一种原位检测水体多元素成分与含量的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水体中元素检测分析领域，具体涉及一种原位检测水体多元素成分与 含量的方法和装置。
【背景技术】
[0002] 水体污染对人来说，危害尤甚，其原位检测是亟须解决的问题。常用检测方法包括 原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法以及近年来研宄的X荧光光 谱、阳极溶出伏安法、免疫检测法和功能DNA检测法等检测分析方法。这些方法需要取样、 制样、严格的实验室用房和专业的操作技术人员，检测成本相对较高，并且难以进行实时连 续检测，不能满足在突发环境污染事件调查和在生态风险调查中的需要，因此人们仍在继 续寻找能够更快捷、更精确、且进行野外现场的检测手段。
[0003] 瞬发伽玛中子活化射线分析（PromptGammaNeutronActivation Analysis,PGNAA)技术具有非破坏性、尚灵敏度、不受样品形状和周围环境的影响、可对大 体积内的环境样品进行多元素原位实时检测的特点，已经广泛应用于石油测井、矿物勘探、 爆炸物成分的探测、生物学、考古学以及环境样品多元素定值分析等领域。近年来PGNAA技 术在原位水体中的检测是一热点，但由于原位检测中放射源活度的限制，效果并不理想。虽 有人结合PGNAA技术中产生的内转换的X荧光信息来提高水体中单一重金属的检测限，但 水体原位检测中其成分并不单一，且X荧光技术很难对氢、氧、氮等低原子序数元素检测， 如何实现对水体中多元素的同时原位测量是一大难点。因此，确有必要对现有技术进行改 进以解决现有技术之不足。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是提供一种原位检测水体多元素成分与含量的方法和装置，以解决现 有技术的不足。
[0005] 本发明采用以下技术方案：
[0006] -种原位检测水体多元素成分与含量的方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤一、利用固定在聚乙烯包裹层中心的激发源激发样品盒中的待检测水体；其 中，所述激发源为同位素中子源或中子发生器；
[0008] 步骤二、同时利用伽玛射线探测器和X荧光探测器分别收集水体多元素的伽玛射 线和X焚光信号；
[0009] 步骤三、将伽玛射线探测器和X荧光探测器收集的信号利用信号放大器放大，之 后经过多道分析器转化为可用于分析的能谱，再由计算机进行数据处理，得到水体多元素 成分及含量；其中，计算机进行数据处理方法包括元素特征峰及背景计数的获取，通过下列 公式将多道分析器提供的能谱计数换算成各元素含量：
[0010]Ci=AIy^D (1)
[0011]Cj=BIXJ+E (2)
[0012] 其中，Ci为元素i浓度，wt%，元素i为原子序数< 20的元素为元素j浓度， wt%，元素j为原子序数>20的元素；IYi、I5u分别是元素i特征伽玛射线与元素j特征X 荧光的相对强度；A、B、D、E为待定系数，通过装置元素标定获得。
[0013] 步骤一所述聚乙稀包裹层为圆柱桶，厚度为l_2cm，直径为10-14cm;所述样品盒 的厚度为〇? 8-1. 2cm，长为50_60cm，宽为50_60cm，高为45_55cm;所述聚乙稀包裹层位于样 品盒正下方l_5cm。
[0014] 步骤一所述同位素中子源和中子发生器的中子通量在lX106n/cm2以上；所述同 位素中子源包括252Cf;所述中子发生器包括DD中子发生器或DT中子发生器。
[0015] 步骤二所述伽玛射线探测器包括晶体探测器或半导体探测器，所述晶体探测器包 括碘化钠探测器、锗酸铋探测器或碘化铯探测器，所述半导体探测器包括P型高纯锗探测 器、N型高纯锗探测器或碲锌镉探测器；所述伽玛射线探测器的低压和高压均由电源提供， 低压为12-24V，高压为500-2000V。
[0016] 步骤二所述X荧光探测器包括晶体探测器、半导体探测器或气体探测器，所述晶 体探测器包括带铍窗的碘化钠探测器，所述半导体探测器包括硅PIN探测器、硅漂移探测 器或碲化镉探测器，所述气体探测器包括正比计数管；所述X荧光探测器的低压和高压均 由电源提供，低压为12-24V，高压为500-3000V。
[0017] 步骤二所述伽玛射线探测器和X荧光探测器分别位于样品盒的正上方，进行收集 信号。
