中子水分儀測(cè)量方式的改進(jìn)研究

龔亞林,趙中華,吳志強(qiáng),李巖峰,張 偉,宋青鋒,劉 輝,魏曉云

(1.丹東東方測(cè)控技術(shù)有限公司,遼寧丹東 118002;2.遼寧工程地質(zhì)職業(yè)學(xué)院機(jī)電系,遼寧丹東 118008)

中子水分儀主要包括中子源和中子探測(cè)器[1]。從中子源放出的快中子照射到物料中,被氫原子慢化,變成慢中子。慢中子穿過(guò)物料后被探測(cè)器接收。慢中子的產(chǎn)額與物料中水的含量有關(guān)。利用檢測(cè)慢中子計(jì)數(shù)反映物料含水率的方法稱(chēng)為中子測(cè)水技術(shù)。

中子水分儀目前普遍采用的測(cè)量方式有透射和散射兩種[2]。透射測(cè)量時(shí),中子源與中子探測(cè)器位于物料的兩側(cè),中子源發(fā)出快中子,被含水分的物料慢化,透射的慢中子被位于物料異側(cè)的中子探測(cè)器接收。透射式測(cè)量時(shí),由于中子的穿透性強(qiáng),中子與物料中的氫原子充分作用,測(cè)量結(jié)果的代表性較高。但當(dāng)物料過(guò)厚或含水分過(guò)高時(shí),中子無(wú)法穿透物料,因此也無(wú)法被探測(cè)器接收。

采用散射測(cè)量方式時(shí),中子源與中子探測(cè)器位于物料的同一側(cè),快中子被物料中的氫原子慢化后,經(jīng)散射被中子探測(cè)器接收。在這種測(cè)量方式下,無(wú)論物料有多厚,散射中子總能夠反映水分含量。散射式中子水分儀的優(yōu)勢(shì)在于不受物料厚度的限制,總能測(cè)量出物料中水分含量,因位于探測(cè)器遠(yuǎn)端的物料產(chǎn)生的慢中子不易被探測(cè)器接收到,水分測(cè)量值的代表性差些。

如果物料中的水分均勻,透射測(cè)量方式與散射測(cè)量方式在滿足各自的測(cè)量條件下,測(cè)量的水分值均是準(zhǔn)確的。若物料中水分分布不均勻,如有水分分層現(xiàn)象,局部水分過(guò)大或過(guò)小情況,物料內(nèi)部的中子通量將發(fā)生變化,導(dǎo)致其慢中子產(chǎn)額有別于水分均勻情況,從而引起中子水分儀的測(cè)量誤差。

為了消除或減弱因物料中水分不均勻引起的水分測(cè)量誤差,本工作擬采用透射加散射復(fù)合測(cè)量方式進(jìn)行測(cè)量。

1 透射加散射測(cè)量原理

透射加散射測(cè)量方式示意圖示于圖1。在此測(cè)量方式下,采用了兩個(gè)中子探測(cè)器。中子源發(fā)射出的中子被物料中的水分慢化后,形成慢中子,一部分被位于物料另一側(cè)的中子探測(cè)器接收,另一部分被位于放射源同一側(cè)的中子探測(cè)器接收。這兩個(gè)中子探測(cè)器的計(jì)數(shù)均被計(jì)入水分值中。大部分情況下,測(cè)量系統(tǒng)對(duì)靠近探測(cè)器的物料區(qū)域水分響應(yīng)比較靈敏。在“透射加散射”復(fù)合測(cè)量方式下,探測(cè)器分別位于物料的上部和下部。這樣,當(dāng)物料中水分不均勻時(shí),透射探測(cè)器和散射探測(cè)器會(huì)出現(xiàn)相反的計(jì)數(shù)偏差效應(yīng)。這種相反的偏差效應(yīng)表現(xiàn)為:當(dāng)透射探測(cè)器慢中子計(jì)數(shù)偏高時(shí),散射探測(cè)器慢中子計(jì)數(shù)偏低;而當(dāng)透射探測(cè)器慢中子計(jì)數(shù)偏低時(shí),散射探測(cè)器慢中子計(jì)數(shù)偏高。利用這一特點(diǎn),透射加散射復(fù)合測(cè)量方式能夠減小或消除水分不均勻所引起的水分測(cè)量誤差。

