CN105425268A - 快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪及其测量方法 - Google Patents

快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪及其测量方法 Download PDF

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CN105425268A CN201510729346.XA CN201510729346A CN105425268A CN 105425268 A CN105425268 A CN 105425268A CN 201510729346 A CN201510729346 A CN 201510729346A CN 105425268 A CN105425268 A CN 105425268A
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Abstract

本发明涉及测定待测样品中铀、钍、钾含量的测量方法及在核技术领域中的应用。一种快速测量盐湖卤水中铀、钍、钾含量的γ谱仪，其主要特点在于：探测器的输出信号经过甄别和成形电路后由反符合电路输出至幅度分析器的输入端，幅度分析器输出端连接MCU单片机的输入端，MCU单片机的输出端分别连接幅度分析器的阈调节端和窗调节端，MCU单片机的输出端还分别连接LCD液晶显示面板与键盘，MCU单片机的输出端还通过数据总线连接PC机。本发明具有高精度、能快速测量、方便携带、自动化程度高、实现功能多样性、数据处理智能化、体积小等优点，本发明主要用于测量地面、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。

Description

快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪及其测量方法
技术领域
本发明涉及测定待测样品中铀、钍、钾含量的测量方法及在核技术领域中的应用。
背景技术
随着我国国民经济的迅速发展，对能源的需求与日俱增，近年来在钾肥生产、铀钍矿勘探和盐湖开发过程中，如何准确快速的测定铀钍矿床、盐湖卤水及油井中铀、钍、钾的含量成为目前亟待解决的迫切问题。目前国内外尚无较好的测量方法。传统的化学分析方法一般分析周期较长，采用大型分析仪器在野外又难以实现。国外公司生产的放射性仪器也仅能用于特定的场合且测量精度难以达到要求，1992年青海盐湖所曾研制出便携式β计数管测钾仪用于钾矿中40K的探测，40K发出能量E(β)＝1.33MeV的粒子，由于β射线的穿透能力较弱，它仅能反映样品表层的钾含量，不适用于探矿工作中所涉及到的大体积容器内和块状固体样品中铀、钍、钾含量的测量。上海申核电子仪器研制出的FD-3022四通道γ谱仪，它使用的是碘化钠(NaI)晶体，存在着探测效率较低、易潮解等缺点，而且该仪器需要“参考源”进行稳谱，便携式γ能谱仪携带“参考源”对环境、操作者和行人都会构成安全隐患。目前，γ能谱测量是最为成熟的天然核方法之一，除在地面应用以外，γ能谱测量技术尚被应用于航空测量、井下测量，形成了航空γ能谱测量技术、γ能谱测井技术。由于γ射线含有关于核素特征的重要信息，因此γ射线能谱的测量是核辐射探测的一项重要工作。野外γ射线能谱测量一般是采用携带式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，简称为“γ能谱测量”。与自然γ总量测量方法不同，γ能谱方法测量记录的是铀、钍、钾特征谱段的γ射线，因此可区别铀、钍、钾。铀系、钍系和钾所释放的γ射线的能量具有显著差别，自然界除了存在着钍系、铀系、锕系三个天然放射系外还存在着天然放射性核素40K。40K衰变时发射单一能量的γ射线，其特征能量为1.461MeV；238U衰变时放射的γ射线具有多种能量，其中比较典型的射线特征能量为1.765MeV(这是衰变产物214Bi继续衰变时放出的γ射线能量)；232Th衰变时发射的γ射线也具有多种能量，其中比较典型的射线特征能量为2.615MeV(这是衰变产物208Tl继续衰变放出的γ射线能量)。因此可以通过测量这些核素放出的特征γ射线的强度来计算盐湖卤水中铀、钍、钾的含量。因此，开展快速γ测量盐湖卤水中铀、钍、钾含量的γ能谱仪研制工作，对于实现铀钍钾资源的可持续开发、探测和评价放射性矿藏、分析和研究地层沉积环境、加快铀钍矿床的勘探、进行岩性鉴别以及环境放射性污染的监测等方面的迫切需求具有非常重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种快速测量盐湖卤水中铀、钍、钾含量的γ谱仪。可直接、快速、便携、实时测量固体样品或者盐湖卤水、海水等液体样品中铀、钍、钾的含量，测定结果可靠、稳定、精度高的全自动在线智能测钾铀钍含量的γ谱仪，从而有效解决了现有技术中存在的自动化程度低、实现功能单一、分散、精度低、数据处理简单、体积大等缺陷，克服了其他类型探测器存在的探测效率低、携带不方便及含有参考源的安全隐患。
