CN111693497A - 一种便携式水中铀检测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及便携式检测设备技术领域，具体公开了一种便携式水中铀检测仪，其中发光二极管发出的紫色光照射荧光比色皿，光电倍增管的敏感光窗收集荧光信号，发光二极管的轴线方向与光电倍增管收集荧光的光路成90°角，且分别垂直于荧光比色皿的两个相邻垂直面；发射滤光片位于荧光比色皿和光电倍增管之间；电路系统对发光二极管进行脉冲供电，对LED控温模块供电，同时通过运算放大器采集光电倍增管的信号。本发明采用合适波段的发光二极管为光源，以微型化光电倍增管作为光电转化元件，以荧光比色皿为测量池，大大减少了设备的体积和消耗功率，解决了现场检测铀含量的技术问题。

Description

一种便携式水中铀检测仪
技术领域
本发明属于便携式检测设备技术领域，具体涉及一种便携式水中铀检测仪。
背景技术
铀是自然产生的最重的金属。呈银白色，具有硬度强、密度高、可延展、有放射性等特征，一般在铀与氧、氧化物或硅酸盐的结合中发现铀。铀原子能发生裂变反应，释放大量能量，从而可以应用于发电、核武器制造等领域。
随着我国核电、军事和医疗各领域的快速发展，铀矿的开采利用和铀制品的加工需求与日俱增，而伴随的环境中的铀污染也日益成为越来越重要的课题。由于在矿产开发、核燃料加工制造、含铀制品的异常泄露以及核武器的开发等过程中，铀难免会进入自然环境中，对人类健康和环境造成极大的威胁。在当今核电大发展的背景下，对排放口和野外环境水中的铀进行环境监测显得尤为重要。
铀在环境中通常以铀酰离子(UO2 2+)这种最稳定的形态存在。传统的铀酰离子检测方法包括电感耦合-等离子体质谱法(ICP-MS)、激光荧光法、激光诱导动力学光度法、N235萃取-分光光度法、固体荧光法、电化学法和拉曼光谱法等。其中激光荧光法是最为经典和被广泛接受的方法，但激光荧光法采用激光器为激发光源，其寿命只有几千小时，体积较大，故障率高，且光强的稳定性较差，在实际操作中需要通过外部操作调整响应增益。
上述的传统铀酰离子检测方法均是适合于实验室检测的方法，虽然检测结果准确且灵敏度很高，但均需要使用大型的仪器设备以及由受过专业培训的操作人员来操作，无法实现现场的便携式检测。
此外，随着生物技术和新材料的不断发展，一些核酸适配体和新型化学合成材料也被用于铀酰离子的富集和检测，如发光金属有机骨架材料、分子印迹聚合物等。但这些材料的应用还需要较为复杂的样品前处理过程，操作时间过长，且性质不够稳定，成本较高，同样不适合在现场环境监测中应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便携式水中铀检测仪，实现在地表水、地下水、铀矿冶排放废水和其他污水等样品中铀含量的现场测定。
本发明的技术方案如下：
一种便携式水中铀检测仪，包括发光二极管、荧光比色皿、发射滤光片、光电倍增管、电路系统和LED控温模块；
所述发光二极管发出的紫色光照射荧光比色皿，光电倍增管的敏感光窗收集荧光信号，发光二极管的轴线方向与光电倍增管收集荧光的光路成90°角，且分别垂直于荧光比色皿的两个相邻垂直面；
所述发光二极管的温度由LED控温模块进行精确控制；
所述的发射滤光片位于荧光比色皿和光电倍增管之间；
所述的电路系统对发光二极管进行脉冲供电，对LED控温模块供电，同时通过运算放大器采集光电倍增管的信号。
所述发光二极管的中心波长为240～400nm，功率为1～4W，恒流源供电。
所述发光二极管的电源采用脉冲调制方式，频率为50～1000Hz，占空比1:4～1:999。
所述发光二极管的温度为室温～60℃。
所述的发光二极管采用铝制散热片，散热片后面放置有风扇，以加强散热。
所述发射滤光片的中心波长范围为450～560nm。
所述的发光二极管与荧光比色皿之间距离0.1～10mm。
所述的荧光比色皿与发射滤光片之间距离0.1～10mm。
所述的发射滤光片与光电倍增管之间距离0.1～10mm。
所述的光电倍增管所增益的荧光光强信号，根据发光二极管的脉冲光源的频率和铀的荧光寿命进行延迟采集和选择性放大，避免水中有机物干扰。
本发明的显著效果在于：
(1)本发明基于铀酰离子-荧光增强剂络合物特征荧光原理，采用合适波段的发光二极管为光源，以微型化光电倍增管作为光电转化元件，以荧光比色皿为测量池，大大减少了设备的体积和消耗功率，解决了现场检测铀含量的技术问题。
(2)本发明采用了脉冲调制技术，对铀酰离子激发出的信号进行了延迟采集，避免了环境杂质中有机物的干扰，使水中铀的检测结果更准确，提高了定量准确性。
(3)与传统的激光荧光法相比，本发明装置体积小、功率低、可实现便携现场检测；配合荧光增强剂，非专业人员也可以操作好仪器。
(4)本发明所采用的光源LED具有单色性好、亮度高，体积小、能耗低、寿命长，光电转换率高，并且其光谱带宽较窄(小于10nm)等一系列优点；
另外，LED本身引起的光学噪声非常小，尤其是在荧光这种弱信号的测量应用中对提高信噪比具有重要意义。
附图说明
图1为本发明便携式水中铀检测仪俯视图。
