一種基于伽馬射線的多道測鉀儀的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于伽馬射線的多道測鉀儀，包括：閃爍探測器、信號分析系統和數據處理系統；所述閃爍探測器用于在線或即時取樣探測40K衰變時放射的1.46MeVγ射線，生成脈沖信號；所述信號分析系統用于將閃爍探測器探測生成的脈沖信號進行分析，產生能譜信息；所述數據處理系統采集信號分析系統產生的能譜信息，繪制成能譜曲線并將其與系統內置的標準曲線進行對比，計算并顯示鉀含量數值；所述的標準曲線為多道測鉀儀脈沖計數率與鉀樣品含量的關系曲線。本發明的多道測鉀儀采用閃爍探測器及多道脈沖幅度分析器實現對鉀的測量，具有很好的探測效率和測量精度，能夠較好的去除環境本底，使得到的測量數據更準確。
【專利說明】一種基于伽馬射線的多道測鉀儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及鉀元素測量【技術領域】，尤其涉及一種基于伽馬射線的多道測鉀儀。
【背景技術】
[0002]常規測量鉀含量的方法主要依靠人工現場取樣，以重量法、容量法或用離子選擇電極、原子吸收等儀器進行分析，這些方法操作復雜繁瑣，所需時間長，不能滿足鉀鹽的加
工生產。
[0003]放射性測量鉀含量是基于測定鉀的三種天然同位素39K、4°K和41K中的4tlK含量，因為僅4°κ具有放射性，它的半衰期為1.25 X IO9年，豐度為0.012%。由于4tlK的半衰期很長，故可認為4tlK在鉀元素中的含量是固定的，所以可以通過對其放射性的測定，進而推算出總的鉀含量或者其它鉀同位素的含量。
[0004]在4tlK的衰變過程中，能夠放射出具有連續光譜的、最大能量為1.33MeV的β射線，同時放射出能量為1.46MeV的Y射線。所以可以用測量4tlK放射出的β射線或者Y射線來測定待測樣品中鉀的含量。
[0005]對于鹽湖鉀礦的實際情況，現在采用的放射性測鉀方法，是基于鉀的β射線的測量，用氣體探測器(G-M管)測量β射線，選用對Y射線靈敏度較低，而對β射線靈敏度較高的G-M管，選擇特性曲線一致的7只G-M管組裝成一組探測器，對每只G-M管的電極采取嚴格的密封措施，一臺儀器中配有兩組這樣的探測器。如圖1所示，為該氣體探測裝置示意圖，一組探測器測量樣品，另一組探測器測量環境中的本底輻射，并通過對比，可以消除環境本底輻射的干擾。探測器測得的信號需通過電子電路進行處理，采用兩個單道脈沖幅度分析器，它們是完全相同且又相互獨立的，用于兩組探測器同時計數，采用80C31單片機進行數據處理、數據存儲以及顯示計數結果。
[0006]由于探測器采用專用的G-M管，其探測效率相對于閃爍探測器等核探測器而言，探測效率要低很多，而且G-M管主要由玻璃等類似材料組成，所以很容易破碎，而且采用多個G-M管的組合，這樣對探測器組合的工藝技術要求較高,成本也大。
[0007]另外，β射線在水中的穿透能力只有幾個毫米，所以上述測量方法只能適用于與探測器表面有良好接觸，且含鉀量均勻的樣品。對于表面粗糙的或含鉀量不均勻的固體樣品或料漿，測量結果誤差較大。而且在測量時，要保證探測器周圍的樣品厚度大于β射線的射程。
[0008]4°Κ放射的β射線能量雖高，但β射線的能量譜為連續譜，其低能部分的樣品自吸收效應比較嚴重，對于鉀含量較低的樣品，如果加上儀器的探測效率又低，就難以得到準確的測量結果。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于，為解決現有的放射性測量鉀含量的儀器對工藝要求高、適用范圍小、對鉀含量較低的樣品測量不準確的技術問題，本發明提供一種基于伽馬射線的多道測鉀儀，本發明的多道測鉀儀采用4tlK所產生的1460keVY射線來測定鉀的含量，即用閃爍探測器來對Y射線進行測定，閃爍探測器的大小規格可以根據所測樣品的情況調整，能夠克服G-M管存在的測量效率低、易碎、探測面積小的問題。由于單道脈沖分析器測定4tlK特征Y射線的方法受環境干擾影響較大，本底的扣除不易；故本發明的多道測鉀儀的電路部分采用多道脈沖幅度分析器，可以根據測量到的能譜來扣除本底，這種扣除本底的方法受環境本底對感興趣區(ROI)的影響小，因此不需要第二個Y探測器來探測本底，這樣對探測器的技術工藝要求相對較低。