本发明的又一目的在于提供一种快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪测试方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪，其主要特点在于：探测器的输出信号经过甄别和成形电路后由反符合电路输出至幅度分析器的输入端，幅度分析器输出端连接MCU单片机的输入端，MCU单片机的输出端分别连接幅度分析器的阈调节端和窗调节端，MCU单片机的输出端还分别连接LCD液晶显示面板与键盘，MCU单片机的输出端还通过数据总线连接PC机。
所述的快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪，所述的探测器探头的材料为铊激活碘化铯晶体CsI(Tl)。
所述的快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪，还包括有所述窗口调节端的宽度是特征γ射线的能量窗口宽度，40K为1.23MeV～1.75MeV，238U为1.57MeV～1.92MeV，232Th为2.17MeV～3.03MeV。
所述的快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪，所述的成形放大器为信号输入端连接极零补偿电路的输入端，极零补偿电路的输出端连接极性选择的输入端，极性选择的输出端连接成形滤波电路；成形滤波电路的输出端经两级放大连接单道幅度分析器；所述的幅度分析器由单道成形和反符合电路组成；所述的单道成形电路包括有上甄别器与下甄别器并联连接，并分成四个阈值不同的单道，分别为总道、钾道、铀道、钍道。
所述的快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪，还包括有数据采集系统，数据采集系统包括有采集信号进入信号调理电路，信号调理电路的输出端连接高速计数器，高速计数器的输出端连接微处理器的输入端；时钟发生器的输出端分别连接高速计数器与微处理器的输入端；USD通讯控制与微处理器双向连接；微处理器的输出端分别连接LCD显示电路与存储器的输入端；低电压电源通过高压电源转换模块转化为高压电源，高压电源输出端通过高压数据线连接至光电倍增管R7724高压输入端，且低压电源模块为重复充电多次使用的锂离子电池。
所述的快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪，所述的铊激活碘化铯晶体CsI(Tl)的制备方法：为坩埚下降生长法，其步骤为使用纯度为99.999％的CsI粉末，其粒度为50目，装在圆柱型的玻璃坩埚中，放入具有温度梯度的加热炉中，放入温度为850℃，缓慢地下降，下降的速度为1mm/h，在通过加热区域时，坩埚中的材料被熔融，当坩埚持续下降时，坩埚底部的温度先下降到熔点620℃以下，并开始结晶，晶体随坩埚下降而持续长大。
所述的快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪，所述的LCD液晶显示面板上同时四道计数，并依次显示钾道、铀道、钍道、总道四道的计数率；设定测量平均数、测量数、时间参数及显示能谱计数测量结果。
所述的快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪测试方法，其主要特点在于步骤为：首先调节探测器每通道合适的阈值宽度使样品中待测核素全能峰的峰位均置于探测器每个单通道的阈值范围内，开机，按“设置”键，显示屏显示页面目录，按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“1：背光开关”，按“确定”键，操作面板指示灯亮；继续按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“2：平均计数设置”，按“确定”键可以设置测试所需的1～N(1≦N≦9，其中N代表所选平均值的次数)之间的任何数，按“设置”键返回；继续按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“3：测量数设置”，按“确定”键可以设置测试所需的1～N(1≦N≦50，其中N代表所选的测量次数)之间的任何数，谱仪在测量数设定后会连续测试所设定的全部数值自动停止工作，按“设置”键返回；按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“4：时间参数设置”，按“确定”键，根据实验需要设置所需的任何时间，单位为s，按“设置”键返回；按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“5：能谱计数测量”，按“确定”键开始计数测量，在测量的同时按“↑↓”键到记录查询之前所测试的数据，按“设置”键返回；按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“6：记录查询”，按“确定”键，翻查之前所测试的四道数据。钾道、铀道、钍道、总道四通道可同时进行测量，测量方法均同上。
本发明的有益效果：
该γ谱仪具有高精度、能快速测量、方便携带、自动化程度高、实现功能多样性、数据处理智能化、体积小等优点，本发明主要用于测量地面、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。适用于现场测量天然放射性核素，可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。作为一种现场快速分析仪器，测量时间短，分析成本低，因而广泛应用于铀矿勘查及环境辐射监测等方面。
