專利名稱：跨限x射線吸收濃度分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用跨限X射線吸收法測量溶液中元素濃度的分析儀，特別適用于多組分稀土元素體系的在線測量。
在稀土生產(chǎn)廠和核燃料后處理廠等工廠中，迅速測量溶液中各金屬元素的濃度，是關(guān)系到生產(chǎn)過程中有效進(jìn)行工藝控制的重要監(jiān)測技術(shù)。多年來，已研制出多種利用γ吸收法、X射線吸收法和X射線熒光法測量濃度的監(jiān)測系統(tǒng)，但對多組分稀土元素體系的快速在線測量問題，至今尚未得到完滿的解決。聯(lián)邦德國和日本的原子能研究部門于七十年代后期開始相繼研究用K限和L限X吸收計(jì)來作為核燃料后處理廠工藝過程中钚和鈾的控制分析手段，已取得良好的結(jié)果。日本ShotaroHAYASHI等人于1985年公開了一種K吸收限濃度分析儀，該儀器由X射線源、樣品容器、需要在低溫下保存和使用的Ge探測系統(tǒng)、多道分析器和微機(jī)組成。它的X射線源包括X光管、低壓電源穩(wěn)壓器、控制器、高壓電源和冷卻系統(tǒng)。該分析儀設(shè)備復(fù)雜、造價昂貴、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用高，很難用于多元體系各組分的在線分析。
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、維護(hù)量小、造價低廉并可用于多元體系各組分在線分析的濃度分析儀。
X射線通過物質(zhì)時，射線被物質(zhì)吸收的吸收系數(shù)可比γ射線大得多，因此它比γ吸收有更高的靈敏度。X射線吸收法已廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程的檢測和控制。由于原子外層電子的能級結(jié)構(gòu)，使得元素對X射線的吸收有下述特點(diǎn)一般吸收系數(shù)隨著X射線能量的增加而減小，但當(dāng)X射線的能量略大于某元素內(nèi)層電子的電離能時，吸收系數(shù)有顯著的增加，因此吸收系數(shù)對能量的曲線在各層電子能級處有階躍變化。對應(yīng)于K、L殼層電子電離能的階躍稱為K吸收限和L吸收限。也就是說，低于此限能量的X射線不能被該層電子吸收，而在吸收限高低兩邊的吸收系數(shù)有很大差別。如果用兩種能量的X射線來測量一個元素，一種的能量略大于此元素的吸收限，第二種略小于此吸收限，兩種射線的能量非常接近，所以任何其他元素對這兩種X射線的吸收系數(shù)都相差不大，只有被測元素相差相當(dāng)大，因此可以用兩種(單色)射線的吸收差來特效地測量此元素，這種方法我們稱為跨限X射線吸收法。表1列舉Fe、Cu、Ag、Sn、Nd諸元素的K吸收限能量及其兩邊的質(zhì)量吸收系數(shù)值。本發(fā)明的元素濃度分析儀就是利用X吸收的這個特性對元素濃度作定量分析的。
表1 K吸收限參數(shù)
對某個元素的分析，涉及到測吸收限高邊(H)和低邊(L)的透射X射線強(qiáng)度，據(jù)射線衰減規(guī)律推導(dǎo)出C＝K0+K1Ln(IL/IH)式中C-元素濃度，IL-吸收限低邊的透射X射線強(qiáng)度，IH-吸收限高邊的透射X射線強(qiáng)度，K0、K1-方程系數(shù)(對具體分析對象，由標(biāo)定試驗(yàn)求得)對于多元體系，每個元素對其他元素吸收邊透射強(qiáng)度的測量都有貢獻(xiàn)，因此互為干擾元素。然而，由于干擾元素在被測元素吸收限兩邊的吸收系數(shù)的差異小得多，因而可以通過校正使此方法有很好的選擇性和較強(qiáng)的抗干擾能力，適于對多元體系各組分的分析。由于微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)學(xué)計(jì)算法來校正成為可行，最常用的是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法。設(shè)多元體系各組分濃度為C1，C2，……Cj，在i組分吸收限兩側(cè)測得的射線強(qiáng)度比Ri＝Ln(IL/IH)i＝f(C1，C2，…Cj)，用經(jīng)驗(yàn)校正系數(shù)K表示j元素對i元素的吸收影響，那么i元素的濃度可以表示為Ci＝K0+Ki1R+Ki2R2+……+KijRj各組分的各項(xiàng)校正系數(shù)通過標(biāo)定試驗(yàn)和解方程計(jì)算求得。
