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便携式食品放射性检测仪的研制及测试

周英杰 张海薇 杨月 侯琼 李君 卢位 王磊

周英杰, 张海薇, 杨月, 侯琼, 李君, 卢位, 王磊. 便携式食品放射性检测仪的研制及测试[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(2): 215-223. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021050
引用本文: 周英杰, 张海薇, 杨月, 侯琼, 李君, 卢位, 王磊. 便携式食品放射性检测仪的研制及测试[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(2): 215-223. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021050
Yingjie ZHOU, Haiwei ZHANG, Yue YANG, Qiong HOU, Jun LI, Wei LU, Lei WANG. The Development and Test of a Portable Food Radioactivity Monitor[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(2): 215-223. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021050
Citation: Yingjie ZHOU, Haiwei ZHANG, Yue YANG, Qiong HOU, Jun LI, Wei LU, Lei WANG. The Development and Test of a Portable Food Radioactivity Monitor[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(2): 215-223. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021050

便携式食品放射性检测仪的研制及测试

doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021050
基金项目: 科技部重大科学仪器设备开发专项(2012YQ18011805);成都市科技惠民计划项目(2014-HM01-00099-SF);四川省科技计划项目(2021JDRC0107);四川省科技计划项目(2021JDRC0068)
详细信息
    作者简介:

    周英杰(1997−), 男, 四川南充人, 硕士研究生,从事电子信息研究; E-mail:2382248031@qq.com

    通讯作者: 张海薇,E-mail:273048544@qq.com;
  • 中图分类号: TL821;TL822+4

The Development and Test of a Portable Food Radioactivity Monitor

Funds: Major Scientific Instruments and Equipment Development Project of Ministry of Science and Technology(2012YQ18011805);Chengdu Science and Technology Benefiting People Project(2014-HM01-00099-SF); Sichuan Science and Technology Plan Project(2021JDRC0107); Sichuan Science and Technology Plan Project(2021JDRC0068)
More Information
  • 摘要: 设计了一种便携式食品放射性检测仪,主要包括测量结构、核信号处理单元和能谱分析程序。核信号处理单元主要包括抗混叠低通滤波器、程控增益放大器、高速A/D采样、数字低通滤波、梯形成形、脉冲幅度甄别和能谱获取等。能谱分析程序主要包括能谱光滑、能谱寻峰、能量刻度、本底扣除以及活度计算等。最后,以测量131I核素为例,研究了仪器对不同体积样品的探测效率、刻度系数和最低可探测活度,并根据刻度系数对300 mL食品样品的放射性测量结果进行校正。结果表明,仪器对常见食品中131I的放射性活度检测结果误差小于10%,满足食品放射性测量需求。
  • 图  1  (在线彩图)仪器结构(a)及仪器实物(b)

    图  2  系统框图

    图  3  程控增益放大器原理图

    图  4  基于AD9235的信号采集电路

    图  5  16阶FIR数字滤波器结构图

    图  6  梯形成形整体结构示意图

    其中$ M=\frac{1}{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}({T}_{\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{k}}/\tau )-1} $,$ \tau =RC $,RC为时间常数,$ {T}_{\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{k}} $为脉冲采样的时间。