高精度四通道γ谱仪，对每一待测核素的探测均采用单道，通过设置三种待测核素的相应特征γ射线能量合适的能量窗宽度进行测量，因此测量的关键在于设置合适的下阈电平和上阈电平，使其待测核素的全能峰部分被限制在相应能量窗口的宽度内。
本发明γ谱仪探头中使用的CsI(Tl)晶体为中国科学院近代物理研究所自行生长的铊激活的CsI(Tl)晶体，具有密度大、平均原子序数高等特点，从而阻止本领强、探测效率和灵敏度高，可使晶体探头体积减小而更加紧凑；晶体基本不潮解，无需真空封装，具有很好的抗辐照能力，是一种综合性能优良的闪烁晶体；CsI(Tl)晶体没有解理面、具有较强的可塑性，可制成各种形状的探测器，同时能承受猛烈的冲击、震动以及大的环境温度梯度而不会损坏；一般光产额比NaI(Tl)晶体高40％左右，在γ射线能量低于5MeV左右、环境要求比较苛刻的条件下常用CsI(Tl)代替NaI(Tl)晶体，在给定的某一峰总比下，可以采用较小尺寸的CsI(Tl)晶体；由于对γ射线和X射线有较高的探测效率，而被广泛用于高能物理、医疗仪器、宇宙射线探索、安全检测和工业探测等领域。
本发明γ谱仪的采集系统，为智能化的四通道γ能谱仪(DH-1型)，γ谱仪的数据采集系统，早期的便携式仪器自动化程度低、实现功能单一、分散、精度低、数据处理简单、体积大。根据该仪器脉冲数字信号处理的特点，实现便携式铀钍钾含量测量过程的数据自动收集和处理，应用微处理器软硬件处理功能实智能化，同时应用字符显示模块，完成了数据的快速存储和分析处理，实现人机交换的一体化。
该仪器除上述优点外还具有以下特点：电路集成度较高、体积小、携带方便、长期工作性能稳定可靠、测量精度高等特点。本发明γ谱仪四道同时计数，并依次显示钾道、铀道、钍道、总道四道的计数率；可以很方便的设定测量平均数、测量数、时间参数及显示能谱计数测量结果；可允许用户自己设定样品测试程序；测量超出指定范围后，LCD会显示“超出范围”这些信号可用于过程控制和报警；可通过USB接口连接至电脑上，通过一个简单驱动程序即可方便读取四道测量待测样的数据；仪器测量启动时，可以设置测量时间、平均数、测量数及启动能谱计数测量和背光开关等功能；仪器工作时红色指示灯亮，电池低于有效值时绿灯亮。充电时绿指示灯亮，充满电时红灯亮；在测量高含量的样品时，每通道每次测量最大计数不超过65535个，如果超出该计数将会得到错误的数据结果。
附图说明：
图1便携式γ谱仪结构原理框图；
图2信号成形及甄别原理电路框图；
图3(a)成形放大器及幅度分析器电路框图；
图3(b)单道脉冲幅度分析原理结构简图；
图4数据获取系统方框图；
图5探测器液晶操作面板结构简图；
图6便携式探测器样机结构简图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下面对本发明的内容进行详细的说明。
实施例1：见图1，一种快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪，其主要特点在于：探测器的输出信号经过甄别和成形电路后由反符合电路输出至幅度分析器的输入端，幅度分析器输出端连接MCU单片机的输入端，MCU单片机的输出端分别连接幅度分析器的阈调节端和窗调节端，MCU单片机的输出端还分别连接LCD液晶显示面板与键盘，MCU单片机的输出端还通过数据总线连接PC机。
所述的探测器探头的材料为铊激活碘化铯晶体CsI(Tl)。
所述的快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪，还包括有所述窗调节端的窗口宽度是特征γ射线的能量窗口宽度，40K为1.23MeV～1.75MeV，238U为1.57MeV～1.92MeV，232Th为2.17MeV～3.03MeV。
所述的成形放大器为信号输入端连接极零补偿电路的输入端，极零补偿电路的输出端连接极性选择的输入端，极性选择的输出端连接成形滤波电路；成形滤波电路的输出端经两级放大连接单道幅度分析器；所述的幅度分析器由单道成形和反符合电路组成；所述的单道成形电路包括有上甄别器与下甄别器并联连接，并分成四个阈值不同的单道，分别为总道、钾道、铀道、钍道。
所述的快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪，还包括有数据采集系统，数据采集系统包括有采集信号进入信号调理电路，信号调理电路的输出端连接高速计数器，高速计数器的输出端连接微处理器的输入端；时钟发生器的输出端分别连接高速计数器与微处理器的输入端；USD通讯控制与微处理器双向连接；微处理器的输出端分别连接LCD显示电路与存储器的输入端；低电压电源通过高压电源转换模块转化为高压电源，高压电源输出端通过高压数据线连接至光电倍增管R7724高压输入端，且低压电源模块为重复充电多次使用的锂离子电池。
所述的铊激活碘化铯晶体CsI(Tl)的制备方法：为坩埚下降生长法，其步骤为使用纯度为99.999％的CsI粉末，其粒度为50目，装在圆柱型的玻璃坩埚中，放入具有温度梯度的加热炉中，放入温度为850℃，缓慢地下降，下降的速度为1mm/h，在通过加热区域时，坩埚中的材料被熔融，当坩埚持续下降时，坩埚底部的温度先下降到熔点620℃以下，并开始结晶，晶体随坩埚下降而持续长大。