本發(fā)明的元素濃度分析儀，由放射源-動靶機(jī)構(gòu)、樣品容器、探頭、單道分析器、專用接口和微機(jī)組成。所用的放射源為一種強(qiáng)度較高、能量較低、半衰期較長的γ射線放射源，如Am241源;動靶上至少裝兩個或二個以上的靶，靶的個數(shù)至少要等于被測成分?jǐn)?shù)，如果等于被測成分?jǐn)?shù)加1，則溶液中非待測元素含量變化對結(jié)果影響更小，儀表飄移和樣品厚度變化的影響也小。放射源的γ射線照在靶上產(chǎn)生特征X射線。探頭由分辨率較低的閃爍晶體(如NaI晶體)、光電倍增管和脈沖放大器組成。
本發(fā)明有下列附圖

圖1濃度分析儀的測量原理方框2放射源-轉(zhuǎn)動靶機(jī)構(gòu)的正視3放射源-轉(zhuǎn)動靶機(jī)構(gòu)的俯視4移動靶機(jī)構(gòu)示意5系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗(yàn)程序邏輯流程6標(biāo)定程序邏輯流程7測定程序邏輯流程圖下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述圖1給出了本發(fā)明的測量原理方框圖。被測料液自動流經(jīng)或人工注入樣品容器2，從放射源-動靶機(jī)構(gòu)1射出不同能量的單能X射線，透過被測料液，射線被吸收后，透過的X射線由探頭3接收并轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。探頭由NaI晶體、光電倍增管和脈沖放大器組成，也可用正比計(jì)數(shù)管和脈沖放大器。單道分析器4測出脈沖計(jì)數(shù)，經(jīng)自制專用接口5送至微機(jī)6。微機(jī)6據(jù)予先標(biāo)定時所存的方程系數(shù)計(jì)算并輸出分析結(jié)果。
放射源-轉(zhuǎn)動靶機(jī)構(gòu)的正視圖和俯視圖見圖2和圖3，放射源-移動靶機(jī)構(gòu)的示意圖見圖4。放射源-轉(zhuǎn)動靶機(jī)構(gòu)的工作過程是可逆電機(jī)13通過連軸節(jié)12帶動轉(zhuǎn)盤11，轉(zhuǎn)盤11固定在由止推軸承機(jī)構(gòu)15精確定位的主軸14上。轉(zhuǎn)換能量(或分光)用的各種類型的靶10固定在轉(zhuǎn)盤11上作圓周運(yùn)動。接口5和微機(jī)6接受接近開關(guān)17和裝在轉(zhuǎn)盤上的定位控制片8發(fā)出的信號，判斷并控制轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)、停及其方位，使連桿18端頭的觸頭7自由滑進(jìn)分布在轉(zhuǎn)盤側(cè)面的定位坑16中(連桿18由固定在底盤19上的彈簧拉牽著)，由此控制各個靶相繼轉(zhuǎn)動并停在放射源9的前邊，由靶轉(zhuǎn)換后的不同能量的X射線穿過被測溶液被探頭接收。放射源-移動靶機(jī)構(gòu)的工作過程與此相似，不同的是采用平移方式使各種靶相繼移到放射源25的前邊。圖3中，20為電機(jī)，21減速器，22開關(guān)，23定位片，24靶，25放射源，26準(zhǔn)直板，27樣品容器，28探頭。
在放射源-動靶機(jī)構(gòu)中，所用放射源為Am241，所選用靶的種類根據(jù)被測成分選擇。對多元素體系各組分的分析，例如對于多組分稀土元素體系，被測組分按原子序數(shù)排列，每相臨兩個組分選一個靶，使此靶的特征X射線能量在這兩個被測組分的吸收限之間。再加上兩個靶，一個高于所有組分的吸收限，另一個低于所有組分的吸收限，這樣靶數(shù)為被測組分?jǐn)?shù)加1，后兩個靶也可只選一個。
