CN104749608A - 便携式多道伽玛能谱仪及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式多道伽玛能谱仪，它包括外壳，以及设置在所述外壳中的探测器和电子学系统，外壳上设有把手，所述把手上设有操作按键。所述探测器包括屏蔽外壳、稳谱装置、探测元件、光导元件、光电倍增管和前置放大电路。所述电子学系统包括放大器、多道分析器、控制器、存储器、显示器、高压电源和低压电源。本发明采用一体化设计，采用高灵敏度、稳定可靠的BGO晶体作为探测元件，内置天然含钾、铀、钍的物质自动稳谱，稳谱速度快，精度高，使用安全方便。与现有技术相比，本发明的优点在于重量轻，操作简单，灵敏度高，测量准确，可用来测量地面、岩石中的铀、钍、钾含量，从而指导地质勘察工作。
Description
技术领域
本发明涉及放射性测量设备领域，具体地说，特别涉及到一种测量岩石中铀、钍、钾等含量的便携式多道伽玛能谱仪及其工作方法。
背景技术
采用携带式γ能谱仪，通过现场同时测量岩石中铀、钍、钾含量来勘查矿产和解决地质问题的方法称为“γ射线能谱测量”，简称为“γ能谱测量”。γ能谱测量在铀矿勘查工业中是一项十分重要且常用的技术手段。
能谱仪在使用过程中，探测器的发光效率，光电倍增管的增益，放大器的增益，高压的稳定性等会随着环境温度、温度的改变而变化，能谱仪测得的能谱形状及峰位会受到环境影响而发生漂移。为克服峰漂，需要峰漂校正(稳谱)。常用的峰漂校正方法采用已知能量的参考源(内置放射源、内置LED发光模拟射线、天然本底谱特征峰等)，将参考源的信号选择出来，通过对计数率的比较，调节放大器或高压，补偿有关变化，使参考源给出的信号幅度不变，从而使被测信号幅度也可稳定，达到稳谱的目的。调节放大器或高压的参数要反复进行，稳谱所需时间长，稳谱精度低。
另外，内置LED发光模拟射线稳谱，只能补偿光电倍增管的增益，放大器的增益，高压变化带来的峰漂，而探测器的发光效率变化带来的峰漂没有校正，稳谱精度较低；内置放射源稳谱，放射源的使用会带来监管和安全等一系列问题；天然本底谱特征峰稳谱，由于天然本底变化大，在天然放射性核素含量低的地区，稳谱时间长，甚至无法稳谱。
野外便携式伽玛能谱仪是适用于现场测量天然放射性核素的仪器，作为一种现场快速分析方法，测量时间短，分析成本低，因而广泛应用于铀矿勘查。
野外能谱仪的基本要求有：体积小，重量轻，便于携带；灵敏度高，线性好，能量分辨率高；操作简单，使用方便等。
目前国内外使用的野外能谱仪多采用探头与控制台组合方式，体积、重量较大，携带和使用不便；仪器多采用3″×3″的碘化钠晶体探测器，探测器体积大，重量大；多为4道能谱，多道能谱产品较少；多采用放射源稳谱，放射源的使用会带来监管和安全等一系列问题，并且仪器内置放射源，需要屏蔽，整个结构复杂，仪器重量增加；仪器功能较单一，数字化、智能化程度不够高，操作复杂，使用不是很方便。总的来说，产品虽多，但整体上满足不了日益增长的需求。
发明内容
本发明实际需要解决的技术问题是：针对现有技术中的不足，提供一种便携式多道伽玛能谱仪，重量轻，携带方便，灵敏度高，内置天然物质自动稳谱，使用方便，主要测量地面、岩石中的天然铀、钍、钾的含量及分布数据资料，以便指导地质勘察工作。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
便携式多道伽玛能谱仪，包括外壳，以及设置在所述外壳内的探测器和电子学系统；
所述外壳上设有把手，该把手上设有操作按键；
所述探测器包括屏蔽外壳、以及安装于所述屏蔽外壳内的稳谱装置、探测元件、光导元件、光电倍增管和前置放大电路；所述稳谱装置位于所述探测元件前端，所述探测元件、光导元件、光电倍增管和前置放大电路设置依次互相连接，所述前置放大电路的输出端与所述电子学系统的信号输入端连接；
所述电子学系统包括包括放大器、多道分析器、控制器、存储器、显示器、高压电源和低压电源，所述放大器的信号输入端与所述探测器的信号输出端连接，所述探测器经放大器的输出端依次连接多道分析器和控制器，所述控制器与存储器、显示器连接，所述低压电源分别与探测器、放大器、多道分析器、控制器、存储器、显示器和高压电源连接，所述高压电源与所述探测器连接，所述控制器还与所述把手上的操作按键连接，对所述操作按键的触发作出相应响应；