    图  7  软件框图

    图  8  (在线彩图)谱线显示与分析

    图  9  ROI信息表、测量对象信息表、核素库表、能量刻度表和拟合参数表

    图  10  (在线彩图)食品放射性测量核素库

    图  11  (在线彩图)不同体积样品的探测效率曲线

    图  12  测量系统对不同体积样品中131I的MDA值

    表  1  不同体积131I标记水样品的探测效率和刻度系数

    序号样品体积/mL测量时间/s本底
    /cps
    测量值
    /cps
    理论值
    /cps
    探测效率
    /%
    刻度系数
    1 100 600 2.7 13.6 944.3 1.16 86.4
    2 150 600 2.7 17.4 1 415.1 1.03 96.6
    3 200 600 2.7 20.4 1 885.2 0.94 106.6
    4 250 600 2.7 23.0 2 354.3 0.86 116.0
    5 300 600 2.7 24.8 2 822.6 0.78 127.9
    6 350 600 2.7 26.1 3 290.1 0.71 141.0
    7 400 600 2.7 27.8 3 743.2 0.67 149.0
    8 450 600 2.7 29.1 4 207.3 0.63 159.5
    9 500 600 2.7 30.3 4 670.6 0.59 169.3
    注:① 测量值为仪器对样品释放射线的测量计数率(含本底);② 理论值为由式(5)和式(6)计算得到单位时间样品中核素衰变释放的伽马数,下同。
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    表  2  131I标记食品样品检测活度浓度及误差

    样品
    名称
    体积
    /mL
    测量值
    /cps
    本底/cps刻度后计数率/cps理论值/cps测量活度浓度
    /(Bq• L−1)
    测量误差/%
    花菜30021.82.82 4342 4938 1132.38
    四季豆30019.82.82 1782 3817 2598.55
    茄子30020.92.82 3192 3777 7292.46
    菠菜30019.82.82 1782 3607 2597.72
    西红柿30020.82.82 3062 3567 6862.12
    海带30021.82.82 4342 3498 1133.60
    韭菜30020.72.82 2932 3437 6432.14
    茼蒿30020.22.82 2292 3397 4304.70
    生菜30019.62.82 1522 3307 1747.65
    牛奶30021.22.82 3572 3207 8571.60
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-06-08
  • 修回日期:  2021-07-27
  • 网络出版日期:  2022-06-29
  • 刊出日期:  2022-06-29

便携式食品放射性检测仪的研制及测试

doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021050
    基金项目:  科技部重大科学仪器设备开发专项(2012YQ18011805);成都市科技惠民计划项目(2014-HM01-00099-SF);四川省科技计划项目(2021JDRC0107);四川省科技计划项目(2021JDRC0068)
    作者简介:

    周英杰(1997−), 男, 四川南充人, 硕士研究生,从事电子信息研究; E-mail:2382248031@qq.com

    通讯作者: 张海薇,E-mail:273048544@qq.com;
  • 中图分类号: TL821;TL822+4

摘要: 设计了一种便携式食品放射性检测仪,主要包括测量结构、核信号处理单元和能谱分析程序。核信号处理单元主要包括抗混叠低通滤波器、程控增益放大器、高速A/D采样、数字低通滤波、梯形成形、脉冲幅度甄别和能谱获取等。能谱分析程序主要包括能谱光滑、能谱寻峰、能量刻度、本底扣除以及活度计算等。最后,以测量131I核素为例,研究了仪器对不同体积样品的探测效率、刻度系数和最低可探测活度,并根据刻度系数对300 mL食品样品的放射性测量结果进行校正。结果表明,仪器对常见食品中131I的放射性活度检测结果误差小于10%,满足食品放射性测量需求。

English Abstract

周英杰, 张海薇, 杨月, 侯琼, 李君, 卢位, 王磊. 便携式食品放射性检测仪的研制及测试[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(2): 215-223. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021050
引用本文: 周英杰, 张海薇, 杨月, 侯琼, 李君, 卢位, 王磊. 便携式食品放射性检测仪的研制及测试[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(2): 215-223. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021050
Yingjie ZHOU, Haiwei ZHANG, Yue YANG, Qiong HOU, Jun LI, Wei LU, Lei WANG. The Development and Test of a Portable Food Radioactivity Monitor[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(2): 215-223. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021050
Citation: Yingjie ZHOU, Haiwei ZHANG, Yue YANG, Qiong HOU, Jun LI, Wei LU, Lei WANG. The Development and Test of a Portable Food Radioactivity Monitor[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(2): 215-223. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021050
    • 核事故和核爆炸产生的大量放射性物质可通过食品进入人体,对人体健康造成危害[1]。我国主要依据GB 14883-1994系列和GB/T 16145-1995[2-3]对食品放射性进行测量,虽可获得较理想的最低可探测活度浓度(Minimum Detectable Concentration, MDC),但对测量样品有较高的预处理要求,且测量周期长,效率低下,难以满足快速或现场测量的要求。

