原料钾矿碘化钠晶体测钾仪技术领域
本发明属于钾元素测量技术领域，具体地讲，涉及一种原料钾矿碘化钠晶
体测钾仪。
背景技术
钾盐生产过程中钾原料矿进样工段的任务是将钾原料矿通过传输带输送到
车间进行处理。实时、快速、准确地动态监测进样工段传输带上的钾原料矿中
钾离子的含量，并将其上传至主工控机修改其它工艺参数，可提高钾肥的采收
率，并稳定钾肥品位。
常规测量钾离子含量的方法主要依靠人工现场取样，以重量法、容量法或
用离子选择电极、原子吸收等仪器进行分析，这些方法操作复杂繁琐，所需时
间长，不能在线连续、实时测定，无法满足钾盐的加工生产。放射性测量钾含
量是基于钾的三种天然同位素39K、40K和41K中，仅40K具有放射性，它的半
衰期为1.25×109年，丰度为0.012％。由于40K的半衰期很长，故可认为40K在
钾元素中的含量是固定的，所以可以通过对其放射性的测定，进而推算出总的
钾含量或者其它钾同位素的含量。在40K的衰变过程中，能够放射出具有连续光
谱的、最大能量为1.33MeV的β射线，同时放射出能量为1.46MeV的γ射线。
所以可以用测量40K放射出的β射线或者γ射线来测定待测样品中钾的含量。γ
射线能谱分析是核辐射测量的最重要的任务之一，而γ射线能谱分析仪是核辐射
能谱分析的最基本的仪器，它是测量记录各种条件下产生的微分脉冲幅度谱的
连续曲线。一般都是同已知元素和含量的标准样品比较，或与已知元素和含量
的标准曲线拟合，定为何种元素，由峰下面积的大小可确定该元素含量的多少。
目前国外主要应用的是在线单道能谱仪，将其安装在钾盐进样工段带式传
输机的上部，带式传输机的下部装一放射源(通常是137Cs)。137Cs的γ射线经
过钾原料矿时衰减一部分，单道能谱仪接受到的脉冲计数在钾原料矿中的钾含
量基本稳定时固定在一个比较小的范围内，但上述测试方法的传输带上需装有
放射源，给现场的安装和技术维护带来隐患。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种原料钾矿碘化钠晶体
测钾仪，所述原料钾矿碘化钠晶体测钾仪其中的闪烁体的尺寸较大，使得测试
的相对误差更小，不超过3％，精度更为准确。
为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种原料钾矿碘化钠晶体测钾仪，包括：探测器，所述探测器用于在线或
即时取样探测40K衰变时放射的1.46MeV的γ射线，以生成脉冲信号；信号分析系
统，所述信号分析系统用于将所述脉冲信号进行分析，并产生能谱信息；数据
处理系统，所述数据处理系统采集所述能谱信息，绘制成能谱曲线并将其与所
述数据处理系统内置的标准曲线进行对比，计算并显示钾离子的含量；所述标
准曲线为所述原料钾矿碘化钠晶体测钾仪的脉冲计数率与钾样品中钾离子的含
量的关系曲线；所述探测器包括：闪烁体，所述闪烁体用于与射入其内的γ射线
发生光电效应后产生光子；光电倍增管，所述光电倍增管用于接收所述光子，
并将所述光子转换为所述脉冲信号；前置放大器，所述前置放大器用于放大所
述脉冲信号；光学组件，所述光学组件设置于所述闪烁体的侧壁上，以对所述
光子进行反射直至所述光子传递至所述光子聚集件处；以及光子聚集件，所述
光子聚集件设置于所述闪烁体的与所述光电倍增管相对的表面上，以将所述闪
烁体发射的以及所述光学组件反射的所述光子进行汇集并传递至所述光电倍增
管的光阴极处。
进一步地，所述光学组件包括依次叠成设置在所述闪烁体的侧壁上的反射
膜以及遮光膜。
进一步地，所述光子聚集件的材料为光学硅油。
进一步地，所述闪烁体的材料为直径130mm、高度130mm的NaI：Tl晶
体。
进一步地，所述光电倍增管的直径为130mm。
进一步地，所述原料钾矿碘化钠晶体测钾仪还包括：屏蔽室；所述屏蔽室
套设于所述闪烁体外。
进一步地，所述屏蔽室的材料为厚度不少于2cm的铅板。
进一步地，所述信号分析系统包括线性放大器和多道脉冲幅度分析器；所
述线性放大器用于将所述脉冲信号进行放大，所述多道脉冲幅度分析器用于对
经所述线性放大器放大的脉冲信号进行甄别，并产生1024道的能谱信息；所述
