一种中子临界监测系统及方法与流程

1.本发明具体涉及一种中子临界监测系统及方法。


背景技术：

2.在处理、应用、贮存和运输可裂变物质时，存在发生核临界事故的潜在危险，虽然发生事故的几率很小，但是一旦发生，造成的危害是巨大的。中子临界监测报警系统可在发生临界事故前给出报警，并记录事故现场的辐射及变化过程，分析临界事故进程。
3.由于中子临界监测报警系统的探测器安装在乏燃料处理场所，其探测的脉冲信号需经长距离传输至报警系统处理，脉冲信号在长距离传输过程中存在衰减、外部干扰等因素，易造成测量数据不准确而导致误报警发生。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种杜绝误报警现象发生的中子临界监测系统，还相应提供一种中子临界监测方法。
5.解决本发明技术问题所采用的技术方案是：
6.本发明提供一种中子临界监测系统，包括控制系统和中子临界探测器，
7.所述中子临界探测器设有多个，所述中子临界探测器包括探头和信号处理系统，
8.所述探头用于探测放射性物质发射的中子，并转换为脉冲信号，
9.所述信号处理系统与探头电连接，用于接收探头输出的脉冲信号，并对其进行放大、甄别、计数和计算处理，以获取所述中子在设定能量区间对应的放射性物质的剂量率，并生成剂量率通讯信号，
10.所述控制系统与多个中子临界探测器的信号处理系统均电连接，用于接收多个中子临界探测器的信号处理系统传递的剂量率通讯信号，并进行显示，且还用于向中子临界探测器的信号处理系统发出参数设置的指令。
11.可选地，所述中子临界探测器的信号处理系统还用于判断放射性物质的剂量率是否大于等于其内存储的警戒剂量率，当判断结果为“是”时，生成第一报警开关信号，
12.所述控制系统还用于对接收的第一报警开关信号数量进行判断，当第一报警开关信号数量大于设定值时，输出第二报警开关信号。
13.可选地，所述信号处理系统包括信号转换模块、数据处理模块和通讯模块，所述探头、信号转换模块和数据处理模块和通讯模块依次电连接，
14.所述信号转换模块用于接收探头输出的脉冲信号，并对其进行放大、甄别和计数处理，以获取其在预设的上阈值和下阈值范围内的脉冲计数值，并将脉冲计数值发送给数据处理模块，
15.所述数据处理模块用于根据其内存储的脉冲计数值与放射性物质剂量率的关系式，计算与所述脉冲计数值对应的放射性物质的剂量率，以生成剂量率通讯信号，
16.所述通讯模块与控制系统通过总线电连接，用于将剂量率通讯信号经总线传输至
控制系统。
17.可选地，所述数据处理模块还用于判断放射性物质的剂量率是否大于等于其内存储的警戒剂量率，当判断结果为“是”时，生成第一报警开关信号，
18.所述信号处理系统还包括第一开关量输出模块，所述第一开关量输出模块与数据处理模块电连接，并通过总线与控制系统电连接，用于将第一报警开关信号经总线传输至控制系统。
19.可选地，所述数据处理模块采用fpga芯片，所述通讯模块为rs485通讯接口。
20.可选地，所述信号转换模块包括信号放大电路和信号甄别电路，
21.所述信号放大电路与探头相连，用于接收、放大并整形探头输出的脉冲信号，
22.所述信号甄别电路电连接信号放大电路和数据处理模块，用于对信号放大电路处理的脉冲信号进行甄别，以获取其在预设的上阈值和下阈值范围内的脉冲信号，且对该范围内的脉冲信号进行计数，以获取该范围内的脉冲个数，并将脉冲个数发送给数据处理模块。
23.可选地，所述控制系统包括信号转接模块、控制处理模块、第二开关量输出模块、操作显示模块和报警装置，
24.所述信号转接模块与多个中子临界探测器的信号处理系统均电连接，用于接收中子临界探测器传输的通讯信号和第一报警开关信号，并进行电平标准化转换，
25.所述控制处理模块电连接信号转接模块和操作显示模块，用于接收经信号转接模块转换的通讯信号，并驱动操作显示模块进行显示，
