一种基于伽马射线的多道测钾仪

摘要

本发明涉及一种基于伽马射线的多道测钾仪，包括：闪烁探测器、信号分析系统和数据处理系统；所述闪烁探测器用于在线或即时取样探测

说明书

技术领域

本发明涉及钾元素测量技术领域，尤其涉及一种基于伽马射线的多道测钾仪。

背景技术

常规测量钾含量的方法主要依靠人工现场取样，以重量法、容量法或用离子选 择电极、原子吸收等仪器进行分析，这些方法操作复杂繁琐，所需时间长，不能满 足钾盐的加工生产。

放射性测量钾含量是基于测定钾的三种天然同位素³⁹K、⁴⁰K和⁴¹K中的⁴⁰K含 量，因为仅⁴⁰K具有放射性，它的半衰期为1.25×10⁹年，丰度为0.012%。由于⁴⁰K 的半衰期很长，故可认为⁴⁰K在钾元素中的含量是固定的，所以可以通过对其放射 性的测定，进而推算出总的钾含量或者其它钾同位素的含量。

在⁴⁰K的衰变过程中，能够放射出具有连续光谱的、最大能量为1.33MeV的β 射线，同时放射出能量为1.46MeV的γ射线。所以可以用测量⁴⁰K放射出的β射线 或者γ射线来测定待测样品中钾的含量。

对于盐湖钾矿的实际情况，现在采用的放射性测钾方法，是基于钾的β射线的 测量，用气体探测器(G-M管)测量β射线，选用对γ射线灵敏度较低，而对β射线灵 敏度较高的G-M管，选择特性曲线一致的7只G-M管组装成一组探测器，对每只 G-M管的电极采取严格的密封措施，一台仪器中配有两组这样的探测器。如图1所 示，为该气体探测装置示意图，一组探测器测量样品，另一组探测器测量环境中的 本底辐射，并通过对比，可以消除环境本底辐射的干扰。探测器测得的信号需通过 电子电路进行处理，采用两个单道脉冲幅度分析器，它们是完全相同且又相互独立 的，用于两组探测器同时计数，采用80C31单片机进行数据处理、数据存储以及显 示计数结果。

由于探测器采用专用的G-M管，其探测效率相对于闪烁探测器等核探测器而言， 探测效率要低很多，而且G-M管主要由玻璃等类似材料组成，所以很容易破碎，而 且采用多个G-M管的组合，这样对探测器组合的工艺技术要求较高，成本也大。

另外，β射线在水中的穿透能力只有几个毫米，所以上述测量方法只能适用于与 探测器表面有良好接触，且含钾量均匀的样品。对于表面粗糙的或含钾量不均匀的 固体样品或料浆，测量结果误差较大。而且在测量时，要保证探测器周围的样品厚 度大于β射线的射程。

⁴⁰K放射的β射线能量虽高，但β射线的能量谱为连续谱，其低能部分的样品自 吸收效应比较严重，对于钾含量较低的样品，如果加上仪器的探测效率又低，就难 以得到准确的测量结果。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的放射性测量钾含量的仪器对工艺要求高、适 用范围小、对钾含量较低的样品测量不准确的技术问题，本发明提供一种基于伽马 射线的多道测钾仪，本发明的多道测钾仪采用⁴⁰K所产生的1460keVγ射线来测定钾 的含量，即用闪烁探测器来对γ射线进行测定，闪烁探测器的大小规格可以根据所 测样品的情况调整，能够克服G-M管存在的测量效率低、易碎、探测面积小的问题。 由于单道脉冲分析器测定⁴⁰K特征γ射线的方法受环境干扰影响较大，本底的扣除不 易；故本发明的多道测钾仪的电路部分采用多道脉冲幅度分析器，可以根据测量到 的能谱来扣除本底，这种扣除本底的方法受环境本底对感兴趣区(ROI)的影响小，因 此不需要第二个γ探测器来探测本底，这样对探测器的技术工艺要求相对较低。

⁴⁰K1.46MeVγ射线的穿透能力很强，所以对于表面粗糙的或含钾量不均匀的固 体样品或料浆引起的峰探测效率的改变不敏感，测量效果良好，现有的β测量方法 是做不到的。

本发明的一种基于伽马射线的多道测钾仪，与现有技术的G-M管探测器相比， 本发明的探测下限更低，可以测定含钾量很低的样品(最小可测定重量百分比浓度为 2%氯化钾的样品)。

