CN105487100A - 固定式塑料晶体测钾仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固定式塑料晶体测钾仪，包括：主探测器、反符合探测器、测量控制单元以及监控计算机；其中，主探测器用于即时取样探测⁴⁰K衰变时放射的1.32MeV的β射线，并生成脉冲信号；反符合探测器用于当主探测器探测β射线时，降低宇宙射线中μ子以及环境辐射产生的本底辐射；测量控制单元用于将所述脉冲信号进行放大和甄别，测量并记录所述本底辐射和脉冲计数率，并将记录的本底辐射和脉冲计数率通过测量控制单元内置的标准曲线计算以显示钾离子的含量；标准曲线是指脉冲计数率与钾样品中钾离子的含量的关系曲线；监控计算机用于对所述测量控制单元进行操作与监控。所述固定式塑料晶体测钾仪具有测试下限更低、相对误差更小的优点。

Description

固定式塑料晶体测钾仪

技术领域

本发明属于钾元素测量技术领域，具体地讲，涉及一种固定式塑料晶体测钾仪。

背景技术

在盐湖开发、钾矿勘探和钾肥生产过程中，如何快速测定钾矿、卤水、油田水或钾肥中钾离子的含量，至今国内外仍无有效的测量方法。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，有些测量只能在实验室进行，携带不变，而且分析、测试所需时间长，不能满足钾盐的加工生产现场需求。

采用传统的化学分析方法时间较长，用仪器分析在野外又难以做到，离子选择电极等仪器又必须用化学方法前期处理所测样品。国外公司生产出的放射性仪器只能用在特定的场合且测量精度难以达到要求。

对于盐湖卤水的实际情况，现在一般采用放射性测钾方法，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的衰变过程中有两个分支，β衰变分支比为89.25％，伴随着其β衰变，发射最大能量为1.33MeV的β射线，鉴于β衰变的特点，β能谱连续，在其最大能量以下均有分布。⁴⁰K的另一衰变分支-轨道电子俘获，其中衰变到子核1.46MeV激发态的分支比为10.55％，该激发态退激发时发射能量为1.46MeV的γ射线，没有内转换电子发射。如图1所示，从⁴⁰K的衰变纲图可以看出，⁴⁰K发射β射线的总量约为发射γ射线总量的8.46倍，因此可以测量伴随⁴⁰K衰变发射的β射线来测定待测样品中钾的含量。

基于上述测试原理，可采用气体探测器(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。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。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种固定式塑料晶体测钾仪，所述固定式塑料晶体测钾仪其中的闪烁体的尺寸较大，使得测试的相对误差更小，不超过1％，精度更为准确。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种固定式塑料晶体测钾仪，所述固定式塑料晶体测钾仪包括：主探测器、反符合探测器、测量控制单元以及监控计算机；所述主探测器用于即时取样探测⁴⁰K衰变时放射的1.32MeV的β射线，并生成脉冲信号；所述反符合探测器用于当所述主探测器探测β射线时，降低宇宙射线中μ子以及环境辐射所产生的本底辐射；所述测量控制单元用于将所述脉冲信号进行放大和甄别，测量并记录所述本底辐射和脉冲计数率，并将所述脉冲数和所述本底辐射通过所述测量控制单元内置的标准曲线计算以显示钾离子的含量；所述标准曲线是指所述脉冲计数率与钾样品中钾离子的含量的关系曲线；所述监控计算机用于对所述测量控制单元进行操作与监控。

进一步地，所述主探测器包括：闪烁体、反射器、光电倍增管以及前置放大器；所述闪烁体用于与射入其内的β射线发生光电效应后产生光子；所述反射器用于收集所述光子，并将所述光子汇集至所述光电倍增管的光阴极处；所述光电倍增管用于接收所述光子，并将所述光子转换为脉冲信号；所述前置放大器用于放大所述脉冲信号。

进一步地，所述反射器具有通孔，所述通孔的内壁表面设置有反射层，所述通孔具有相对设置的大开口和小开口；其中，所述光电倍增管的光阴极设置于所述小开口处，所述闪烁体设置于所述大开口处。

