一種基于pgnaa技術(shù)的水溶液中多元素成分及含量檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于PGNAA技術(shù)的水溶液中多元素成分及含量檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法，具體是一種利用瞬發(fā)伽馬射線中子活化分析（PGNAA，Prompt?Gamma-Ray?Neutron?Activation?Analysis）技術(shù)的水溶液中多元素的含量檢測(cè)裝置。該檢測(cè)裝置由樣品檢測(cè)系統(tǒng)及能譜分析系統(tǒng)組成，樣品檢測(cè)系統(tǒng)包括同位素中子源，聚乙烯包裹層以及聚乙烯桶組成，同位素中子源被固定在聚乙烯包裹層中心，聚乙烯包裹層位于聚乙烯桶的中心，能譜分析系統(tǒng)由伽馬射線探測(cè)器、多道分析器及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成，伽馬射線探測(cè)器緊貼聚乙烯桶外壁的中間高度位置，伽馬射線探測(cè)器依次與多道分析器及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接。本發(fā)明不需要大量增加復(fù)雜設(shè)備投入下利用瞬發(fā)伽馬射線中子活化分析技術(shù)方便準(zhǔn)確的檢測(cè)溶液中多種元素的含量。
【專利說明】—種基于PGNAA技術(shù)的水溶液中多元素成分及含量檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種基于PGNAA技術(shù)的水溶液中多元素成分及含量檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法，其屬于水溶液中元素含量的檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】:
[0002]對(duì)水體中元素含量尤其是一些有毒重金屬元素的含量的高靈敏檢測(cè)長(zhǎng)期以來一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。目前水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)所用到的技術(shù)有原子吸收光譜分析(AAS)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP/AES)、質(zhì)譜分析技術(shù)(ICP/MS)、電化學(xué)分析以及生物監(jiān)測(cè)等。
[0003]目前，在測(cè)量分析領(lǐng)域中，核技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)常規(guī)技術(shù)。它有其它分析技術(shù)所不具有的很多優(yōu)點(diǎn)，PGNAA技術(shù)利用中子轟擊被測(cè)物料的靶核，通過熱中子俘獲、非彈性散射等反應(yīng)在極短的時(shí)間內(nèi)(小于10-13S)放出特征伽瑪射線，通過識(shí)別特征伽瑪射線和測(cè)量特征伽瑪射線的強(qiáng)度即可定性和定量地識(shí)別大部分核素并分析其含量。由于其非破壞性、在線原位測(cè)量、分析精度高等特點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、環(huán)境、醫(yī)藥等各領(lǐng)域。
[0004]目前，上述這些水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)技術(shù)存在各種不足。有的儀器需從國(guó)外進(jìn)口價(jià)格昂貴，運(yùn)行成本高，有的不能同時(shí)進(jìn)行多元素分析，有的技術(shù)的樣品預(yù)處理程序太過復(fù)雜。
[0005]因此，確有必要對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)以解決現(xiàn)有技術(shù)之不足。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0006]本發(fā)明目的是針對(duì)水溶液中元素含量的檢測(cè)設(shè)計(jì)一種新的快速檢測(cè)裝置，該裝置采用中子與水溶液中元素發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生特征伽馬射線，通過測(cè)量分析伽馬能譜，檢測(cè)其中的元素成分和含量，其裝置簡(jiǎn)單，操作方便具有很好的實(shí)用性。
[0007]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種基于PGNAA技術(shù)的水溶液中多元素成分及含量檢測(cè)裝置，其包括樣品檢測(cè)系統(tǒng)和能譜分析系統(tǒng)，所述樣品檢測(cè)系統(tǒng)包括同位素中子源，聚乙烯包裹層以及聚乙烯桶組成，所述同位素中子源被固定放置在聚乙烯包裹層中心，所述聚乙烯包裹層位于聚乙烯桶的中心，所述能譜分析系統(tǒng)由伽馬射線探測(cè)器、多道分析器及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成，所述伽馬射線探測(cè)器緊貼著聚乙烯桶外壁的中間高度位置，所述伽馬射線探測(cè)器依次與多道分析器及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接。
[0008]所述同位素中子源位于聚乙烯桶的正中心，所述聚乙烯桶的內(nèi)半徑為4.8cm，外半徑為15?16cm,高度為50cm,所述聚乙烯包裹層厚度為0.2cm。