選靶時，一般以α1+α2X射線為準(zhǔn)，不可能時以α1為準(zhǔn)，測重稀土元素的濃度時以β線為準(zhǔn)。表2給出測某些稀土元素時所應(yīng)選用的靶。按此表選靶，被測元素與靶有公共邊線。
樣品厚度(即樣品容器的寬度)必須適中，在線性范圍內(nèi)樣厚越大濃度減弱系數(shù)越大，因而測量誤差越小。樣厚過大會因吸收量過大而改變能譜，造成非線性誤差，濃度越高，濃度變化范圍越大，最佳樣厚越小，最佳樣厚可用實(shí)驗(yàn)確定。在線性范圍內(nèi)誤差對樣厚不是很敏感的，不必對每個分析點(diǎn)都作最佳樣厚實(shí)驗(yàn)，樣厚差不多就可以了，但不可以大到非線性區(qū)，出現(xiàn)較大非線性誤差可從偏離誤差曲線上看出，這時往往誤差很大，變化規(guī)律與范圍最大成分濃度變化規(guī)律同步，出現(xiàn)這種情況一定要減小樣厚。
本發(fā)明的分析儀的控制系統(tǒng)由接口5和微機(jī)6組成。根據(jù)測量的需要，微機(jī)6采用IF-800或PC-
801，編制二十個功能(如鍵入分析點(diǎn)名稱、鍵入儀表?xiàng)l件、打印標(biāo)樣濃度、選定被測成分、選定測量靶、標(biāo)定測量、選定計(jì)算靶和計(jì)算、打公式系數(shù)表、打偏離誤差表、測量樣品等)顯示在熒光屏上。操作人員按需要，用人機(jī)對話方式，打一數(shù)字鍵就可選擇任一功能。接口5是以單板機(jī)為主體，配一些硬件研制而成。當(dāng)接口接到微機(jī)發(fā)來的命令時，立即控制測量裝置，執(zhí)行后給微機(jī)一個回答訊號，隨即處于待令狀態(tài)。
該濃度分析儀的標(biāo)定方法主要有以下幾點(diǎn)1.確定應(yīng)用范圍。如用于全廠的控制分析，要將全廠的來樣分成若干系列，排成號，每一個號命一個名，確定每一系列被測元素?cái)?shù)及各元素在生產(chǎn)過程中濃度波動范圍。
2.確定每一系列配制的標(biāo)準(zhǔn)樣品數(shù)。
3.標(biāo)準(zhǔn)樣品配制好后，將各種數(shù)據(jù)用人機(jī)對話的方式，按號、名稱一一對應(yīng)送入計(jì)算機(jī)存到磁盤上。樣品從第一號開始注入樣品容器2，起動標(biāo)定程序，計(jì)算機(jī)就自動對各靶依次定時測量、計(jì)數(shù)。重復(fù)三次。計(jì)算出平均計(jì)數(shù)率、計(jì)數(shù)率對數(shù)。
本發(fā)明的元素濃度分析儀，可用于在線或?qū)嶒?yàn)室分析復(fù)雜組分中單個元素濃度，用于分析各種復(fù)雜成分中各個組分的濃度，也可用于在線分析工藝過程中各控制點(diǎn)的各元素濃度。該機(jī)特別適用于在稀土生產(chǎn)廠中作鑭、鈰、鐠、釹、釤、銪、釓和釔等稀土元素混合溶液中每個元素濃度的快速分析。已編制了一套比較完備的軟件，包括全系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗(yàn)程序、標(biāo)定程序和測定程序。圖5、圖6和圖7給出上述三個程序的邏輯流程圖。標(biāo)定好的經(jīng)驗(yàn)校正系數(shù)存磁盤內(nèi)長期可用，存儲濃度計(jì)算式的數(shù)量可無限多。如果分析點(diǎn)組分、濃度范圍等參數(shù)有變化，隨時可配制樣品重新標(biāo)定。該分析儀的例行測定操作也相當(dāng)簡便，只要將待測樣品倒入指定厚度的樣品容器中，按標(biāo)定時的測量條件鍵入命令，由微機(jī)控制自動測定并計(jì)算出結(jié)果。對于元素組分少的樣品只要三、五分鐘，對于元素組分多的樣品最多十幾分鐘就測出各組分濃度。
對于多點(diǎn)多組分系統(tǒng)的濃度測定，可由一臺微機(jī)和一臺專用接口控制多臺(例如12臺)由放射源-動靶系統(tǒng)、樣品容器和探頭組成的一次裝置及單道分析器，對各點(diǎn)中的各組分進(jìn)行連續(xù)在線測定。測定時，各臺裝置儀表在微機(jī)控制下同時工作，微機(jī)定時采樣，計(jì)算出結(jié)果存盤并顯示各組分濃度值及其變化曲線，指導(dǎo)生產(chǎn)以便及時修改運(yùn)行參數(shù)。
