CN109406553B - 一种γ吸收法测定浓度的在线测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种γ吸收‑模拟标准加入法测定浓度的在线测量装置及及测量方法，利用不同模拟片代表不同浓度的标准，利用转盘在样品测量中加入和替换模拟片。转盘旋转一周既可检测样品，又可检测样品的背景，还测到了同一样品中加入不同已知浓度的模拟标准；根据标准加入法的推导，可算出样品含量。实现样品的模拟标准加入法测定。

Description

一种γ吸收法测定浓度的在线测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种在线测量装置，更特别地涉及一种γ吸收法测定浓度的在线测量装置及测量方法。

背景技术

γ吸收法是利用γ射线在物质辐射时呈指数衰减，遵循郎伯-比尔定律。γ吸收在线监测物质浓度是一种传统的分析方法，常用于高温、高压、强腐蚀、剧毒、深冷、强放射性等环境中油、酸、碱、盐等物料的密度测量。这些在恶略环境中，常规仪器仪表是难以胜任的。

γ吸收在线分析装置主要由放射源、流通管道和探测器组成。将放射源和探测器安装在流通管道的两侧，通过测量γ射线在透过管道前后的γ计数率，在预先绘制的标准溶液-计数率关系曲线上获取管道中样品的浓度信息。为使所测数据准确、可信，需要定期用标准溶液对在线分析装置进行标定。但是与真实样品状况一致的标准溶液很难配制，导致测量结果与实际值偏离。而且标定时需要不同浓度标准溶液，各浓度间还需清洗管道，特别繁琐。当γ吸收法用于放射性较强的物料的在线测量时，还需要对样品和环境的放射性本底进行校准。但是目前的在线测量对于放射性本底的校准是固定值(测量前先测样品本底，测量中一直使用该值作为放射性本底)，而实际情况是工艺料液和环境的本底是随时千变万化的，现有的方法无法及时发现本底的变化并对其进行校准，导致测量结果不准确。因此，这种既不准确又繁琐还不安全的校准、刻度方式亟待改进。

发明内容

本发明的目的是利用γ吸收法测量样品浓度的原理研制一种无需定期用标准溶液校准、样品和模拟标准同时测量的在线分析装置，用于样品浓度的测量。

优选地，根据本发明的一种γ吸收法测定浓度的在线测量装置，其特征在于包括：手套箱、平底圆筒、筒盖、放射源系统、转盘系统、流通样品池、探测系统、计算系统及控制系统；其中平底圆筒通过法兰套装在手套箱中；筒盖为不锈钢材质，覆盖在平底圆筒外侧；所述放射源系统、转盘系统安装在平底圆筒内；平底圆筒内壁设置有支撑板安装托，支撑板通过支撑板安装托定位在支承位置；所述放射源系统、所述转盘系统安装在支撑板上；所述探测系统安装在手套箱上、与平底圆筒相反的一侧；计算系统用于根据测量结果计算样品浓度；控制系统包括控制面板以及与转盘系统电信连接的控制器。

优选地，所述转盘系统包括电机、电机轴、轴套法兰盘、转盘、模拟片；所述电机通过法兰安装在支撑板正面；所述电机轴穿过所述支撑板，电机轴尾端用轴销连接所述轴套法兰盘；所述转盘的上底面开有轴套法兰盘槽，以容纳轴套法兰盘；所述电机驱动电机轴带动所述轴套法兰盘以及所述转盘实现转动。

优选地，所述支撑板的反面安装有光电开关，光电开关中形成倒U形槽，倒U形槽开口的大小适于所述转盘转动通过，光电开关与所述控制器电信连接。

优选地，所述放射源系统包括源盒以及设置在其中的放射源；源盒通过法兰连接嵌装在支撑板中，放射源设置在支撑板背面，向着所述转盘进行放射。

优选地，所述平底圆筒底部对应于模拟片安装孔的位置设置有测量窗，所述流通样品池固定连接在平底圆筒底部并位于测量窗外侧。

优选地，所述探测系统包括探测器套筒支架以及探测器套筒，探测器套筒支架设置在手套箱内靠近探测器套筒一侧，用以支承探测器套筒，所述支架同时调整探测器套筒内所安装的探测器的测量位置和探测方向。

优选地，所述转盘上设置有模拟片安装孔、空孔、铅片孔、遮光片安装孔；其中遮光片安装孔位于转盘上的遮光槽内，遮光片一端用沉头螺丝固定在遮光片槽内，另一端伸出转盘侧面，且遮光片随转盘一起转动；模拟片安装孔用以安装模拟片，模拟片至少设置两片；空孔设置为穿透转盘的通孔；铅片孔用以放置圆形铅片；其中模拟片安装孔、空孔、铅片孔沿着转盘的圆周均匀分布，且孔径相同；模拟片设置为具有一定吸收效果的金属或非金属材质、质量均匀的圆形片材，不同厚度模拟片表征不同的模拟浓度。