[0009]所述同位素中子源為镅鈹中子源。
[0010]所述伽馬射線探測(cè)器為鍺酸鉍BGO探測(cè)器。
[0011]本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案:一種基于PGNAA技術(shù)的水溶液中多元素成分及含量檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，其包括如下步驟:
[0012]I)取樣步驟:先采集水體樣本倒入到聚乙烯桶的樣品腔中，之后將同位素中子源固定于聚乙烯桶的正中心；[0013]2)測(cè)量步驟:同位素中子源通過水體的慢化，被充分慢化為慢中子，之后其與水體中元素的原子核發(fā)生輻射俘獲反應(yīng)，發(fā)出瞬發(fā)特征伽瑪射線，所述特征伽瑪射線跟元素一一對(duì)應(yīng)，所述瞬發(fā)特征伽瑪射線穿過水體及聚乙烯桶被伽馬射線探測(cè)器接受，這些特征伽瑪信號(hào)進(jìn)入多道分析器采集儲(chǔ)存，然后送入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，得到伽瑪射線能譜，能譜中特征峰的位置表示元素種類，特征峰的強(qiáng)度表示該元素的含量；
[0014]3)分析步驟:利用數(shù)學(xué)分析方法對(duì)不同元素的特征峰進(jìn)行解析，并修正，最后得到水溶液中的主要元素成分種類、含量與能譜中特征峰計(jì)數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)元素分析與測(cè)量。
[0015]所述步驟3)中的數(shù)學(xué)分析方法為最小二乘法擬合方法。
[0016]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0017](I).檢測(cè)的方法設(shè)備、步驟以及環(huán)境要求簡(jiǎn)單；
[0018](2).采用同位素中子源直接通過水體進(jìn)行慢化不需要另外的慢化裝置；
[0019](3).本發(fā)明在不需要大量復(fù)雜昂貴的設(shè)備下，可以對(duì)方便準(zhǔn)確的檢測(cè)出水體中多種元素的含量，具有潛在的市場(chǎng)價(jià)值。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0020]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明實(shí)施例NaCl溶液的伽馬能譜圖。
[0022]圖3是本發(fā)明實(shí)施例氯元素含量與特征峰計(jì)數(shù)關(guān)系圖。
[0023]圖4是本發(fā)明實(shí)施例硫酸鎘溶液的伽馬能譜圖。
[0024]圖5是本發(fā)明實(shí)施例鎘元素含量與特征峰計(jì)數(shù)關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0025]請(qǐng)參照?qǐng)D1至圖5所示，本發(fā)明基于PGNAA技術(shù)的水溶液中多元素成分及含量檢測(cè)裝置由一個(gè)樣品檢測(cè)系統(tǒng)及一套能譜分析系統(tǒng)組成，其中樣品檢測(cè)系統(tǒng)包括同位素中子源，聚乙烯包裹層以及聚乙烯桶，同位素中子源為镅鈹中子源，被固定放置在聚乙烯包裹層中心，包裹層位于聚乙烯桶的中心，即同位素中子源位于聚乙烯桶的正中心，不額外增加任何慢化體結(jié)構(gòu)。在聚乙烯桶中除了聚乙烯包裹層占據(jù)的空間外均看作為聚乙烯桶的樣品腔。其中聚乙烯包裹層厚度為0.2cm,聚乙烯桶的內(nèi)半徑為4.8cm,外半徑為15?16cm,高度為50cm。聚乙烯桶腔的樣品腔用來放置水體樣本，可容納35升水體，水體是待測(cè)樣品，同時(shí)也是中子的慢化劑，中子在水體中被慢化后與水體中的元素發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生特征伽馬射線。能譜分析系統(tǒng)由伽馬射線探測(cè)器(如鍺酸鉍(BGO)探測(cè)器)、多道分析器及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成，其中伽馬射線探測(cè)器緊貼著聚乙烯桶外壁的中間高度位置，伽馬射線探測(cè)器依次與多道分析器及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接。
[0026]本發(fā)明具體實(shí)施時(shí)，BGO探測(cè)器可以從探測(cè)器晶體生產(chǎn)廠商處購買，如SaintGobain公司生產(chǎn)的4X4英寸BGO探測(cè)器。同位素中子源也可直接從公司購買，如中國(guó)同位素公司的0.3mCi镅鈹中子源。多道分析器可購買，如ORTEC公司的DigiBase多道分析器。聚乙烯裝置桶根據(jù)同位素中子源的性質(zhì)進(jìn)行獨(dú)特的設(shè)計(jì)。
[0027]本發(fā)明基于PGNAA技術(shù)的水溶液中多元素成分及含量檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法包括如下步驟:
[0028]I)取樣步驟:先采集水體樣本約35升，倒入聚乙烯桶腔中后，水樣高度需達(dá)到50cm，之后將同位素中子源固定于聚乙烯桶的正中心；
[0029]2)測(cè)量步驟:同位素中子源通過水體的慢化，被充分慢化為慢中子，之后其與水體中主要元素的原子核發(fā)生輻射俘獲反應(yīng)，發(fā)出瞬發(fā)特征伽瑪射線，這些特征伽瑪射線是獨(dú)一無二的，就像人的指紋一樣，俗稱核指紋，跟元素是一一對(duì)應(yīng)的，這些瞬發(fā)特征伽瑪射線穿過水體及聚乙烯桶被BGO探測(cè)器接受，這些特征伽瑪信號(hào)進(jìn)入多道分析器采集儲(chǔ)存，然后送入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，得到伽瑪射線能譜，能譜中特征峰的位置表示元素種類，特征峰的強(qiáng)度表示該元素的含量；
