控、核泄漏检测、核废料监控、和环境控制。

背景技术

由于经济的发展，能源的短缺，以及对国家安全的考虑，促使世界各国核电工业迅速崛起。在核能的开发与利用过程中，不可避免地要向环境排放放射性污染物。一旦造成放射性污染，后果不堪想象。放射性污染物进入人体后，会继续放出α、β射线，伤害人体组织，并可积蓄在人体内部，促成贫血、恶性肿瘤等各种病症及对其后代有不良影响。放射性污染有以下特殊性：(1)与一般化学毒害物质污染不同，放射性污染通常是无嗅无色，其放射性与物质的化学状态无关，很不容易察觉。(2)每一种放射性核素都有一定的半衰期，不因气压、温度而改变。(3)通常放射性核素都能发射出具有一定能量的一种或几种射线(α、β、γ射线)，除了核反应条件外，任何化学、物理、生物的处理都不能改变放射性核素的性质，但放射性核素能随着介质的扩散或流动在自然界中迁移，并进入植物、动物、人体内被吸收、富集。

不少国家在核能的开发与利用过程中陆续出现放射性污染的情况，如：前苏联的切尔诺贝利核电站和美国核电站事故。美国、澳大利亚、葡萄牙等国的铀矿污染，加拿大、波兰、蒙古和罗马尼亚等国的核污染问题。为此，国际上一直重视放射性核素与环境关系的研究。从监测放射性污染，发展到放射性污染的防治和修复，主要采用物理和化学技术，但如何实时、现场地监测放射性污染，一直是个难题。

在现有放射性污染监测的方法中，通常以定点、定源抽样，然后试验室检测的方式，基本上是对强源进行检查，而对放射性核素在水中的迁移、扩散、溶解/吸附的监测方法非常薄弱。现有的探测器精度还不能直接测到水中的痕量放射性物质和辐射。传统的水中痕量放射性物质和辐射的监测方法操作复杂、精度低、成本高、具危险性，同时不能实现实时监测。具体表现为(1)水样预处理过程繁琐，包括：取样、浓缩、转换、洗涤、灼烧、灰化、称重等一系列环节。(2)检测结果精度低，在检测过程中的任何细小的水样损失和样品污染都会造成检验结果的偏差。(3)在进行放射性粉末的操作时，检测人员必须做好个人防护工作，避免制作过程中偶尔吸入放射性粒子而伤害人体组织。(4)检测成本昂贵，以目前普遍用的ICP仪器为例，其新机市场价在250,000USD到450,000.00USD，还要用昂贵的贵重惰性气体氩气(每台机每年约消耗2,000.00USD到4,000.00USD)。(5)水样结果是呈现几天前的水源污染情况，不具有实时现场监测的能力，对突发事件不能进行实时报警，贻误采取相应措施的最佳时机。

发明内容

本发明的目的是提供一种实时、现场水中痕量放射性物质和辐射远程无线监测系统，用于水中痕量放射性物质和辐射的监测，具有操作简单、精度高、成本低，并利用太阳能和无线数据收发，克服现有技术中存在的操作复杂、精度低、成本高、具危险性，同时不能实现实时监测等缺点。

本发明由放置在监测水域的数据采集、处理、数据信号传输部分和远程监测主控部分组成。其中的监测水域的数据采集、处理、数据信号传输部分包括浮在监测现场水面上的水面平台，固定在水面平台上面的浮筒，安装在浮筒内的由全球卫星定位(GPS)模块，包括微处理器、数据转换和存储单元的数据处理系统，无线通信模块组成的数据处理和电信号无线发送装置，安装在浮筒上的太阳能电池板及发射天线，固定在水面平台上浸在水中的放射性辐射探测器，与放射性辐射探测器连结的由渗透膜和高分子凝胶组成的放射性核素累积装置，沉在水底的蓄电池，连接蓄电池和数据处理、信号发射电路及太阳能电池板充电控制电路的电缆；远程监测主控部分包括无线信号接收机和主控计算机。

其中，数据采集、处理、数据信号传输部分中的放射性辐射探测器可选用现有的各种高纯锗(HPGe)探测器、高纯锗X射线探测器、硅(锂)【Si(Li)】、硅漂移探测器、平面工艺硅(Si-PIN)探测器等X射线探测器、带电粒子探测器、【Si-PIN探测器、硅面垒探测器、硅(锂)探测器】、闪烁探测器【NaI(Tl)、Cs(Tl)等与光电倍增管的组合体】、LaCl₃(Ce)，LaBr₃(Ce)闪烁探测器，GSO:Ce，LSO:Ce，BSO，BGO，BaF₂闪烁探测器，碲化镉和碲锌镉(CdTe/CdZnTe)半导体探测器，金刚石探测器，正比管(PC)。

无线通信模块可选用无线通信模块选用范围包括射频通信模块，3G无线通信模块，GSM/GPRS或CDMA模块，蓝牙模块，卫星通信模块，红外模块，微波通信模、IEEE802.11模块，IEEE802.15模块，IEEE802.16模块，无线RS-232模块，无线UWB，无线电USB模块中的一种或一种以上.

