水和食品检测仪稳定性测试分析

　　摘 要：水和食品检测仪是检测水和食品中放射性水平的便携式谱仪。本文从硬件结构、硬件稳定性测试、刻度、温度及湿度影响测试分析等方面比较全面的介绍了该仪器。 
　　1引言 
　　便携式水和食品检测仪是针对日本福岛核事故研发的，以便及时检测事故区水和食品放射性[1]。 
　　反应堆中有可能泄漏的放射性物质主要有核燃料本身、裂变产物、以及活化产物[2]。至于危害性，短期以碘、氡为主，长期则以铯为主。137Cs是核反应堆内核裂变的产物之一，是核废料γ放射性的最主要来源，137Cs的同伴还有131I，虽然131I半衰期只有8天，但其能迅速在生物体的甲状腺内积累[3]。而137Cs的半衰期约30a，可以长期存在于自然界中，所以131I和137Cs都是影响公众健康的主要放射核数[4]。福岛核电站反应堆芯融毁后，核裂变产物随着水蒸气排放泄漏到大气中，三周内就可以随着高层大气环游地球一周，131I和137Cs对食品安全的影响也随着大气运动波及日本关西地区和其他国家，对水和食品中的131I和137Cs的持续监控显得尤为重要[5]。 
　　2 水和食品检测仪的结构设计 
　　整个系统由七部分组成：探测器、线性脉放大器、幅度甄别器、计算机多道分析器、高压电源、定标器。 
　　主探测器部分选用的晶体是NaI（Tl）闪烁晶体。水和食品检测仪探测的是水和食品中γ射线的比活度。NaI（ Tl ） 晶体作为γ射线探测器有如下优点：1） 探测效率高；2） 能量分辨率约为8% ；3） 可以制成各种几何尺寸和形状；4） 性价比高；5） 与光电倍增管的光谱响应匹配最好[6]。保管和使用都较为方便，所以使用Nal（T1）做为探测器晶体。前置放大器的输出信号输入到线性脉冲放大器，经线性放大器放大后的信号可由计算机多道分析器或单道脉冲幅度分析器读出。 
　　3 水和食品检测仪的测试分析 
　　3.1 水和食品检测仪刻度 
　　在完成水和食品检测仪的焊板、电路测试、调峰位、老化实验及封装等工作以后，需要对其进行刻度。刻度是指用已知活度或剂量率的标准样品或标准辐射场，测量仪表的响应，定出相应的刻度系数。这就是一种相对测量，所以要求刻度条件应尽可能与待测样品或辐射场一致，否则一定要进行相应的校正。条件相一致，是要求射线的能量一致，而且几何条件，样品的物理状态、组份也都应一致[7]。本试验选用不同活度的131I源和137Cs源作为标准样品水和食品检测仪进行刻度，图2、3则为测试数据，将图中的数据进行直线拟合可以求出线性拟合斜率k，分别为kCs=1.37、kI=0.91。将kCs与kI输入仪器中，即完成刻度过程。 
　　3.2 水和食品检测仪硬件稳定性测试 
　　为了确定水和食品检测仪硬件设计上是否对仪器测量的数据有影响，设计实验对其进行测试，设计方案如下： 
　　将仪器放入恒温恒湿箱中，保持稳定测试环境，每次不间断测量10min一组，进行多次测量。测量结果如图4所示： 
　　从图中可以看出，设计测量标准差：std_really=6.13，根据泊松分布特点，其理论标准差为std=6.26，仪器测量标准差差和理论标准差接近，测量数据符合泊松分布检验的涨落规律，可以认为仪器系统比较稳定，环境和仪器硬件方面对其的影响很小。 
　　3.3 水和食品检测仪温度测试 
　　水和食品检测仪对放射性的测量使用的是NaI（Tl）闪烁体探测器，温度对NaI（Tl）闪烁体探测器的计数存在一定的影响，从而使水和食品检测仪的测量结果产生误差，以下实验对其进行研究。 
　　3.3.1 实验方案 
　　设计实验，在低温（0℃）、常温（20℃）、高温（40℃）等不同温度下，分别测量同一台仪器的本底（即自来水）计数，以及测量两个活度分别为114Bq的131I和450Bq的137Cs的标准源，计算误差以及重复性。 
　　（1）误差计算 
　　相对误差=（测量活度平均值-标准活度/标准活度）×100% （1） 
　　（2）重复性计算 
　　（2） 
　　（2）式中：S为重复性，n为测量总次数，X是第i次测量数据，：所测活度的平均值。 