26.所述第二开关量输出模块电连接信号转接模块和报警装置，用于对接收的第一报警开关信号数量进行判断，当第一报警开关信号数量大于设定值时，输出第二报警开关信号，以触发报警装置报警。
27.可选地，所述第二开关量输出模块中集成有rs485通讯接口和网口，用于系统与辐射监控平台进行通讯数据交互。
28.可选地，所述控制系统还包括电源模块，所述电源模块与控制处理模块电连接，用于将外部电源转换为系统中元器件所需的供电电压；
29.所述信号处理系统还包括电源管理模块和高压转换器，
30.所述电源管理模块电连接数据处理模块和高压转换器，用于将系统的供电电压传输至高压转换器，所述高压转换器用于将电源管理模块输入的系统用电转换为探头使用的直流高电压。
31.本发明还提供一种中子临界监测方法，包括：
32.所述中子临界探测器设有多个，所述中子临界探测器包括探头和信号处理系统，
33.中子临界探测器的探头探测放射性物质发射的中子，并转换为脉冲信号，
34.中子临界探测器的信号处理系统接收探头输出的脉冲信号，并对其进行放大、甄别、计数和计算处理，以获取所述中子在设定能量区间对应的放射性物质的剂量率，并生成剂量率通讯信号，
35.控制系统接收多个中子临界探测器的信号处理系统传递的剂量率通讯信号，并进行显示，且还向中子临界探测器的信号处理系统发出参数设置的指令。
36.可选地，还包括：
37.中子临界探测器的信号处理系统判断放射性物质的剂量率是否大于等于其内存储的警戒剂量率，当判断结果为“是”时，生成第一报警开关信号，
38.控制系统对接收的第一报警开关信号数量进行判断，当第一报警开关信号数量大于设定值时，输出第二报警开关信号。
39.本发明中，通过在探测器中集成信号处理系统，探头探测的脉冲信号经信号处理系统依次放大、甄别、计数和计算，形成的剂量率通讯信号能够通过rs485总线数字信号传输至控制系统及时处理，传输距离可达1200米，且传输过程中不存在外部干扰及信号衰减问题，从而避免了测量数据不准确而产生的误报警现象，保障了正常的生产和人员的安全。
附图说明
40.图1为本发明实施例1提供的中子临界监测系统的结构示意图；
41.图2为本发明实施例1提供的中子临界探测器的结构示意图。图中：1、中子临界探测器；11、探头；12、数据处理模块；13、通讯模块；14、第一开关量输出模块；15、信号放大电路；16、信号甄别电路；17、电源管理模块；18、高压转换器；2、控制系统；21、信号转接模块；22、控制处理模块；23、第二开关量输出模块；24、操作显示模块；25、报警装置；26、电源模块。
具体实施方式
42.下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
43.在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
44.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
45.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
46.本发明提供一种中子临界监测系统，包括控制系统和中子临界探测器，
47.所述中子临界探测器设有多个，所述中子临界探测器包括探头和信号处理系统，
48.所述探头用于探测放射性物质发射的中子，并转换为脉冲信号，
49.所述信号处理系统与探头电连接，用于接收探头输出的脉冲信号，并对其进行放大、甄别、计数和计算处理，以获取所述中子在设定能量区间对应的放射性物质的剂量率，并生成剂量率通讯信号，
50.所述控制系统与多个中子临界探测器的信号处理系统均电连接，用于接收多个中
子临界探测器的信号处理系统传递的剂量率通讯信号，并进行显示，且还用于向中子临界探测器的信号处理系统发出参数设置的指令。
51.本发明还提供一种中子临界监测方法，包括：
52.所述中子临界探测器设有多个，所述中子临界探测器包括探头和信号处理系统，
53.中子临界探测器的探头探测放射性物质发射的中子，并转换为脉冲信号，