本发明的工作过程是：

水面平台放入待测水域，同时和电缆、蓄电池连接，蓄电池作为备用电源和沉底重物以防系统随水流漂离待测定水域。水面平台上的浮筒用来保证整个数据处理及发射系统、太阳能电池板和天线浮在水面之上正常工作。太阳能电池板以及太阳能充电控制电路和蓄电池相连，将太阳能转换成电能储存并给整个系统供电。由于双电源供电，即使在连续阴雨、日照不充分的情况下也可以转换到蓄电池供电，以保证系统在水中不间断地进行放射性核素及辐射量的探测，实时数据的处理和发射。

水面平台下的放射性核素累积装置对水中的放射性核素进行富集，探测器对辐射量的实时数据采集，探测器、光电转换器件、信号放大整型电路三部分形成信号通道，将放射性核素的辐射强度转换成计数脉冲，数据处理与控制单元完成探测数据的处理，处理完的数据经接口转换电路，由通信模块经天线发送至远程主监测计算机。所述的放射性辐射探测器测量的放射性包括α、β、γ、X射线、中子中的一种或一种以上。测量的内容包括核素识别、核素剂量率、计数率、剂量率、累计剂量、平均剂量信息中的一种或一种以上。主控计算机以曲线图/数据表方式实时显示放射性核素的辐射量和浓度以及空间和时间信息，还可以根据需要动态实时显示某一段时间区域内的监测结果，可回放某时间区域的监测数据，从后台数据库中查询全部或某一时间点的历史数据，预设阈值，实时报警。

本发明监测系统的优点是：

1、扩大了低痕量方向的监测范围，本发明中的由渗透膜和高分子凝胶组成的放射性核素累积装置，将水和高分子凝胶的树脂隔离开来，通过中间层来控制放射性核素和凝胶的离子交换过程。由于高分子凝胶和放射性核素的结合作用，使外部水和内部结合的凝胶之间的中间层形成了一个放射性核素的浓度差，这样，待测的放射性核素累积的量和累积时间有一个对应关系，在分离和累积的时间内，放射性核素的扩散通量可以用Fick扩散定律进行计算，由探测器测得累积的量便可计算出水中的痕量放射性核素的辐射量和浓度。这一技术可以探测水中非常低的痕量离子浓度(可达到10^-7mol/L)。目前世界上最先进的探测器也不可能直接探测到这么低的痕量离子浓度。能够广泛应用于核试验场、核电厂、采石场、制药厂、医院、试验室、金属处理厂、饮用水处理厂、卫生防疫、河流和环境保护等部门对水源的日常实时监测。在出现核与辐射异常情况时，及时提供采取相应行动的决策依据，以便迅速启动应急救援系统，把核与辐射突发事件对社会的危害和人员的损伤降低到最低程度，对防范核与辐射恐怖事件也具有十分重要的意义。

2、主控计算机以曲线图/数据表方式实时显示放射性核素的辐射量和浓度以及空间和时间信息，还可以根据需要动态实时显示某一段时间区域内的监测结果，可回放某时间区域的监测数据，从后台数据库中查询全部或某一时间点的历史数据，预设阈值，实时报警。工作人员可以立刻采取措施来应对突发事件和预防污染进一步扩散。这个是目前的监测技术所达不到的。

3、监测精度高，对待测水域进行实时、现场的检测。通过无线传输结果，可以对水中的痕量放射性核素和辐射进行准确测量。精度比目前收集、预制和离场的实验室测量方法大大提高。在实验室检测过程中的任何细小的水样损失和样品污染，都会造成检验结果大的偏差。

4、对监测人员无辐射危害，由于采用了远程无线传输结果的方式，水中探测器代替了测试人员频繁的到未知辐射污染的水域进行采样.同时，现场水域的检测，使测试人员避免了在实验室中有可能受到来自采样的辐射危害。

5、操作简便，测试人员只需一次性地放入整个系统在待测放射性的水域中，即可在远程实时监控。目前所使用的实验室方法需要对水样进行处理，包括：取样、浓缩、转换、洗涤、灼烧、灰化、称重等一系列环节。过程繁琐，费时、费力。

6、成本低，一次系统安装即可长时间的进行实时监控，总费用是目前实验室检测费用的几十分之一。

世界各国政府和人民现在对环境保护已达成共识，对我们赖以生存的地球环境的改善已是刻不容缓的课题，国家环保体系建设“十一五”规划中指出，要“按照国家要求规范环境执法体系、环境监测体系、环境宣传教育能力的标准化建设，加快完善环境监测网络、环境与核安全信息系统、环境事故应急监控和重大环境突发事件预警体系。”本系统完全适用于环境辐射监测的要求，为此在环境监测领域有很广阔的应用前景。