      美国ORTEC公司、白俄罗斯Polimaster公司的Food Guard型快速食品检测谱仪和PM1406型食品污染检测仪则仅需对样品进行简单的物理处理,避免了碳化、灰化等繁琐的预处理流程。尽管它们在测量下限和精度上有所牺牲,但是大幅度提高了工作效率,实现了食品放射性污染的快速测量。国内对于食品放射性污染测量的研究主要围绕仪器开发,以及仪器测量的最低可探测活度(Minimal Detectable Activity, MDA)等方面展开。东华理工大学的Qu等[4]人对食品和水中134Cs、137Cs的测量进行了仪器开发,对测量中存在的40K扣除和MDA等问题进行了研究,但测量精度较低,仅为±15%,未针对不同体积的食品和水的放射性测量开展研究。上海贝谷公司推出的BG301能谱型食品和水放射性检测仪,可以快速区分食品和水中137Cs、134Cs、131I、40K等核素,其外形尺寸为700 mm×400 mm×480 mm,整个测量系统的功耗小于等于40 W,其能量分辨率优于8%(137Cs 661 KeV),且检测下限为10 Bq/L,其重量为150 kg,该仪器的体积和质量较大[5]

      考虑到我国核应急对食品放射性快速测量的实际需求,本文针对食品放射性快速检测技术展开研究,对仪器的测量结构进行设计,并开发测量电子学系统,同时通过获取多道$\gamma $能谱对放射性物质活度浓度进行分析计算。本文通过对食品中131I的放射性测量,研究本文所开发仪器在不同体积样品下的探测效率、校正系数和MDA,并对测量结果进行校正。

    • $\gamma $放射性能谱测量中,NaI(TI)和HPGe探测器是较为常见的两种探测器,其中HPGe探测器具有很好的能量分辨率,但液氮制冷或电制冷才能正常工作,价格昂贵,便携性差(液氮制冷);而NaI(TI)探测器的能量分辨率一般在7%左右,具有较高的探测效率和较低的价格,在$\gamma $能谱测量领域应用也较为广泛。因此本文采用了Hamamatsu公司的CH132-07(ϕ25 mm×25 mm)型NaI(Tl)探测器作为食品放射性测量探测器。该探测器集高压和前放于一体,输出脉宽约为2 µs的负脉冲,具有本底计数低、性能稳定、体积小(便于携带)等特点。

      对于弱放射性测量主要从减小本底干扰和提高探测效率两个方面降低探测下限。综合考虑仪器的便携性和测量下限,本文采用了1.5 cm厚的铅构建测量腔体来降低环境本底对测量的影响,可将环境本底降低约75%[6]。为了提高探测效率,本设计采用了基于马林杯的嵌入式测量方法,增大探测器与待测样品间的接触面积,增大样品与探测晶体间所夹的立体角[7-8]。本文设计的测量仪器结构如图1所示。仪器结构主要包括铅屏蔽层、LCD显示屏、马林杯、NaI晶体以及光电倍增管;该测量仪器的尺寸:顶部外径为157 mm,底部外径为195 mm, 高度为270 mm ,整个测量系统的重量约为20 kg,仪器的检测时间为10 min。

      图  1  (在线彩图)仪器结构(a)及仪器实物(b)

    • 整个系统总体设计如图2所示,主要包括NaI(TI)探测器和前置放大器、程控增益电路、模拟滤波电路、差分驱动电路、高速A/D采样电路、数字信号处理模块和能谱分析模块等,其中数字信号处理模块由数字低通滤波、梯形成形、脉冲幅度甄别、能谱获取等几部分组成。能谱分析软件采用C#语言开发而成,主要功能有数据通信、谱线预处理[光滑、寻峰、感兴趣区(Region of Interest, ROI)]的设置、能量刻度和峰信息计算(本底、峰面积、净峰面积、半高宽、核素识别、能量分辨率、校正率、活度)以及数据库。