所述的LCD液晶显示面板上同时四道计数，并依次显示钾道、铀道、钍道、总道四道的计数率；设定测量平均数、测量数、时间参数及显示能谱计数测量结果。
本发明采用铊激活碘化铯晶体(CsI(Tl))，耦合日本Hamamatsu公司的高灵敏度光电倍增管R7724，配以前端电子学和数据采集系统，通过能量-峰位的电压线性拟合曲线，计算出40K、238U、232Th特征γ射线的能量窗口宽度分别为1.23～1.75MeV，1.57～1.92MeV，2.17～3.03MeV，研制出测量盐湖卤水中放射性物质K、U和Th含量的高精度四通道γ谱仪。采用钾铀钍系列标样对谱仪进行标定，得到与核工业航测遥感中心的鉴定结果是一致的，实验表明我们新研制的四通道γ谱仪(DH-1型)可用于精确快速测量盐湖卤水中钾、铀钍、含量。
本发明γ谱仪探头中采用的高灵敏度PMT，由于PMT具有高增益、低噪声的特点，并可通过改变光阴极材料实现对不同波长的闪烁光实现较高量子效率的光电转换，这使得PMT在实际应用中成为一种非常重要的可与不同类型的闪烁体配合使用的闪烁光探测器件。其作用过程为核辐射与闪烁体相互作用后，将使闪烁体的原子(分子)激发，处于激发态的原子(分子)退激发时释放出大量荧光光子，荧光光子被收集到达光电倍增管的光阴极后产生光电效应，释放出光电子，光电子在光电倍增管的打拿极上逐级进行倍增，最后到达阳极形成电流，在阳极负载上产生电压信号输出。
本发明γ谱仪测量样品前需进行能量刻度，根据γ射线的能量确定所测谱的峰位，或者根据所测峰位确定γ射线的能量都需要预先对谱仪进行能量刻度。能量刻度仅随γ射线能量的改变而变化，因而可利用脉冲幅度谱中全能峰的位置来刻度能量。由于CsI(Tl)晶体的光输出与γ射线能量之间并不具有严格的正比关系。因此，一般利用一组能量已知的γ源，测出对应能量的全能峰峰位，然后作出能量与全能峰的脉冲幅度的关系曲线。根据待测核素特征射线的能量就可以由已测得的能量刻度曲线计算出该能量所对应的峰值电压。
实施例2：所述的快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪测试方法，其主要特点在于步骤为：首先调节探测器每通道合适的阈值宽度使样品中待测核素全能峰的峰位均置于探测器每个单通道的阈值范围内，开机，按“设置”键，显示屏显示页面目录，按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“1：背光开关”，按“确定”键，操作面板指示灯亮；继续按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“2：平均计数设置”，按“确定”键可以设置测试所需的1～N(1≦N≦9，其中N代表所选平均值的次数)之间的任何数，按“设置”键返回；继续按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“3：测量数设置”，按“确定”键可以设置测试所需的1～N(1≦N≦50，其中N代表所选的测量次数)之间的任何数，谱仪在测量数设定后会连续测试所设定的全部数值自动停止工作，按“设置”键返回；按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“4：时间参数设置”，按“确定”键，根据实验需要设置所需的任何时间，单位为s，按“设置”键返回；按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“5：能谱计数测量”，按“确定”键开始计数测量，在测量的同时按“↑↓”键到记录查询之前所测试的数据，按“设置”键返回；按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“6：记录查询”，按“确定”键，翻查之前所测试的四道数据，钾道、铀道、钍道、总道四通道可同时进行测量，测量方法均同上。
实施例3：见图1，一种快速测量盐湖卤水中铀、钍、钾含量的γ谱仪，其主要特点在于：成形放大器的输出端连接单道幅度分析器(SingleChannelAnalyzer，SCA)的输入端，幅度分析器输出端连接MCU单片机的输入端，MCU单片机的输出端分别连接幅度分析器的阈值调节端，MCU单片机的输出端还分别连接LCD液晶显示面板与键盘，MCU单片机的输出端通过数据总线连接PC机。
本发明主要工作过程把高灵敏度的光电倍增管转换成的电信号经过多功能成形放大器和幅度分析器处理选择送入脉冲数字信号计数，应用微处理器软硬件处理功能实现了谱仪的智能化，同时应用字符显示模块，完成了数据的快速存储和分析处理，最终实现人机交换。
所述的快速测量盐湖卤水中铀、钍、钾含量的γ谱仪，所述的探测器包括有铊激活碘化铯晶体(CsI(Tl))耦合高灵敏度光电倍增管R7724，配以前端电子学见图3和数据采集系统见图4。
所述的快速测量盐湖卤水中铀、钍、钾含量的γ谱仪，还包括有40K、238U、232Th特征γ射线的能量窗口宽度分别为1.23MeV～1.75MeV，1.57MeV～1.92MeV，2.17MeV～3.03MeV。
所述的快速测量盐湖卤水中铀、钍、钾含量的γ谱仪，所述探测器信号输入端连接极零补偿电路的输入端，极零补偿电路的输出端连接极性选择的输入端，极性选择的输出端连接成形滤波电路；成形滤波电路的输出端经两级放大连接单道幅度分析器见图3(a)；所述的幅度分析器由单道成形和反符合电路组成；所述的单道成形电路包括有上甄别器与下甄别器并联连接见图3(b)。.