附图说明

图1为监测系统整体结构图。

图2为采用无线射频信号传输的工作流程图。

图3为采用GPRS移动通信信号传输的工作流程图。

具体实施方式

实施例一

参阅图1、图2，设浮在监测现场水面上的水面平台5，水面平台上面固定浮筒3，在浮筒内安装由全球卫星定位(GPS)模块，包括微处理器、数据转换和存储单元的数据处理系统，无线射频发射模块组成的数据处理和电信号无线发送装置4，在浮筒上安装太阳能电池板2及发射天线1，在水面平台下安装浸在水中的放射性辐射探测器6，在放射性辐射探测器上连结的放射性核素累积装置7，设沉在水底的蓄电池8，连接蓄电池和数据处理电路及太阳能电池板充电控制电路之间的电缆9，组成监测水域数据采集、数据处理、数据信号无线发射部分。其中的放射性辐射探测器6为高纯锗(HPGe)探测器(内置铯-137标准放射源，活度大约500Bq/15nCi，可对仪器进行能量自动校准)。其中的放射性核素累积装置由100微米厚、0.45微米孔径的硝酸纤维素渗透膜，聚丙烯酰胺和chelex-100树脂相结合的亚铁氰化铜凝胶组装构成。其中的控制数据的采集、处理、完成数据的无线发射选用MSP430F1611芯片，其工作电压为1.8V～3.6V、电流为0.1μA～400μA，具有微功耗、微型化特点。MSP430F1611芯片具有16个中断源，可将CPU置于省电模式，也可在6μs时间内将CPU唤醒，其高效的查表处理方法和较高的数据处理速度，完全满足传感器和无线传输电路的数据采集及数据传输要求，且对于太阳能蓄电池供电系统也是有利的。其中，太阳能供电部分由太阳能电池板、太阳能充电控制电路和蓄电池组成，由太阳能电池板吸收太阳光能转化成电能，输送给太阳能充电控制电路，再由太阳能充电控制电路给蓄电池充电并向外输出6V的直流电压信号.太阳能充电控制电路采用PHLIPS公司的8位单片P87LPC767，它内含有4kB的EPROM存储器和一个8位的A/D转换器，结构简单、功耗低，比较适合用作充电器的控制芯片，蓄电池采用铅酸蓄电池，并且采取防水措施，沉入水底，蓄电池作为沉底重物以防系统随水流漂离待测定水域，电池容量为6Ah.蓄电池和主控电路、探测器，GPS定点和校时模块及无线射频模块电路连接，作为其工作电源.由于双电源供电，即使在连续阴雨，日照不充分的情况下也可以转换到蓄电池供电，以保证系统在水中不间断地进行放射性核素及辐射量的探测，实时数据的处理和发射.无线传输部分由无线射频芯片电路、天线和无线接收装置组成.无线射频芯片电路选用北欧集成电路公司的多频段无线收发芯片nRF905，它采用优化GMSK调制解调技术，可在155.6kHz的有效带宽下以最高达76.8kb/s的速度传输数据，其通道、频段、输出功率和输出时钟频率等参数可以通过一个14位寄存器进行设置.无线射频芯片电路通过SPI总线与主控电路连接，通过MSP430单片机对其完成必要的初始化配置和数据接收、发送等控制.射频天线接口采用差分天线.

远程监测的主控部分由天线、无线射频接收装置，主计算机组成。其中无线射频接收装置也是在nRF905芯片基础上设计的.整个系统的工作原理如下：探测器采集的信号经主控微处理器完成数据处理再由无线射频芯片电路发送，无线信号经由无线射频接收装置接收后，提取出数据，再经RS232接口传送给远程主计算机.主计算机平台软件采用Visual C++开发，并以SQL Server作为后台数据库，以曲线图/数据表方式实时显示监测结果，动态实时显示某一段时间区域内的监测结果，也可回放某时间区域的监测数据，根据需要从后台数据库中查询全部或某一时间点的历史数据，预设阈值，实时报警.

实施例二：

参阅图1、图3，设与实施例一相同宏观结构的监测水域数据采集、数据处理、数据信号无线发射部分和远程监测的主控部分。所不同的是放射性核素累积装置7，由100微米厚，0.45微米孔径的硝酸纤维素渗透膜、聚丙烯酰胺和同质化聚丙烯酸树脂相结合的亚铁氰化铜凝胶组装而成，该装置和碘化钠(NaI)闪烁探测器(内置铯-137标准放射源、活度大约500Bq/15nCi，可对仪器进行能量自动校准)连接，放入水中，用于探测结合在亚铁氰化铜凝胶里的铯-137核素的浓度和总的辐射量，这一系统可测到水中低于1Bq/m³浓度的铯-137核素。

本实施例主控微处理器、GPS定位和校时模块、电源和主计算机及平台软件采用实施例一的相同配置。无线发射和接受采用GPRS(General Packet Radio Service)模块。GPRS分组交换技术是利用现有GSM系统。使得移动通信和数据网络合二为一。具有极速传送、永远在线和价格实惠等特点。GPRS网络通过移动的服务器和Internet连在一起，可实现长距离远程实时监控，同时还可以将各个不同水域的监控点联结组成总的实时监控网络系统。