本工作擬從蒙特卡羅軟件模擬與實(shí)驗(yàn)兩方面著手,分析和驗(yàn)證“透射加散射”復(fù)合測(cè)量方式的可行性和可靠性,在物料水分分布不均勻情況下,對(duì)測(cè)量誤差予以改進(jìn)。

圖1 透射加散射復(fù)合測(cè)量方式示意圖

2 蒙特卡羅模擬

利用蒙特卡羅軟件MCNP對(duì)中子水分儀的3種測(cè)量方式(透射、散射、透射加散射)進(jìn)行模擬計(jì)算,分析物料中水分不均勻情況下水分的測(cè)量誤差。為了消除各種不確定因素對(duì)水分測(cè)量分析的影響,重點(diǎn)分析水分不均勻引起的水分測(cè)量誤差。本工作建立的裝置幾何模型簡(jiǎn)單化、理想化,與實(shí)驗(yàn)裝置相比,省略了源裝置的屏蔽結(jié)構(gòu)和探測(cè)器的金屬外殼等幾何單元。

2.1 透射測(cè)量方式模擬

利用蒙特卡羅方法模擬透射式中子水分儀的測(cè)量系統(tǒng)。分兩種情況模擬,一種是物料中水分分布均勻,另一種是物料中水分分布不均勻。

2.1.1 水分分布均勻時(shí)的模擬

按照?qǐng)D1的透射測(cè)量裝置,利用MCNP建立理想的幾何模型[3]。物料為20 cm厚含水鐵礦粉,中子源位于物料下方20 cm處,按241Am-Be源的能量譜分布,各向同性發(fā)射,平均能量為4.4 MeV。探測(cè)器為φ50 mm×200 mm的3He探測(cè)器。中子源發(fā)射的快中子與含不同水分的鐵礦粉發(fā)生相互作用后,在探測(cè)器區(qū)域采用 F1計(jì)數(shù)器記錄慢中子通量,將此通量乘以源強(qiáng),得到慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)。

當(dāng)物料中水分分布均勻時(shí),改變鐵礦粉的水分含量分別為6%、7%、8%、9%和10%,利用蒙特卡羅方法模擬得到相應(yīng)的一組慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)。能量在1 eV以下的慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)與水分的關(guān)系曲線示于圖2。

圖2 慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)與水分值的關(guān)系

對(duì)上述5個(gè)水分點(diǎn)及相應(yīng)的慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,得到的擬合函數(shù)為:

(1)式中,W為物料中水分值;X為慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)。

利用此函數(shù)關(guān)系,將水分儀探測(cè)到的慢中子計(jì)數(shù)代入(1)式中,即可算得待測(cè)物料所含水分值。(1)式的獲得即相當(dāng)于中子水分儀的標(biāo)定過(guò)程。

2.1.2 水分不均勻時(shí)的模擬

為簡(jiǎn)單起見(jiàn),對(duì)物料上下兩層水分值不同的情況進(jìn)行模擬。上部和下部物料水分均勻,但兩部分水分值不同。上下兩層厚度之比為1∶1,忽略水分不同對(duì)物料密度的影響,則上下兩層物料的質(zhì)量之比也為1∶1。上下兩層的水分含量分別為5%和7%,6%和8%,7%和9%,8%和10%,9%和11%。整個(gè)物料的折合水分值為6%、7%、8%、9%、10%。定義這種情況為“水分不均勻1”,經(jīng)模擬軟件計(jì)算得到能量在1 eV以下的慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)與水分的關(guān)系,結(jié)果示于圖3。