进一步地，所述反射层的厚度为0.5mm，所述反射层的材料为TiO₂。

进一步地，所述闪烁体为厚度Φ1.5mm、直径Φ100mm的塑料晶体。

进一步地，所述固定式塑料晶体测钾仪还包括：套设于所述主探测器和所述反符合探测器之外的屏蔽室。

进一步地，所述屏蔽室包括：下屏蔽室，所述下屏蔽室包括侧壁具有第一安装孔的基座，以及插设于所述第一安装孔处的屏蔽块；其中，所述下屏蔽室用于容纳所述反符合探测器；上屏蔽室，所述上屏蔽室设置于所述下屏蔽室的上方，所述上屏蔽室由若干屏蔽环依次叠层而成，所述上屏蔽室的顶端具有第二安装孔；其中，所述上屏蔽室用于容纳所述主探测器；样品室，所述样品室插设于所述下屏蔽室的邻近于所述上屏蔽室的端部；屏蔽盖，所述屏蔽盖设置于所述上屏蔽室上方，用于盖合所述第二安装孔。

进一步地，所述屏蔽室的厚度不小于2cm，所述屏蔽室的材料为铅板。

进一步地，所述测量控制单元包括信号处理单元和单片机；所述信号处理单元用于将所述脉冲信号进行放大和甄别，测量并记录所述本底辐射和所述脉冲计数率；所述单片机用于将记录的所述本底辐射和所述脉冲数通过所述信号处理单元内置的标准曲线计算并显示钾离子的含量。

进一步地，所述标准曲线根据测定若干已知钾离子的含量的标准样品来确定；所述标准曲线的斜率的计算方法为：K＝(N_T-N_B)/C；其中，N_T表示标准样品中⁴⁰K的脉冲计数率，N_B表示所述本底辐射的本底计数率，C表示标准样品中钾离子的含量。

本发明的有益效果在于：

该固定式塑料晶体测钾仪采用测量⁴⁰K衰变产生的β射线来测定钾的含量，即用主探测器来对β射线进行测定，克服了G-M管存在的效率低、易碎、探测面积小、稳定性能差的问题。与G-M管探测器相比，本发明的闪烁体以塑料晶体为材料，使探测下限更低，可以测定含钾量很低的样品(最小可测定质量百分数为0.9533％的样品，以KCl计)；与此同时，大尺寸的闪烁体以及屏蔽室还可有效降低测试的相对误差，使之降至不超过1％。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是⁴⁰K的衰变纲图；

图2是根据本发明的实施例的固定式塑料晶体测钾仪的结构示意图；

图3是根据本发明的实施例的主探测器的结构示意图；

图4是图3中A区域的局部放大图；

图5是根据本发明的实施例的屏蔽室的结构爆炸图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。

将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开来。

图2是根据本发明的实施例的固定式塑料晶体测钾仪的结构示意图。

具体参照图2，根据本实施例的固定式塑料晶体测钾仪包括主探测器1、反符合探测器2、测量控制单元3、监控计算机4以及屏蔽室5；其中，主探测器1用于即时取样探测⁴⁰K衰变时放射的1.32MeV的β射线，并生成脉冲信号；测量控制单元3用于将所述脉冲信号进行放大和甄别，测量并记录本底辐射和脉冲计数率，并将记录的本底辐射和脉冲计数率通过测量控制单元3内置的标准曲线计算并显示钾含量数值，所述标准曲线为所述脉冲计数率与钾样品含量的关系曲线；监控计算机4用于对测量控制单元3进行操作与监控；而反符合探测器2则用于当所述主探测器1探测β射线时，降低宇宙射线中μ子以及环境辐射所产生的所述本底辐射。屏蔽室5套设于所述主探测器2以及反符合探测器2外部，以保证在进行测量时，可在一定程度上屏蔽阻挡外界杂质的影响。

具体地，参照图3所示，本实施例的主探测器1包括：闪烁体11、反射器12、光电倍增管13以及前置放大器14；其中，闪烁体11用于与射入其内的β射线发生光电效应后产生光子；反射器12用于收集所述光子，并将该光子汇集至光电倍增管13的光阴极131处；光电倍增管13用于接收所述光子，并将该光子转换为脉冲信号；而前置放大器14用于放大所述脉冲信号。所述主探测器1以闪烁体11及光电倍增管13作为主要探测元件，使该固定式塑料测钾仪具有对β射线探测效率高、对γ射线不灵敏的特性，从而提高了测量结果精确度。

