本发明属于核辐射探测，具体涉及一种基于空气闪烁的实时α粒子探测器数据测量系统及方法。
背景技术：
1、在各种核材料生产、核设施退役以及放射性废物的处置过程中，都可能使长寿命的放射性物质(如钚pu和铀u)弥散于空气中，形成放射性气溶胶(主要为α气溶胶)，α气溶胶对人体产生辐射危害的主要途径是通过吸入进入人体，产生内照射损伤，对α气溶胶的测量实际上就是对α粒子的测量，因此对α粒子浓度/活度的准确测量对于事故救援方案快速确定及涉核人员剂量内辐照保护具有重要意义。
2、在传统的α气溶胶测量法中，取样实验室分析方法由于需要取样不能够现场实时获得其放射性数据，因此具有测量不及时的缺点。而现场连续监测方法则是将α粒子吸附于滤纸上，然后利用半导体探测器对特定能量的α粒子数目进行统计，获取α粒子浓度/活度；这种技术设计复杂，测量结果易受湿度、采样量、测量时间以及测量过程中氡钍子体干扰等的影响，导致对放射性气溶胶的监测判断限较高，因此具有测量结果不准确的缺点。近年来有研究表明，α粒子激发空气会产生波长为300nm～400nm的紫外光，紫外光在空气中穿透性较强，可以通过对特定紫外光的测量直接确定α粒子计数，从而无需滤膜采样且实时获得α粒子浓度/活度。
3、公开号为[cn 116224415 a]的专利申请，公开了一种基于空气闪烁实时测量α粒子探测器的优化设计方法，以最低探测下限为设计目标，通过蒙特卡罗分析方法，进行多参数优化设计，具体通过探测器建模、阈值与符合逻辑设置、对α粒子的探测效率计算、宇宙线本底与pmt偶然符合计数率计算以及测量时间设置等步骤优化探测器的系统参数，依据最低探测下限原则，确定最优探测器模型、阈值与符合逻辑以及测量时间等。但是该技术只是停留在理论阶段，并没有进行实际应用。目前急需一种可实时准确测量α粒子浓度/活度且能实际应用的探测器数据测量系统。
4、当前还未见基于空气闪烁的实时α粒子探测器数据测量系统，其原因是空气闪烁光产额低，导致α粒子信号幅度下降，有可能比噪声的幅度还小，就会把α粒子信号湮没在噪声中，所以问题的关键在于基于空气闪烁如何同时实现降低本底噪声，提升α粒子信号强度，实时准确测量α粒子浓度/活度且能实际应用的探测器数据测量系统。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于空气闪烁的实时α粒子探测器数据测量系统，以解决现有技术缺乏基于空气闪烁同时实现降低本底噪声，提升α粒子信号强度，从而实时准确测量α粒子浓度/活度且能实际应用的探测器数据测量系统。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、一种基于空气闪烁的实时α粒子探测器数据测量系统，包括测量腔以及电路板模块；测量腔用于容纳和检测α粒子，产生脉冲信号；电路板模块包括甄别模块、主控与信号处理板模块以及逻辑板模块；甄别模块的信号输出端以及逻辑板模块的信号输出端均与主控与信号处理板模块的信号输入端连接，甄别模块的信号输出端以及逻辑板模块的信号输入端均与主控与信号处理板模块的信号输出端连接；信号甄别模块用于对测量腔中产生的脉冲信号进行甄别并调整；主控与信号处理板模块用于接收信号甄别模块传递的信息并做出相应的反馈；逻辑板模块用于对主控与信号处理板模块传递的信号进行符合单元逻辑运算并回传至主控与信号处理板模块，进行调整和解析，得到α粒子的计数率，进而得到α粒子的浓度/活度。
4、信号甄别模块对信号脉冲直接进行处理，甄别参数可调，包括阈值大小和输出脉冲宽度；信号甄别模块中的ad转换器控制甄别阈值的调节，具体为主控与信号处理板模块给ad转换器发送指令，数字化控制阈值大小；而脉宽的调整选用数字接口的芯片，主控与信号处理板模块相连的数字总线给芯片发送指令，数字化调节脉冲宽度。每一个通道下的pmt及其分压器原始读出信号的阈值以及信号带宽可独立控制，具备实时修改显示功能，响应快、灵敏度高且测量电路可靠性高。但需要注意的是，对于超量程的信号需处理，防止信号甄别模块被打坏。