54.中子临界探测器的信号处理系统接收探头输出的脉冲信号，并对其进行放大、甄别、计数和计算处理，以获取所述中子在设定能量区间对应的放射性物质的剂量率，并生成剂量率通讯信号，
55.控制系统接收多个中子临界探测器的信号处理系统传递的剂量率通讯信号，并进行显示，且还向中子临界探测器的信号处理系统发出参数设置的指令。
56.实施例1：
57.如图1所示，本实施例提供一种中子临界监测系统，包括控制系统2和中子临界探测器1，
58.中子临界探测器1设有多个，中子临界探测器1包括探头11和信号处理系统，
59.探头11用于探测放射性物质发射的中子，并转换为脉冲信号，
60.信号处理系统与探头11电连接，用于接收探头11输出的脉冲信号，并对其进行放大、甄别、计数和计算处理，以获取中子在设定能量区间对应的放射性物质的剂量率，并生成剂量率通讯信号，
61.控制系统2与多个中子临界探测器1的信号处理系统均电连接，用于接收多个中子临界探测器1的信号处理系统传递的剂量率通讯信号，并进行显示，且还用于向中子临界探测器1的信号处理系统发出参数设置的指令。
62.由此，通过在中子临界探测器1中集成信号处理系统，探头11探测的脉冲信号经信号处理系统依次放大、甄别、计数和计算，形成的剂量率通讯信号能够通过rs485总线数字信号传输至控制系统2及时处理，传输距离可达1200米，且传输过程中不存在外部干扰及信号衰减问题，从而避免了测量数据不准确而产生的误报警现象，保障了正常的生产和人员的安全。
63.中子临界探测器1分布在不同地方，与控制系统2组成中子临界监测系统，使得临界事故的监测达到更好的可靠性。
64.本实施例中，中子临界探测器1的信号处理系统还用于判断放射性物质的剂量率是否大于等于其内存储的警戒剂量率，当判断结果为“是”时，生成第一报警开关信号，
65.控制系统2还用于对接收的第一报警开关信号数量进行判断，当第一报警开关信号数量大于设定值时，输出第二报警开关信号。
66.由此，中子临界探测器1中集成的信号处理系统经判断生成的报警开关信号也能够通过rs485总线数字信号传输至控制系统2，从而控制系统2无需处理数据，即能快速发出报警信号。
67.并且，通过控制系统2对不同位置的中子临界探测器1的报警信号进行逻辑判断，以避免个别中子临界探测器1误报警导致的报警现象。
68.本实施例中，
69.信号处理系统包括信号转换模块、数据处理模块12和通讯模块13，探头11、信号转
换模块和数据处理模块12和通讯模块13依次电连接，
70.信号转换模块用于接收探头11输出的脉冲信号，并对其进行放大、甄别和计数处理，以获取其在预设的上阈值和下阈值范围内的脉冲计数值，并将脉冲计数值发送给数据处理模块12，
71.数据处理模块12用于根据其内存储的脉冲计数值与放射性物质剂量率的关系式，计算与脉冲计数值对应的放射性物质的剂量率，以生成剂量率通讯信号，
72.通讯模块13与控制系统2通过总线电连接，用于将剂量率通讯信号经总线传输至控制系统2。
73.本实施例中，
74.数据处理模块12还用于判断放射性物质的剂量率是否大于等于其内存储的警戒剂量率，当判断结果为“是”时，生成第一报警开关信号，
75.此外，数据处理模块还用于通过通讯模块接收并解析控制系统发送的对各模块进行参数设置的指令，并执行相应指令以完成相应参数的设置，且还用于保存各参数和计算所得的剂量率。
76.数据处理模块将接收的参数进行单独本地存储，以便上电后直接参数读取，以避免重复接收参数指令。
77.信号处理系统还包括第一开关量输出模块14，第一开关量输出模块14与数据处理模块12电连接，并通过总线与控制系统2电连接，用于将第一报警开关信号经总线传输至控制系统2。
78.本实施例中，信号转换模块包括信号放大电路15和信号甄别电路16，
79.信号放大电路15与探头11相连，用于接收、放大并整形探头11输出的脉冲信号，
