一种基于γ射线康普顿背散射扫描技术的深海可燃冰探测仪

摘要

一种基于γ射线康普顿背散射扫描技术的深海可燃冰探测仪，包括有耐高压筒、探测仪机箱、γ射线源系统、探测采传系统、多路探测器以及多路后准直器，所述探测仪机箱安装在耐高压筒内，所述探测仪机箱内的顶部设有蓄电池组，底部设有主安装板，所述γ射线源系统、多路探测器以及多路后准直器均安装在主安装板上，所述多路后准直器下端设有薄底板。本发明适应海底探测，结构简单，操作方便，探测能力广，在技术原理上基于γ射线与物质相互作用的康普顿背散射扫描技术，依据康普顿背散射光子计数特征直接、快速、准确判断被测物是否为可燃冰。

权利要求

1.一种基于γ射线康普顿背散射扫描技术的深海可燃冰探测仪，包括有耐高压筒、探测仪机箱、γ射线源系统、探测采传系统、多路探测器以及多路后准直器，其特征在于：所述探测仪机箱安装在耐高压筒内，所述探测仪机箱内的顶部设有蓄电池组，底部设有主安装板，所述γ射线源系统、多路探测器以及多路后准直器均安装在主安装板上，所述多路后准直器下端设有薄底板；所述探测采传系统包括集成在探测仪机箱内高压电源机箱、多道脉冲幅度分析器和通信接口，所述多路探测器上设有输出电缆插座，其上方设有探测采传系统机箱，所述探测采传系统机箱上端设有高压电源机箱。

2.根据权利要求1所述的一种基于γ射线康普顿背散射扫描技术的深海可燃冰探测仪，其特征在于：所述γ射线源系统包括γ射线源容器，低能量的γ射线源和前准直器，所述γ射线源容器由重金属材料制成，所述γ射线源系统外部设有铅屏蔽套。

3.根据权利要求1所述的一种基于γ射线康普顿背散射扫描技术的深海可燃冰探测仪，其特征在于：所述多道脉冲幅度分析器设有嵌入式微处理器和模数转换器。

4.根据权利要求1所述的一种基于γ射线康普顿背散射扫描技术的深海可燃冰探测仪，其特征在于：所述耐高压筒顶部设有吊环把手，底部设有伸缩的插脚。

说明书

一种基于γ射线康普顿背散射扫描技术的深海可燃冰探

测仪

技术领域

[0001] 本发明涉及辐射检测技术领域，具体为一种基于γ射线康普顿背散射扫描技术的深海可燃冰探测仪。

背景技术

[0002] 可燃冰或称天然气水合物（Natural Gas Hydrate）、甲烷气水包合物、甲烷水合物、甲烷冰、固态结晶物质，外貌极像冰雪或固体酒精。分布于深海沉积物或陸域的永久冻土中，其主要成分是甲烷。怎么样才能获得实地探测的准确的数据？这成为全球科学家技术攻关的难题之一。

[0003] 现在我国已形成具有自主知识产权的可燃冰高精度地震、原位和流体地球化学等关键探测技术体系。如中科院海洋所张鑫博士作为第一完成人与美国MBARI研究所合作研制成功了基于深海ROV缆控机器人的深海甲烷原位探测系统，又称气密性孔隙水原位采样体系，所述深海甲烷原位探测系统即探头插入海底，所述探头先吸入海底沉积物中的孔隙水，经过金属烧结而成的过滤器过滤，采样通过泵吸到一个只有0.087mL容器的光学微探测舱中，经过激光照射检测出拉曼光谱，就可分析出海底该处沉积物中的甲烷含量。如中国地质大学于2010年研制成功的中功率海洋可控源电磁（MCAEM）仪器，主要包括可控源电磁发射机和接收机。如王维熙在2000年研制出基于化学传感器的820型高灵敏度氢及气态烃现场测定系统。

[0004] 上述表明，深海可燃冰探测技术获得重大突破。但也存在如下问题：

[0005] 1、设备价格昂贵，例如缆控机器人价格为4000万元/台以上，

[0006] 2、整套探测装置结构非常复杂，

[0007] 3、探测能力很有限，难以适应可燃冰分布特点的探测。

[0008] 相关领域研究表明，天然气水合物只会在某个狭窄范围内（如大陆棚）的深度下形成，以及在某些地点的深度范围内才会存在，而且通常是在低浓度的地点。这表明只有在有限地区的甲烷包合物矿床才有经济上的开采价值。