为实现上述目的，本发明提供一种基于伽马射线的多道测钾仪，所述多道测钾 仪包括：闪烁探测器、信号分析系统和数据处理系统；所述闪烁探测器用于在线或 即时取样探测⁴⁰K衰变时放射的1.46MeVγ射线，生成脉冲信号；所述信号分析系 统用于将闪烁探测器探测生成的脉冲信号进行分析，产生能谱信息；所述数据处理 系统采集信号分析系统产生的能谱信息，绘制成能谱曲线并将其与系统内置的标准 曲线进行对比，计算并显示钾含量数值；所述的标准曲线为多道测钾仪脉冲计数率 与钾样品含量的关系曲线。

作为上述技术方案的进一步改进，所述闪烁探测器包括：闪烁体、光电倍增管 和前置放大器；所述的闪烁体用于与射入其内的γ射线发生光电效应后产生光子； 所述的光电倍增管用于接收闪烁体发射的光子，并将该光子转换为脉冲信号；所述 前置放大器用于放大光电倍增管中生成的脉冲信号。

作为上述技术方案的进一步改进，所述闪烁体为直径76mm、厚度50mm的NaI： TI晶体。

作为上述技术方案的进一步改进，所述前置放大器采用一级C-R与电压跟随器。

作为上述技术方案的进一步改进，所述信号分析系统包括线性放大器和多道脉 冲幅度分析器；所述线性放大器用于将闪烁探测器探测生成的脉冲信号进行放大， 所述多道脉冲幅度分析器用于对经线性放大器放大的信号进行甄别，产生1024道能 谱信息。

作为上述技术方案的进一步改进，所述多道脉冲幅度分析器通过RS-485接口与 数据处理系统进行通讯。

作为上述技术方案的进一步改进，所述数据处理系统包括数据采集模块、数据 处理模块和数据显示模块；所述数据采集模块用于采集信号分析系统产生的1024道 能谱信息，并将所采集到的能谱信息输送到数据处理模块；所述的数据处理模块将 接收的能谱信息进行能谱曲线绘制，并将该能谱曲线与系统内置的标准曲线进行对 比，计算求得钾含量数值；所述数据显示模块用于显示求得的钾含量数值。

作为上述技术方案的进一步改进，所述标准曲线的斜率计算公式表示为：

K=(N_T-N_B)/C

其中，N_T表示多道测钾仪中750道至860道之间的标准样品脉冲计数率，N_B表 示多道测钾仪中750道至860道之间的本底计数率，C表示标准样品钾离子含量；

分别选定不同钾离子含量的钾离子化合物的标准样品，通过所述多道测钾仪测 量得出与钾离子含量对应N_T和N_B，并代入上式计算得到斜率K，根据所述斜率K 绘制成标准曲线。

作为上述技术方案的进一步改进，所述钾含量数值的计算公式表示为：

c=(N_t-N_b)/K

其中，K表示标准曲线的斜率，c表示待测固体或液体的钾离子含量，N_t表示多 道测钾仪中750道至860道之间的固体或液体脉冲计数率，N_b表示多道测钾仪中750 道至860道之间的本底计数率。

本发明的一种基于伽马射线的多道测钾仪优点在于：

本发明的多道测钾仪采用闪烁探测器及多道脉冲幅度分析器实现对钾的测量， 具有很好的探测效率和测量精度，能够较好的去除环境本底，使得到的测量数据更 准确；仪器对工作环境要求更低，可以适用于固体样品的测量，也可以用于水溶液 样品的测量；仪器功能设计合理，人机界面友好，操作简单，快速实时显示测量结 果。

附图说明

图1为G-M管探测器的结构示意图。

图2为本发明实施例中的一种基于伽马射线的多道测钾仪的结构示意图。

图3为本发明实施例中的探测器的结构示意图。

图4为本发明实施例中的软件操作流程图。

图5本发明实施例中多道测钾仪的能谱图。

图6本发明实施例中多道测钾仪脉冲计数率与钾样品含量的关系图。

图7为本发明实施例中的一种基于伽马射线的多道测钾仪的通讯连接图。

具体实施方式

下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图2所示，本发明的一种基于伽马射线的多道测钾仪，包括：闪烁探测器、 信号分析系统和数据处理系统；所述闪烁探测器用于在线或即时取样探测⁴⁰K衰变 时放射的1.46MeVγ射线，生成脉冲信号；所述信号分析系统用于将闪烁探测器探 测生成的脉冲信号进行分析，产生能谱信息；所述数据处理系统采集信号分析系统 产生的能谱信息，绘制成能谱曲线并将其与系统内置的标准曲线进行对比，计算并 显示钾含量数值；所述的标准曲线为多道测钾仪脉冲计数率与钾样品含量的关系曲 线。