      图  2  系统框图

    • 程控增益电路的主要作用是将探测器输出的信号幅度进行调节,以满足后续电路的需求。设计采用ADI公司的AD5543和AD8065芯片,电路图如图3所示。其中AD5543是一款16位、低功耗、电流输出型数模转换器(Digital to Analog Converter, DAC)。设计利用AD5543的内部电阻网络,与运放搭配构建可编程放大器。工作时,现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface, SPI)总线向AD5543写入对应的数值来确定其接入电路的阻值,实现对信号幅度的放大。与其搭配的运放为AD8065,它具有低噪声、宽带宽、高压摆率等特点,可以保证对高速核信号的放大不失真。

      图  3  程控增益放大器原理图

    • 核信号实时采集处理采用ADI公司的AD9235-40,其12 Bit的分辨率和高达40 MSPS的采样速率保证了对信号的有效采集。信号采集电路如图4所示,其中VIN+和VIN-为差分输入引脚,输入信号幅度在1~2 Vp-p之间;VREF为参考电压输入引脚,由低噪声、高精度的基准电压芯片ADR420提供外部参考电压;D0-D11为12位数据输出引脚。工作时,FPGA首先将AD9235的“POWN”引脚置高位,激活模数转换器(Analog to Digital Converter, ADC),并通过“CLK”引脚为其提供40 MHz的采样时钟,ADC在时钟上升沿到来后开始对信号进行转换,并在时钟下降沿到来前将数据放在D0-D11引脚上,FPGA则在下个时钟上升沿到来之前读取总线数据。

      图  4  基于AD9235的信号采集电路

    • 本文采用Xilinx公司的Spartan 3E XC3S500E来实现程控增益控制、A/D采集控制、数字低通滤波、梯形成形、脉冲幅度甄别、能谱获取以及SPI通信等功能。FPGA控制逻辑及信号处理流程如下:

      (1) 系统初始化后,通过通用串行总线(Universal Serial BUS, USB)接口接收到上位机软件发送的“开始测量”命令后,激活ADC,并向其输出40 MHz的采集信号,开始数据采集,采集到的数据被缓存到先入先出队列(First Input First Output, FIFO)中。

      为了减小电子学噪声对测量的干扰,引入16阶FIR数字低通滤波器(结构如图5所示),可以有效地过滤掉信号中的噪声[9-11]

      图  5  16阶FIR数字滤波器结构图

      (2) 探测器输出信号的上升时间很短,一般在50 ns左右,所以利用对输出信号的幅度比较来获得较为准确的脉冲幅值的处理方法难度较大。而通过梯形成形算法可把前级得到的指数型脉冲信号变换为等幅度值的梯形信号,同时,梯形成形算法还能够提高信号幅度甄别的准确率。

      图6所示,梯形成形整体结构包括两个延迟相减单元、高通滤波数字反卷积单元以及累加器。其中,两个延迟相减单元都由加减法器及流水线构成,两个流水线的长度依次为$ k $, $ l $。较小的流水线长度决定了脉冲信号的边沿,两个流水线长度的差值决定了脉冲信号的上底宽度,指数信号经高通滤波数字反卷积单元转换成阶跃信号,得到的阶跃信号经过累加器实现梯形成形[12-13]

      图  6  梯形成形整体结构示意图

      (3) 脉冲甄别主要用于对有效脉冲的选取。脉冲甄别的工作原理是:依据前级模拟信号特征预先设置一个脉冲宽度的范围,然后对信号的脉冲宽度进行判断,若信号脉宽满足设置的脉冲宽度则保留该信号,否则剔除该信号。文中的信号宽度为2 µs左右,ADC的采样频率为40 MHz,在一个周期中采样点个数约为80,所以把脉宽计数个数在60~100范围的信号作为有效信号保留。通过脉冲幅度甄别算法提取信号幅度,形成多道能谱。