所述的快速测量盐湖卤水中铀、钍、钾含量的γ谱仪，所述的数据采集系统包括有采集信号进入信号调理电路，信号调理电路的输出端连接高速计数器，高速计数器的输出端连接微处理器的输入端；时钟发生器的输出端分别连接高速计数器与微处理器的输入端；USD通讯控制与微处理器双向连接；微处理器的输出端分别连接LCD显示电路通过数据线与存储器的输入端；低电压电源通过高压电源转换模块转化为高压电源，高压电源输出端通过高压数据线连接至光电倍增管R7724高压输入端见图2。
所述的铊激活碘化铯晶体CsI(Tl)的制备方法：为坩埚下降生长法，其步骤为使用纯度为99.999％的CsI粉末，其粒度为50目，装在圆柱型的玻璃坩埚中，放入具有温度梯度的加热炉中，放入温度为850℃，缓慢地下降，下降的速度为1mm/h，在通过加热区域时，坩埚中的材料被熔融，当坩埚持续下降时，坩埚底部的温度先下降到熔点620℃以下，并开始结晶，晶体随坩埚下降而持续长大。
所述的快速测量盐湖卤水中铀、钍、钾含量的γ谱仪，所述的LCD液晶显示面板上同时四道计数，并显示钾道、铀道、钍道、总道四道的计数率；设定测量平均数、测量数、时间参数及显示能谱计数测量结果见图5。
所述的快速测量盐湖卤水中铀、钍、钾含量的γ谱仪测试方法，其步骤为：首先开机(按下“电源”按钮)，按“设置”键，显示屏显示页面目录，按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“1：背光开关”，按“确定”键，操作面板指示灯亮；继续按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“2：平均计数设置”，按“确定”键可以设置测试所需的1～N(1≦N≦9，其中N代表所选平均值的次数)之间的任何数，按“设置”键返回；继续按按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“3：测量数设置”，按“确定”键可以设置测试所需的1～N(1≦N≦50，其中N代表所选的测量次数)之间的任何数，谱仪在测量数设定后会连续测试所设定的全部数值才会自动停止工作，按“设置”键返回；按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“4：时间参数设置”，按“确定”键，可以根据实验需要设置所需的任何时间(单位为s)，按“设置”键返回；按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“5：能谱计数测量”，按“确定”键开始计数测量，在测量的同时可以按按“↑↓”键到记录查询之前所测试的数据，按“设置”键返回；按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“6：记录查询”，按“确定”键，可以翻查之前所测试的四道数据见图5。
实验例1：见图1，一种快速测量盐湖卤水中铀、钍、钾含量的γ谱仪，由信号的输出端连接成形放大器(ShapingAmplifier)的输入端，成形放大器的输出端连接幅度分析器(SingleChannelAnalyzer，SCA)的输入端，幅度分析器输出端连接MCU单片机的输入端，MCU单片机的输出端分别连接幅度分析器的阈值调节端，MCU单片机的输出端还分别连接LCD液晶显示面板与键盘，MCU单片机的输出端通过数据总线连接PC机。
本发明主要工作过程把高灵敏度的光电倍增管转换成的电信号经过多功能成形放大器和幅度分析器处理选择送入脉冲数字信号计数，应用微处理器软硬件处理功能实现了谱仪的智能化，同时应用字符显示模块，完成了数据的快速存储和分析处理，实现了人机交换。
所述的探测器包括有铊激活碘化铯晶体(CsI(Tl))耦合高灵敏度光电倍增管R7724，配以前端电子学见图3和数据采集系统见图4。
所述的快速测量盐湖卤水中铀、钍、钾含量的γ谱仪，还包括有40K、238U、232Th特征γ射线的能量窗口宽度分别为1.23MeV～1.75MeV，1.57MeV～1.92MeV，2.17MeV～3.03MeV。
所述信号由输出端连接极零补偿电路的输入端，极零补偿电路的输出端连接极性选择的输入端，极性选择的输出端连接成形滤波电路；成形滤波电路的输出端经两级放大连接幅度分析器；所述的幅度分析器由单道成形和反符合电路组成；见图3所述的单道成形电路包括有上甄别器与下甄别器并联连接。
极零补偿是将CR微分电路放在主放的输入端用来消除输入脉冲的迭加现象，并使它的宽度变窄，提高电路的计数率容量；但由于来自前放的输出自身是一个后沿衰减的信号，经过CR微分后的波形会有一个下冲，因此我们采用极零补偿的技术来抑制下冲。因为在实验过程中如果改变前放的电荷灵敏，例如将反馈电容加大，这时它的输出波形的时间常数也会相应地加大，而对极零补偿τ也要相应地加以改变。通常电路只输出正极性信号。但在实际中，根据光电倍增管所加偏置电压的极性不同其输出信号的极性不同。为了适应+/-极性输入信号的要求，在两级放大电路中加了一级极性选择电路。极性选择电路由一级倒相放大器和选择跳线构成，极性选择通过跳线来实现。根据光电倍增管所加偏置电压的极性输出信号来选择。
