CN102879797B - 一种食品和水中放射性检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种食品和水中放射性检测仪，该检测仪由NaI探测器连接到光电倍增管，光电倍增管输出的信号送至脉冲放大器，经放大后信号的分别被送到单道分析器，单道分析器输出的信号送到微处理器进行处理，微处理器分别连接了LCD显示屏、按键、指示灯、蜂鸣器和计算机接口；电源连接了蓄电池，负责将220V电源转换成检测仪各部分所需的不同电源电压。本发明的优点在于：体积小、可携带、操作简单，适合一般普通老百姓使用。

Description

一种食品和水中放射性检测仪

技术领域

本发明涉及检测仪，尤其是一种食品和水中放射性检测仪。

背景技术

环境中的放射性污染核素主要来源于三个方面：空中核爆炸试验、工业核废物的排放和核电站意外核污染事故，其中对人类生活影响最大的就是意外核电站事故，例如2011年3月日本福岛第一核电站的泄漏造成大量放射性物质随飘尘进入大气或随污水流入大海，最终这些放射性物质沉降在周边很大范围的土壤、植物的表面，形成长期的放射性污染。事故之后的很长时间内，这些区域产出的粮食、蔬菜、肉类及海产品等放射性物质的含量明显增高，部分会达到或超过食用安全标准。因此，随着日本福岛核电站泄漏事故的发生，人们越来越关注核事故后食品、水和饮料中放射性核素的定量分析，以判断其是否达到食用安全标准。

核电站事故泄漏出来的放射性污染核素通常包括Cs-137、Cs-134、I-131、Pu-239等，这些核素在衰变过程中不断放出γ及β等辐射，并随着动植物代谢进入到食物链中，被人食用后最终均会到达并储留在人体内，造成辐射危害。放射性核素发出的辐射可引起人体多种基因突变及染色体畸变，即使小剂量也可能对遗传过程发生影响。此外，这些放射性多数具有很高的毒性，会对人体产生严重的毒害作用。

对放射性污染核素的定量测量，通常采用低本底的伽玛能谱仪，所使用的探测器包括高纯锗、碘化钠或溴化镧等。虽然该类仪器分析精度高，但是其需要配置大体积铅屏蔽室，并且测量时间长，造价十分昂贵，不适合在核事故污染发生时一般老百姓对日常食品和水中放射性含量的快速测定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种食品和水中放射性检测仪，该检测仪用于检验检疫、食品安全、研究机构等用于食品及其它物品中放射性含量（比活度）检测。

本发明的技术方案为：一种食品和水中放射性检测仪，该检测仪包括NaI探测器、光电倍增管、脉冲信号放大器、单道分析器、微处理器、LCD显示屏、按键、蜂鸣器、蓄电池、计算机接口、以及铅屏蔽室和底部凹陷的专用样品杯；由NaI探测器连接到光电倍增管，光电倍增管输出的信号送至脉冲放大器，经放大后信号的分别被送到单道分析器，单道分析器输出的信号送到微处理器进行处理，微处理器分别连接了LCD显示屏、按键、指示灯、蜂鸣器和计算机接口；电源连接了蓄电池，负责将220V电源转换成检测仪各部分所需的不同电源电压。

检测仪采用单道分析器电路，按不同核素的能量范围设定单道分析器阈值；单道分析器可设置为2个或2个以上，可针对放射性污染中的I-131、Cs-137、Cs-134等几种主要核素的能量峰，分别设定每个单道分析器的上下阈值，并采用标准核素样品预先刻度其效率因子（转换系数）。

       检测仪采用金属外壳一体化结构。铅屏蔽室和样品容器位于检测仪上部，便于样品的取放；NaI探测器和光电倍增管位于铅屏蔽室底部的中心位置，其中NaI探测器深入样品容器内部，以增大探测器接收面，提高探测效率；LCD显示屏、按键和电路板、蓄电池舱等位于检测仪下部，易于安装和调试。

检测仪采用LCD显示屏和多动能按键完成人机交互。LCD显示屏可直接显示测量结果的数据值；多动能按键可根据屏幕提示的功能，通过按键完成对检测仪的各种功能操作和各种参数的设置。

       检测仪面板设置了红、黄、绿三种颜色指示灯和蜂鸣器，用于告知被测物品的放射性危险程度。

       检测仪采用了可重复使用的专用样品杯。该样品杯按照检测仪铅屏蔽室的形状专门设计，带有容积刻度线，并使底部凹陷，可让NaI探测器深入样品当中，利于提高探测效率。

       检测仪设置了与计算机连接的接口。通过该接口检测仪可与计算机（PC机）连接，可实现在计算机端对检测仪参数进行设定，对测量过程进行监控，并可完成测量数据的接收、存储、查询和报表打印。