数据处理系统包括数据采集模块、数据处理模块和数据显示模块；所述数据采
集模块用于采集所述能谱信息，并将所述能谱信息输送到所述数据处理模块；
所述数据处理模块将所述能谱信息绘制成所述能谱曲线，并将所述能谱曲线与
所述数据处理系统内置的标准曲线进行对比，计算求得钾离子的含量；所述数
据显示模块用于显示所述钾离子的含量。
进一步地，所述多道脉冲幅度分析器通过RS-485接口与所述数据处理系统
进行通讯。
进一步地，所述标准曲线根据测定若干已知钾离子的含量的标准样品来确
定；所述标准曲线的斜率计算公式表示为：K＝(NT-NB)/C；其中，NT表示所述原
料钾矿碘化钠晶体测钾仪中750道至850道之间的标准样品的脉冲计数率，NB表
示所述原料钾矿碘化钠晶体测钾仪中750道至850道之间的本底样品的脉冲计数
率，C表示标准样品中钾离子的含量。
本发明的有益效果在于：
该原料钾矿碘化钠晶体测钾仪采用测量40K衰变产生的γ射线来测定钾的含
量，具有很好的探测效率和测量精度，能够较好的去除环境本底，使得到的测
量数据更准确；本发明的大尺寸的闪烁体以碘化钠晶体为材料，使测试相对误
差更小、探测下限更低。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点
和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是根据本发明的实施例的原料钾矿碘化钠晶体测钾仪的结构示意图；
图2是根据本发明的实施例的探测器的结构示意图；
图3是图2中A区域的局部放大图；
图4是根据本发明的实施例的原料钾矿碘化钠晶体测钾仪的能谱图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的
形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。
相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域
的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修
改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号
将始终被用于表示相同或相似的元件。
图1是根据本发明的实施例的原料钾矿碘化钠晶体测钾仪的结构示意图。
根据图1所示，根据本实施例的原料钾矿碘化钠晶体测钾仪包括探测器1、
信号分析系统2、数据处理系统3以及屏蔽室4；其中，探测器1用于在线或即
时取样探测40K衰变时放射的1.46MeV的γ射线，以生成脉冲信号；信号分析
系统2用于将探测器1探测生成的所述脉冲信号进行分析，并产生能谱信息；
数据处理系统3采集信号分析系统2产生的所述能谱信息，绘制成能谱曲线并
将其与数据处理系统3内置的标准曲线进行对比，计算并显示钾离子的含量；
所述标准曲线为该原料钾矿碘化钠晶体测钾仪的脉冲计数率与钾样品中钾离子
的含量的关系曲线。
具体地，参照图2和图3所示，探测器1包括：闪烁体11、光电倍增管12、
前置放大器13、光学组件14以及光子聚集件15；其中，闪烁体11用于与射入
其内的γ射线发生光电效应后产生光子；光电倍增管12用于接收闪烁体11发射
的光子，并将该光子转换为脉冲信号；前置放大器13用于放大光电倍增管12
中生成的脉冲信号；光学组件14设置于闪烁体11的侧壁上，以对闪烁体11发
射的光子进行反射直至该光子传递至光子聚集件15处；光子聚集件15设置于
闪烁体11的与光电倍增管12相对的表面上，以将闪烁体11发射的光子及光学
组件14反射的光子进行汇集并传递至光电倍增管12的光阴极121处。
屏蔽室4即套设于所述闪烁体11外，本实施例的屏蔽室4由至少2cm厚
的铅板制成，该屏蔽室4可对环境的辐射起到良好的阻挡作用，从而进一步保
证了该原料钾矿碘化钠晶体测钾仪在使用时的测试准确度。
更为具体地，参照图3，光学组件14包括在闪烁体11的侧壁上依次叠层设