经过极零补偿的信号不能直接用于后续设备的，我们必须实现它的波形。经过分析，我们发现尽管这样的波形在实际中无法实现，并且也不适合后续电路的测量要求，但是在理论上指出了信噪比的极限和成形波形的关系。通常用比较简单的实际滤波器来近似，使成形后的波形接近无限宽尖顶脉冲，以获得较好的信噪比，又能适应后续电路的测量要求。高斯波形是具有无限宽的脉冲，而顶部也保持一定的宽度。在实际应用中，为提高计数率，还应减小脉冲宽度，所以我们采用接近高斯型波形的准高斯型(也称半高斯型)。这就需要我们在极零补偿电路后面加上积分电路。试验证明积分的级数越多，半高斯就越对称，器件的噪声越低。
由于输出的脉冲幅度正比于进入辐射探测器的射线的能量，所以，通过幅度分析就可以了解入射射线的能量。通过该电路可使仪器能够有选择性地测量某个能量范围内辐射的强度，或者测量全部入射射线的能谱。系统中我们采用了单道幅度分析器(SingleChannelAnalyzer，SCA)来实现幅度分析与鉴别。它由甄别阈设置、窗宽设置、幅度甄别、幅度分析器的甄别阈值和窗宽可通过手动调节或计算机控制调节，保证鉴别出幅度值大于甄别阈且落在窗宽中的输入信号(即有VTH＜Vi＜VTH+Vwin则幅度分析器产生输出信号，式中Vi为输入信号VTH为甄别阈值，Vwin为窗宽)。阈值和窗宽可以分别进行调节，其调节范围为0～+3.5V，在计算机控制条件下，甄别阈和窗宽的调节与设置通过控制数字电位器实现，阈值和窗宽调节的最小步长设定为10mV。幅度分析器的输出信号为TTL电平，采用了LM393做阈的甄别，它的工作电源电压范围宽，单电源：2～36V，双电源:±1～±18V；消耗电流小，Icc＝0.8mA；输入失调电压小，VIO＝±2mV；共模输入电压范围宽，Vic＝0～Vcc-1.5V；输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容等，见图4。
所述的数据采集系统包括有采集信号进入信号调理电路，信号调理电路的输出端连接高速计数器，高速计数器的输出端连接微处理器的输入端；时钟发生器的输出端分别连接高速计数器与微处理器的输入端；USD通讯控制与微处理器双向连接；微处理器的输出端分别连接LCD显示电路通过数据线与存储器的输入端；低电压电源通过高压电源转换模块转化为高压电源，高压电源输出端通过高压数据线连接至光电倍增管R7724高压输入端。
根据该仪器脉冲数字信号处理的特点，实现便携式钾含量测量过程的数据自动收集和处理，应用MSC1210微处理器软硬件处理功能实现自动控制；使用FM3164设计了一个高速计数器；配合带有I2C总线技术的存储器，实现了数据存储；应用字符显示模块FM204实现数据的显示，实现人机交换的一体化。
所述的快速测量盐湖卤水中铀、钍、钾含量的γ谱仪，所述的铊激活碘化铯晶体(CsI(Tl))的制备方法：为坩埚下降生长法，其步骤为使用纯度为99.999％的CsI粉末，其粒度为50目，装在圆柱型的玻璃坩埚中，放入具有温度梯度的加热炉中，放入温度为850℃，缓慢地下降，下降的速度为1mm/h，在通过加热区域时，坩埚中的材料被熔融，当坩埚持续下降时，坩埚底部的温度先下降到熔点620℃以下，并开始结晶，晶体随坩埚下降而持续长大。
所述的LCD液晶显示面板上同时四道计数，并显示钾道、铀道、钍道、总道四道的计数率；设定测量平均数、测量数、时间参数及显示能谱计数测量结果，见图5。
依据能量窗口的原理，设计的探测器样机由一个自制CsI(Tl)晶体探头和PMT耦合而成。PMT由高压模块(H.V.)供电，加负高压1300V。输出脉冲由主放大器(Amp)实现放大。电压输出脉冲输入单道脉冲幅度分析器(S.C.A)，通过调节单道不同的上阈值ULD和下阈值LLD值来控制能量窗口的宽度，找到所需要放射性同位素γ峰的位置。Scaler为一块模数转换和自动化控制电路板，LCD为液晶显示面板，根据设置的程序可以显示如钾铀钍含量等计数信息；通过键盘(Keyboard)控制还可以输入测量时间以及计算钾铀钍含量需要的参数,实现了人机交换，见图6。
上述快速测量盐湖卤水中铀、钍、钾含量的γ谱仪测试方法，其步骤为：首先开机(按下“电源”按钮)，按“设置”键，显示屏显示页面目录，按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“1：背光开关”，按“确定”键，操作面板指示灯亮；继续按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“2：平均计数设置”，按“确定”键可以设置测试所需的1～N(1≦N≦9，其中N代表所选平均值的次数)之间的任何数，按“设置”键返回；继续按按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“3：测量数设置”，按“确定”键可以设置测试所需的1～N(1≦N≦50，其中N代表所选的测量次数)之间的任何数，谱仪在测量数设定后会连续测试所设定的全部数值才会自动停止工作，按“设置”键返回；按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“4：时间参数设置”，按“确定”键，可以根据实验需要设置所需的任何时间(单位为s)，按“设置”键返回；按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“5：能谱计数测量”，按“确定”键开始计数测量，在测量的同时可以按按“↑↓”键到记录查询之前所测试的数据，按“设置”键返回；按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“6：记录查询”，按“确定”键，可以翻查之前所测试的四道数据，钾道、铀道、钍道、总道四通道可同时进行测量，测量方法均同上。