      (4) FPGA与上位机之间的通信通过USB来实现。FPGA中通过命令接收和数据发送这两个模块实现和上位机的通信,其中,前者主要实现对命令的接受以及对命令的判断和执行。后者主要负责把能谱数据传输到上位机。

    • 根据数字多道发送的能谱数据得出放射性核素的能谱数据,解谱在能谱分析软件完成,主要功能包括谱线光滑、ROI设置、本底扣除、峰面积计算、能量刻度和活度计算等。

    • 能谱分析软件采用C#语言开发。如图7所示,软件部分主要是由账户模块、信息模块、测量模块、谱线模块、ROI模块、刻度模块、核素库、分析模块这八大模块构成。软件选用了轻量级Access数据库存储相关数据表,便于在便携式计算机中使用。

      图  7  软件框图

      分析软件可实时显示测量能谱,自动计算本底、峰面积、净峰面积、半高宽、核素识别、能量分辨率、活度等。其中,核素识别是基于不同核素在衰变过程中会产生不同能量的$\gamma $射线,通过记录射线的能量形成能谱,再将这些特征能量与核素库中对应核素的能量进行对比,从而识别出对应的放射性核素。图8为测量10 min131I标记水所得能谱及计算结果。为了减少辐射测量统计涨落和电子学系统噪声的影响,本文采用了五点三次多项式拟合最小二乘法对谱线进行平滑处理,其公式如下[14]

      图  8  (在线彩图)谱线显示与分析

      $$ {Y}_{i}=\dfrac{1}{35}\big[-3({y}_{i-3}+{y}_{i+3})+12({y}_{i-2}+{y}_{i+2})+17{y}_{i}\big], $$ (1)

      式中:i为道址序号;$ {Y}_{i} $为光滑后谱线中第i道的计数;$ {y}_{i+3} $$ {y}_{i+2} $$ {y}_{i+1} $$ {y}_{i-1} $$ {y}_{i-2} $$ {y}_{i+2} $为所测谱线相应道址上的计数。经光滑后,软件采用了对称零面积变换法进行寻峰,并自动设置ROI区。ROI区信息计算主要包括本底、净峰面积、能量分辨率、半高宽、核素等计算分析。最后,可根据式(2)计算对应放射性核素的活度。

      $$ \begin{split} A=\dfrac{S}{{P}_{\mathrm{r}}\times t\times \mathrm{\varepsilon }}, \end{split}$$ (2)

      式中:A为放射性核素的活度;S为净峰面积;Pr$\gamma $射线对应的能量分支比;t为测量时间(单位:s);$\varepsilon $为系统的探测效率。

      软件数据库包括ROI信息表、测量对象信息表、能量刻度表、拟合参数表、核素库,如图9所示。其中核素库包含了食品放射性污染测量中的常见核素,如图10所示。

      图  9  ROI信息表、测量对象信息表、核素库表、能量刻度表和拟合参数表

      图  10  (在线彩图)食品放射性测量核素库

    • 探测效率刻度采用不同体积的已知活度的131I溶液作为刻度标样,然后对刻度标样进行测量,获得仪器对不同体积131I刻度标样的探测效率和刻度系数。

      食品放射性测量实验流程为:① 取样。对食品和水进行放射性测量时,样品的选取应有较好的代表性。尽量选取在事故中易受污染的食品,比如露天生长的多叶蔬菜(菠菜、白菜等)等,避免土豆等生长在地下的食品;水一般取自露天水源(湖水、库水和河水等),无露天水源的则取自来水;② 样品制备。将①中收集的食品样品去除泥沙,取可食部分,切碎或用粉碎机粉碎;③ 测得环境中的本底计数;④ 取一定体积(或质量)待测样品于马林杯中,压实,开始测量;⑤ 根据③和④的测量能谱,计算核素活度。本文模拟食品受131I污染采用了已知活度131I溶液对食品样品进行标记,作为标记测量样品。在实际测量过程中,为使结果更加准确,可采用刻度系数对测量值进行校正。