[0010]40Kl.46MeVy射線的穿透能力很強，所以對于表面粗糙的或含鉀量不均勻的固體樣品或料漿引起的峰探測效率的改變不敏感，測量效果良好，現有的β測量方法是做不到的。
[0011]本發明的一種基于伽馬射線的多道測鉀儀，與現有技術的G-M管探測器相比，本發明的探測下限更低，可以測定含鉀量很低的樣品(最小可測定重量百分比濃度為2%氯化鉀的樣品)。
[0012]為實現上述目的，本發明提供一種基于伽馬射線的多道測鉀儀，所述多道測鉀儀包括:閃爍探測器、信號分析系統和數據處理系統；所述閃爍探測器用于在線或即時取樣探測4tlK衰變時放射的1.46MeV Y射線，生成脈沖信號；所述信號分析系統用于將閃爍探測器探測生成的脈沖信號進行分析，產生能譜信息；所述數據處理系統采集信號分析系統產生的能譜信息，繪制成能譜曲線并將其與系統內置的標準曲線進行對比，計算并顯示鉀含量數值；所述的標準曲線為多道測鉀儀脈沖計數率與鉀樣品含量的關系曲線。
[0013]作為上述技術方案的進一步改進，所述閃爍探測器包括:閃爍體、光電倍增管和前置放大器；所述的閃爍體用于與射入其內的Y射線發生光電效應后產生光子；所述的光電倍增管用于接收閃爍體發射的光子，并將該光子轉換為脈沖信號；所述前置放大器用于放大光電倍增管中生成的脈沖信號。
[0014]作為上述技術方案的進一步改進，所述閃爍體為直徑76mm、厚度50mm的NaI:TI晶體。
[0015]作為上述技術方案的進一步改進，所述前置放大器采用一級C-R與電壓跟隨器。
[0016]作為上述技術方案的進一步改進，所述信號分析系統包括線性放大器和多道脈沖幅度分析器；所述線性放大器用于將閃爍探測器探測生成的脈沖信號進行放大，所述多道脈沖幅度分析器用于對經線性放大器放大的信號進行甄別，產生1024道能譜信息。
[0017]作為上述技術方案的進一步改進，所述多道脈沖幅度分析器通過RS-485接口與數據處理系統進行通訊。
[0018]作為上述技術方案的進一步改進，所述數據處理系統包括數據采集模塊、數據處理模塊和數據顯示模塊；所述數據采集模塊用于采集信號分析系統產生的1024道能譜信息，并將所采集到的能譜信息輸送到數據處理模塊；所述的數據處理模塊將接收的能譜信息進行能譜曲線繪制，并將該能譜曲線與系統內置的標準曲線進行對比，計算求得鉀含量數值；所述數據顯示模塊用于顯示求得的鉀含量數值。
[0019]作為上述技術方案的進一步改進，所述標準曲線的斜率計算公式表示為:
[0020]K= (Nt-Nb) /C
[0021]其中，Nt表示多道測鉀儀中750道至860道之間的標準樣品脈沖計數率，Nb表示多道測鉀儀中750道至860道之間的本底計數率，C表示標準樣品鉀離子含量；
[0022]分別選定不同鉀離子含量的鉀離子化合物的標準樣品，通過所述多道測鉀儀測量得出與鉀離子含量對應Nt和Nb，并代入上式計算得到斜率K，根據所述斜率K繪制成標準曲線。
[0023]作為上述技術方案的進一步改進，所述鉀含量數值的計算公式表示為:
[0024]C= (Nt-Nb) /K
[0025]其中,K表示標準曲線的斜率，c表示待測固體或液體的鉀離子含量,Nt表示多道測鉀儀中750道至860道之間的固體或液體脈沖計數率，Nb表示多道測鉀儀中750道至860道之間的本底計數率。
[0026]本發明的一種基于伽馬射線的多道測鉀儀優點在于:
[0027]本發明的多道測鉀儀采用閃爍探測器及多道脈沖幅度分析器實現對鉀的測量，具有很好的探測效率和測量精度，能夠較好的去除環境本底，使得到的測量數據更準確；儀器對工作環境要求更低，可以適用于固體樣品的測量，也可以用于水溶液樣品的測量；儀器功能設計合理，人機界面友好，操作簡單，快速實時顯示測量結果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為G-M管探測器的結構示意圖。