5、主控与信号处理板模块分别与直流高压模块、信号甄别模块、流量计控制模块、气泵控制模块、逻辑板模块、显示操作终端和数据接口模块之间发出/接收信号指令并做出相应反馈；通过这种双向信号传递机制，主控与信号处理板模块能够与其他模块保持紧密地联系和协同工作，确保整个α粒子探测器数据测量系统的稳定运行和高效性能；主控与信号处理板模块是甄别符合计数采集系统的核心功能电路，是采集系统中所有模块的中枢系统，具有通信控制、滤波、信号采集和后处理、二次电源处理、数据分析传输与实时显示储存等功能。
6、逻辑板模块主要是对来自主控与信号处理板模块的信号进行符合单元逻辑计算，可做m/n逻辑类型，其中，n大于等于m，n和m可任意选择数值进行设置；此外，通过数字接口调节并设置符合分辨时间，数字接口如spi、i2c、uart等，用于与设备或系统进行通信；设置符合分辨时间，这个时间通常用于确定两个或多个事件之间的最小时间间隔，以便进行后续的符合逻辑检测；利用符合逻辑检测出待甄别脉冲，通常利用数字逻辑电路或算法检测待甄别的脉冲，对于满足符合逻辑的脉冲，进行计数，这可以通过数字逻辑电路或软件算法实现符合计数；数据采集采用触发模式，当输入信号有脉冲时，立即启动数据采集模块，对符合脉冲进行高速采样，存储并上传，存贮以便后续分析，通过数字接口将存储的数据上传到上位机或远程服务器，上传过程应保证数据的完整性和准确性。
7、进一步地，所述的测量腔内设置有多个pmt及其分压器，pmt及其分压器用于将α粒子在测量腔激发空气中的氮气产生的紫外光子转化为脉冲信号；pmt及其分压器是一个光电倍增管(photomultiplier tube，简称pmt)及其分压电路部分，这是一种高灵敏度的光电探测器件，能够检测单个光子并将其转化为电信号，pmt内部包含一个光阴极、多个倍增极和一个阳极。
8、进一步地，所述的测量腔内还设置有反射膜，反射膜用于将产生的紫外光子反射到pmt及其分压器上；反射膜通常是一种具有高反射率的材料，它能够有效地反射紫外光子，并且具有较宽的反射角度，以尽可能多地捕获散射的光子。
9、进一步地，所述的电路板模块还包括直流高压模块，直流高压模块的信号输入端与主控与信号处理板模块的信号输出端连接；直流高压模块用于将电池供电模块给主控与信号处理板模块提供的电转换成pmt及其分压器所需的直流高压；即为多道pmt及其分压器提供的供电电压可设置为所需电压范围的直流正高压或负高压。
10、进一步地，所述的电路板模块还包括电池供电模块，电池供电模块的信号输出端与主控与信号处理板模块的信号输入端连接；电池供电模块用于给主控与信号处理板模块供电；电池供电模块具备电池和电源适配器两种供电模式，提供按钮开关，具备开关机功能，主要由可充电锂电池、开关机单元、充电管理单元、电池电量检测单元和电压转换单元等组成。供电模块与控制器之间预留数字接口，可以实时监测电池电量。
11、进一步地，所述的测量腔出气口处设置有真空泵，气泵控制模块的信号输出端与真空泵的信号输入端连接；气泵控制模块用于对控制真空泵的开关以及转速的调节，其取气方式以及测量模式均由主控与信号处理板模块通过串口直接控制气泵控制模块进行实现，取气方式为抓取式取样与流气式取样，其具体功能的重要组成部分为抽气时间、测量时间和排气时间的设置；测量模式为单次测量和连续测量循环次数。