       检测仪除了可使用交流电源外，还设置了可当作后备电源使用的蓄电池。当交流电源断电或检测仪需携带外出使用时，蓄电池可保证检测仪正常工作小时以上。

NaI探测器是由NaI晶体经过密封封装而成，该类型探测器对γ和X射线具有较高的灵敏度，探测能量范围可达30keV～3MeV。光电倍增管与NaI探测器在受光面上贴紧安装，以保证二者之间光损失最小；光电倍增管10接收NaI探测器发出的光信号，并转换为电流脉冲，经脉冲放大器放大后送往后续的多重单道分析器17和18。其中电倍增管10所需的高压由电源电路20供给；所述的脉冲放大器16可以是由多级放大电路构成，以完成电流-电压转换、脉冲成形及阻抗匹配等功能。

多重单道分析器由多个单道分析器并联构成，如单道分析器17、单道分析器18等。每个单道分析器由两组电压比较器、2个对应的精密可调电位器及其后续触发器等电路元件构成。工作时，调整电位器，将其中一组电压比较器的阈值设置在电压基准值V1（高电压值），当输入信号Vin大于V1时比较器有电平输出，如图2中的H波形；同理，将另一组电压比较器的阈值设置在电压基准值V2（低电压值），当输入信号Vin大于V2时比较器有电平输出，如图2中的L波形。这两组比较器输出的电平经后续的触发器和与非门等逻辑电路处理后，得到最终的单道分析器输出脉冲信号Q3。该信号代表了只有当输入信号电压Vin处于阈值V1和V2之间时，单道分析器才有输出脉冲。调整不同单道分析器的阈值电压，可以将单道分析器的有效电压窗口设置在不同的范围，使其能够对某一种核素的特定能量峰进行脉冲（信号Q3）计数，再经过标准核素样品的比对换算后，检测仪可测算出被测样品中该核素的含量。

微处理器一般为单片机或更高性能的处理器，内含多组计数器（与单道分析器数量对应）、按键接口、LCD显示接口、指示灯接口、蜂鸣器接口，以及晶振和实时钟等电路资源。微处理器内部固化有整个检测仪的软件程序，其功能包括：完成对多重单道分析器输出脉冲信号的计数；完成测量参数的设置、存贮和测量数据的处理；完成与按键、LCD显示屏、指示灯及蜂鸣器的人机交互操作；完成与计算机的接口的操作和数据传输。

电源的作用是将220V交流电转换为检测仪各部分工作所需的不同电压的直流电源，如±12V、+5V、+3.3V，以及供光电倍增管的-600V高压等。蓄电池与电源相连，可在220V交流断电时继续供给检测仪电源。蓄电池可以是可充电电池组，并在电源中包含充电管理电路，可在220V交流电工作的同时对电池组充电。

本发明的优点在于：体积小、可携带、操作简单，适合一般普通老百姓使用。 

附图说明

图1为本发明一种食品和水中放射性检测仪原理框图；

图2为本发明一种食品和水中放射性检测仪单道分析器波形图；

图3为本发明一种食品和水中放射性检测仪外型图；

图4为本发明一种食品和水中放射性检测结构示意图；

图5为本发明一种食品和水中放射性检测面板图。

图中：

1、铅屏蔽室；2、 LCD显示屏；3、仪器面板；4、上盖；5、专用样品杯；6、提手；7、电源开关；8、计算机接口；9、NaI探测器；10、光电倍增管；11、蓄电池舱；12、金属外壳；13、电路板；14、光电倍增管紧固座；15、橡胶底座；16、脉冲放大器；17、18 多重单道分析器；19、微处理器；20 电源；21 蓄电池；22 按键；23 指示灯；24 蜂鸣器。

具体实施方式

以下实施案例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图3所示，本发明设计成一种一体化、可携带的放射性核素检测检测仪。具有体积小、操作简单，适合一般普通老百姓使用的优点，可在核事故污染发生后快速测定食品、水、饮料或其它物品中放射性核素的含量（比活度）。该检测仪也可用于检验检疫、食品安全、研究机构等用于食品及其它物品中放射性含量（比活度）检测。

图3中，铅屏蔽室1由金属铅加工而成；LCD显示屏2可显示测量参数及测量结果；检测仪面板3包含四个多功能按键及三色指示灯；检测仪上盖4内层为铅制屏蔽层；专用样品杯5按照检测仪铅屏蔽室的形状专门设计，带有容积刻度线，并使底部凹陷，可让NaI探测器深入样品当中，利于提高探测效率；可活动提手6便于检测仪外出携带；USB接口座8可连接至计算机。