置的反射膜和遮光膜。其中，反射膜可对闪烁体11发射的光子进行反射，直至
闪烁体11发射的光子均被传递至光子聚集件15处；而遮光膜则可对外界的辐
射产生遮挡作用，以免外界的辐射传递至闪烁体11内，从而对闪烁体11发射
的光子造成干扰；优选地，反射膜的材料可以是镜面反光膜或是由氧化镁等材
料制备成的漫反射膜，而遮光膜呈黑色，以最大幅度地降低对外界的辐射的吸
收。另外，设置于闪烁体11与光电倍增管12之间的光子聚集件15的材料优选
为光学硅油，其可对闪烁体11发射的光子以及经反射膜反射的光子进行汇集，
直至这些光子透过该光子聚集件15并传递至光电倍增管12的光阴极121处。
值得说明的是，在本实施例中，闪烁体11为尺寸为Φ130mm(直径)×Φ130
mm(高度)的圆柱形NaI：Tl晶体，所述NaI：Tl晶体是指掺杂有Tl的NaI
晶体；而与之相应地，光电倍增管12的直径也为130mm，光谱响应范围为300
nm～650nm，较大的直径使得光电倍增管12与闪烁体11能够完全相对，从而保
证了闪烁体11发射的光子穿过光子聚集件15到达光电倍增管12中，而无需因
光电倍增管12与闪烁体11的尺寸不对应而需再次进行汇集。本实施例的大尺
寸的闪烁体11可有效提高该原料钾矿碘化钠晶体测钾仪的测试精度，从而可大
幅降低该原料钾矿碘化钠晶体测钾仪的测试相对误差以及测试下限。
本实施例的信号分析系统2包括线性放大器21和多道脉冲幅度分析器22；其
中，线性放大器21用于将探测器1探测生成的脉冲信号进行放大，多道脉冲幅度
分析器22用于对经线性放大器21放大的信号进行甄别，并产生1024道的能谱信
息。
具体地，多道脉冲幅度分析器22通过RS-485接口与数据处理系统3进行通
讯。
本实施例的数据处理系统3包括数据采集模块、数据处理模块和数据显示模
块(图中未示出)；其中，数据采集模块用于采集信号分析系统2产生的1024道
的能谱信息，并将所采集到的所述能谱信息输送到数据处理模块；数据处理模
块将接收的所述能谱信息绘制成能谱曲线，并将该能谱曲线与数据处理系统3内
置的标准曲线进行对比，计算求得钾离子的含量；数据显示模块用于显示求得
的钾离子的含量。
所述标准曲线根据测定若干已知钾离子含量的标准样品来确定；所述标准
曲线的斜率的计算方法为：
K＝(NT-NB)/C
其中，NT表示750道至850道之间的标准样品的脉冲计数率，NB表示750
道至850道之间的本底样品的脉冲计数率，C表示标准样品中钾离子的含量。
本发明的原料钾矿碘化钠晶体测钾仪基于对钾的天然放射性同位素40K的特
征γ射线的测量，来实现对钾含量的测定。40K在衰变时，会放射出能量为1.46MeV
的γ射线。γ射线进入闪烁体11内，与闪烁体11发生反应，使闪烁体11内的原子和
分子电离和激发，在退激过程中产生光子，这些光子被收集到光电倍增管12的
光阴极121上，发生光电效应，光子变为光电子，这些光电子通过光电倍增管12
的倍增，最终在光电倍增管12的阳极(图中未示出)得到一个几毫伏到几伏的
脉冲信号，再通过前置放大器13，将脉冲信号放大，然后将该脉冲信号输入信
号分析系统2。信号分析系统2内设有线性放大器21、多道脉冲幅度分析器22等。
线性放大器21对输入的脉冲信号做进一步放大，再通过多道脉冲幅度分析器22
进行甄别，然后将每一道的计数输出至数据处理系统3中，经处理得到能谱曲线，
如图4所示。
本发明的原料钾矿碘化钠晶体测钾仪的主要技术指标与性能如下：
(1)工作温度：-10℃～50℃，工作湿度：≤95％；
(2)4π探测效率：η≥1.7％(137Cs)；
(3)能量分辨率：7％～8％；
(4)探测能量范围：70keV～3MeV；
(5)测试范围：3.7Bq/m3～3.7×106Bq/m3；
(6)测试灵敏度下限：1％(按KCl质量百分数计)；
(7)测试相对误差：≤3％。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将
理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，
可在此进行形式和细节上的各种变化。