80.信号甄别电路16电连接信号放大电路15和数据处理模块12，用于对信号放大电路15处理的脉冲信号进行甄别，以获取其在预设的上阈值和下阈值范围内的脉冲信号，且对该范围内的脉冲信号进行计数，以获取该范围内的脉冲个数，并将脉冲个数发送给数据处理模块12。
81.具体地，信号甄别电路16包括甄别器和计数采集电路。
82.甄别器包括上甄别器和下甄别器，上甄别器和下甄别器的输入端分别与信号放大电路15的输出端相连，上甄别器用于将脉冲信号中各脉冲值与预设的上阈值进行比较，并在脉冲值高于上阈值时输出高电平信号，低于或等于上阈值时输出低电平信号；下甄别器用于将脉冲信号中各脉冲值与预设的下阈值进行比较，并在脉冲值高于或等于下阈值时输出高电平信号，低于下阈值时输出低电平信号。
83.计数采集电路包括异或门电路和定时计数器；
84.异或门电路的输入端与上甄别器和下甄别器分别相连，所述异或门电路用于对上甄别器和下甄别器的输出进行异或处理，从而获得甄别后的数字电平信号；
85.定时计数器的输入端与异或门电路的输出端相连，用于采集相应甄别后的数字电平信号中的脉冲个数，并将计数值发送给数据处理模块12。
86.本实施例中，数据处理模块12采用fpga芯片，通讯模块13为rs485接口电路。
87.探头部分包含2路中子bf3正比计数管，探头11在正常工作状态下输出毫伏特级别的微小脉冲。探头输出的脉冲经过信号放大电路15(具体为三级放大及整型比较电路)处理
后为ttl电平信号，送入fpga芯片中完成毫秒级计数和秒级计数等运算处理，根据公式换算成对应的剂量率。fpga芯片还分别将毫秒级计数与剂量率结果与设置的警戒剂量率比较，获取报警状态。智能探头部分选用美国xilinx公司的xc7a100tfgg484-2l工业级fpga芯片作为主控制器，片上集成了大量的嵌入式块和丰富的逻辑资源，具有性价比高，低功耗和小封装等优点。
88.由此，中子临界探测器1的信号处理系统采用了基于fpga技术的硬件架构来实现主要的控制和通信功能，系统的稳定运行不依赖微处理器和软件。
89.基于fpga技术的硬件架构具有以下优势：
90.确定性：fpga芯片以纯硬件电路的方式实现设计的安全功能，硬件电路的执行较软件和操作系统的执行更为确定。
91.可靠性：基于flash的fpga芯片和基于反熔丝技术的fpga芯片可以有效抵御由于随机辐照引起的单粒子翻转，因而较cpu芯片具有更高的可靠性。
92.安保性：fpga技术对网络恶意攻击提供更好的防护。首先，烧入fpga芯片的硬件逻辑在无工程工具时无法随意修改；其次，对硬件逻辑的修改需通过特殊的接口进行，在系统运行时，接口一般是断开的；最后，硬件逻辑采用加密措施使fpga逻辑很难通过逆向工程重现。
93.性能:响应时间不仅仅取决于逻辑处理时间，还取决于信号处理时间和通信时间。fpga芯片内部硬件逻辑采用的并行处理方式较cpu芯片内软件代码的串行处理方式具有更快的处理速度。此外，基于fpga智能探头对输入输出信号的处理是并行进行的，其执行时间不受周期或定期方式数据刷新率的限制。设备的输入和输出信号可同时进行处理，且当系统规模增加时，这种并行处理方式不会增加输入输出信号所需的时间。
94.可持续性和经济性：cpu芯片更新换代的速度快于fpga芯片，这就意味着基于cpu技术的探头的寿命短于基于fpga技术的智能探头。随着cpu芯片的更新换代，原cpu芯片内已有的软件代码很难移植到新一代cpu芯片中。相反，fpga技术让今后的系统升级更加容易。使用硬件描述语言编制的fpga逻辑代码和寄存器级设计可移植于新的fpga芯片中，新的fpga芯片仅仅需要对已有的代码和设计使用的新的软件工具重新进行综合和布局布线，之前在软件设计方面的投资可最大程度地被保留。
95.本实施例中，控制系统2包括信号转接模块21、控制处理模块22、第二开关量输出模块23、操作显示模块24和报警装置25，
96.信号转接模块21与多个中子临界探测器1的信号处理系统均电连接，用于接收中子临界探测器1传输的通讯信号和第一报警开关信号，并进行电平标准化转换，