所述探测元件为BGO晶体，所述稳谱装置包括壳体以及设置于壳体中的稳谱物质，所述稳谱物质为含天然放射性核素钾、铀、钍的物质，所述稳谱装置压成饼状，且放于所述壳体中。
进一步的，所述所述低压电源为14V可反复充电式的锂电池。
便携式多道伽玛能谱仪的工作方法，包括如下步骤：
首先在特定温度下，采用多种标准源对能谱仪进行能量刻度，取得道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei=f(Ci)，并将其存储于电子学系统中；
所述多道伽玛能谱仪具有开机稳谱模式、自动稳谱模式和测量模式，三种模式的工作过程如下：
所述多道伽玛能谱仪开机自检后，运行开机稳谱模式，执行以下动作：
1)采集能谱，采集时间为设定的时间tc；
2)在全谱范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的峰位Cp；若稳谱物质分别为含钾、铀、钍的物质时，特征γ射线能量Ec分别为1.46MeV、1.76MeV、2.62MeV；
3)将Cp参数存储在电子学系统的存储器中；
开机稳谱模式执行完毕后，多道伽玛能谱仪进入就绪状态，并进入自动稳谱模式，执行以下动作：
I)采集能谱，采集时间为设定的时间tc；
II)然后读取存储在电子学系统的存储器中的Cp参数，在Cp左右各n道，即Cp-n至Cp+n范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的新的峰位Cp′；
III)令Cp=Cp′，将Cp参数存储在电子学系统的存储器中，替换上次得到的稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线(能量为Ec)的峰位Cp；
Ⅳ)重复步骤I)、II)、III)的动作，直至进入测量模式；
上述的n为寻峰窗宽参数，其取值范围为5-20；
若处于自动稳谱模式中的多道伽玛能谱仪接收到操作按键的命令，则进入测量模式，并执行以下动作：
a)采集能谱，采集时间为设定的测量时间tm；
b)能谱采集完成后，然后读取存储在电子学系统的存储器中的Cp参数，在Cp左右各n道，即Cp-n至Cp+n范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的新的峰位Cp′；
c)令Cp=Cp′，将Cp参数存储在电子学系统的存储器中，替换上次得到的稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的峰位Cp；
d)在存储器中读取预置的道址与对应的γ射线能量的对应关系Ei=f(Ci)，得到Cp道对应的能量Ep；
e)重新对能谱仪进行能量刻度，道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系变为Ei=f(Ci)*Ep/Ec；
f)根据新的道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei=f(Ci)*Ep/Ec，在采集的能谱中分别划分钾、铀、钍三个能窗，取得三个能窗的计数率；
g)由三个能窗的计数率，计算钾、铀、钍的含量；
h)将测量结果存储于存储器中，并显示在显示器上；
i)退出测量模式，进入自动稳谱模式。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、采用一体化设计，将探头和主机集成到同一外壳内，并配有把手，把手上设有操作按键，用户可单手携带与操作仪器。整个仪器重量轻，携带方便，方便使用。
2、采用BGO晶体代替碘化钠晶体作为伽玛探测元件，匹配灵敏度高的光电倍增管，BGO晶体不潮解，化学性能稳定，机械强度好，不需要防潮密封外包装。探测器灵敏度高，体积小，重量轻，稳定可靠。
3、采用非放射源稳谱技术，无需放射源校正，内置稳谱物质(非放射源)自动稳谱，稳谱速度快，精度高，使用安全方便。
附图说明
图1为本发明所述的便携式多道伽玛能谱仪的结构示意图；