采用中国科学院近代物理研究所自行生长的铊激活CsI(Tl)晶体，以日本Hamamatsu公司生产的高灵敏度光电倍增管R7724耦合为探头，并配以前端电子学和数据采集系统，通过能量-峰位电压线性拟合曲线计算出40K、238U、232Th特征γ射线合适的能量窗口宽度分别为1.23MeV～1.75MeV，1.57MeV～1.92MeV，2.17MeV～3.03MeV，而研制出一款四道连测盐湖卤水中放射性物质K、U和Th含量的高精度γ谱仪。本发明关键点之一在于采用了中国科学院近代物理研究所自行生长的CsI(Tl)晶体(规格为：Φ50×50)具有密度大、平均原子序数高，不易潮解，光产额较高等优点，从而阻止本领强、探测效率和灵敏度高，可使晶体探头体积减小而更加紧凑；晶体基本不潮解，无需真空封装，具有很好的抗辐照能力，与传统的NaI(Tl)晶体相比，具有更高的探测效率和灵敏度；该γ谱仪发明关键点之二在于前置放大器及幅度分析器，该电路主要由极零补偿、极性选择、滤波成形、单道和反符合五部分组成。在器件的选择上选用了高速、宽带、低噪声以及线性好的运算放大器，幅度分析器在计算机控制条件下，甄别阈和窗宽的调节与设置通过控制数字电位器实现，它的工作电源电压范围宽、消耗电流小、与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容等优点；本发明关键点之三在于考虑到降低功耗和野外现场应用的实际要求，在前端电路的供电电路中引入了小型DC-DC变换模块，以适应单电源供电的要求；本发明关键点之四在于该γ谱仪的数据采集系统，早期的便携式仪器自动化程度低、实现功能单一、分散、精度低、数据处理简单、体积大。根据该仪器脉冲数字信号处理的特点，实现便携式铀钍钾含量测量过程的数据自动收集和处理，应用微处理器软硬件处理功能实智能化，同时应用字符显示模块，完成了数据的快速存储和分析处理，实现人机交换的一体化；便携式快速测量盐湖卤水钾铀钍含量γ谱仪装置，它的电路主要有甄别和成形放大器、单道分析器、以及电源调节控制电路构成。其信号转换过程为γ射线与闪烁体相互作用使晶体中原子或分子电离和激发而产生大量光子，被收集到高灵敏度的光电倍增管(R7724)的光阴极上，转化为光电子在光电倍增管中倍增，在阳极负载上产生电压信号输出，再经前置放大器(OP467)放大，并经过功能多样的成形放大器后，经四路幅度分析器(LM393)进行处理，并输出脉冲数字信号用于计数。应用STC12LE5A微处理器实现仪器的智能化及数据的存储，通过字符显示模块HD204实现人机交换。该仪器具有电路集成度较高、体积小、携带方便、长期工作性能稳定可靠、测量精度高等特点。本发明γ谱仪四道同时计数，并依次显示钾道、铀道、钍道、总道四道的计数率；可以很方便的设定测量平均数、测量数、时间参数及显示能谱计数测量结果；可允许用户自己设定样品测试程序；测量超出指定范围后，LCD会显示“超出范围”这些信号可用于过程控制和报警；可通过USB接口连接至电脑上，通过一个简单驱动程序即可方便读取四道测量待测样的数据；仪器测量启动时，可以设置测量时间、平均数、测量数及启动能谱计数测量和背光开关等功能；仪器工作时红色指示灯亮，电池低于有效值时绿灯亮。充电时绿指示灯亮，充满电时红灯亮；在测量高含量的样品时，每通道每次测量最大计数不超过65535个，如果超出该计数将会得到错误的数据结果。
使用时，首先开机(按下“电源”按钮)，按“设置”键，显示屏显示页面目录，按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“1：背光开关”，按“确定”键，操作面板指示灯亮；继续按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“2：平均计数设置”，按“确定”键可以设置测试所需的1～N(1≦N≦9，其中N代表所选平均值的次数)之间的任何数，按“设置”键返回；继续按按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“3：测量数设置”，按“确定”键可以设置测试所需的1～N(1≦N≦50，其中N代表所选的测量次数)之间的任何数，谱仪在测量数设定后会连续测试所设定的全部数值才会自动停止工作，按“设置”键返回；按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“4：时间参数设置”，按“确定”键，可以根据实验需要设置所需的任何时间(单位为s)，按“设置”键返回；按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“5：能谱计数测量”，按“确定”键开始计数测量，实例测量条件设置为：使用铅块进行简单屏蔽，把钾铀钍系列标样分别置于探头前，钾样测量时间设为300s，铀钍样测量时间设为600s，测量结果见表1，表2，表3。
表1钾标样测量值与标准值的对比结果
待测标样编号 D1 D2 D3
钾样标准值(g) 3.49 12.96 23.51
钾样测量值(g) 3.34 12.67 23.68
相对误差(％) -4.29 -2.24 +0.72
表2铀标样测量值与标准值的对比结果
待测标样编号 GBW04301 GBW04302a GBW04303
铀样标准值(g) 0.104 0.435 1.331
铀样测量值(g) 0.1165 0.4179 1.3356
相对误差(％) +12.01 -3.93 +0.34