97.控制处理模块22电连接信号转接模块21和操作显示模块24，用于接收经信号转接模块21转换的通讯信号，并驱动操作显示模块24进行显示，
98.第二开关量输出模块23电连接信号转接模块21和报警装置25，用于对接收的第一报警开关信号数量进行判断，当第一报警开关信号数量大于设定值时，输出第二报警开关信号，以触发报警装置25报警。
99.本实施例中，中子临界探测器1具有三个，每个中子临界探测器1与信号转接模块21之间通过两路rs485进行单工模式数据交互，实现中子临界探测器1测量数据的上传和操作指令的接收应答。
100.本实施例中，
101.控制系统2还包括电源模块26，电源模块26与控制处理模块22电连接，用于将外部电源转换为系统中元器件所需的供电电压；
102.信号处理系统还包括电源管理模块17和高压转换器18，
103.电源管理模块17电连接数据处理模块12和高压转换器18，用于将系统的供电电压传输至高压转换器18，高压转换器18用于将电源管理模块17输入的系统用电转换为探头11使用的直流高电压。
104.具体地，信号转接模块21通过电缆线为智能探头提供+24v直流电压。电源管理模块17将+24v电压作为高压转换器18的输入，高压转换器18进行电压转换后输出高压给探头供电。
105.控制系统2中各模块的具体功能如下：
106.信号转接模块：信号转接模块21连接三路独立的中子临界探测器1，接收探测器传输的rs485信号和报警开关量信号，智能探头和信号转接模块交互的所有信号都需经过电气光耦隔离处理，一方面提高了模块间的抗干扰性，同时实现模块间的电平标准化转换。同时，信号转接模块21通过电缆线为智能探头提供+24v直流电压。
107.控制处理模块：对三路中子临界探测器1上传的测量数据，实时驱动液晶显示屏显示三通道数据结果。控制处理模块22控制4x4键盘与液晶显示屏的交互操作，完成各项功能指令下发和数据查询。控制处理模块22负责对第二开关量输出模块23串口和网口的硬件通讯接口信号进行控制，同时完成机箱前面板led状态指示灯的控制。
108.第二开关量输出模块：第二开关量输出模块23对信号转接模块传递的报警信号进行3取2处理，最终以开关量形式输出冗余报警状态给报警灯笛组。输出模块集成两路rs485和1路网口，与辐射监控平台进行通讯数据交互。
109.报警灯笛：报警灯笛是由若干个红灯绿灯笛组成的报警装置，红灯发出红色信号，绿灯为工作正常信号指示，笛为报警时发出声音信号。
110.电源模块：电源模块26为220vac电源转化为设备使用的+24直流电压，用于系统的供电。
111.操作显示模块：操作显示模块24主要包含键盘和液晶显示屏。键盘用于数据的输入和界面切换。显示屏用于图形数据的展示。操作显示模块通过键盘输入数据，数据通过接口总线传递给控制处理模块。
112.本实施例中，控制系统2设于一机箱内，一套标准的nim机箱配置两套控制系统2设备。
113.实施例2：
114.本实施例提供一种利用实施例1的系统进行中子临界监测的方法，包括：
115.中子临界探测器1的探头11探测放射性物质发射的中子，并转换为脉冲信号，
116.中子临界探测器1的信号处理系统接收探头11输出的脉冲信号，并对其进行放大、甄别、计数和计算处理，以获取中子在设定能量区间对应的放射性物质的剂量率，并生成剂量率通讯信号，
117.控制系统2接收多个中子临界探测器1的信号处理系统传递的剂量率通讯信号，并进行显示，且还向中子临界探测器1的信号处理系统发出参数设置的指令。
118.本实施例中，还包括：
119.中子临界探测器1的信号处理系统判断放射性物质的剂量率是否大于等于其内存储的警戒剂量率，当判断结果为“是”时，生成第一报警开关信号，
120.控制系统2对接收的第一报警开关信号数量进行判断，当第一报警开关信号数量大于设定值时，输出第二报警开关信号。
121.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。