CN109407136A - 基于柔性闪烁体的海水放射性核素现场富集检测装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于柔性闪烁体的海水放射性核素现场富集检测装置，包括依次连接的泵送部分、富集装置部分以及检测装置部分，富集装置包括屏蔽层、内胆、杂质过滤层、核素富集柱阵列，所述内胆为马林杯式结构，内胆外套设屏蔽层，泵送部分连接至所述内胆，待检测水体经安装在内胆中的所述杂质过滤层，并在核素富集柱阵列进行核素的富集；检测装置包括钙钛矿纳米晶闪烁体膜、检测阵列、信号处理电路阵列、直流电源及控制单元，待富集装置饱和后排空内胆中的水，通过加热器降低内胆中湿度，所述检测装置进行核素检测。本公开将海水中多种核素的富集过程与检测过程有机结合，具有极低检测限，富集效率高，检测速度快等特点。

Description

基于柔性闪烁体的海水放射性核素现场富集检测装置

技术领域

本公开涉及放射性核素检测领域，尤其涉及一种基于柔性闪烁体的海水放射性核素现场富集检测装置。

背景技术

近些年来，放射性物质的泄露事件屡见不鲜，如2011年3月11日，日本东北部海域发生9.0级地震和巨大海啸，引发福岛核电站事故，大量放射性物质直接排入海洋，给附近海域环境带来很大影响，由此引发人们对海洋辐射安全的广泛关注。我国核工业发展迅速，在沿海地区有大量正在运行或在建的核电站。目前对海水中放射性核素的检测方法主要有水下就地γ能谱测量、常规海上取样并实验室分析和现场富集检测。海上发生核泄漏后，放射性核素在海水中扩散迅速。海洋上现场就地γ能谱测量方法本底高、检测限较高，无法实现对低浓度放射性核素的快速检测与长期监测。常规海上取样并运回实验室分析方法，需要收集大量海水样品运回实验室，而且存在过程繁琐、耗时长、富集效率低等若干问题，非常不适用于海洋环境安全应急场合。因此，研究开发海水中放射性核素的高效富集装置，以及如何提高富集后放射性核素的检测效率具有重要意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种海水中基于柔性闪烁体的海水放射性核素现场富集检测装置，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于柔性闪烁体的海水放射性核素现场富集检测装置，包括依次连接的泵送部分、富集装置部分以及检测装置部分，富集装置包括屏蔽层、内胆、杂质过滤层、核素富集柱阵列，所述内胆为马林杯式结构，内胆外套设屏蔽层，泵送部分连接至所述内胆，待检测水体经安装在内胆中的所述杂质过滤层，并在核素富集柱阵列进行核素的富集；检测装置包括钙钛矿纳米晶闪烁体膜、检测阵列(一般为光电倍增管阵列或雪崩二极管阵列)、信号处理电路阵列、直流电源及控制单元，待富集装置饱和后排空内胆中的水，通过加热器降低内胆中湿度，所述检测装置进行核素检测。

在一些实施例中，所述屏蔽层包括铅屏蔽层与铜屏蔽层，所述铜屏蔽层套设在内胆外部，铅屏蔽层套设在铜屏蔽层外部；所述核素富集柱阵列与杂质过滤层安装在内胆中，所述检测装置从富集装置底部穿过铅屏蔽层和铜屏蔽层，接近马林杯式内胆中的核素富集柱阵列。

在一些实施例中，核素富集柱阵列包括多个核素富集柱，所述多个核素富集柱均匀安装在内胆内部下部，绕富集装置主体轴线呈环形阵列排布；钙钛矿纳米晶闪烁体膜包括多个部分，每个部分一面与所述核素富集柱相对，另一面对应连接一块检测阵列板以及对应的信号处理电路。

在一些实施例中，所述检测装置中，钙钛矿纳米晶闪烁体膜为柔性放射性探测器，其吸收放射线后在可见光区产生较强的辐射发光行为并可调谐；检测阵列用于将可见光信号转化为电信号交由信号处理电路阵列处理，所述检测阵列为光电倍增管阵列或雪崩二极管阵列；控制盒安装在探测器底部，其内部设置有控制单元和直流电源。

在一些实施例中，所述富集装置中，内胆下部的核素富集柱下部连接有出水管，内胆下半部分外侧设置加热器；泄气阀设置于富集装置顶部，控制连通富集装置内胆腔体内空间和外部大气的气道的开闭，泄气阀气道安装有温湿度传感器。

在一些实施例中，所述杂质过滤层设置于内胆上部，包括第一杂质过滤层、第二杂质过滤层，二者为与富集装置主体同轴的薄圆柱层，用于过滤海水中的大颗粒杂质；核素富集柱中填有薄膜式核素吸附材料，用于对多种核素同时吸附富集。