　　3.3.2 实验过程 
　　分别选用450mL的自来水一杯（本底）、450mL的标准137Cs溶液（活度为114Bq）、450mL的标准137Cs溶液（活度为450Bq）作为待测溶液。将水和食品检测仪的测量时间设置成20min，这样即可保证数据的准确性，又能节省时间。然后设置恒温恒湿箱温度为0℃（测高温时设置成40℃），湿度设置成50%。测试步骤如下： 
　　（1）开机预热10分钟左右，将放有自来水的测量杯放入水和食品检测仪铅室中，进行本底测量，测量时间为30分钟，保存并记录所测数据。 
　　（2）将活度114Bq的标准137Cs溶液放入铅室中，以Bq为单位测量多组数据，记录测量结果； 
　　（3）将活度450Bq的标准137Cs溶液放入铅室中，以Bq为单位测量多组数据，记录测量结果； 
　　测量水和食品检测仪在高温（40℃）以及室温（20℃）下的测量结果，步骤同（1）、（2）、（3）。 
　　3.3.3 实验数据及处理如表1所示 
　　3.3.4 结果分析 
　　（1）计数偏差：表中看出，0℃、20℃、40℃时本底的计数分别为368、445、361，偏差较大，说明探测器受温度影响。 
　　（2）误差：在三个不同温度下所测的活度误差并不大。 
　　（3）重复性：都较好。 　　由此可以看出，不同温度时水和食品检测仪的计数会有较大的偏差，但在一定范围内对仪器的测量结果影响并不大（实验只测量0℃、20℃、40℃，所以不能确定极限温度）。在高温下仪器的性能较不佳，所测值均偏小，不适合测量，所以应尽量在室温或非高温下的使用仪器。另外，当测量环境中温度发生>5℃的改变时，请必须重新测量本底。 
　　3.4 水和食品检测仪湿度测试 
　　水和食品检测仪工作的环境大部分是在室外，应考虑湿度对其影响，则做以下实验对其进行研究。 
　　将已组装好的两台仪器放入恒温恒湿度实验箱里，控制温度分别为-10℃，0℃，10℃，20℃，每个温度保持一个小时，湿度保持在50%。再测仪器从恒温箱中取出后1h，2h，3h数据，室内温度20℃。测量时间均30min。将实验数据记入表2、3中。 
　　由表2、3可以看出，水和食品检测仪在恒温恒湿箱中（湿度保持在50%）所测得的计数相差很小。而在自然条件下湿度不稳定，水和食品检测仪的计数会有较大的偏差。但在一定范围内对仪器的测量结果影响并不大。 
　　4 结论与建议 
　　水和食品检测仪稳定性测试数据的测量标准差与理论标准差比较接近，则可说明水和食品检测仪系统比较稳定。通过实验可知温度、湿度对水和食品检测仪的测量结果都有影响，但在一定范围内对测试结果影响不大。经测试可知其性能满足指标要求。且其具有灵敏度高、响应快速、体积小、便于携带等特点，操作简单易懂。 
　　参考文献： 
　　[1] Butler，Declan. Fukushima health risks scrutinized[N].Nature，2011，73419（472）：13-15. 
　　[2] 放射性物质的污染与处置[J].北京；环境保护科学研究所一室，1974：41-44. 
　　[3] Hu lingyuan.Without a Clear DirectionLessons for Japan from the Fukushima Nuclear Accident[J]. China International Studies，2012，3. 
　　[4] 张玉敏，朱春来.核电发展与日本福岛核电站核泄漏简析[J].河北；中国船舶重工集团公司第七一八研究所，2011，1（4）：1-7. 
　　[5] 王家敏.谈“铯”色变的日子--日本福岛核泄漏事故的后续效应[N].中国新闻周刊，2011，66-67. 
　　[6] 方晓明，李欣年. 碘化钠探测器和高纯锗探测器γ能谱仪性能比较[J].上海；上海大学学报，2001，4. 
　　[7] 金花. NaI（Tl） γ谱仪测量数据的计算机处理方法[J].中国原子能科学研究院，1991.11（6）：337-343.