优选地，(1)测量准备：将铅片放入转盘中铅片孔内，并根据需要选择多个模拟片放入转盘中模拟片孔内；控制器根据控制面板输入的启动信号而启动转盘转动、放射源系统开始发出γ射线，进行测量；

(2)获取溶剂的初始I₀数据：转盘转到空孔对准放射源的0位置，流通池内充满溶剂，测量放射源γ射线透过溶剂后的信号强度I₀；

(3)获取流通样品池中需测样品其本底的信号强度：转盘转到铅片对准放射源的r位置，测量需测样品的本底I_r；

(4)获取流通样品池中需测样品的信号强度：转盘转到空孔对准放射源的0位置，测量放射源γ射线透过样品后的信号强度I_n0；计算系统根据信号强度I_n0通过公式A_n0＝lg[I₀/(I_n0-I_r)]计算需测样品的吸光度，控制系统根据该吸光度进一步从已放置的模拟片中选择至少两个模拟片进行下一步测量；

(5)获取需测样品+模拟片的信号强度：转盘转到相应模拟片对准放射源的位置，测量放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度I_n1～I_n2/I_n3～I_n4；计算系统根据数据组(lg[I₀/(I_n0-I_r)]，c_m0)，(lg[I₀/(I_n1-I_r)]，c_m1)，(lg[I₀/(I_n2-I_r)]，c_m2)或者数据组lg[I₀/(I_n0-I_r)]，c_m0)，lg[I₀/(I_n3-I_r)]，c_m3)，(lg[I₀/(I_n4-I_r)]，c_m4)拟合标准加入曲线，进而计算需测样品浓度；

当所述模拟片代表的浓度为c_m0时，放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度为I_n0；

当所述模拟片代表的浓度为c_m1时，放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度为I_n1；

当所述模拟片代表的浓度为c_m2时，放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度为I_n2；

当所述模拟片代表的浓度为c_m3时，放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度为I_n3；

当所述模拟片代表的浓度为c_m4时，放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度为I_n4；

(6)转盘复位：控制系统根据计算系统的计算结束信号，转回到铅片对准放射源的r位置，完成测量。

本发明中涉及的装置是根据γ吸收法的测量过程设计的，利用不同厚度模拟片代表不同浓度的标准样品，利用转盘在样品测量中加入和替换模拟片。转盘的模拟片安装孔分别为空孔、铅片、模拟片。空孔用以测量放射源γ射线经过样品吸收后的γ信号强度I_n0；铅片用以挡住放射源γ射线，测量样品自身γ信号背景I_r；模拟片用以测量放射源γ射线经过模拟标准和样品吸收后的γ信号强度I_n1～I_n4。转盘旋转一周既测到了样品，又测到了样品的背景，还测到了同一样品中加入不同已知浓度的模拟标准；根据标准加入法的推导，可算出样品含量。实现样品的模拟标准加入法测定。

附图说明

图1为根据本发明的装置的示意图。

图2为根据本发明的装置的转盘局部细节示意图。

图3为根据本发明的转盘的示意图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

参照图1-3，根据发明的γ吸收法测定浓度的在线测量装置包括：手套箱1、平底圆筒2、筒盖3、放射源系统、转盘系统、流通池、探测系统、计算系统及控制系统(图中未示出)。其中平底圆筒2套装在手套箱中，筒盖3覆盖在平底圆筒2外侧。放射源系统、转盘系统安装在平底圆筒2内。为了给转盘系统提供支撑，在平底圆筒2内壁设置有安装托10固定支撑板9，设有定位台使放射源对准测量窗。放射源系统、转盘系统固定在支撑板9上，安装进平底圆筒内。流通池紧贴测量窗，探测系统安装在流通池另一侧。计算系统用于根据测量结果计算样品浓度；控制系统包括控制面板以及与转盘系统电信连接的控制器。

转盘系统包括电机6、电机轴5、轴套法兰盘4、转盘11。电机6过法兰安装(图1中未示出)在支撑板9正面；电机轴5穿过支撑板9，电机轴5尾端用轴销(图1中未示出)连接轴套法兰盘4，转盘11的上底面开有轴套法兰盘槽，以容纳轴套法兰盘4。电机6驱动电机轴5带动轴套法兰盘4以及转盘11实现转动。