基于上述实施例，如图3所示，所述闪烁探测器包括：闪烁体、光电倍增管和 前置放大器；所述的闪烁体用于与射入其内的γ射线发生光电效应后产生光子；所 述的光电倍增管用于接收闪烁体发射的光子，并将该光子转换为脉冲信号；所述前 置放大器用于放大光电倍增管中生成的脉冲信号。所述前置放大器可采用一级C-R 与电压跟随器。

所述信号分析系统包括线性放大器和多道脉冲幅度分析器；所述线性放大器用 于将闪烁探测器探测生成的脉冲信号进行放大，所述多道脉冲幅度分析器用于对经 线性放大器放大的信号进行甄别，产生1024道能谱信息。

所述数据处理系统包括数据采集模块、数据处理模块和数据显示模块；所述数 据采集模块用于采集信号分析系统产生的1024道能谱信息，并将所采集到的能谱信 息输送到数据处理模块；所述的数据处理模块将接收的能谱信息进行能谱曲线绘制， 并将该能谱曲线与系统内置的标准曲线进行对比，计算求得钾含量数值；所述数据 显示模块用于显示求得的钾含量数值。

本发明的多道测钾仪基于对钾的天然放射性同位素⁴⁰K的特征γ射线的测量，来 实现对钾含量的测定。⁴⁰K在衰变时，会放射出能量为1.46MeV的γ射线。γ射线进 入闪烁体内，与闪烁体发生反应，使闪烁体内的原子和分子电离和激发，在退激过 程中产生光子，这些光子被收集到光电倍增管的光阴极上，发生光电效应，光子变 为光电子，这些光电子通过光电倍增管的倍增，最终在光电倍增管的阳极得到一个 几毫伏到几伏的脉冲信号，再通过前置放大器，将脉冲信号放大，然后将该脉冲信 号输入信号分析系统。信号分析系统内设有线性放大器、多道脉冲幅度分析器等。 线性放大器对输入的脉冲信号做进一步放大，再通过多道脉冲幅度分析器进行甄别， 然后将每一道的计数输出到电脑内，经过数据处理系统处理，得到能谱曲线。

如图2所示，为本发明所述多道测钾仪的结构示意图，探测器可以使用防水防 腐蚀外壳封装后直接置于水槽中，或者直接测量固体样品。探测器采集到的信号输 入信号分析系统，信号经过多道脉冲幅度分析器，再经过放大、成形等电子电路处 理后，产生相应的1024道能谱信息。所述多道脉冲幅度分析器可使用RS-485接口 与远程显示控制电脑进行通讯，计算机内嵌的数据处理系统将采集到的能谱信息及 所关注的钾含量进行实时显示。

基于上述多道测钾仪的结构，所述探测器、多道脉冲幅度分析器和数据处理系 统存在如下配置：

所述探测器中的闪烁体可采用φ（直径）76mm×50（厚度）mm NaI：TI晶体， 探测器整体采用三防封装，可直接在线测量或即时取样测量，当取样测量时，配有 专用样品取样容器，探测器信号采用模拟输出形式。

在本实施例中，所述探测器的规格如下:

1)4π探测效率:η≥1.7%(¹³⁷Cs)