图2为本发明所述的探测器的结构示意图；
图3为本发明所述的稳谱装置的结构示意图；
图4为本发明所述的电子学系统的结构框图。
具体实施方式
为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，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1，本发明所述的如图1所示，本发明的便携式多道伽玛能谱仪，它包括外壳30，以及设置在外壳30中的探测器10和电子学系统20，外壳30包含一把手，把手上设有操作按键，操作方便。
如图2所示，所述探测器10包括屏蔽外壳11、稳谱装置12、探测元件13、光导元件14、光电倍增管15和前置放大电路16；所述稳谱装置12、探测元件13、光导元件14、光电倍增管15和前置放大电路16设置在所述屏蔽外壳11内，所述稳谱装置12置于所述探测元件13前端，所述探测元件13、光导元件14、光电倍增管15和前置放大电路16设置依次互相连接，所述前置放大电路16的输出端与所述电子学系统20的信号输入端连接。
所述探测元件13为BGO晶体。相比目前能谱仪中常用的碘化钠晶体，锗酸铋晶体(BGO)具有原子序数大(有效原子序数74)，密度高(7.13g·cm-3)，相同尺寸的BGO晶体，其γ射线的全能峰效率是碘化钠晶体的3倍以上。BGO晶体不潮解，化学性能稳定，机械强度好，不需要防潮密封外包装。采用BGO晶体制成的探测器灵敏度高，体积小，重量轻，稳定可靠。
如图3所示，所述稳谱装置12由壳体120及放置在壳体中的稳谱物质121组成，所述稳谱物质121为含天然放射性核素钾、铀、钍的物质，如碳酸钾、氯化钾、氧化钍、硝酸钍等中的一种，压成饼状，置于壳体120中。
如图4所示，在本发明的一个实施例中，所述电子学系统20包括包括放大器21、多道分析器22、控制器23、存储器24、显示器25、高压电源26和低压电源27。所述放大器21的信号输入端与所述探测器10的信号输出端连接，所述探测器10经放大器21的输出端依次连接多道分析器22和控制器23，所述控制器23与存储器24和显示器25连接，所述低压电源27分别与探测器10、放大器21、多道分析器22、控制器23、存储器24、显示器25、高压电源26连接供电，所述高压电源26与所述探测器10连接供电。所述低压电源27为14V可反复充电式的锂电池。控制器24还与把手上的操作按键连接，对操作按键的触发作出相应响应。
本发明的工作过程如下：
首先在特定温度下，采用多种标准源对能谱仪进行能量刻度，取得道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei=f(Ci)，并将其存储于电子学系统中；
所述多道伽玛能谱仪具有开机稳谱模式、自动稳谱模式和测量模式，三种模式的工作过程如下：
所述多道伽玛能谱仪开机自检后，运行开机稳谱模式，执行以下动作：
1)采集能谱，采集时间为设定的时间tc；
2)在全谱范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的峰位Cp；若稳谱物质分别为含钾、铀、钍的物质时，特征γ射线能量Ec分别为1.46MeV、1.76MeV、2.62MeV；
3)将Cp参数存储在电子学系统的存储器中；
开机稳谱模式执行完毕后，多道伽玛能谱仪进入就绪状态，并进入自动稳谱模式，执行以下动作：
I)采集能谱，采集时间为设定的时间tc；
II)然后读取存储在电子学系统的存储器中的Cp参数，在Cp左右各n道，即Cp-n至Cp+n范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的新的峰位Cp′；
III)令Cp=Cp′，将Cp参数存储在电子学系统的存储器中，替换上次得到的稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线(能量为Ec)的峰位Cp；
Ⅳ)重复步骤I)、II)、III)的动作，直至进入测量模式；
上述的n为寻峰窗宽参数，其取值范围为5-20；