图中：1-发光二极管、2-荧光比色皿、3-发射滤光片、4-光电倍增管、5-电路系统、6-LED控温模块。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示的一种便携式水中铀检测仪，包括发光二极管1、荧光比色皿2、发射滤光片3、光电倍增管4、电路系统5和LED控温模块6。
所述发光二极管1发出的紫色光照射荧光比色皿2，光电倍增管4的敏感光窗收集荧光信号，发光二极管1的轴线方向与光电倍增管4收集荧光的光路成90°角，且分别垂直于荧光比色皿2的两个相邻垂直面。
所述发光二极管1的中心波长为240～400nm，功率为1～4W，恒流源供电。所述发光二极管1的电源采用脉冲调制方式，频率为50～1000Hz，占空比1:4～1:999。所述发光二极管1的温度为室温～60℃，由LED控温模块6进行精确控制。
所述发射滤光片3的中心波长范围为450～560nm，发射滤光片3位于荧光比色皿2和光电倍增管4之间。所述的发射滤光片3与荧光比色皿2之间距离0.1～10mm，发射滤光片3与光电倍增管4之间距离0.1～10mm。
所述发光二极管1与荧光比色皿2之间距离0.1～10mm。
所述的光电倍增管4所增益的荧光光强信号，根据发光二极管1的脉冲光源的频率和铀的荧光寿命进行延迟采集和选择性放大，避免了水中有机物的干扰。
所述的电路系统5对发光二极管1进行脉冲供电，对LED控温模块6供电，同时通过运算放大器采集光电倍增管4的信号。
实施例1
一种便携式水中铀检测仪，激发光源为大功率紫外发光二极管，其中心波长为360nm，额定电流1000mA，发散角为60°，发光二极管供电电源为100Hz，占空比为1:49。
发光二极管采用铝制散热片，由于占空比较低，发热量很小，通过普通散热片即可控制温度。发光二极管与荧光比色皿之间的距离为1mm。
发射滤光片中心波长为555nm，带宽10nm，发射滤光片与光电倍增管之间的距离为1mm。由于铀酰离子和荧光增强剂的络合物的荧光寿命为几十到几百μs，选择100μs为延迟时间。铀酰离子的荧光信号根据光源的脉冲特征，同步进行延迟脉冲采集。
仪器对铀酰离子的检测重复性小于5％，检测灵敏度达到20μg/L，小于废水排放标准的50μg/L。
实施例2
一种便携手持式水中铀检测仪，激发光源为紫外发光二极管，其中心波长为275nm，额定电流350mA，发散角为30°，发光二极管供电电源为200Hz，占空比为1:19。
发光二极管采用铝制散热片，散热片后面放置有风扇，加强散热，可控制发光二极管的PN结温度小于50℃。发光二极管与荧光比色皿之间的距离为2mm。
发射滤光片中心波长为515nm，带宽20nm，发射滤光片与光电倍增管之间的距离为2mm。电路系统对荧光信号进行脉冲式采集，延迟时间为50μs。
仪器对铀酰离子的检测重复性小于4％，检测灵敏度达到2μg/L，小于废水排放标准的50μg/L。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种便携式水中铀检测仪，其特征在于：包括发光二极管(1)、荧光比色皿(2)、发射滤光片(3)、光电倍增管(4)、电路系统(5)和LED控温模块(6)；
所述发光二极管(1)发出的紫色光照射荧光比色皿(2)，光电倍增管(4)的敏感光窗收集荧光信号，发光二极管(1)的轴线方向与光电倍增管(4)收集荧光的光路成90°角，且分别垂直于荧光比色皿(2)的两个相邻垂直面；
所述发光二极管(1)的温度由LED控温模块(6)进行精确控制；
所述的发射滤光片(3)位于荧光比色皿(2)和光电倍增管(4)之间；
所述的电路系统(5)对发光二极管(1)进行脉冲供电，对LED控温模块(6)供电，同时通过运算放大器采集光电倍增管(4)的信号。
2.如权利要求1所述的一种便携式水中铀检测仪，其特征在于：所述发光二极管(1)的中心波长为240～400nm，功率为1～4W，恒流源供电。
3.如权利要求1所述的一种便携式水中铀检测仪，其特征在于：所述发光二极管(1)的电源采用脉冲调制方式，频率为50～1000Hz，占空比1:4～1:999。
4.如权利要求1所述的一种便携式水中铀检测仪，其特征在于：所述发光二极管(1)的温度为室温～60℃。
5.如权利要求1所述的一种便携式水中铀检测仪，其特征在于：所述的发光二极管(1)采用铝制散热片，散热片后面放置有风扇，以加强散热。
6.如权利要求1所述的一种便携式水中铀检测仪，其特征在于：所述发射滤光片(3)的中心波长范围为450～560nm。
7.如权利要求1所述的一种便携式水中铀检测仪，其特征在于：所述的发光二极管(1)与荧光比色皿(2)之间距离0.1～10mm。
8.如权利要求1所述的一种便携式水中铀检测仪，其特征在于：所述的荧光比色皿(2)与发射滤光片(3)之间距离0.1～10mm。
9.如权利要求1所述的一种便携式水中铀检测仪，其特征在于：所述的发射滤光片(3)与光电倍增管(4)之间距离0.1～10mm。
10.如权利要求1所述的一种便携式水中铀检测仪，其特征在于：所述的光电倍增管(4)所增益的荧光光强信号，根据发光二极管(1)的脉冲光源的频率和铀的荧光寿命进行延迟采集和选择性放大，避免水中有机物干扰。
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