支撑板9的反面安装有光电开关18，光电开关中形成倒U形槽，U形槽开口的大小适于转盘转动通过。

转盘系统集成在平底圆筒中，主要功能是实现电机带动转盘上的模拟片转动；通过光电开光18确认转盘转动的起始位置，调整转动角度挑选转盘11上的模拟片12；固定转盘系统的各部件，给γ射线提供准直的测量通道。

如图3所示，转盘11上设置有模拟片安装孔1101、空孔1102、铅片孔1103、遮光片安装孔1701。

模拟片安装孔用以安装模拟片12，标准加入法测量过程中模拟片至少使用两片，如图3所示的实施方式中，模拟片设置为四片。在测量期间，需要测量放射源γ射线经过模拟标准和样品吸收后的γ信号强度I_n1～I_n4。

空孔设置为穿透转盘的通孔，测量期间，需要测量放射源γ射线经过样品吸收后的γ信号强度I_n0。

铅片孔用以放置圆形铅片，测量期间，铅片转至γ射线射出方向时，挡住放射源γ射线，由此可以测量样品自身γ信号背景I_r。

模拟片安装孔、空孔、铅片孔沿着转盘的圆周均匀分布，且孔径相同；模拟片设置为有一定吸收效果的固体金属或非金属、质量均匀的圆形片材，不同厚度模拟片表征不同的模拟浓度。

遮光片安装孔1701位于转盘上的遮光槽1702内，遮光片17一端用沉头螺丝固定在遮光片槽内，另一端伸出转盘侧面，且遮光片随转盘一起转动。优选地，该伸出间距为10mm。遮光片随转盘一起转动，当遮光片通过光电开关的倒U形槽时，光电信号被阻断，据此判断转盘所处位置。

根据本发明的测量原理为：

假定样品浓度为n，模拟片代表的浓度为c_m(仪器安装前标定)，加入模拟片后的样品含量是(c_m+n)，I₀为γ射线照射溶剂的射线强度，I_r为样品自身和环境的射线强度，I_n为γ射线穿过样品溶液及模拟片后的射线强度，由测量获取。则样品与模拟片的总吸光度A_n＝lg[I₀/(I_n-I_r)]。通过测量不同模拟片与样品的总吸光度A_n，拟合A_n与c_m的关系：

A_n＝lg[I₀/(I_n-I_r)]＝k(c_m+n)+b_n (1)

当A_n＝0时，c_m+n＝-b_n/k (2)

当c_m＝0时，n＝-b_n/k (3)

其中，I₀、c_m已知，I_r、I_n测量时获取，通过拟合几组数据，得到拟合曲线的斜率k与截距b_n，从而计算出样品浓度n。

这是本方法测定样品浓度的理论依据。

γ吸收法的测量过程需要经过采集样品自身的γ信号强度I_r、放射源γ射线透过样品的γ信号强度I_n0、放射源γ射线透过样品+模拟片的信号强度I_n(2个模拟片)等的4次采集。

若采用100mCi镅源时，测量时间在2min内，能满足在线分析的时效性要求。

若放射源强度低于20mCi，则整个标准加入法的测量过程在4min以上，时间较长，影响测量结果的时效性。此时的监控方案可以调整为：先完成一次标准加入法的测量过程，得到样品中铀的准确浓度n以及样品的吸光度A_n＝lg(I₀/I_n0)；然后监控样品的I_r和A_n0＝lg[I₀/(I_n0-I_r)]值，若A_n0的测量偏差低于的5％，认为样品浓度即为n；若A_n0的测量偏差超过5％，则再次启用标准加入法的测量过程，得到样品中的新浓度；重复以上的测量过程。

根据本发明的测量方法，包括如下步骤：

(1)测量准备：将铅片放入转盘中铅片孔内，并根据需要选择多个模拟片放入转盘中模拟片孔内；控制器根据控制面板输入的启动信号而启动转盘转动、放射源系统开始发出γ射线，进行测量；

(2)获取溶剂的初始I₀数据：转盘转到空孔对准放射源的0位置，流通池内充满溶剂，测量放射源γ射线透过溶剂后的信号强度I₀；

(3)获取流通样品池中需测样品其本底的信号强度：转盘转到铅片对准放射源的r位置，测量需测样品的本底I_r；

(4)获取流通样品池中需测样品的信号强度：转盘转到空孔对准放射源的0位置，测量放射源γ射线透过样品后的信号强度I_n0；计算系统根据信号强度I_n0通过公式A_n0＝lg[I₀/(I_n0-I_r)]计算需测样品的吸光度，控制系统根据该吸光度进一步从已放置的模拟片中选择至少两个模拟片进行下一步测量；