12、进一步地，所述的测量腔出气口与真空泵之间设置有流量计，流量计控制模块的信号输出端与流量计的信号输入端连接流量计控制模块用于控制流量计在抽气、测量以及排气过程中的气体流量，α粒子进出测量腔过程中的速度由流量计控制，流量计的信号接收端与流量计控制模块的信号输出端连接，流量计控制模块并将接收到的信号上传至主控与信号处理板模块进行反馈调节，抽气、测量以及排气过程中的气体流量受流量计监测，其取气方式以及测量模式均由主控与信号处理板模块通过串口直接控制流量计控制模块进行实现，取气方式为抓取式取样与流气式取样，其具体功能的重要组成部分为抽气时间、测量时间和排气时间的设置；测量模式为单次测量和连续测量循环次数。
13、进一步地，所述的信号经逻辑板模块处理后，回传至主控与信号处理板模块后，分为两路，第一路信号直接显示在显示操作终端上，该操作允许用户实时查看和处理后的信号数据，从而能够直观地了解α粒子的探测情况、计数信息以及其他相关数据，显示操作终端通常具有友好的用户界面和交互功能，使得用户能够方便地进行参数设置、数据查看和记录等操作；第二路径数据接口模块储存于上位机中，数据接口模块作为连接主控与信号处理板模块和上位机的桥梁，确保了数据的可靠传输和存储，上位机通常是一台具有更强处理能力和存储空间的计算机，它能够对接收到的信号数据进行进一步的分析、处理和存储，通过将数据储存于上位机中，用户可以方便地进行后续的数据处理、分析以及长期保存，为科学研究和技术应用提供有力的数据支持；这种信号分流的处理方式不仅实现了实时数据显示，还确保了数据的长期保存和进一步分析的可能性，它提高了整个α粒子探测器数据测量系统的灵活性和可扩展性，使得系统能够适应不同的应用需求和研究目的；所述的显示操作终端用于在不同测量模式下对相应的参数做出相应显示；数据接口模块将采集到的数据根据需求实时分析或传输至pc端离线分析，可采用外挂或独立处理器实现，使用usb3.0实现与计算机之间的usb通信和数据传输，数据接口由蓝牙和usb连接实现仪器与外部客户端通信，包含pc端的数据读取与画图软件、远程link软件进行仪器的远程控制以及手机端app或小程序控制显示等显示操作终端采用触摸液晶屏控制方式，其集成固定在电路板上，在不同测量模式下对相应的参数做出相应显示，可以触碰调节相应功能选项，此外其采用一体化设计，将供电电池、触摸液晶显示屏及信号处理板进行集成封装；具有自动背光省电、降低功耗的功能；显示操作终端包括数据导出接口(可通过usb接口将存储数据转移至电脑中处理以及外带打印机功能)，交直流转换充电接口，按钮开关以及标识等。触摸屏软件包括甄别采集上位机软件及后处理上位机软件，甄别上位机软件与信号处理板通讯，调节设置甄别器阈值和输出脉冲宽度；采集上位机软件与采集卡通讯，可调节设置符合分辨时间，读取实时采集到的符合事件事例，并显示计数与计数率等信息；后处理上位机软件即时对读取计数等进行储存和处理分析。
14、在本发明中进入测量腔的α粒子激发空气中的n2发生辐射弛豫使其成为激发态激发态退激产生紫外光子，通过pmt及其分压器收集这些紫外光子，后经逻辑板对信号脉冲进行符合处理得α粒子计数率，进而推算其α粒子浓度/活度，信号脉冲经逻辑板模块处理后，处理包括信号的放大、滤波、整形等操作，回传至主控与信号处理板模块后，进行进一步的信号调理和解析，提取出有用的信息，分为两路，第一路信号直接显示在显示操作终端上，如lcd显示屏或计算机监控界面，通过适当的软件界面设计，这些信号可以以波形图、数字值等形式实时展示给用户，便于用户直接观察和分析信号状态；第二路经数据接口模块储存于上位机中；经数据接口模块负责将信号转换为适合存储的格式，并准备将数据发送至上位机，在上位机中，可以使用专门的软件或数据库系统来接收、存储和管理这些数据，用户可以在需要时随时访问这些数据，进行后续的分析和处理。
15、基于空气闪烁的实时α粒子探测器数据测量系统的数据测量方法，包括以下步骤：
16、步骤1，α粒子进入到测量腔中，产生脉冲信号；
17、步骤2，信号甄别模块对步骤1中产生的脉冲信号进行甄别并调整，得到预处理后的脉冲信号；