      $\gamma $射线与物质相互作用时,其强度变化满足式(3)所示的指数规律[15]

      $$ \begin{array}{c}N={N}_{0}{\mathrm{e}}^{-\mu \rho d}, \end{array}$$ (3)

      式中:N为入射后的粒子数;N0为入射前的粒子数;d为物质厚度;ρ为物质密度;μ$\gamma $射线在该物质中质量吸收系数。

      本文实验中采用的食品如牛奶、蔬菜等含水量很大,与水的密度与物理形态非常接近。经制样后的食品样品与水具有非常接近的密度和物理形态。因此本文在对食品样品进行测试时采用了水的刻度系数进行活度计算。

    • 测量系统的探测效率是指同一个时间段内,探测器探测到的粒子数与由放射源释放出的粒子总数比值,即

      $$ \varepsilon=\dfrac{N-N_{\mathrm{b}}}{N_{0}} \times 100 {\text{%}}, $$ (4)

      其中N为记录到的粒子数;Nb为本底计数;N0为测量时间内放射源发射的粒子数[16]

      $$ \begin{array}{c}{N}_{0}={P}_{\mathrm{r}}\times T\times A, \end{array} $$ (5)

      其中$ {P}_{\mathrm{r}} $为分支比;T为测量时间;A为放射源当前活度(Bq) [16]

      放射源活度计算公式如下:

      $$ \begin{array}{c}A={A}_{0}{\mathrm{e}}^{-\lambda t}={A}_{0}{e}^{-\tfrac{\mathrm{l}\mathrm{n}2\times t}{{T}_{1/2}}}, \end{array} $$ (6)

      其中:A0为放射源校准时的活度(Bq);λ为衰变常数($ \frac{1}{\lambda }=1.44{T}_{1/2} $);t为自校准后到测量的时间间隔[16]

      采用探测效率的倒数作为刻度系数K,对测量计数率进行修正,如式(7):

      $$ \begin{array}{c}K=\dfrac{1}{\varepsilon }。 \end{array} $$ (7)
    • MDA用于表征探测器在低本底环境或者对低放射性活度核素测量条件下所能探测到的最小活度,在95%的置信水平时,可表示为[17]

      $$ \begin{array}{c}{\rm{MDA}}=\dfrac{{L}_{\mathrm{D}}}{\varepsilon \boldsymbol\cdot {P}_{r}\boldsymbol\cdot T}=\dfrac{2.71+4.65\sqrt{{B}_{\mathrm{t}}}}{\varepsilon \boldsymbol\cdot {P}_{r}\boldsymbol\cdot T},\end{array} $$

      LD为最小可探测限;Bt为ROI的本底计数;$ \varepsilon$为系统的探测效率;T为测量时间(s)。

    • (1) 系统的探测效率和校正系数

      131I是核事故发生时生成的早期主要裂变产物之一,占有较大的份额,也是造成食品放射性污染的主要核素[18-19]。本文以测量不同体积食品中131I的活度为例,对仪器进行测试和验证。根据上述理论,实验用131I溶液刻度标样的初始活度浓度为12.3 Bq/mL(溶质为NaI,由沈阳联保疾控中心提供),依次取不同体积的样品进行测量,记录测量结果,并由式(4)~(7)求得系统的探测效率和刻度系数,测量及计算结果如表1所列。由于131I半衰期为8.02 d,其衰变释放的364 keV $\gamma $射线的分支比约为81.7%。本文采用364 keV$ \gamma $射线对应的全能峰计算计数率和本底。