[0018] -种原位检测水体多元素成分与含量的装置，包括激发源、聚乙烯包裹层、样品 盒、伽玛射线探测器、X荧光探测器、电源一、电源二、信号放大器、多道分析器，所述激发源 为同位素中子源或中子发生器，固定在聚乙烯包裹层的中心；所述聚乙烯包裹层位于样品 盒的正下方一定距离；所述样品盒正上方分别放置伽玛射线探测器和X荧光探测器，电源 一和电源二分别连接伽玛射线探测器和X荧光探测器；伽玛射线探测器的输出端和X荧光 探测器的输出端分别和信号放大器的输入端连接，信号放大器的输出端和多道分析器的输 入端连接，多道分析器的输出端和外源计算机连接。
[0019] 所述聚乙稀包裹层为圆柱桶，厚度为l_2cm，直径为10-14cm;所述样品盒的厚度 为0? 8-1. 2cm，长为50_60cm，宽为50_60cm，高为45_55cm;所述聚乙稀包裹层位于样品盒正 下方l_5cm〇
[0020] 所述同位素中子源和中子发生器的中子通量在IXlOfVcm2以上；所述同位素中 子源包括252Cf;所述中子发生器包括DD中子发生器或DT中子发生器。
[0021] 所述伽玛射线探测器包括晶体探测器或半导体探测器，所述晶体探测器包括碘化 钠探测器、锗酸铋探测器或碘化铯探测器，所述半导体探测器包括P型高纯锗探测器、N型 高纯锗探测器或碲锌镉探测器；所述X荧光探测器包括晶体探测器、半导体探测器或气体 探测器，所述晶体探测器包括带铍窗的碘化钠探测器，所述半导体探测器包括硅PIN探测 器、硅漂移探测器或碲化镉探测器，所述气体探测器包括正比计数管。
[0022] 本发明原理：本发明利用中子与0、C等元素发生非弹性散射及中子与H等元素发 生俘获反应产生的特征伽玛，通过伽玛射线探测器收集这些特征伽玛，再经多道分析器将 信号转化为可用于分析的能谱，最后由计算机进行数据处理得到水体〇、C、H等低原子序数 (< 20)的元素成分及含量；其次利用中子与元素反应产生的内转换X荧光及次级伽玛射 线激发水体中高原子序数（>20)元素的X荧光信息，通过X荧光探测器收集水体高原子序 数元素的X荧光信息，再经多道分析器将信号转化为可用于分析的能谱，最后由计算机进 行数据处理得到水体高原子序数（>20)元素的成分及含量。
[0023] 本发明的有益效果：
[0024] 1、本发明方法同时利用瞬发伽玛射线中子活化分析技术（PGNAA)和X射线荧光分 析技术（XRF)，使用双探测器分别探测瞬发特征Y射线和特征X荧光，联合检测水溶液中多 元素，包括低原子序数和高原子序数的元素，检测范围广，检测精度高，检测限低。并且操作 简单，无化学污染，测量时间短，安全可靠，可以实现水体中多元素的成分及含量检测，具有 广泛应用前景。
[0025] 2、本发明方法利用PGNAA中产生的Y射线来激发元素的特征X荧光信息，取代传 统激发源（X光管、高能电子或放射源等），简单快捷并且降低成本。
[0026] 3、本发明方法中样品本身直接慢化中子，提高中子利用率。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明装置示意图。
[0028] 图2为实施例1中伽玛能谱图。
[0029] 图3为实施例1中X荧光能谱图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的解释。下列实施例仅用于说明本发 明，但并不用来限定本发明的实施范围。
[0031] -种原位检测水体多元素成分与含量的方法，包括如下步骤：
[0032] 步骤一、利用固定在聚乙烯包裹层中心的激发源激发样品盒中的待检测水体，中 子与水体中元素发生反应放出伽玛（y)射线，同时y射线会激发出元素的X荧光信息。 聚乙烯包裹层为圆柱桶，厚度为l-2cm，直径为10-14cm。激发源为同位素中子源或中子发 生器，中子通量在IX106n/cm2以上；同位素中子源包括252Cf;中子发生器包括DD中子 发生器或DT中子发生器。样品盒的厚度为0? 8-1. 2cm，长为50-60cm，宽为50-60cm，高为 45_55cm。聚乙稀包裹层位于样品盒正下方l_5cm。
[0033] 步骤二、同时利用位于样品盒正上方的伽玛射线探测器和X荧光探测器分别收 集水体多元素的伽玛射线和X荧光信号，这些信号被称作"核指纹"，能进行定性或者定量 分析。伽玛射线探测器包括晶体探测器或半导体探测器，晶体探测器包括碘化钠探测器、 锗酸铋探测器或碘化铯探测器，半导体探测器包括P型高纯锗探测器、N型高纯锗探测器 或碲锌镉探测器。伽玛射线探测器的低压和高压均由电源提供，低压为12-24V，高压为 500-2000VJ荧光探测器包括晶体探测器、半导体探测器或气体探测器，所述晶体探测器包 括带铍窗的碘化钠探测器，所述半导体探测器包括硅PIN探测器、硅漂移探测器或碲化镉 探测器，所述气体探测器包括正比计数管。所述X荧光探测器的低压和高压均由