18、步骤3，主控与信号处理板模块对步骤2得到的预处理后的脉冲信号进行处理并做出对应的反馈；
19、步骤4，逻辑板模块对步骤3得到的信息进行符合单元逻辑运算并回传至主控与信号处理板模块，进行调整和解析，得到α粒子的计数率，进而得到α粒子的浓度/活度。
20、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
21、一种基于空气闪烁的实时α粒子探测器数据测量系统，包括测量腔以及电路板模块，测量腔用于容纳和检测α粒子，当α粒子穿过空气并撞击到测量腔内部的物质时，会产生闪烁现象，进而产生脉冲信号，这些脉冲信号的强度和频率与α粒子的数量、能量等特性密切相关，通过精确测量这些脉冲信号，可以获取到关于α粒子的重要信息，电路板模块包括甄别模块、主控与信号处理板模块以及逻辑板模块，甄别模块的信号输出端以及逻辑板模块的信号输出端均与主控与信号处理板模块的信号输入端连接，甄别模块的信号输出端以及逻辑板模块的信号输入端均与主控与信号处理板模块的信号输出端连接；信号甄别模块的主要任务是对从pmt及其分压器或其他传感器接收到的原始信号脉冲进行筛选和甄别，由于在实际测量过程中，可能会受到噪声、电磁干扰等不利因素的影响，原始信号中可能包含大量的噪声信号或无效信号，信号甄别模块的主要作用就是将这些无效信号剔除，只保留与α粒子相关的有效信号，为了实现这一功能，信号甄别模块需要调整一系列甄别参数，这些参数包括但不限于信号的幅度阈值、输出脉冲宽度、时间窗口以及频率特性等，通过调整这些参数，信号甄别模块能够设定一个合适的信号筛选标准，从而确保只有符合特定条件的信号脉冲才能被进一步处理和分析；主控与信号处理板模块是数据测量系统的核心部分，负责接收来自信号甄别模块的信号，并对这些信号进行进一步的处理和分析，该模块不仅执行复杂的信号处理算法，还控制整个系统的各个部分，确保它们按照预定的程序运行，在处理信号的同时，主控与信号处理板模块还负责提供稳定的电压输入；逻辑板模块是数据测量系统中的一个关键处理单元，接收来自主控与信号处理板模块的信号，并对这些信号进行逻辑运算和处理，这些信号包含了α粒子的计数信息、能量信息以及其他与探测相关的数据，逻辑板模块根据预设的逻辑算法和规则，对这些信号进行符合单元逻辑计算，以提取出有用的信息并消除噪声或干扰，符合单元逻辑计算是一种特定的数据处理方法，用于判断多个信号是否满足一定的条件或关系，在α粒子探测器数据测量系统中，这种计算通常用于验证探测事件的真实性和准确性；逻辑板模块通过执行符合单元逻辑计算，可以对接收到的信号进行筛选和验证，确保只有符合特定条件的信号才能被进一步处理和分析，这有助于提高数据的准确性和可靠性，减少误报和漏报的可能性；解决了缺乏基于空气闪烁能同时实现降低本底噪声，提升α粒子信号强度，实时准确测量α粒子浓度/活度且能实际应用的探测器数据测量系统的问题。
22、进一步地，α粒子在测量腔中激发了空气中的氮气分子，当α粒子与氮气分子相互作用时，它可能会将氮气分子激发到一个较高的能级，当这些被激发的氮气分子回到它们的基态时，它们会发出紫外光子，pmt及其分压器是一个光电倍增管的分压电路部分，当紫外光子打到pmt及其分压器的光阴极上时，会释放出光电子，这些光电子随后在倍增极之间被加速并产生更多的次级电子，从而实现光信号的放大，最终，这些电子到达阳极，形成一个可测量的电脉冲信号。
23、进一步地，在测量腔内设置反射膜，用于提高紫外光子的收集效率并优化pmt及其分压器的性能，当α粒子在测量腔内激发氮气产生紫外光子时，这些光子会朝各个方向散射，如果没有反射膜，只有直接射向pmt及其分压器的光子才能被检测到，这大大降低了系统的探测效率，通过设置反射膜，可以将原本可能逃逸的紫外光子反射回pmt及其分压器的探测区域，当紫外光子打到反射膜上时，它们被反射并重新定向，最终有更多的光子能够到达pmt及其分压器的光阴极，pmt及其分压器能够接收到更多的光子信号，从而提高系统的探测灵敏度和信噪比。