本發(fā)明有下述優(yōu)點(diǎn)1.具有靈活性和多面性特點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用前景。原則上對于中等原子序數(shù)以上的各種元素，單一體系或復(fù)雜體系都能適用。
2.對于液體樣品的分析比其他的常量分析方法有更大的優(yōu)越性，樣品不需要作任何予處理，速度比X熒光分析、容量分析等方法快得多，不損失破壞樣品，因此適于生產(chǎn)過程控制分析和在線監(jiān)測。
3.由于應(yīng)用微機(jī)技術(shù)，使分析過程控制和數(shù)據(jù)處理簡單易行。操作十分簡便，普通操作人員都能很快熟悉掌握。
4.在微機(jī)控制下用單道能譜儀來作多道測量，使有足夠的分辨率和測量精度，而造價卻大大降低，因此更適于在生產(chǎn)現(xiàn)場、分析崗位推廣使用。該儀表在稀貴金屬和稀少金屬的水法冶金中，在石油化工和其他化工生產(chǎn)中也都有應(yīng)用的價值。
權(quán)利要求
1.一種跨限X射線吸收濃度分析儀，包括X射線源、樣品容器2、探頭3、微機(jī)6，其特征在于X射線源為一種能提供兩種以上單能X射線的放射源-動靶機(jī)構(gòu)1，接收透過待測樣品的X射線并將其轉(zhuǎn)換成電脈沖信號的探頭3由分辨率較低的探測器構(gòu)成，探頭3輸出的電脈沖信號送至測出脈沖計(jì)數(shù)的單道分析器4，單道分析器4經(jīng)專用接口5與控制儀表運(yùn)行和進(jìn)行計(jì)算的微機(jī)6連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的濃度分析儀，其特征在于在放射源-動靶機(jī)構(gòu)1中所用的放射源為Am241，轉(zhuǎn)動靶機(jī)構(gòu)包括可逆電機(jī)13、連軸節(jié)12、轉(zhuǎn)盤11、止推軸承機(jī)構(gòu)15、主軸14、靶10、接近開關(guān)17、定位控制片8、連桿18、觸頭7、定位坑16和底盤19。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的濃度分析儀，其特征在于動靶上裝2個或2個以上的靶，靶的個數(shù)至少要等于被測成分?jǐn)?shù)，如果等于被測成分?jǐn)?shù)加1，則溶液中非待測元素含量變化對結(jié)果影響更小，所選用靶的種類根據(jù)被測成分選擇。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的濃度分析儀，其特征在于樣品容器2的最佳寬度由實(shí)驗(yàn)確定。
5.按照權(quán)利要求1或2所述的濃度分析儀，其特征在于探頭3由NaI晶體、光電倍增管和脈沖放大器組成。
6.按照權(quán)利要求1或2所述的濃度分析儀，其特征在于微機(jī)6采用IF-800或PC-9801微機(jī)。
全文摘要
一種跨限X射線吸收濃度分析儀，包括可提供兩種以上單能X射線的放射源-動靶機(jī)構(gòu)、樣品容器、由閃爍晶體構(gòu)成的探頭、單道分析器和微機(jī)。該儀器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、造價低廉、維護(hù)量小，特別適用于多組分稀土元素體系的在線測量。這種濃度分析儀還具靈活性和多面性的特點(diǎn)，原則上對于中等原子序數(shù)以上的各種元素，單一體系或復(fù)雜體系都能適用，在稀貴金屬和稀少金屬的水法冶金中，在石油化工和其他化工生產(chǎn)中也有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號G01N23/083GK1040095SQ8810630
公開日1990年2月28日 申請日期1988年9月1日 優(yōu)先權(quán)日1988年9月1日
發(fā)明者曹洪章, 陶倫常, 陳年生, 潘允德, 李光英, 秦元德, 張玉成 申請人:核工業(yè)部第二研究設(shè)計(jì)院