(5)获取需测样品+模拟片的信号强度：转盘转到相应模拟片对准放射源的位置，测量放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度I_n1～I_n2/I_n3～I_n4；计算系统根据数据组(lg[I₀/(I_n0-I_r)]，c_m0)，(lg[I₀/(I_n1-I_r)]，c_m1)，(lg[I₀/(I_n2-I_r)]，c_m2)或者数据组lg[I₀/(I_n0-I_r)]，c_m0)，lg[I₀/(I_n3-I_r)]，c_m3)，(lg[I₀/(I_n4-I_r)]，c_m4)拟合标准加入曲线，进而计算需测样品浓度；

当所述模拟片代表的浓度为c_m0时，放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度为I_n0；

当所述模拟片代表的浓度为c_m1时，放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度为I_n1；

当所述模拟片代表的浓度为c_m2时，放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度为I_n2；

当所述模拟片代表的浓度为c_m3时，放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度为I_n3；

当所述模拟片代表的浓度为c_m4时，放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度为I_n4；

(6)转盘复位：控制系统根据计算系统的计算结束信号，转回到铅片对准放射源的r位置，完成测量。

根据本发明的放射源系统包括源盒8以及设置在其中的放射源7。源盒8通过法兰连接嵌装在支撑板9中，而放射源7设置在支撑板9正面，流通样品池14发射γ射线。

平底圆筒2底部对应于样品池位置设置有测量窗13，模拟片转动过程中，中心位置停留在测量窗与放射源之间。流通样品池14固定连接在平底圆筒底部并位于测量窗13外侧。该流通样品池14用于承载检测样品。

探测系统包括探测器套筒支架15以及探测器套筒16，探测器套筒支架设置在手套箱1内靠近探测器一侧，用以支承探测器套筒16，同时该套筒支架可以调整探测器套筒16内所安装的探测器的测量位置和探测方向。探测器套筒16设置为通过法兰连接的方式插装在手套箱1相反于平底圆筒2的一侧。探测器套筒16内部安装有NaI的探测器。根据本发明的套筒安装方式，套筒内环境与手套箱、平底圆筒的环境实现隔离，探测器维护时直接从手套箱1外抽离探测器套筒16即可，无需考虑手套箱1内部环境。

从整体结构来说，根据本发明的在线测量装置，其转盘系统和探测器系统从手套箱1两侧分别通过法兰连接安装到手套箱1上，流通样品池则密封在手套箱内，固定在转盘系统和探测系统间。而测量期间，放射源、转盘系统、流通样品池及探测系统的测量通道在同一轴线上。

平底圆筒2通过法兰与手套箱1固定连接，并与手套箱的内部环境隔离。筒盖3覆盖在手套箱1外侧，仪器运行时筒盖3上的锁定装置(图中未示出)将筒盖3与手套箱1锁定形成密封，保证放射源的安全；仪器检修时打开筒盖3上的锁定装置解锁，支撑板及固定在上面的相关部件可整体从手套箱1中移出。

根据本发明的手套箱，使得转盘系统、流通样品池14、探测系统位置固定，保证放射源7-模拟片-测量窗13、流通样品池14-探测器套筒16五个部件的测量通道准直；提供密封的测量环境(适合于放射性样品分析)。平底圆筒2及与探测器套筒16保证了样品的密闭测量，三者结合起来使整个测量系统既成为手套箱1的一部分，又形成了手套箱1内相互隔离的内部测量环境。因此根据本发明的在线测量装置应用于放射性样品测量过程中的仪器维护时，无需考虑放射性泄露问题。

本发明涉及的γ吸收法测定浓度的在线测量装置无需标准溶液在线刻度，减少了繁琐的仪器刻度工作；放射性本底的实时测量更符合实际情况，消除了放射性本底的影响；测量标准加入法用于γ吸收测定，测量结果更准确；模拟片代替标准溶液，不破坏产品液流，更利于在线分析。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种γ吸收法测定浓度的在线测量装置，其特征在于包括：手套箱、平底圆筒、筒盖、放射源系统、转盘系统、流通样品池、探测系统、计算系统及控制系统；其中平底圆筒通过法兰套装在手套箱中；筒盖为不锈钢材质，覆盖在平底圆筒外侧；所述放射源系统、转盘系统安装在平底圆筒内；平底圆筒内壁设置有支撑板安装托，支撑板通过支撑板安装托定位在支承位置；所述放射源系统、所述转盘系统安装在支撑板上；所述探测系统安装在手套箱上、与平底圆筒相反的一侧；计算系统用于根据测量结果计算样品浓度；控制系统包括控制面板以及与转盘系统电信连接的控制器；