[0030]3)分析步驟:利用數(shù)學(xué)分析方法如最小二乘法擬合等方法對(duì)不同元素的特征峰進(jìn)行解析，并修正，最后得到水溶液中的主要元素成分種類、含量與能譜中特征峰計(jì)數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)元素分析與測(cè)量。
[0031]實(shí)施例1
[0032]對(duì)氯元素溶液進(jìn)行測(cè)量
[0033]本實(shí)例采用NaCl溶液樣本，用蒸餾水配制氯元素質(zhì)量濃度為0.1%、0.2%、0.3%、
0.4%、0.5%的NaCl溶液。采用瞬發(fā)伽馬射線中子活化分析技術(shù)采集分析得到能譜。圖2記錄了扣除環(huán)境本底的影響的Cl元素各個(gè)瞬發(fā)伽馬射線，可以很明顯的看出在相同的環(huán)境下不同濃度Cl元素的能譜有明顯差別。從低到高分別為0.1,0.2,0.3,0.4和0.5wt%的Cl元素特征伽馬射線。圖3為特征峰計(jì)數(shù)與元素含量的線性刻度，其線性相關(guān)系數(shù)好于
0.995。
[0034]實(shí)施例2
[0035]本實(shí)例采用硫酸鎘溶液樣本，用蒸餾水配制鎘元素質(zhì)量濃度為0.1%、0.2%、0.3%、
0.4%、0.5%的硫酸鎘溶液。采用瞬發(fā)伽馬射線中子活化分析技術(shù)采集分析得到能譜。圖4記錄了扣除環(huán)境本底的影響的鎘元素各個(gè)瞬發(fā)伽馬射線，可以很明顯的看出在相同的環(huán)境下不同濃度鎘元素的能譜有明顯差別。從低到高分別為0.1,0.2,0.3,0.4和0.5wt%的鎘元素特征伽馬射線。圖5為修正后特征峰計(jì)數(shù)與元素含量的線性刻度，其線性相關(guān)系數(shù)好于 0.995。
[0036]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于PGNAA技術(shù)的水溶液中多元素成分及含量檢測(cè)裝置，其包括樣品檢測(cè)系統(tǒng)和能譜分析系統(tǒng)，其特征在于:所述樣品檢測(cè)系統(tǒng)包括同位素中子源，聚乙烯包裹層以及聚乙烯桶組成，所述同位素中子源被固定放置在聚乙烯包裹層中心，所述聚乙烯包裹層位于聚乙烯桶的中心，所述能譜分析系統(tǒng)由伽馬射線探測(cè)器、多道分析器及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成，所述伽馬射線探測(cè)器緊貼著聚乙烯桶外壁的中間高度位置，所述伽馬射線探測(cè)器依次與多道分析器及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的基于PGNAA技術(shù)的水溶液中多元素成分及含量檢測(cè)裝置，其特征在于:所述同位素中子源位于聚乙烯桶的正中心，所述聚乙烯桶的內(nèi)半徑為4.8cm，外半徑為15?16cm,高度為50cm,所述聚乙烯包裹層厚度為0.2cm。
3.如權(quán)利要求2所述的基于PGNAA技術(shù)的水溶液中多元素成分及含量檢測(cè)裝置，其特征在于:所述同位素中子源為镅鈹中子源。
4.如權(quán)利要求3所述的基于PGNAA技術(shù)的水溶液中多元素成分及含量檢測(cè)裝置，其特征在于:所述伽馬射線探測(cè)器為鍺酸鉍BGO探測(cè)器。
5.一種如權(quán)利要求1所述的基于PGNAA技術(shù)的水溶液中多元素成分及含量檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，其特征在于:包括如下步驟 1)取樣步驟:先采集水體樣本倒入到聚乙烯桶的樣品腔中，之后將同位素中子源固定于聚乙烯桶的正中心； 2)測(cè)量步驟:同位素中子源通過水體的慢化，被充分慢化為慢中子，之后其與水體中元素的原子核發(fā)生輻射俘獲反應(yīng)，發(fā)出瞬發(fā)特征伽瑪射線，所述特征伽瑪射線跟元素一一對(duì)應(yīng)，所述瞬發(fā)特征伽瑪射線穿過水體及聚乙烯桶被伽馬射線探測(cè)器接受，這些特征伽瑪信號(hào)進(jìn)入多道分析器采集儲(chǔ)存，然后送入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，得到伽瑪射線能譜，能譜中特征峰的位置表示元素種類，特征峰的強(qiáng)度表示該元素的含量； 3)分析步驟:利用數(shù)學(xué)分析方法對(duì)不同元素的特征峰進(jìn)行解析，并修正，最后得到水溶液中的元素成分種類、含量與能譜中特征峰計(jì)數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)元素分析與測(cè)量。
6.如權(quán)利要求5所述的基于PGNAA技術(shù)的水溶液中多元素成分及含量檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，其特征在于:所述步驟3)中的數(shù)學(xué)分析方法為最小二乘法擬合方法。
【文檔編號(hào)】G01N23/222GK103837558SQ201410080054
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年3月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月6日
【發(fā)明者】賈文寶, 黑大千, 凌永生, 單卿, 程璨 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)