在一些实施例中，所述泵送部分包括：水泵过滤器，用于滤去大体积杂质；第一进水管，连接到所述水泵过滤器，水泵，其进口连接到所述第一进水管，用于抽取含有放射性核素的水体；第二进水管，连接到水泵的出口，并连接到富集装置进口。

在一些实施例中，第二进水管上安装有第一流量计，用于检测并记录流入富集装置的海水的流速和体积；出水管上安装有第二流量计，用于检测并记录从富集装置流出的海水的流速和体积。

在一些实施例中，所述控制盒中，控制单元连接到水泵、第一流量计、第二流量计、温湿度传感器、泄气阀、加热器、探测器、信号处理电路阵列及上位机，用于实现整个装置的逻辑控制和数据传输；直流电源用于为整个系统提供电源。

在一些实施例中，检测装置中的控制单元通过读取并处理第一流量计和第二流量计的数据，调节水泵的泵送功率，并使得当处理海水体积达到目标体积后，水泵停止工作；控制单元通过读取第二流量计的数据判断富集装置内海水是否排空，待海水排空后启动加热器并打开泄气阀，烘干内胆中水分；控制单元通过温湿度传感器的数据判断内胆中湿度是否满足检测要求，待湿度满足要求后启动探测器装置。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于柔性闪烁体的海水放射性核素现场富集检测装置至少具有以下有益效果其中之一：

(1)通过采取先富集再检测的方式，富集检测均在屏蔽环境下进行并且内胆采用马林杯式结构，有效降低了本底影响，并且采用基于新型钙钛矿纳米晶闪烁体膜的超灵敏放射性探测器，使得装置具有极低检测限；

(2)通过富集装置中多根核素富集柱成环形阵列同时工作，并且富集柱填有自主研发的一种薄膜式核素吸附材料，有效提高了装置核素富集效率；

(3)将富集装置和检测装置有机结合，受控制单元统一控制，无需人工干预，有效提高检测速度。

附图说明

图1为本公开实施例基于柔性闪烁体的海水放射性核素现场富集检测装置的结构示意图。

图2为本公开实施例核素富集柱和探测器阵列结构示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1.水泵过滤器； 2.第一进水管

3.水泵； 4.第二进水管

5.第一流量计； 6.铅屏蔽层

7.泄气阀； 8.温湿度传感器

9.铜屏蔽层； 10.内胆

11.第一杂质过滤层； 12.第二杂质过滤层

13.加热器； 14.核素富集柱

15.钙钛矿纳米晶闪烁体膜； 16.光电倍增管阵列

17信号处理电路； 18.出水管

19.第二流量计； 20.控制盒

21.控制单元； 22.信号输出电缆

23.直流电源。

具体实施方式

为了解决现有水体中放射性核素的检测方法中存在的本底高、检测限高、富集目标核素单一、检测效率低等问题，本公开提供了一种基于柔性闪烁体的海水放射性核素现场富集检测装置，将对海水中多种核素的富集过程与检测过程有机结合，可实现对海水中多种放射性核素的同时富集和现场检测，具有极低检测限，富集效率高，检测速度快等特点。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以由许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

另外，需要说明的是：该装置适用范围不限于含放射性核素的海水，对各种核污染水体，例如河流、湖泊或池塘等的污染水体仍然适用。

在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种基于柔性闪烁体的海水放射性核素现场富集检测装置。图1为本公开实施例基于柔性闪烁体的海水放射性核素现场富集检测装置的结构示意图。如图1所示，本公开基于柔性闪烁体的海水放射性核素现场富集检测装置包括依次连接的泵送部分、富集装置部分以及检测装置部分。

其中泵送部分包括水泵过滤器1、第一进水管2、水泵3、第二进水管4、第一流量计5；富集装置部分包括铅屏蔽层6、铜屏蔽层9、内胆10、泄气阀7、温湿度传感器8、第一杂质过滤层11、第二杂质过滤层12、加热器13、核素富集柱14、第二流量计19；检测装置部分包括新型钙钛矿纳米晶闪烁体膜15、光电倍增管阵列16(可用雪崩二极管阵列替代)、信号处理电路17、控制盒20、控制单元21、信号输出电缆22、直流电源23。

以下对本实施例基于柔性闪烁体的海水放射性核素现场富集检测装置的各个部分进行详细说明。

泵送部分的水泵用于抽取含有放射性核素的海水，海水依次经过水泵过滤器1、第一进水管2、水泵3、第二进水管4、第一流量计5后，进入富集装置。具体地，水泵3通过第一进水管2与水泵过滤器1相连，抽取时海水首先经过水泵过滤器1滤去大体积杂质。第一流量计5安装于第二进水管4上，位于水泵3和富集装置之间，用于检测并记录流入富集装置的海水的流速和体积。