所述转盘系统包括转盘、模拟片，所述转盘带动所述模拟片转动，实现在样品测量中加入和替换模拟片；

所述模拟片至少设置两片，不同厚度模拟片表征不同的模拟浓度。

2.根据权利要求1所述的在线测量装置，其特征在于：所述转盘系统包括电机、电机轴、轴套法兰盘；所述电机通过法兰安装在支撑板正面；所述电机轴穿过所述支撑板，电机轴尾端用轴销连接所述轴套法兰盘；所述转盘的上底面开有轴套法兰盘槽，以容纳轴套法兰盘；所述电机驱动电机轴带动所述轴套法兰盘以及所述转盘实现转动。

3.根据权利要求2所述的在线测量装置，其特征在于：所述支撑板的反面安装有光电开关，光电开关中形成倒U形槽，倒U形槽开口的大小适于所述转盘转动通过，光电开关与所述控制器电信连接。

4.根据权利要求3所述的在线测量装置，其特征在于：所述放射源系统包括源盒以及设置在其中的放射源；源盒通过法兰连接嵌装在支撑板中，放射源设置在支撑板背面，向着所述转盘进行放射。

5.根据权利要求4所述的在线测量装置，其特征在于：所述平底圆筒底部对应于模拟片安装孔的位置设置有测量窗，所述流通样品池固定连接在平底圆筒底部并位于测量窗外侧。

6.根据权利要求5所述的在线测量装置，其特征在于：所述探测系统包括探测器套筒支架以及探测器套筒，探测器套筒支架设置在手套箱内靠近探测器套筒一侧，用以支承探测器套筒，所述支架同时调整探测器套筒内所安装的探测器的测量位置和探测方向。

7.根据权利要求6所述的在线测量装置，其特征在于：所述转盘上设置有模拟片安装孔、空孔、铅片孔、遮光片安装孔；其中遮光片安装孔位于转盘上的遮光槽内，遮光片一端用沉头螺丝固定在遮光片槽内，另一端伸出转盘侧面，且遮光片随转盘一起转动；模拟片安装孔用以安装模拟片；空孔设置为穿透转盘的通孔；铅片孔用以放置圆形铅片；其中模拟片安装孔、空孔、铅片孔沿着转盘的圆周均匀分布，且孔径相同；模拟片设置为具有一定吸收效果的金属或非金属材质、质量均匀的圆形片材。

8.一种利用权利要求7所述的在线测量装置进行测量的方法：

(1)测量准备：将铅片放入转盘中铅片孔内，并根据需要选择多个模拟片放入转盘中模拟片孔内；控制器根据控制面板输入的启动信号而启动转盘转动、放射源系统开始发出γ射线，进行测量；

(2)获取溶剂的初始I₀数据：转盘转到空孔对准放射源的0位置，流通池内充满溶剂，测量放射源γ射线透过溶剂后的信号强度I₀；

(3)获取流通样品池中需测样品其本底的信号强度：转盘转到铅片对准放射源的r位置，测量需测样品的本底I_r；

(4)获取流通样品池中需测样品的信号强度：转盘转到空孔对准放射源的0位置，测量放射源γ射线透过样品后的信号强度I_n0；计算系统根据信号强度I_n0通过公式A_n0＝lg[I₀/(I_n0-I_r)]计算需测样品的吸光度，控制系统根据该吸光度进一步从已放置的模拟片中选择至少两个模拟片进行下一步测量；

(5)获取需测样品+模拟片的信号强度：转盘转到相应模拟片对准放射源的位置，测量放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度I_n1～I_n2/I_n3～I_n4；计算系统根据数据组(lg[I₀/(I_n0-I_r)]，c_m0)，(lg[I₀/(I_n1-I_r)]，c_m1)，(lg[I₀/(I_n2-I_r)]，c_m2)或者数据组lg[I₀/(I_n0-I_r)]，c_m0)，lg[I₀/(I_n3-I_r)]，c_m3)，(lg[I₀/(I_n4-I_r)]，c_m4)拟合标准加入曲线，进而计算需测样品浓度；

当所述模拟片代表的浓度为c_m0时，放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度为I_n0；

当所述模拟片代表的浓度为c_m1时，放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度为I_n1；

当所述模拟片代表的浓度为c_m2时，放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度为I_n2；

当所述模拟片代表的浓度为c_m3时，放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度为I_n3；

当所述模拟片代表的浓度为c_m4时，放射源γ射线透过模拟片以及需测样品后的信号强度为I_n4；

(6)转盘复位：控制系统根据计算系统的计算结束信号，转回到铅片对准放射源的r位置，完成测量。

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