      表 1  不同体积131I标记水样品的探测效率和刻度系数

      序号样品体积/mL测量时间/s本底
      /cps
      测量值
      /cps
      理论值
      /cps
      探测效率
      /%
      刻度系数
      1 100 600 2.7 13.6 944.3 1.16 86.4
      2 150 600 2.7 17.4 1 415.1 1.03 96.6
      3 200 600 2.7 20.4 1 885.2 0.94 106.6
      4 250 600 2.7 23.0 2 354.3 0.86 116.0
      5 300 600 2.7 24.8 2 822.6 0.78 127.9
      6 350 600 2.7 26.1 3 290.1 0.71 141.0
      7 400 600 2.7 27.8 3 743.2 0.67 149.0
      8 450 600 2.7 29.1 4 207.3 0.63 159.5
      9 500 600 2.7 30.3 4 670.6 0.59 169.3
      注:① 测量值为仪器对样品释放射线的测量计数率(含本底);② 理论值为由式(5)和式(6)计算得到单位时间样品中核素衰变释放的伽马数,下同。

      根据表1中的数据,经拟合得出100~500 mL范围内探测效率如图11所示。从图11中可以看出,在100~500 mL样品体积范围内,测量系统的探测效率随着样品体积的增大而逐渐减小。

      图  11  (在线彩图)不同体积样品的探测效率曲线

      (2) MDA

      根据式(8)和表1可以求出系统对不同体积131I样品的MDA,由式(8)可得出,在相同测量时间及相同探测效率下,随着ROI的本底计数增大,MDA也随之增大,所以,当测量样本体积增大时,其本底计数增大,MDA也会增大。结果如图12所示。从图中可以看出,测量时间为600 s时,在100~500 mL体积范围内,MDA与水样体积存在F(x)=0.081 5x+25.346线性关系。本文所研发的测量系统对于300 mL体积水中131I的MDA为50 Bq。

      图  12  测量系统对不同体积样品中131I的MDA值

      (3) 食品中131I的测量

      根据上述取样原则,实验选取了菠菜、海带、牛奶等10种食品,用粉碎机将食品粉碎,取300 mL样品于马林杯中,然后滴定15 mL活度浓度为246 Bq/mL(溶液配制后约108.6 h后,陆续开展本组食品放射性测量实验)的131I水溶液进行标记,搅拌均匀后形成待测样品。由于表2中,经制样后的食品样品与水具有非常接近的密度和物理形态,因此本文在对食品样品进行测试时采用了水的刻度系数进行活度计算,如表2所列。

      表 2  131I标记食品样品检测活度浓度及误差

      样品
      名称
      体积
      /mL
      测量值
      /cps
      本底/cps刻度后计数率/cps理论值/cps测量活度浓度
      /(Bq• L−1)
      测量误差/%
      花菜30021.82.82 4342 4938 1132.38
      四季豆30019.82.82 1782 3817 2598.55
      茄子30020.92.82 3192 3777 7292.46
      菠菜30019.82.82 1782 3607 2597.72
      西红柿30020.82.82 3062 3567 6862.12
      海带30021.82.82 4342 3498 1133.60
      韭菜30020.72.82 2932 3437 6432.14
      茼蒿30020.22.82 2292 3397 4304.70
      生菜30019.62.82 1522 3307 1747.65
      牛奶30021.22.82 3572 3207 8571.60

      由于核素对不同样品材料的标记效率不完全一样,同时,存在人为测量误差及环境因素的影响,所以对于不同样品的测量误差有所不同,但从测量结果可以看出,实际测量中的误差在10%以内,可以满足常规测量的要求。

    • 本文研制了一种便携式食品放射性检测仪,对仪器的能谱测量、能谱分析、探测效率、刻度等进行了研究,实现了食品放射性污染的快速检测,仪器结构紧凑,方便便携。从对131I的测量结果可以看出,系统具有较好的稳定性,误差在10%以内,满足实验室常规检测,同时也方便携带至现场对食品进行快速检测,可应用于食品安全、环境放射性评估、核应急检测等领域;但要更好地适用于普通用户,则需要进一步优化仪器结构设计,减轻仪器重量,并进一步优化人机交互系统。

参考文献 (19)

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