整个富集装置为圆柱体结构。从外到内依次包覆铅屏蔽层6、铜屏蔽层9和内胆10。本装置直接从海洋中直接取样，因此在富集装置部分设有铅屏蔽层6和铜屏蔽层9用于降低环境本底影响，并将内胆10设计为马林杯式结构进一步降低本底影响，同时降低该装置的检测限。

第一杂质过滤层11、第二杂质过滤层12、核素富集柱14安装在内胆中，其中第一杂质过滤层11和第二杂质过滤层12依次安装在内胆10内部上部，二者为与富集装置主体同轴的薄圆柱层。第一杂质过滤层11、第二杂质过滤层12用于过滤海水中的大颗粒杂质，改善核素富集效果。

核素富集柱14安装在内胆10内部下部，绕富集装置主体轴线呈环形阵列，数量为6。核素富集柱填有自主研发的一种薄膜式核素吸附材料，可实现对若干种核素的同时吸附富集。经杂质过滤、核素吸附后的海水从出水管流出。

第二流量计19附着于出水管18，用于检测并记录从富集装置流出的海水的流速和体积。加热器13环绕在内胆10下半部分外侧，泄气阀7位于富集装置顶部，可控制连通富集装置内胆腔体内空间和外部大气的气道的开闭，泄气阀7气道装有温湿度传感器8。当富集装置达到饱和并停止工作时，泵送部分停止工作；将富集装置内的海水排空后(通过读取第一流量计5、第二流量计19测量数据判断)，加热器13启动工作，泄气阀7打开；通过温湿度传感器8判断内胆10中湿度条件满足检测要求后，检测装置启动工作，所有过程受检测装置部分的控制单元21统一控制。

在富集装置的底部留有检测装置的安装位置，使得检测装置可快速安装于富集装置的底部。检测装置部分包括新型钙钛矿纳米晶闪烁体膜15、光电倍增管阵列16以及对应的信号处理电路17、直流电源23、控制单元21。在不同实施例中，光电倍增管阵列16还可用雪崩二极管阵列替代。

本实施例中，为了对应6个环形均匀排布的核素富集柱，钙钛矿纳米晶闪烁体膜15、光电倍增管阵列16及信号处理电路17安装在一六棱柱上，所述六棱柱位于内胆10的外部，其具体位置位于内胆10底部由外向内的凹陷处。钙钛矿纳米晶闪烁体膜15、光电倍增管阵列16、信号处理电路17沿六棱柱六个侧面成阵列分布，从富集装置底部穿过铅屏蔽层6和铜屏蔽层9，接近马林杯式内胆10。具体地，六个部分的新型钙钛矿纳米晶闪烁体膜分别分布在六棱柱的六个侧面，每个部分对应一块光电倍增管阵列板(可用雪崩二极管阵列替代)以及对应的信号处理电路。新型钙钛矿纳米晶闪烁体膜为高度灵敏的柔性放射性探测器，其吸收放射线后在可见光区产生较强的辐射发光行为并可调谐。光电倍增管阵列(可用雪崩二极管阵列替代)将可见光信号转化为电信号交由信号处理电路调理。

探测器底部接控制盒20，控制盒20内装有直流电源23、控制单元21。直流电源23为整个系统提供电源。控制单元21实现整个装置的逻辑控制和数据传输，具体包括控制水泵3的动作(开关、功率大小)，读取第一流量计5和第二流量计19的数据，读取温湿度传感器8的数据，控制泄气阀7开闭，控制探测器的工作状态，读取并分析信号处理电路17的信号。

具体地，海水经富集装置底部出水口穿过铜屏蔽层9和铅屏蔽层6，经过第二流量计19后流出。控制单元21通过读取并处理第一流量计5和第二流量计19的数据，可以调节水泵3的泵送功率，保障富集装置的富集效率。处理海水体积达到目标体积后，控制单元21控制水泵3停止工作；控制单元21读取第二流量计19的数据判断富集装置内海水是否排空，待海水排空后启动加热器13并打开泄气阀7，烘干内胆10中水分；控制单元21读取温湿度传感器8的数据，判断内胆10中湿度是否满足检测要求，待湿度满足要求后启动探测器装置；钙钛矿纳米晶闪烁体膜15吸收核素富集柱14所富集的核素发射的放射线并辐射可见光，光电倍增管阵列16(可用雪崩二极管阵列替代)将可见光信号转化为电信号，信号处理电路17调理电信号；控制单元21读取、分析信号处理电路17得到的信号，然后将检测结果通过信号输出电缆22传出。控制单元通过信号输出电缆22将检测数据发出，可根据相关通讯协议开发上位机应用程序实现装置控制、数据读取、数据存储、数据分析等功能，此外还可设置目标海水体积、工作时长等，实现装置自动控制。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任伺方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于柔性闪烁体的海水放射性核素现场富集检测装置，包括依次连接的泵送部分、富集装置部分以及检测装置部分，其中，

