CN104964903B

CN104964903B - 一种高空机载x荧光实时分析仪

Info

Publication number: CN104964903B
Application number: CN201510321224.7A
Authority: CN
Inventors: 张焱; 贾文宝; 张新磊; 单卿; 陈达
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2017-11-24
Anticipated expiration: 2035-06-12
Also published as: CN104964903A

Abstract

本发明涉及一种高空机载X荧光实时分析仪，包括激发源、采样膜、探测装置、电源、无线传输装置、处理器；其中，所述激发源包括固定连接的微型同位素X射线源和准直器；发射源发射出的射线照射在采样膜上，并反射至探测装置上；所述探测装置包括依次连接的微型硅漂移探测器、微型数字化多道谱仪，射线通过微型硅漂移探测器进入微型数字化多道谱仪；所述无线传输装置将探测装置处理过的信息发送至处理器中，所述电源为探测装置和无线传输装置提供电能。本发明所采用X荧光方法通过飞行器对高空排污口的重金属微粒样品实时快速检测，操作简单，测量实时快速，检测范围广，检测限低，实现对高空污染物的实时监测。

Description

一种高空机载X荧光实时分析仪

技术领域

本发明涉及高空污染物实时检测分析领域，具体涉及一种高空机载X荧光实时分析仪。

背景技术

我国雾霾天气愈发频繁及严重，最主要的根源在化石能源的大量使用。巨量煤燃烧会产生大量有毒有害物质，其中微量重金属元素对人类和环境的危害都很大，这些重金属元素在高温燃烧后不但不会被分解，反而在高温下挥发成金属蒸汽，富集在亚微米颗粒表面，随亚微米颗粒排放到大气中，长期以气溶胶形式存在，不易沉降，不仅影响大气能见度，而且使人及其他生物受到重金属危害。这些燃烧后的污染物质基本都通过烟囱排向高空，如果能实时对高空的排污口原位进行检测，从源头上控制重金属的排放，对于减少环境微粒中重金属污染具有非常重大的意义。

目前，化学分析方法由于自身很多的限制，很难做到高空的实时检测，而X射线荧光分析技术具有非破坏性、快速、原位实时检测的特点，已经广泛应用于环境样品多元素定值分析。但实验实中X射线荧光设备大都很笨重，即使小型的便携式的X射线荧光设备也有2-3kg，如何研制更小体积及重量的X荧光设备并应用对高空实时分析是一大难点，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

针对上述背景技术的不足，本发明的目的是提供一种高空机载X荧光实时分析仪。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种高空机载X荧光实时分析仪，包括激发源、采样膜、探测装置、电源6、无线传输装置7、处理器；

其中，所述激发源包括固定连接的微型同位素X射线源1和准直器2；激发源发射出的射线照射在采样膜上，激发出采样膜上待测元素的特征X射线荧光，然后经探测装置收集；所述探测装置包括依次连接的微型硅漂移探测器4、微型数字化多道谱仪5，射线通过微型硅漂移探测器4进入微型数字化多道谱仪5；所述无线传输装置将探测装置处理过的信息发送至处理器中，所述电源6为探测装置和无线传输装置7提供电能。

进一步的，该分析仪外部为一铝合金盒8，所述激发源、采样膜、探测装置、电源、无线传输装置都固定于铝合金盒8中；所述铝合金盒8固定在云台10上，并通过云台10挂载在多轴固定翼飞行器11上。

作为一种优选，所述微型同位素X射线源1活度在1mCi以上；所述微型同位素X射线源1为²³⁸Pu，¹⁰⁹Cd，¹³⁷Cs，⁵⁵Fe，²⁴¹Am或者⁵⁷Co。

更进一步的，所述准直器2长度为0.5-2cm，孔径1-5mm，材质为纯铜。

更进一步的，所述采样膜采用空气重金属微粒粉尘检测专用滤膜3，采样膜孔径为2.5-10um，采样膜直径为50-70mm。

更进一步的，所述激发源与采样膜之间距离为10-20mm，激发源与采样膜成角度设置；所述微型硅漂移探测器4与采样膜之间距离为10-20mm，且探测装置与采样膜之间成相同角度设置。

更进一步的，所述微型数字化多道谱仪5通过网线与无线传输装置7连接。

更进一步的，所述无线传输装置7采用IEEE 802.11系列协议进行数据传输，将微型数字化多道谱仪5的能谱信息发射至处理器。

更进一步的，所述多轴固定翼飞行器11为6轴或8轴固定翼飞行器。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明利用X射线荧光分析技术（XRF），采用先进的高性能集成微型硅漂移探测系统及微型同位素源，搭建超微型X荧光实时分析仪；固定于多轴飞行器，实现高空作业，通过无线遥感实现飞行器与X荧光实时分析仪的实时控制与数据传输；实现对高空排污口污染物的实时监测，进行检测及预警；

2、本发明提供的分析仪中采样膜与微型硅漂移探测器以及激发源之间的距离控制在10-20mm，夹角在70度左右，具有较好的实验效果；

3、本发明采用空气重金属微粒粉尘检测专用滤膜，采样膜孔径为2.5um，直径为50mm，每次测量前须更换，准直器长度为0.5-2cm，孔径1-5mm，材质为纯铜保证了检测的准确性，并且采样快，效率高；