若处于自动稳谱模式中的多道伽玛能谱仪接收到操作按键的命令，则进入测量模式，并执行以下动作：
a)采集能谱，采集时间为设定的测量时间tm；
b)能谱采集完成后，然后读取存储在电子学系统的存储器中的Cp参数，在Cp左右各n道，即Cp-n至Cp+n范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的新的峰位Cp′；
c)令Cp=Cp′，将Cp参数存储在电子学系统的存储器中，替换上次得到的稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的峰位Cp；
d)在存储器中读取预置的道址与对应的γ射线能量的对应关系Ei=f(Ci)，得到Cp道对应的能量Ep；
e)重新对能谱仪进行能量刻度，道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系变为Ei=f(Ci)*Ep/Ec；
f)根据新的道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei=f(Ci)*Ep/Ec，在采集的能谱中分别划分钾、铀、钍三个能窗，取得三个能窗的计数率；
g)由三个能窗的计数率，计算钾、铀、钍的含量；
h)将测量结果存储于存储器中，并显示在显示器上；
i)退出测量模式，进入自动稳谱模式。
基于上述技术方案，本发明的具体实施如下：
实施例1
在本实施例中，探测元件13为BGO晶体，Φ51×51mm，光电倍增管15采用滨松R6231光电倍增管，稳谱物质121为分析纯碳酸钾，质量50g，压成Φ50×12mm，置于壳体120中。稳谱时，能谱采集时间tc为180s，Ec为1.46MeV(40K的特征峰)，寻找钾的峰位Cp，对能谱仪进行能量刻度。
按照上述设计方案形成相应的便携式多道伽玛能谱仪，探测灵敏度高，稳谱迅速可靠，测量准确，重量轻，整机重量2.3kg。根据JJG(核工)021-1998《轻便窗式γ能谱仪检定规程》，在饱和放射性模型体源上测量，灵敏度系数SKK＝3.58计数/(s·单位K含量)，SUU＝0.368计数/(s·单位eU含量)，STT＝0.152计数/(s·单位eTh含量)。在混合模型体源上进行验证测量，其测量值偏离该模型体源各元素给出值的相对偏差，YM1模型，K、eU、eTh的相对偏差分别为-6.5%、0.1%、2.0%；YM2模型，K、eU、eTh的相对偏差分别为-8.2%、-5.1%、-2.8%。灵敏度系数及相对偏差均符合检定规程要求。
实施例2
在本实施例中，探测元件13为BGO晶体，Φ51×60mm，光电倍增管15采用滨松R6231光电倍增管，稳谱物质121为分析纯二氧化钍，质量10g，压成Φ20×3mm，置于壳体120中。稳谱时，能谱采集时间tc为120s，Ec为2.62MeV(232Th的特征峰)，寻找钍的峰位Cp，对能谱仪进行能量刻度。
按照上述设计方案形成相应的便携式多道伽玛能谱仪，探测灵敏度极高，稳谱迅速可靠，测量准确，重量轻，整机重量2.4kg。根据JJG(核工)021-1998《轻便窗式γ能谱仪检定规程》，在饱和放射性模型体源上测量，灵敏度系数SKK＝3.98计数/(s·单位K含量)，SUU＝0.403计数/(s·单位eU含量)，STT＝0.166计数/(s·单位eTh含量)。在混合模型体源上进行验证测量，其测量值偏离该模型体源各元素给出值的相对偏差，YM1模型，K、eU、eTh的相对偏差分别为-4.5%、0.5%、1.0%；YM2模型，K、eU、eTh的相对偏差分别为-6.3%、-4.3%、-2.0%。相对偏差小，符合检定规程要求，灵敏度系数已经超过检定规程中对采用Φ76mm×76mm NaI晶体的能谱仪的要求。
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。
Claims (3)
1.便携式多道伽玛能谱仪，包括外壳，以及设置在所述外壳内的探测器和电子学系统；
所述外壳上设有把手，该把手上设有操作按键；
所述探测器包括屏蔽外壳、以及安装于所述屏蔽外壳内的稳谱装置、探测元件、光导元件、光电倍增管和前置放大电路；所述稳谱装置位于所述探测元件前端，所述探测元件、光导元件、光电倍增管和前置放大电路设置依次互相连接，所述前置放大电路的输出端与所述电子学系统的信号输入端连接；