24、进一步地，直流高压模块的主要任务是将主控与信号处理板模块提供的低电压输入转换成pmt及其分压器所需的直流高压；pmt及其分压器是探测器中的关键组件，它需要高压才能正常工作并产生足够的信号输出；因此，直流高压模块的性能直接影响到pmt及其分压器的工作效果，进而影响到整个系统的探测精度和稳定性；通过主控与信号处理板模块和直流高压模块的协同工作，系统能够确保pmt及其分压器获得稳定且符合要求的工作电压，从而提高其信号转换效率和探测灵敏度，这对于整个α粒子探测器数据测量系统来说至关重要，有助于实现更精确、更可靠的α粒子探测和计数。
25、进一步地，所述的测量腔出气口处设置有真空泵，α粒子进出测量腔的过程中由真空泵控制进出过程的开始与结束，真空泵主要用于控制测量腔内的气压，从而控制α粒子进出测量腔的过程，在需要开始测量时，真空泵可以通过降低测量腔内的气压来确保α粒子能够顺利进入测量腔；在测量结束后，真空泵则可以通过调整气压来阻止α粒子继续进入或使其排出测量腔，真空泵的信号接收端与气泵控制模块的信号输出端连接；气泵控制模块负责控制真空泵工作，接收来自系统其他部分的指令或信号，并根据这些指令或信号来控制真空泵的开启、关闭以及工作状态的调整，通过这种方式，气泵控制模块能够精确地控制α粒子进出测量腔的过程，确保测量的准确性和可靠性，同时为后续的数据处理和分析提供了可靠的基础。
26、进一步地，所述的测量腔出气口与真空泵之间设置有流量计，α粒子进出测量腔过程中的速度由流量计控制，流量计主要用于监测和控制测量腔内α粒子的流速，通过测量和调节流量，流量计能够确保α粒子以适当的速度进入和离开测量腔，这对于保证测量的准确性和稳定性至关重要；流量计的信号接收端与流量计控制模块的信号输出端连接，流量计控制模块负责控制流量计工作，接收来自系统其他部分的指令或信号，并根据这些指令或信号来调整流量计的工作状态，从而实现对α粒子流速的精确控制。
27、进一步地，数据接口模块作为连接主控与信号处理板模块和上位机的桥梁，确保了数据的可靠传输和存储，上位机通常是一台具有更强处理能力和存储空间的计算机，它能够对接收到的信号数据进行进一步的分析、处理和存储，通过将数据储存于上位机中，用户可以方便地进行后续的数据处理、分析以及长期保存，为科学研究和技术应用提供有力的数据支持，它提高了整个α粒子探测器数据测量系统的灵活性和可扩展性，使得系统能够适应不同的应用需求和研究目的。
28、基于上述空气闪烁的实时α粒子探测器数据测量系统的数据测量方法，当α粒子进入测量腔时，与测量腔中的氮气分子相互作用，激发氮气分子产生紫外光子，这些紫外光子随后被pmt及其分压器转换为电脉冲信号；信号甄别模块会基于预设的阈值、时间窗等参数，对信号的幅度、宽度等特征进行判别，以区分出真实的α粒子信号和可能的噪声或干扰信号，通过这一步，可以剔除掉那些不符合要求的信号，保留有效的脉冲信号；主控与信号处理板模块是信号处理的核心部分，接收经过甄别模块处理后的脉冲信号，并进行进一步的处理和分析，包括信号的数字化、滤波、波形识别等操作，以提取出更多关于α粒子的信息，同时还会根据处理结果做出相应的反馈，例如调整甄别模块的参数以优化信号质量，或者将处理后的数据传递给其他模块进行后续分析，逻辑板模块根据主控与信号处理板模块传递的信息进行逻辑运算，利用计数器对脉冲信号进行计数，从而得到α粒子的计数率，通过结合已知的测量腔体积、α粒子的探测效率等因素，可以将计数率转换为α粒子的浓度或活度，从而更直观地了解α粒子的分布情况。