[0029]圖2為本發明實施例中的一種基于伽馬射線的多道測鉀儀的結構示意圖。
[0030]圖3為本發明實施例中的探測器的結構示意圖。
[0031]圖4為本發明實施例中的軟件操作流程圖。
[0032]圖5本發明實施例中多道測鉀儀的能譜圖。
[0033]圖6本發明實施例中多道測鉀儀脈沖計數率與鉀樣品含量的關系圖。
[0034]圖7為本發明實施例中的一種基于伽馬射線的多道測鉀儀的通訊連接圖。
【具體實施方式】
[0035]下面以附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
[0036]如圖2所示，本發明的一種基于伽馬射線的多道測鉀儀，包括:閃爍探測器、信號分析系統和數據處理系統；所述閃爍探測器用于在線或即時取樣探測4°κ衰變時放射的1.46MeVy射線，生成脈沖信號；所述信號分析系統用于將閃爍探測器探測生成的脈沖信號進行分析，產生能譜信息；所述數據處理系統采集信號分析系統產生的能譜信息，繪制成能譜曲線并將其與系統內置的標準曲線進行對比，計算并顯示鉀含量數值；所述的標準曲線為多道測鉀儀脈沖計數率與鉀樣品含量的關系曲線。
[0037]基于上述實施例，如圖3所示，所述閃爍探測器包括:閃爍體、光電倍增管和前置放大器；所述的閃爍體用于與射入其內的Y射線發生光電效應后產生光子；所述的光電倍增管用于接收閃爍體發射的光子，并將該光子轉換為脈沖信號；所述前置放大器用于放大光電倍增管中生成的脈沖信號。所述前置放大器可采用一級C-R與電壓跟隨器。
[0038]所述信號分析系統包括線性放大器和多道脈沖幅度分析器；所述線性放大器用于將閃爍探測器探測生成的脈沖信號進行放大，所述多道脈沖幅度分析器用于對經線性放大器放大的信號進行甄別，產生1024道能譜信息。[0039]所述數據處理系統包括數據采集模塊、數據處理模塊和數據顯示模塊；所述數據采集模塊用于采集信號分析系統產生的1024道能譜信息，并將所采集到的能譜信息輸送到數據處理模塊；所述的數據處理模塊將接收的能譜信息進行能譜曲線繪制，并將該能譜曲線與系統內置的標準曲線進行對比，計算求得鉀含量數值；所述數據顯示模塊用于顯示求得的鉀含量數值。
[0040]本發明的多道測鉀儀基于對鉀的天然放射性同位素4°K的特征Y射線的測量，來實現對鉀含量的測定。4tlK在衰變時，會放射出能量為1.46MeV的Y射線。Y射線進入閃爍體內，與閃爍體發生反應，使閃爍體內的原子和分子電離和激發，在退激過程中產生光子，這些光子被收集到光電倍增管的光陰極上，發生光電效應，光子變為光電子，這些光電子通過光電倍增管的倍增，最終在光電倍增管的陽極得到一個幾毫伏到幾伏的脈沖信號，再通過前置放大器，將脈沖信號放大，然后將該脈沖信號輸入信號分析系統。信號分析系統內設有線性放大器、多道脈沖幅度分析器等。線性放大器對輸入的脈沖信號做進一步放大，再通過多道脈沖幅度分析器進行甄別，然后將每一道的計數輸出到電腦內，經過數據處理系統處理，得到能譜曲線。
[0041]如圖2所示，為本發明所述多道測鉀儀的結構示意圖，探測器可以使用防水防腐蝕外殼封裝后直接置于水槽中，或者直接測量固體樣品。探測器采集到的信號輸入信號分析系統，信號經過多道脈沖幅度分析器，再經過放大、成形等電子電路處理后，產生相應的1024道能譜信息。所述多道脈沖幅度分析器可使用RS-485接口與遠程顯示控制電腦進行通訊，計算機內嵌的數據處理系統將采集到的能譜信息及所關注的鉀含量進行實時顯示。
[0042]基于上述多道測鉀儀的結構，所述探測器、多道脈沖幅度分析器和數據處理系統存在如下配置:
[0043]所述探測器中的閃爍體可采用Φ (直徑)76mmX50 (厚度)mm NaI:TI晶體，探測器整體采用三防封裝，可直接在線測量或即時取樣測量，當取樣測量時，配有專用樣品取樣容器，探測器信號采用模擬輸出形式。
[0044]在本實施例中，所述`探測器的規格如下:
[0045]1)431 探測效率:n ^ 1.7%(137Cs)
[0046]2)能量分辨率:7~8%
[0047]3)探測能量范圍:70keV~3MeV