优选地，本实施例的闪烁体11的材料为塑料晶体；且所述闪烁体11的尺寸较大，为Φ1.5mm(厚度)×Φ100mm(直径)。大尺寸的闪烁体11能够提高测试精确度，降低误差。

具体参照图4，反射器12具有通孔121，且该通孔121的上下两端分别具有一大一小两个开口(图中未示出)，其中所述光电倍增管13的光阴极131即设置于小开口处，而上述大尺寸的闪烁体11即设置于大开口处；通孔121的内壁表面上还设置有反射层122；也就是说，所述反射器12呈喇叭状，该喇叭的小口对应光电倍增管13的光阴极131，而其大口对应闪烁体11。更为具体地，本实施例的反射层122为0.5mm厚的TiO₂膜。如此，该反射器12即可对位于大开口处的闪烁体11发射的光子进行收集，并经其中发射层122的反射作用，均汇集至位于小开口处的光电倍增管13的光阴极131，从而光电倍增管13可将上述光子转换为脉冲信号。从而上述大尺寸的闪烁体11所发射的光子均可进入光电倍增管13内而无损失，保证了测量的准确度。

具体参照图5所示，本实施例的屏蔽室5包括相对的下屏蔽室51和上屏蔽室52、插设于所述下屏蔽室51靠近上屏蔽室52的端部的样品室53、以及设置于所述上屏蔽室52顶部的屏蔽盖54。

具体地，下屏蔽室51包括侧壁具有第一安装孔5111的基座511，以及插设于所述第一安装孔5111处的屏蔽块512；其中，所述下屏蔽室51用于容纳反符合探测器2。

本实施例中，屏蔽块512有四块，当反符合探测器2经由第一安装孔5111置入基座511内，将所述四块屏蔽块512依次叠层，即可将第一安装孔5111完全填满，基座511与屏蔽块512拼接形成一整体。

上屏蔽室52由若干屏蔽环521依次叠层而成，本实施例中，屏蔽环521的个数为四个；所述上屏蔽室52的顶端具有第二安装孔522。当四个屏蔽环521依次叠层后，主探测器1经由第二安装孔522置于上屏蔽室52中，最后将屏蔽盖54盖合在第二安装孔522上，使所述主探测器1完全被屏蔽。

优选地，为了保证屏蔽室5对主探测器1以及反符合探测器2具有良好的屏蔽效果，屏蔽室5由厚度不小于2cm的铅板制成。

所述测量控制单元3包括信号处理单元和单片机；信号处理单元用于将所述主探测器1探测生成的脉冲信号进行放大和甄别，测量并记录所述本底辐射和脉冲计数率；所述单片机用于将记录的本底辐射和脉冲计数率通过其内置的标准曲线计算并显示钾含量数值。

所述标准曲线根据测定若干已知钾离子含量的标准样品来确定；所述标准曲线的斜率的计算方法为：

K＝(N_T-N_B)/C

其中，N_T表示标准样品中⁴⁰K的脉冲计数率，N_B表示所述本底辐射的本底计数率，C表示标准样品中钾离子的含量。

本发明的固定式塑料晶体测钾仪基于对钾的天然放射性同位素⁴⁰K的特征β射线的测量，来实现对钾含量的测定。伴随核衰变发射的β射线进入闪烁体11内，与闪烁体11发生光电效应，使闪烁体11内的分子激发，在退激过程中产生光子，这些光子被收集到光电倍增管13的光阴极131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13的倍增，最终在光电倍增管13的阳极(图中未示出)得到一个几毫伏到几伏的脉冲信号，再通过前置放大器14，将所述脉冲信号放大，然后将该脉冲信号通过信号处理单元进行再次放大并进行甄别，并记录测量本底辐射和脉冲计数率，由单片机控制该本底辐射和脉冲计数率的记录，并通过其显示测量得到钾离子的含量。

本实施例的固定式塑料晶体测钾仪，具有很好的探测效率和测量精度；仪器对工作环境要求低，可以适用于固体样品的测量；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。