表3为钍标样测量值与标准值的对比结果
待测标样编号 GBW04309a GBW04308 GBW04307a
钍样标准值(g) 0.066 0.341 1.152
钍样测量值(g) 0.0692 0.3365 1.1531
相对误差(％) +4.80 -1.31 +0.09
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪，其特征在于：探测器的输出信号经过甄别和成形电路后由反符合电路输出至幅度分析器的输入端，幅度分析器输出端连接MCU单片机的输入端，MCU单片机的输出端分别连接幅度分析器的阈调节端和窗调节端，MCU单片机的输出端还分别连接LCD液晶显示面板与键盘，MCU单片机的输出端还通过数据总线连接PC机。
2.如权利要求1所述的快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪，其特征在于：所述的探测器探头的材料为铊激活碘化铯晶体CsI(Tl)。
3.如权利要求1所述的快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪，其特征在于：还包括有所述窗口调节端的宽度是特征γ射线的能量窗口宽度，40K为1.23MeV～1.75MeV，238U为1.57MeV～1.92MeV，232Th为2.17MeV～3.03MeV。
4.如权利要求1所述的快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪，其特征在于：所述的成形放大器为信号输入端连接极零补偿电路的输入端，极零补偿电路的输出端连接极性选择的输入端，极性选择的输出端连接成形滤波电路；成形滤波电路的输出端经两级放大连接单道幅度分析器；所述的幅度分析器由单道成形和反符合电路组成；所述的单道成形电路包括有上甄别器与下甄别器并联连接，并分成四个阈值不同的单道，分别为总道、钾道、铀道、钍道。
5.如权利要求1所述的快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪，其特征在于：还包括有数据采集系统，数据采集系统包括有采集信号进入信号调理电路，信号调理电路的输出端连接高速计数器，高速计数器的输出端连接微处理器的输入端；时钟发生器的输出端分别连接高速计数器与微处理器的输入端；USD通讯控制与微处理器双向连接；微处理器的输出端分别连接LCD显示电路与存储器的输入端；低电压电源通过高压电源转换模块转化为高压电源，高压电源输出端通过高压数据线连接至光电倍增管R7724高压输入端，且低压电源模块为重复充电多次使用的锂离子电池。
6.如权利要求2所述的快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪，其特征在于：所述的铊激活碘化铯晶体CsI(Tl)的制备方法：为坩埚下降生长法，其步骤为使用纯度为99.999％的CsI粉末，其粒度为50目，装在圆柱型的玻璃坩埚中，放入具有温度梯度的加热炉中，放入温度为850℃，缓慢地下降，下降的速度为1mm/h，在通过加热区域时，坩埚中的材料被熔融，当坩埚持续下降时，坩埚底部的温度先下降到熔点620℃以下，并开始结晶，晶体随坩埚下降而持续长大。
7.如权利要求1所述的快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪，其特征在于：所述的LCD液晶显示面板上同时四道计数，并依次显示钾道、铀道、钍道、总道四道的计数率；设定测量平均数、测量数、时间参数及显示能谱计数测量结果。
8.如权利要求1所述的快速测量盐湖卤水中铀钍钾含量的γ谱仪测试方法，其特征在于步骤为：首先调节探测器每通道合适的阈值宽度使样品中待测核素全能峰的峰位均置于探测器每个单通道的阈值范围内，开机，按“设置”键，显示屏显示页面目录，按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“1：背光开关”，按“确定”键，操作面板指示灯亮；继续按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“2：平均计数设置”，按“确定”键可以设置测试所需的1～N(1≦N≦9，其中N代表所选平均值的次数)之间的任何数，按“设置”键返回；继续按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“3：测量数设置”，按“确定”键可以设置测试所需的1～N(1≦N≦50，其中N代表所选的测量次数)之间的任何数，谱仪在测量数设定后会连续测试所设定的全部数值自动停止工作，按“设置”键返回；按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“4：时间参数设置”，按“确定”键，根据实验需要设置所需的任何时间，单位为s，按“设置”键返回；按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“5：能谱计数测量”，按“确定”键开始计数测量，在测量的同时按“↑↓”键到记录查询之前所测试的数据，按“设置”键返回；按“↑↓”键，使得图标闪烁移动到“6：记录查询”，按“确定”键，翻查之前所测试的四道数据。
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