4、本发明检测范围广，检测限低，并且操作简单，无化学污染，测量时间短，安全可靠，具有广泛应用前景。

附图说明

图1为本发明装置示意图；

图2为实施例1中²³⁸Pu同位素源的能谱图；

图3为实施例1中检测多种金属能谱图；

图4为实施例2中S的X荧光计数随其含量的变化曲线；

其中，1-激发源、2-准直器、3-采样膜、4-微型硅漂移探测器、5-微型数字化多道谱仪、6-电源、7-无线传输装置、8-铝合金盒、9-螺丝、10-云台。

具体实施方式

本发明提供一种高空机载X荧光实时分析仪，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

本发明提供一种高空机载X荧光实时分析仪如图1所述，具体结构为：

包括激发源、采样膜、探测装置、电源、无线传输装置、云台、多轴固定翼飞行器组成，所述激发源包括微型同位素X射线源1和准直器2；采样膜采用空气重金属微粒粉尘检测专用滤膜3；探测装置包括微型硅漂移探测器4、微型数字化多道谱仪5；电源为微型便携式电源6，同时给探测装置和无线传输装置7提供电源；激发源、采样膜、探测装置、电源、无线传输装置都固定于铝合金盒8中，利用螺丝9把铝合金盒8与云台10固定，通过云台10挂载在多轴固定翼飞行器11上。

飞行器高空飞行或悬停时，激发源发射的X射线照射在采样膜收集的样品上，激发样品中元素的特征X荧光信息，经硅漂移探测器4采集X荧光信号，数字化多道谱仪5将信号转化为可用于分析的能谱，通过无线传输装置7发射至地面计算机进行实时数据处理分析。

实施例1

本实施例涉及的同位素X射线源为²³⁸Pu同位素源，准直器长1cm，孔径2mm；采样膜孔径2.5um，直径5cm；同位素源与采样膜之间距离为10mm，夹角为70度；微型硅漂移探测器采用美国amptek公司的SDD-123硅漂移探测器，重量约为200g，微型数字化多道谱仪采用美国amptek公司的PX6数字化多道谱仪；探测装置与采样膜之间距离为10mm，夹角为70度；微型便携式电源为华为移动电源，容量5200mAh，5V输出；无线传输装置为华为移动WIFIE5200c；铝合金盒尺寸长*宽*高分别20mm*10mm*7.5mm，厚度为1mm，重量约为300g，利用螺丝(M3*12)把铝合金盒与云台固定；云台采用大疆公司的H3-3d减震云台，多轴固定翼飞行器为6轴固定翼飞行器，能载重2kg，飞行时间30min，具有悬停及128个自定义航点飞行功能。

安装固定好各元器件后，首先利用探测器对²³⁸Pu同位素源的进行测量，图2为²³⁸Pu同位素源的能谱图。高空中对铅、镉、铁、铜、钛、锗、汞、锆等8种重金属的样品测量，铅、镉、铁、铜、钛、锗、汞、锆等重金属的样品的浓度为50-1000ppm，检测结果如图3所示，每种样品分别测量300s。从图3可以明显区分出不同金属的能量，通过对应的峰的强度可以实现定性及定量的分析。

实施例2

在实施例1的基础上，配置了不同含硫(S)量的样品，进行燃烧，硫的含量分别为1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5和5 wt%，高空机载X荧光实时分析仪通过悬停在空中测量样品燃烧时放出的烟雾，测量时间为300s，检测结果如图4所示，S的X荧光(K_α2.3 keV)计数随S的浓度成良好的线性关系，线性相关系数R²=0.995。可通过这条曲线对排放物中S含量的定量分析。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种高空机载X荧光实时分析仪，其特征在于，包括激发源、采样膜、探测装置、电源（6）、无线传输装置（7）、处理器；

其中，所述激发源包括固定连接的微型同位素X射线源(1)和准直器(2)；激发源发射出的射线照射在采样膜上，激发出采样膜上待测元素的特征X射线荧光，然后经探测装置收集；所述探测装置包括依次连接的微型硅漂移探测器(4)、微型数字化多道谱仪(5)，射线通过微型硅漂移探测器(4)进入微型数字化多道谱仪(5)；所述无线传输装置将探测装置处理过的信息发送至处理器中，所述电源（6）为探测装置和无线传输装置(7)提供电能；

该分析仪外部为一铝合金盒(8)，所述激发源、采样膜、探测装置、电源、无线传输装置都固定于铝合金盒(8)中；所述铝合金盒(8)固定在云台(10)上，并通过云台(10)挂载在多轴固定翼飞行器(11)上；

所述采样膜采用空气重金属微粒粉尘检测专用滤膜(3)，采样膜孔径为2.5-10 um，采样膜直径为50-70mm。

2.根据权利要求1所述的一种高空机载X荧光实时分析仪，其特征在于，所述微型同位素X射线源(1)活度在1mCi以上；所述微型同位素X射线源(1)为²³⁸Pu，¹⁰⁹Cd，¹³⁷Cs，⁵⁵Fe，²⁴¹Am或者⁵⁷Co。

3.根据权利要求2所述的一种高空机载X荧光实时分析仪，其特征在于，所述准直器(2)长度为0.5-2cm，孔径1-5mm，材质为纯铜。

4.根据权利要求3所述的一种高空机载X荧光实时分析仪，其特征在于，所述激发源与采样膜之间距离为10-20mm，激发源与采样膜成角度设置；所述微型硅漂移探测器(4) 与采样膜之间距离为10-20mm，且探测装置与采样膜之间成相同角度设置。

5.根据权利要求4所述的一种高空机载X荧光实时分析仪，其特征在于，所述微型数字化多道谱仪(5)通过网线与无线传输装置(7)连接。

6.据权利要求1至3任意一项所述一种高空机载X荧光实时分析仪，其特征在于，所述无线传输装置(7)采用IEEE 802.11系列协议进行数据传输，将微型数字化多道谱仪(5)的能谱信息发射至处理器。

7.据权利要求6所述的一种高空机载X荧光实时分析仪，其特征在于，所述多轴固定翼飞行器(11)为6轴或8轴固定翼飞行器。