发明内容

[0009] 本发明所解决的技术问题在于提供一种基于γ射线康普顿背散射扫描技术的深海可燃冰探测仪，以解决直接、快速、安全、准确地判断可燃冰存在的问题。

[0010] 本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

[0011] 一种基于γ射线康普顿背散射扫描技术的深海可燃冰探测仪，包括有耐高压筒、探测仪机箱、γ射线源系统、探测采传系统、多路探测器以及多路后准直器，所述探测仪机箱安装在耐高压筒内，所述探测仪机箱内的顶部设有蓄电池组，底部设有主安装板，所述γ射线源系统、多路探测器以及多路后准直器均安装在主安装板上，所述多路后准直器下端设有薄底板。

[0012] 所述探测采传系统包括集成在探测仪机箱内高压电源机箱、多道脉冲幅度分析器和通信接口，所述多路探测器上设有输出电缆插座，其上方设有探测采传系统机箱，所述探测采传系统机箱上端设有高压电源机箱。

[0013] 所述γ射线源系统包括γ射线源容器，γ射线源和前准直器，所述γ射线源容器由重金属材料制成，所述γ射线源系统外部设有屏蔽套，所述多路探测器通过多路选择器共用一个多道脉冲幅度分析器，由接口电路送给信号发射电路。多道脉冲幅度分析器设有嵌入式微处理器和模数转换器，使探测器采传系统高度智能。所述多道脉冲幅度分析器能按康普顿背散射测量要求设定和卡住能量阈值，达到判别可燃冰的目的。

[0014] 所述耐高压筒能承受深海海水压力，以保护探测仪正常工作。耐高压筒顶部设有吊环把手，以便吊放到深海底或提升到平台以及船上；底部设有可伸缩的插脚，耐高压筒吊放到深海底后，所述可伸缩的插脚插进海底被测物中，使探测仪底部贴着被测物，这时电机自动将耐高压筒的可平移开关的底盖门打开，γ射线源系统、被测物、多路探测器构成康普顿背散射扫描几何学，便于作康普顿背散射（CBS）测量。

[0015] 本发明的技术原理是：基于射线与物质特别是轻物质相互作用的康普顿背散射效应所测定的光子数，通过数据处理或重建，得出被测物电子密度分布，质量密度，有效原子序数和相对百分比含量等参数，据此建立标准样品数据库，通过自行研发的软件和判别指标，自动地判断是否为可燃冰。经过反复理论研究和实践经验证明，康普顿背散射测量技术计数轻物质检测是非常有效的。

[0016] 康普顿背散射（CBS）光子数ns为：ns=C•ρ•Vi

[0017] 式中C=n0• [dσ(θ)/dΩ]KN • (Na*Z/A) •Δa•η•f1•f2

[0018] n0——γ射线源发射的初始光子数•

[0019] [dσ(θ)/dΩ]KN——康普顿散射截面

[0020] Δa——探测点有效接收面积

[0021] η——探测点的探测效率

[0022] f1——入射来在被测物中的减弱因子

[0023] f2——散射来在被测物中的减弱因子

[0024] Na——阿佛加德罗常数

[0025] Z——被测物的原子序数

[0026] A——被测物的原子量

[0027] ρ——被测物的质量密度（g/cm3）

[0028] Vi——检测体积

[0029] 与现有的技术相比，本发明具有以下优点；

[0030] 1、设备生产成本降低，易推广；

[0031] 2、适应海底探测，结构简单，操作方便；

[0032] 3、探测能力广，在技术原理上基于γ射线与物质相互作用的康普顿背散射扫描技术，依据康普顿背散射光子计数特征直接、快速、准确判断被测物是否为可燃冰。

附图说明

[0033] 图1为本发明的结构示意图；

[0034] 图2为图1的底视图；

[0035] 图3为本发明的康普顿背散射测量示意图；

[0036] 图4为本发明的探测采传系统方框图。

[0037] 图中：1、γ射线源，2、γ射线源容器，3、前准直器，4、铅屏蔽套，5、多路探测器，6、输出电缆插座，7、多路后准直器，8、探测采传系统机箱，9、高压电源机箱，10、蓄电池组，11、信号发射电路，12、探测仪机箱，13、耐高压筒，14、吊环把手，15、可伸缩的插脚，16、可平移开关的底盖门，17、电机，18、主安装板，19、薄底板，20、射出的γ射线，21、入射的γ射线，22、被测物，23~30、 探测器，31、探测仪的输出信号电缆，32、多路选择器，33、缓冲放大器，
34、峰保持器，35、寻峰电路，36、模数转换器，37、时序发生器，38、嵌入式微处理器，39、存储器，40、接口电路，41、高压直流电源，42、低压直流电源。