[0048]4)測量范圍:3.7-3.7X 106Bq/m3
[0049]5)環境溫度:-1OO ~50O
[0050]6)濕度范圍:0~95%
[0051]如圖3所示，探測器由NaI:T1晶體、光電倍增管及前置放大器組成。探測器的電源由主機通過同軸線經過圖中所示的高壓和低壓接口輸入。
[0052]所述多道脈沖幅度分析器的規格如下:
[0053]I)支持256-1024道,積分非線性小于萬分之一,微分非線性小于百分之一。
[0054]2)高精度高速ADC (20M-80M采樣率)，脈沖成形時間1_5微秒。
[0055]3)高精度的精密基準源，高溫電阻電容實現了多道脈沖幅度分析器的部分譜線的
零漂移。
[0056]4)具有可設置數值濾波功能(高頻過濾，低頻過濾)。[0057]5)如圖7所示，本發明的測鉀儀形成的1024道能譜信息與主機具有4種數據通訊方式:CAN、RS-485、USB和TCP/IP接口。對外接口為CAN總線(總線式串行通信)方式通信，由多道板將電壓信號轉換為數字信號，為實現測鉀儀有線和無線兩種通訊方式，CAN總線通過CAN轉RS232模塊轉換成RS232接口，再由RS232接口轉RS485接口實現與主機有線通訊，或通過周立功模塊(串口轉網口)轉換成RJ45接口，再通過無線路由器與主機實現無線Wifi數據通訊功能。
[0058]所述數據處理系統實現的功能如下:
[0059]I)實時顯示被測樣品的鉀含量。
[0060]2)具有自動穩峰功能，可指定選擇單峰或雙峰進行自動穩峰。
[0061]3)可調節零點和上閾、下閾；可任意設置感興趣區(ROI)。
[0062]4)具有自動尋峰功能和自動設直峰感興趣區功能。
[0063]5)可自動計算峰位、峰的邊界、峰的半高寬、峰的分辨率、峰區總計數、峰區計數率等各種峰的信息。
[0064]6)具有能量刻度功能。
[0065]7)量程橫向和縱向任意縮放功能，可切換對數量程。
[0066]該數據處理系統可變換多種采集數據模式，可預設采集時間，可預設感興趣區采集總數，也可選擇無限制連續測量模式。
[0067]現有的四道能譜儀和某些多道能譜核素測定儀雖能探測到4tlK的1.46MeVy射線，但無法對樣品鉀含量準確測定。本發明的多道測鉀儀可獨立對鉀含量準確測定。
[0068]本發明的多道測鉀儀使用多道能譜技術測量鉀含量，測量儀器能譜圖如圖5所示，能譜圖中的Y軸表示計數值，X軸代表能量道，通過使用標準源(比如CS-137)標定，可確定能量道與測量粒子能量大小的對應關系。對于4°K特征Y能量為1.46MeV，峰值大致對應于譜圖中的810道。考慮到Na1:TI晶體探測器與多道譜儀自身的能量分辨率特性，認為750道至860道之間均為4tlK特征Y射線所貢獻。設750道至860道之間(感興趣道需根據現場實際標定情況確定)的標準樣品脈沖計數率為Ντ，本底計數率表示為Nb，標準樣品鉀離子含量表示為C ;對于不同鉀離子含量的標準樣品，通過本發明的多道測鉀儀測量得出與標準樣品鉀離子含量C對應的Nt和Nb，并將測量得到的數值代入下式可以得到標準曲線的斜率K，根據所述斜率K繪制成標準曲線如圖2所示。圖中曲線的斜率K即為本發明的多道測鉀儀脈沖計數率與鉀樣品含量的換算系數。
[0069]所述標準曲線的斜率計算公式表示為:
[0070]K= (Nt-Nb) /C
[0071]為獲得上述的標準曲線，對于固體粉末樣品，分別選取IOOOg含鉀的標準氯化鉀樣品。標準樣品氯化鉀含量C (按重量百分比濃度計)分別為2%、4%、6%、8%、10%和12%。將探測器靈敏部分完全插入粉末內進行測量，同時保證對于不同樣品測量時，探測器與樣品間幾何位置沒有變化。
[0072]對于液體樣品，分別選取IL含鉀的標準氯化鉀溶液樣品。溶液中標準樣品氯化鉀含量C (按重量百分比濃度計)分別為2%、4%、6%、8%、10%和12%。將探測器靈敏部分完全浸入溶液中進行測量，探測器外部可采用ABS塑料防水封裝，同時保證對于不同濃度溶液測量時，探測器在溶液中的幾何位置沒有變化。[0073]得到斜率K后，對于測量其它鉀含量的固體樣品或其它鉀離子濃度的溶液，只需要用計數率比上斜率K即可得到，公式如下:
[0074]C= (Nt-Nb) /K
[0075]公式中，c表示待測固體或待測溶液中鉀離子含量，Nt表示多道測鉀儀中750道至860道之間的固體或液體脈沖計數率，Nb表示多道測鉀儀中750道至860道之間的本底計數率，K為斜率。由于海拔高度不同，各地區本底計數不同，在測量時需用100%氯化鉀試劑標定探測器，根據實驗數值來確定實際道數值。
[0076]最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種基于伽馬射線的多道測鉀儀，其特征在于，所述多道測鉀儀包括:閃爍探測器、信號分析系統和數據處理系統；所述閃爍探測器用于在線或即時取樣探測4tlK衰變時放射的1.46MeVY射線，生成脈沖信號；所述信號分析系統用于將閃爍探測器探測生成的脈沖信號進行分析，產生能譜信息；所述數據處理系統采集信號分析系統產生的能譜信息，繪制成能譜曲線并將其與系統內置的標準曲線進行對比，計算并顯示鉀含量數值；所述的標準曲線為多道測鉀儀脈沖計數率與鉀樣品含量的關系曲線。
2.根據權利要求1所述的基于伽馬射線的多道測鉀儀，其特征在于，所述閃爍探測器包括:閃爍體、光電倍增管和前置放大器；所述的閃爍體用于與射入其內的Y射線發生光電效應后產生光子；所述的光電倍增管用于接收閃爍體發射的光子，并將該光子轉換為脈沖信號；所述前置放大器用于放大光電倍增管中生成的脈沖信號。
3.根據權利要求2所述的基于伽馬射線的多道測鉀儀，其特征在于，所述閃爍體為直徑76mm、厚度50_的Na1: TI晶體。
4.根據權利要求2所述的基于伽馬射線的多道測鉀儀，其特征在于，所述前置放大器采用一級C-R與電壓跟隨器。
5.根據權利要求1所述的基于伽馬射線的多道測鉀儀，其特征在于，所述信號分析系統包括線性放大器和多道脈沖幅度分析器；所述線性放大器用于將閃爍探測器探測生成的脈沖信號進行放大，所述多道脈沖幅度分析器用于對經線性放大器放大的信號進行甄別，產生1024道能譜信息。
6.根據權利要求5所述的基于伽馬射線的多道測鉀儀，其特征在于，所述多道脈沖幅度分析器通過RS-485接口與數據處理系統進行通訊。
7.根據權利要求5所述的基于伽馬射線的多道測鉀儀，其特征在于，所述數據處理系統包括數據采集模塊、數據處理模塊和數據顯示模塊；所述數據采集模塊用于采集信號分析系統產生的1024道能譜信息，并將所采集到`的能譜信息輸送到數據處理模塊；所述的數據處理模塊將接收的能譜信息進行能譜曲線繪制，并將該能譜曲線與系統內置的標準曲線進行對比，計算求得鉀含量數值；所述數據顯示模塊用于顯示求得的鉀含量數值。
8.根據權利要求1所述的基于伽馬射線的多道測鉀儀，其特征在于，所述標準曲線的斜率計算公式表示為:
K= (Nt-Nb)/C 其中，Nt表示多道測鉀儀中750道至860道之間的標準樣品脈沖計數率，Nb表示多道測鉀儀中750道至860道之間的本底計數率，C表示標準樣品鉀離子含量； 分別選定不同鉀離子含量的鉀離子化合物的標準樣品，通過所述多道測鉀儀測量得出與鉀離子含量對應Nt和Nb，并代入上式計算得到斜率K，根據所述斜率K繪制成標準曲線。
9.根據權利要求8所述的基于伽馬射線的多道測鉀儀，其特征在于，所述鉀含量數值的計算公式表示為:
c=(Nt-Nb)/K 其中，K表示標準曲線的斜率，c表示待測固體或液體的鉀離子含量，Nt表示多道測鉀儀中750道至860道之間的固體或液體脈沖計數率，Nb表示多道測鉀儀中750道至860道之間的本底計數率。
【文檔編號】G01N23/00GK103852475SQ201410084342
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月7日 優先權日:2014年3月7日
【發明者】王相明, 曲廣衛, 馬海洲, 連琦, 周園, 李海民, 徐建新, 王永晏, 張志宏, 王樹軒, 陳育剛, 徐黎明, 李海軍, 冉廣芬, 王德榮, 王波, 王秀芳, 韓積斌, 李冠偉, 戈樺 申請人:中國科學院青海鹽湖研究所, 陜西衛峰核電子有限公司