所述电子学系统包括包括放大器、多道分析器、控制器、存储器、显示器、高压电源和低压电源，所述放大器的信号输入端与所述探测器的信号输出端连接，所述探测器经放大器的输出端依次连接多道分析器和控制器，所述控制器与存储器、显示器连接，所述低压电源分别与探测器、放大器、多道分析器、控制器、存储器、显示器和高压电源连接，所述高压电源与所述探测器连接，所述控制器还与所述把手上的操作按键连接，对所述操作按键的触发作出相应响应；
其特征在于：所述探测元件为BGO晶体，所述稳谱装置包括壳体以及设置于壳体中的稳谱物质，所述稳谱物质为含天然放射性核素钾、铀、钍的物质，所述稳谱装置压成饼状，且放于所述壳体中。
2.如权利要求1所述的便携式多道伽玛能谱仪，其特征在于：所述所述低压电源为14V可反复充电式的锂电池。
3.如权利要求1所述的便携式多道伽玛能谱仪的工作方法，其特征在于：
首先在特定温度下，采用多种标准源对能谱仪进行能量刻度，取得道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei=f(Ci)，并将其存储于电子学系统中；
所述多道伽玛能谱仪具有开机稳谱模式、自动稳谱模式和测量模式，三种模式的工作过程如下：
所述多道伽玛能谱仪开机自检后，运行开机稳谱模式，执行以下动作：
1)采集能谱，采集时间为设定的时间tc；
2)在全谱范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的峰位Cp；若稳谱物质分别为含钾、铀、钍的物质时，特征γ射线能量Ec分别为1.46MeV、1.76MeV、2.62MeV；
3)将Cp参数存储在电子学系统的存储器中；
开机稳谱模式执行完毕后，多道伽玛能谱仪进入就绪状态，并进入自动稳谱模式，执行以下动作：
I)采集能谱，采集时间为设定的时间tc；
II)然后读取存储在电子学系统的存储器中的Cp参数，在Cp左右各n道，即Cp-n至Cp+n范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的新的峰位Cp′；
III)令Cp=Cp′，将Cp参数存储在电子学系统的存储器中，替换上次得到的稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线(能量为Ec)的峰位Cp；
Ⅳ)重复步骤I)、II)、III)的动作，直至进入测量模式；
上述的n为寻峰窗宽参数，其取值范围为5-20；
若处于自动稳谱模式中的多道伽玛能谱仪接收到操作按键的命令，则进入测量模式，并执行以下动作：
a)采集能谱，采集时间为设定的测量时间tm；
b)能谱采集完成后，然后读取存储在电子学系统的存储器中的Cp参数，在Cp左右各n道，即Cp-n至Cp+n范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的新的峰位Cp′；
c)令Cp=Cp′，将Cp参数存储在电子学系统的存储器中，替换上次得到的稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的峰位Cp；
d)在存储器中读取预置的道址与对应的γ射线能量的对应关系Ei=f(Ci)，得到Cp道对应的能量Ep；
e)重新对能谱仪进行能量刻度，道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系变为Ei=f(Ci)*Ep/Ec；
f)根据新的道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei=f(Ci)*Ep/Ec，在采集的能谱中分别划分钾、铀、钍三个能窗，取得三个能窗的计数率；
g)由三个能窗的计数率，计算钾、铀、钍的含量；
h)将测量结果存储于存储器中，并显示在显示器上；
i)退出测量模式，进入自动稳谱模式。
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