具体实施方式

[0038] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

[0039] 如图1~4所示，一种基于γ射线康普顿背散射扫描技术的深海可燃冰探测仪，包括有耐高压筒13、探测仪机箱12、γ射线源系统、探测采传系统、多路探测器5以及多路后准直器7，所述探测仪机箱12安装在耐高压筒13内，所述探测仪机箱12内的顶部设有蓄电池组10，底部设有主安装板18，所述γ射线源系统、多路探测器5以及多路后准直器7均安装在主安装板18上，所述多路后准直器7下端设有薄底板19。

[0040] 所述探测采传系统包括集成在探测仪机箱内的高压电源机箱9、多道脉冲幅度分析器、通信接口，所述多路探测器上设有输出电缆插座6，其上方设有探测采传系统机箱8，所述探测采传系统机箱8上端设有高压电源机箱9。

[0041] 所述γ射线源系统包括γ射线源容器2，低能量的γ射线源1和前准直器3，所述γ射线源容器2由重金属材料制成，所述γ射线源系统外部设有铅屏蔽套4。

[0042] 所述多路探测器5通过多路选择器32共用一个多道脉冲幅度分析器，由接口电路送给信号发射电路11。多道脉冲幅度分析器设有嵌入式微处理器38和模数转换器36，使探测采传系统高度智能。所述多道脉冲幅度分析器能按康普顿背散射测量要求设定和卡住能量阈值，达到判别可燃冰的目的。

[0043] 所述耐高压筒13能承受深海海水压力，以保护探测仪正常工作。耐高压筒顶部设有吊环把手14，以便吊放到深海底或提升到平台以及船上；底部设有可伸缩的插脚15，耐高压筒13吊放到深海底后，所述可伸缩的插脚15插进海底被测物22中，使探测仪底部贴着被测物22，这时电机17自动将耐高压筒12的可平移开关的底盖门16打开，γ射线源系统、被测物22、多路探测器5构成康普顿背散射扫描几何学，便于作康普顿背散射（CBS）测量。

[0044] 本发明的使用方法如下：

[0045] 首先打开设备开关，将高压电源机箱9上的插头插上输出电缆插座6，蓄电池组10开始提供低压电源42，通过高压电源机箱9产生高压电源41供给多路探测器5。

[0046] 其次通过吊环把手14将耐高压筒13放到深海海底，耐高压筒13的可伸缩的插脚伸15出插进海底被测物22，直至可平移开关的底盖门16贴着被测物22，电机17驱动可平移开关的底盖门16打开。

[0047] 进一步的，主安装板18底部薄底板19贴着被测物22，γ射线源容器2中的γ射线源1通过前准直器3射出的出射的γ射线20穿过薄底板19进入被测物22，被测物22散射的入射的γ射线21穿过薄底板19进入多路探测器5中。

[0048] 进一步的，一个地点探测结束后，电机17驱动可平移开关的底盖门16关闭，可伸缩的插脚15缩回，等待耐高压筒13移往新位置测量，在所有的探测完成后，耐高压筒13吊上去后，打开可平移开关的底盖门16，取出探测仪机箱12。

[0049] 所述探测仪机箱12中的多路探测器5输出的负脉冲信号，经过探测仪的输出信号电缆31传送给探测采传系统中的多路选择器32，选通道进入缓冲放大器33，获得一定的增益并倒相为正脉冲；所述正脉冲一路传送给峰保持器34，另一路传送给寻峰电路35；所述寻峰电路35得到一个指示信号峰值位置的数字脉冲信号，所述数字脉冲信号能触发时序发生器37，获得一系列的同步的数字脉冲信号；如延迟脉冲，所述数字脉冲信号用于给嵌入式微处理器38传送中断信号，所述中断信号用于开始模数转换器36转换，以保证模数转换器36有足够的采样跟踪时间，模数转换器36转换的时钟信号CLK也由时序发生器37完成的；嵌入式微处理器38被所述中断信号触发后，等到模数转换器36转换到结束，读取模数转换器36的结果，从相应的存储器39读取原计数值，加一后再写回存储器39，完成多道脉冲幅度分析器的计数。所述多道脉冲幅度分析器能按康普顿背散射测量要求设定和卡住能量阈值，达到判别可燃冰的目的。

[0050] 同时所述嵌入式微处理器38通过接口电路40与信号发射电路11通信。

[0051] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定 。