值得说明的是，由于β射线的射程相对较小，所以通过调整闪烁体11的厚度，可以有效的去除γ射线对其的干扰，最终可得到被测样品中钾离子的含量。

本发明的固定式塑料晶体测钾仪的主要技术指标与性能如下：

(1)工作温度：0℃～35℃，工作湿度：≤95％；

(2)被测样品：钾盐生产过程中盐田光卤石矿、洗涤工段半成品钾肥以及成品钾肥；

(3)测试范围：0.9533％～100％(按KCl质量百分数计)；

(4)测试灵敏度：0.9533％(以KCl的质量百分数计)；

(5)测试相对误差：≤1％。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (10)

1.一种固定式塑料晶体测钾仪，其特征在于，所述固定式塑料晶体测钾仪包括：主探测器、反符合探测器、测量控制单元以及监控计算机；所述主探测器用于即时取样探测⁴⁰K衰变时放射的1.32MeV的β射线，并生成脉冲信号；所述反符合探测器用于当所述主探测器探测β射线时，降低宇宙射线中μ子以及环境辐射所产生的本底辐射；所述测量控制单元用于将所述脉冲信号进行放大和甄别，测量并记录所述本底辐射和脉冲计数率，并将所述本底辐射和所述脉冲计数率通过所述测量控制单元内置的标准曲线计算以显示钾离子的含量；所述标准曲线是指所述脉冲计数率与钾样品中钾离子的含量的关系曲线；所述监控计算机用于对所述测量控制单元进行操作与监控。

2.根据权利要求1所述的固定式塑料晶体测钾仪，其特征在于，所述主探测器包括：闪烁体、反射器、光电倍增管以及前置放大器；所述闪烁体用于与射入其内的β射线发生光电效应后产生光子；所述反射器用于收集所述光子，并将所述光子汇集至所述光电倍增管的光阴极处；所述光电倍增管用于接收所述光子，并将所述光子转换为所述脉冲信号；所述前置放大器用于放大所述脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的固定式塑料晶体测钾仪，其特征在于，所述反射器具有通孔，所述通孔的内壁表面设置有反射层，所述通孔具有相对设置的大开口和小开口；其中，所述光电倍增管的光阴极设置于所述小开口处，所述闪烁体设置于所述大开口处。

4.根据权利要求3所述的固定式塑料晶体测钾仪，其特征在于，所述反射层的厚度为0.5mm，所述反射层的材料为TiO₂。

5.根据权利要求3所述的固定式塑料晶体测钾仪，其特征在于，所述闪烁体为厚度Φ1.5mm、直径Φ100mm的塑料晶体。

6.根据权利要求1-5任一所述的固定式塑料晶体测钾仪，其特征在于，所述固定式塑料晶体测钾仪还包括：套设于所述主探测器和所述反符合探测器之外的屏蔽室。

7.根据权利要求6所述的固定式塑料晶体测钾仪，其特征在于，所述屏蔽室包括：

下屏蔽室，所述下屏蔽室包括侧壁具有第一安装孔的基座，以及插设于所述第一安装孔处的屏蔽块；其中，所述下屏蔽室用于容纳所述反符合探测器；

上屏蔽室，所述上屏蔽室设置于所述下屏蔽室的上方，所述上屏蔽室由若干屏蔽环依次叠层而成，所述上屏蔽室的顶端具有第二安装孔；其中，所述上屏蔽室用于容纳所述主探测器；

样品室，所述样品室插设于所述下屏蔽室的邻近于所述上屏蔽室的端部；

屏蔽盖，所述屏蔽盖设置于所述上屏蔽室上方，用于盖合所述第二安装孔。

8.根据权利要求6所述的固定式塑料晶体测钾仪，其特征在于，所述屏蔽室的厚度不小于2cm，所述屏蔽室的材料为铅板。

9.根据权利要求6所述的固定式塑料晶体测钾仪，其特征在于，所述测量控制单元包括信号处理单元和单片机；所述信号处理单元用于将所述脉冲信号进行放大和甄别，测量并记录所述本底辐射和所述脉冲计数率；所述单片机用于将记录的所述本底辐射和所述脉冲计数率通过所述测量控制单元内置的标准曲线计算并显示钾离子的含量。

10.根据权利要求1所述的固定式塑料晶体测钾仪，其特征在于，所述标准曲线根据测定若干已知钾离子的含量的标准样品来确定；所述标准曲线的斜率的计算方法为：

K＝(N_T-N_B)/C

其中，N_T表示标准样品中⁴⁰K的脉冲计数率，N_B表示所述本底辐射的本底计数率，C表示标准样品中钾离子的含量。