2)能量分辨率:7～8%

3)探测能量范围:70keV～3MeV

4)测量范围:3.7-3.7×10⁶Bq/m³

5)环境温度:-10℃～50℃

6)湿度范围:0～95%

如图3所示，探测器由NaI：Tl晶体、光电倍增管及前置放大器组成。探测器 的电源由主机通过同轴线经过图中所示的高压和低压接口输入。

所述多道脉冲幅度分析器的规格如下：

1）支持256-1024道，积分非线性小于万分之一，微分非线性小于百分之一。

2）高精度高速ADC(20M-80M采样率)，脉冲成形时间1-5微秒。

3）高精度的精密基准源，高温电阻电容实现了多道脉冲幅度分析器的部分谱线 的零漂移。

4）具有可设置数值滤波功能(高频过滤，低频过滤)。

5）如图7所示，本发明的测钾仪形成的1024道能谱信息与主机具有4种数据通讯方 式:CAN、RS-485、USB和TCP/IP接口。对外接口为CAN总线(总线式串行通信)方式通 信，由多道板将电压信号转换为数字信号，为实现测钾仪有线和无线两种通讯方式，CAN总线 通过CAN转RS232模块转换成RS232接口，再由RS232接口转RS485接口实现与主机有线通 讯，或通过周立功模块（串口转网口）转换成RJ45接口，再通过无线路由器与主机实现无线 Wifi数据通讯功能。

所述数据处理系统实现的功能如下：

1）实时显示被测样品的钾含量。

2）具有自动稳峰功能，可指定选择单峰或双峰进行自动稳峰。

3）可调节零点和上阈、下阈；可任意设置感兴趣区(ROI)。

4）具有自动寻峰功能和自动设置峰感兴趣区功能。

5）可自动计算峰位、峰的边界、峰的半高宽、峰的分辨率、峰区总计数、峰区 计数率等各种峰的信息。

6）具有能量刻度功能。

7）量程横向和纵向任意缩放功能，可切换对数量程。

该数据处理系统可变换多种采集数据模式，可预设采集时间，可预设感兴趣区 采集总数，也可选择无限制连续测量模式。

现有的四道能谱仪和某些多道能谱核素测定仪虽能探测到⁴⁰K的1.46MeVγ射 线，但无法对样品钾含量准确测定。本发明的多道测钾仪可独立对钾含量准确测定。

本发明的多道测钾仪使用多道能谱技术测量钾含量，测量仪器能谱图如图5所 示，能谱图中的Y轴表示计数值，X轴代表能量道，通过使用标准源(比如Cs-137) 标定，可确定能量道与测量粒子能量大小的对应关系。对于⁴⁰K特征γ能量为 1.46MeV,峰值大致对应于谱图中的810道。考虑到NaI:TI晶体探测器与多道谱仪自 身的能量分辨率特性，认为750道至860道之间均为⁴⁰K特征γ射线所贡献。设750 道至860道之间(感兴趣道需根据现场实际标定情况确定)的标准样品脉冲计数率为 N_T，本底计数率表示为N_B，标准样品钾离子含量表示为C；对于不同钾离子含量的 标准样品，通过本发明的多道测钾仪测量得出与标准样品钾离子含量C对应的N_T和N_B，并将测量得到的数值代入下式可以得到标准曲线的斜率K，根据所述斜率K 绘制成标准曲线如图2所示。图中曲线的斜率K即为本发明的多道测钾仪脉冲计数 率与钾样品含量的换算系数。

所述标准曲线的斜率计算公式表示为：

K=(N_T-N_B)/C

为获得上述的标准曲线，对于固体粉末样品，分别选取1000g含钾的标准氯化 钾样品。标准样品氯化钾含量C（按重量百分比浓度计）分别为2%、4%、6%、8%、 10%和12%。将探测器灵敏部分完全插入粉末内进行测量，同时保证对于不同样品 测量时，探测器与样品间几何位置没有变化。

对于液体样品，分别选取1L含钾的标准氯化钾溶液样品。溶液中标准样品氯化 钾含量C（按重量百分比浓度计）分别为2%、4%、6%、8%、10%和12%。将探测 器灵敏部分完全浸入溶液中进行测量，探测器外部可采用ABS塑料防水封装，同时 保证对于不同浓度溶液测量时，探测器在溶液中的几何位置没有变化。

得到斜率K后，对于测量其它钾含量的固体样品或其它钾离子浓度的溶液，只 需要用计数率比上斜率K即可得到，公式如下：

c=(N_t-N_b)/K

公式中，c表示待测固体或待测溶液中钾离子含量，N_t表示多道测钾仪中750 道至860道之间的固体或液体脉冲计数率，N_b表示多道测钾仪中750道至860道之 间的本底计数率，K为斜率。由于海拔高度不同，各地区本底计数不同，在测量时 需用100%氯化钾试剂标定探测器，根据实验数值来确定实际道数值。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管 参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均 应涵盖在本发明的权利要求范围当中。