检测仪采用金属一体化结构，其内部结构如图4所示：NaI探测器9位于检测仪中央，并深入样品杯底部约5cm；光电倍增管10底部紧固座14固定；电路板13分上下两层，包含检测仪所有的电路部分；专用样品杯5测量时置于铅屏蔽室1内部，上部有检测仪上盖4；蓄电池舱11可从检测仪底部装入两节5号（AA）电池， 当交流电源断电或检测仪需携带外出使用时，蓄电池可保证检测仪正常工作8小时以上。电源开关7可同时关断交流和直流电源；这种结构使得铅屏蔽室和专用样品杯位于检测仪上部，便于样品的取放；NaI探测器9和光电倍增管10位于铅屏蔽室底部中央位置，其中NaI探测器9深入样品容器5内部，以增大探测器接收面，提高探测效率；LCD显示屏2、按键22和电路板13、蓄电池舱11等位于检测仪下部，易于安装和调试。铅屏蔽室1能够有效屏蔽环境中的伽玛射线影响，提高检测仪检测灵敏度；金属外壳12也可外界电磁干扰，利于提高测量电路稳定性。该结构不仅使得检测仪外型紧凑，便于携带，同时检测仪外型美观，操作使用十分便捷。

本发明检测仪采用多重单道分析器硬件电路，按不同核素的能量范围设定每个单道分析器阈值。这种电路设计可针对放射性污染中的几种主要核素的能量峰，有针对性地设定每个单道分析器的上下阈值，并采用标准核素样品预先刻度其效率因子（转换系数）。检测仪可同时完成多种核素的测量，避免了采用多道分析器电路时的软硬件复杂性，利于实现快速、自动化的测量和分析，并且测量精度不降低。

检测仪面板如图5所示：LCD显示屏2采用点阵图形LCD液晶屏，有背光照明功能；多功能按键22可根据屏幕对应位置显示的功能执行不同的操作；面板内部装有蜂鸣器23，用于告知被测物品的放射性危险程度。如一次测量完成后绿灯点亮，并伴随蜂鸣器鸣叫，表示“Safe”（安全），黄灯亮表示“Caution”（轻度污染，须注意），红灯亮表示“Hazard”（危险，不可食用）。

检测仪设置了与计算机连接的USB接口8。通过该接口检测仪可与计算机（PC机）连接，可实现在计算机端对检测仪参数进行设定，对测量过程进行监控，并可完成测量数据的接收、存储、查询和报表打印。

在本实施案例中，采用2个单道分析器17和18，分别设置其高低阈值为：0.8V与1.4V和1.5V与2.4V。这样设置是因为经放大电路后，I-131核素的特征峰（364.5keV和284.3keV）为1.11V和0.86V，而Cs-137的特征峰（661keV）为2.01V，分别落在这两个单道分析器的高低阈值之间。采用活度已知的I-131和Cs-137标样对检测仪进行刻度，得到每种核素的转换系数后，检测仪就可以准确的测量样品中I-131和Cs-137核素的含量（比活度）了。

采用上述实例方案，检测仪可同时完成多种核素的测量，并且改变单道分析器的阈值设置，就可改变测量核素的种类。本发明实例避免了传统的采用多道分析器电路的软硬件复杂性，利于实现快速、自动化的测量和分析，并且测量精度不降低。

Claims (1)

1.一种食品和水中放射性检测仪，其特征在于：该检测仪包括NaI探测器、光电倍增管、脉冲信号放大器、单道分析器、微处理器、LCD显示屏、按键、蜂鸣器、蓄电池、计算机接口、以及铅屏蔽室和底部凹陷的专用样品杯；由NaI探测器（9）连接到光电倍增管（10），光电倍增管（10）输出的信号送至脉冲放大器（16），经放大后信号的分别被送到单道分析器（17、18），单道分析器（17、18）输出的信号送到微处理器（19）进行处理，微处理器（19）分别连接了LCD显示屏（2）、多功能按键（22）、指示灯（23）、蜂鸣器（24）和计算机接口（8）；电源（20）连接了蓄电池（21），负责将220V电源转换成检测仪各部分所需的不同电源电压；检测仪采用单道分析器电路（17、18），按不同核素的能量范围设定单道分析器阈值；单道分析器可设置为2个或2个以上，可针对放射性污染中的I-131、Cs-137、Cs-134等核素的不同能量峰设定每个单道分析器的上下阈值；检测仪采用金属外壳一体化结构；铅屏蔽室（1）和样品容器（5）位于检测仪上部，便于样品的取放；NaI探测器（9）和光电倍增管（10）位于铅屏蔽室（1）底部的中心位置，其中NaI探测器（9）深入样品容器（5）内部；LCD显示屏（2）、多功能按键（22）和电路板（13）、蓄电池舱（11）位于检测仪下部；检测仪采用LCD显示屏（2）和多功能按键（22）完成人机交互；LCD显示屏（2）直接显示测量结果的数据值；多功能按键（22）根据屏幕提示的功能通过按键完成对检测仪的各种功能操作和各种参数的设置；检测仪采用了可重复使用的专用样品杯（5）；该样品杯按照检测仪铅屏蔽室（1）的形状专门设计，带有容积刻度线，并使底部凹陷，可让探测器（9）深入样品当中，利于提高探测效率。