富集装置包括屏蔽层、内胆、杂质过滤层、核素富集柱阵列，所述内胆为马林杯式结构，内胆外套设屏蔽层，泵送部分连接至所述内胆，待检测水体经安装在内胆中的所述杂质过滤层，并在核素富集柱阵列进行核素的富集；

检测装置包括作为探测器的钙钛矿纳米晶闪烁体膜、检测阵列、信号处理电路阵列、直流电源及控制单元；待富集装置饱和后排空内胆中的水，通过加热器降低内胆中湿度，所述检测装置进行核素检测。

2.根据权利要求1所述的海水放射性核素现场富集检测装置，所述屏蔽层包括铅屏蔽层与铜屏蔽层，所述铜屏蔽层套设在内胆外部，铅屏蔽层套设在铜屏蔽层外部；所述核素富集柱阵列与杂质过滤层安装在内胆中，所述检测装置从富集装置底部穿过铅屏蔽层和铜屏蔽层，接近马林杯式内胆中的核素富集柱阵列。

3.根据权利要求2所述的海水放射性核素现场富集检测装置，其中，

核素富集柱阵列包括多个核素富集柱，所述多个核素富集柱均匀安装在内胆内部下部，绕富集装置主体轴线呈环形阵列排布；

钙钛矿纳米晶闪烁体膜包括多个部分，每个部分一面与所述核素富集柱相对，另一面对应连接一块检测阵列板以及对应的信号处理电路。

4.根据权利要求3所述的海水放射性核素现场富集检测装置，所述检测装置中，

钙钛矿纳米晶闪烁体膜为柔性放射性探测器，其吸收放射线后在可见光区产生较强的辐射发光行为并可调谐；

检测阵列用于将可见光信号转化为电信号交由信号处理电路阵列处理，所述检测阵列为光电倍增管阵列或雪崩二极管阵列；

控制盒安装在探测器底部，其内部设置有控制单元和直流电源。

5.根据权利要求4所述的海水放射性核素现场富集检测装置，所述富集装置中，

内胆下部的核素富集柱下部连接有出水管，内胆下半部分外侧设置加热器；

泄气阀设置于富集装置顶部，控制连通富集装置内胆腔体内空间和外部大气的气道的开闭，泄气阀气道安装有温湿度传感器。

6.根据权利要求5所述的海水放射性核素现场富集检测装置，所述富集装置中，

所述杂质过滤层设置于内胆上部，包括第一杂质过滤层、第二杂质过滤层，二者为与富集装置主体同轴的薄圆柱层，用于过滤海水中的大颗粒杂质；

核素富集柱中填有薄膜式核素吸附材料，用于对多种核素同时吸附富集。

7.根据权利要求5所述的海水放射性核素现场富集检测装置，所述泵送部分包括：

水泵过滤器，用于滤去大体积杂质；

第一进水管，连接到所述水泵过滤器，

水泵，其进口连接到所述第一进水管，用于抽取含有放射性核素的水体；

第二进水管，连接到水泵的出口，并连接到富集装置进口。

8.根据权利要求7所述的海水放射性核素现场富集检测装置，其中，第二进水管上安装有第一流量计，用于检测并记录流入富集装置的海水的流速和体积；出水管上安装有第二流量计，用于检测并记录从富集装置流出的海水的流速和体积。

9.根据权利要求8所述的海水放射性核素现场富集检测装置，所述控制盒中，

控制单元连接到水泵、第一流量计、第二流量计、温湿度传感器、泄气阀、加热器、探测器、信号处理电路阵列及上位机，用于实现整个装置的逻辑控制和数据传输；

直流电源用于为整个系统提供电源。

10.根据权利要求9所述的海水放射性核素现场富集检测装置，其中，

检测装置中的控制单元通过读取并处理第一流量计和第二流量计的数据，调节水泵的泵送功率，并使得当处理海水体积达到目标体积后，水泵停止工作；控制单元通过读取第二流量计的数据判断富集装置内海水是否排空，待海水排空后启动加热器并打开泄气阀，烘干内胆中水分；控制单元通过温湿度传感器的数据判断内胆中湿度是否满足检测要求，待湿度满足要求后启动探测器装置。