1.一种基于空气闪烁的实时α粒子探测器数据测量系统，其特征在于，包括测量腔(5)以及电路板模块(18)；测量腔(5)用于容纳和检测α粒子，产生脉冲信号；电路板模块(18)包括甄别模块(11)、主控与信号处理板模块(14)以及逻辑板模块(16)；甄别模块(11)的信号输出端以及逻辑板模块(16)的信号输出端均与主控与信号处理板模块(14)的信号输入端连接，甄别模块(11)的信号输出端以及逻辑板模块(16)的信号输入端均与主控与信号处理板模块(14)的信号输出端连接；信号甄别模块(11)用于对测量腔(5)中产生的脉冲信号进行甄别并调整；主控与信号处理板模块(14)用于接收信号甄别模块(11)传递的信息并做出相应的反馈；逻辑板模块(16)用于对主控与信号处理板模块(14)传递的信号进行符合单元逻辑运算并回传至主控与信号处理板模块(14)，进行调整和解析，得到α粒子的计数率，进而得到α粒子的浓度/活度。
2.根据权利要求1所述的基于空气闪烁的实时α粒子探测器数据测量系统，其特征在于，所述的测量腔(5)内设置有多个pmt及其分压器(6)，pmt及其分压器(6)用于将α粒子在测量腔(5)中激发空气中的氮气产生的紫外光子转化为脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的基于空气闪烁的实时α粒子探测器数据测量系统，其特征在于，所述的测量腔(5)内还设置有反射膜(3)，反射膜(3)用于将产生的紫外光子反射到pmt及其分压器(6)上。
4.根据权利要求1所述的基于空气闪烁的实时α粒子探测器数据测量系统，其特征在于，所述的电路板模块(18)还包括直流高压模块(10)，直流高压模块(10)的信号输入端与主控与信号处理板模块(14)的信号输出端连接；直流高压模块(10)用于将主控与信号处理板模块(14)输入的电压转化成pmt及其分压器(6)所需的直流高压。
5.根据权利要求1所述的基于空气闪烁的实时α粒子探测器数据测量系统，其特征在于，所述的电路板模块(18)还包括电池供电模块(15)，电池供电模块(15)的信号输出端与主控与信号处理板模块(14)的信号输入端连接，电池供电模块(15)用于给主控与信号处理板模块(14)供电。
6.根据权利要求1所述的基于空气闪烁的实时α粒子探测器数据测量系统，其特征在于，所述的测量腔(5)出气口处设置有真空泵(9)，真空泵(9)的信号输入端与气泵控制模块(13)的信号输出端连接；气泵控制模块(13)用于控制真空泵(9)的开关以及转速的调节。
7.根据权利要求1或6所述的基于空气闪烁的实时α粒子探测器数据测量系统，其特征在于，所述的测量腔(5)出气口与真空泵(9)之间设置有流量计(8)，流量计(8)的信号输入端与流量计控制模块(12)的信号输出端连接；流量计控制模块(12)用于控制流量计(8)在抽气、测量以及排气过程中的气体流量。
8.根据权利要求1所述的基于空气闪烁的实时α粒子探测器数据测量系统，其特征在于，所述的电路板模块(18)还包括显示操作终端(17)，显示操作终端(17)的信号输出端与主控与信号处理板模块(14)的信号输入端连接，显示操作终端(17)的信号输入端与主控与信号处理板模块(14)的信号输出端连接；显示操作终端(17)用于在不同测量模式下对相应的参数做出相应显示。
9.根据权利要求1所述的基于空气闪烁的实时α粒子探测器数据测量系统，其特征在于，所述的电路板模块(18)还包括数据接口模块(2)，数据接口模块(2)的信号输出端与主控与信号处理板模块(14)的信号输入端连接，数据接口模块(2)的信号输入端与主控与信号处理板模块(14)的信号输出端连接；数据接口模块(2)用于将主控与信号处理板模块(14)传递的数据根据需求实时分析或传输至pc端离线分析。
10.基于权利要求1-9任一项的一种基于空气闪烁的实时α粒子探测器数据测量系统的数据测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