改變上下兩層物料的水分配比,得到另3種情況的慢中子計(jì)數(shù)。這三種情況定義為“水分不均勻 2”、“水分不均勻 3”和“水分不均勻 4”。“水分不均勻2”中的上下兩層的水分為4%和8%,5%和9%,6%和10%,7%和 11%,8%和12%;“水分不均勻3”中上下兩層的水分為7%和5%,8%和6%,9%和7%,10%和8%,11%和9%;“水分不均勻 4”中上下兩層的水分為8%和4%,9%和 5%,10%和 6%,11%和 7%,12%和8%。為了直觀地比較這幾種情況下的慢中子計(jì)數(shù),將水分均勻的情況和四種水分不均勻情況的慢中子計(jì)數(shù)一并列入圖4中。從圖4可看出,與“水分均勻”情況測(cè)得的慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)相比,“水分不均勻1”和“水分不均勻2”偏低,而“水分不均勻3”和“水分不均勻4”偏高。上下兩層物料的水分差異越大,即不均勻程度越高,與水分均勻情況的慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)相比,偏離越多。

圖3 水分不均勻情況下慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)與水分值的關(guān)系

圖4 透射測(cè)量方式慢中子模擬相對(duì)計(jì)數(shù)◆——水分均勻;■——水分不均勻1;▲——水分不均勻2;□——水分不均勻3;△——水分不均勻4

將水分不均勻情況的慢中子計(jì)數(shù)分別代入(1)式,可得到透射方式下4種水分不均勻情況的模擬水分值,結(jié)果示于圖5。由圖5可知,在透射測(cè)量模式下,水分不均勻的第一種情況的模擬水分值比真實(shí)值平均低0.24%,第二種情況的模擬水分值比真實(shí)值平均低0.35%,第三種情況的模擬水分值比真實(shí)值平均高0.26%,第四種情況的模擬水分值比真實(shí)值平均高0.54%。

圖5 透射測(cè)量方式模擬水分值◆——水分均勻;■——水分不均勻1;▲——水分不均勻2;□——水分不均勻3;△——水分不均勻4

2.2 散射測(cè)量方式模擬

與1.1節(jié)模擬過(guò)程相同,利用MCNP軟件建立散射測(cè)量方式的幾何模型。中子源發(fā)射快中子,與含水分的氧化鐵物料發(fā)生慢化作用,散射的慢中子被位于物料同一側(cè)的慢中子探測(cè)器接收,由計(jì)數(shù)器記錄在探測(cè)器區(qū)域的慢中子計(jì)數(shù)。

在物料水分均勻情況下,采用散射測(cè)量方式,水分值與慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)的函數(shù)關(guān)系為:

(2)式中,W為物料中水分值;X為慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)。

同樣地,模擬了中子水分儀散射測(cè)量方式下水分分布不均勻的4種情況的慢中子相對(duì)計(jì)數(shù),結(jié)果示于圖6。為了比較,將水分均勻情況的慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)也一并列入圖6中。將慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)代入(2)式,得到各種情況下的模擬水分值,結(jié)果示于圖7。

圖6 散射測(cè)量方式慢中子模擬相對(duì)計(jì)數(shù)◆——水分均勻;■——水分不均勻1;▲——水分不均勻2;□——水分不均勻3;△——水分不均勻4

圖7 散射測(cè)量方式模擬水分值◆——水分均勻;■——水分不均勻1;▲——水分不均勻2;□——水分不均勻3;△——水分不均勻4

由圖7可知,散射測(cè)量方式下,水分不均勻的第一種情況的模擬水分值比真實(shí)值平均高0.53%,第二種情況的模擬水分值比真實(shí)值平均高1.11%,第三種情況的模擬水分值比真實(shí)值平均低0.48%,第四種情況的模擬水分值比真實(shí)值平均低0.88%。

2.3 透射加散射復(fù)合測(cè)量方式模擬

在物料水分均勻情況下,采用透射加散射復(fù)合測(cè)量方式,水分值與慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)的函數(shù)關(guān)系為:

(3)式中,W為物料中水分值;X為透射與散射慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)之和。

同樣地,通過(guò)蒙卡模擬軟件得到了中子水分儀在透射加散射復(fù)合測(cè)量方式下水分分布不均勻的4種情況的慢中子相對(duì)計(jì)數(shù),結(jié)果示于圖8。為了比較,將水分均勻情況下的慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)也一并列入圖8中,然后將慢中子相對(duì)計(jì)數(shù)代入(3)式,得到各種情況下的模擬水分值,結(jié)果示于圖9。

由圖9可知,在透射加散射測(cè)量方式下,水分不均勻的第一種情況的模擬水分值比真實(shí)值平均高0.14%,第二種情況的模擬水分值比真實(shí)值平均高0.34%,第三種情況的模擬水分值比真實(shí)值平均低0.10%,第四種情況的模擬水分值比真實(shí)值平均低0.13%。

與透射或散射測(cè)量方式相比,在4種水分不均勻情況下,透射加散射測(cè)量方式與真實(shí)值最接近,即測(cè)量誤差最小。蒙特卡羅模擬結(jié)果表明,在水分不均勻情況下,透射加散射測(cè)量方式的測(cè)量誤差小于前兩種測(cè)量方式。

圖8 透射加散射測(cè)量方式慢中子模擬相對(duì)計(jì)數(shù)◆——水分均勻;■——水分不均勻1;▲——水分不均勻2;□——水分不均勻3;△——水分不均勻4

圖9 透射加散射測(cè)量方式模擬水分值◆——水分均勻;■——水分不均勻1;▲——水分不均勻2;□——水分不均勻3;△——水分不均勻4

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

取兩個(gè)容積相同的容器,尺寸為500 mm×500 mm×100 mm,在容器中加入等量鐵礦粉,視為兩層物料,分別在兩個(gè)容器中加入等量的水,并攪拌均勻,則兩個(gè)容器物料所含水分量相等,整個(gè)物料視為水分均勻分布;將不等量的水分別加入上下兩個(gè)容器中,水量多的容器置于水量少的容器上面,視為上濕下干分布,反之為上干下濕分布。水分分布情況列于表1[4]。

采用透射測(cè)量方式,放射源位于物料下方,探測(cè)器位于物料上方,測(cè)得的水分值示于圖10。由圖10可知,與水分均勻情況相比,“上干下濕”的水分測(cè)量值比真實(shí)值偏低,平均低0.70%;而“上濕下干”的水分測(cè)量值比真實(shí)值偏高,平均高0.54%。

表1 鐵礦粉水分分布情況

圖10 透射測(cè)量方式實(shí)驗(yàn)水分值◆——水分均勻;■——上干下濕;□——上濕下干

采用散射測(cè)量方式,放射源與探測(cè)器均位于物料下方,測(cè)得的水分值示于圖11。由圖11可知,與水分均勻情況相比,“上干下濕”的水分測(cè)量值比真實(shí)值偏高,平均高0.96%;而“上濕下干”的水分測(cè)量值比真實(shí)值偏低,平均低0.85%。

采用透射加散射復(fù)合測(cè)量方式,放射源仍然在物料下方,但物料上方與物料下方均安裝中子探測(cè)器。這樣,透射慢中子與散射慢中子同時(shí)被測(cè)量系統(tǒng)采集,參與到水分值的計(jì)算中。測(cè)得的水分值示于圖12。對(duì)比圖10、圖11和圖12可明顯看出,采用透射加散射復(fù)合測(cè)量方式后,對(duì)于“上干下濕”和“上濕下干”的水分不均勻情況,所測(cè)水分值與水分均勻時(shí)非常接近,計(jì)算結(jié)果顯示,平均差值小于0.20%。

圖11 散射測(cè)量方式實(shí)驗(yàn)水分值◆——水分均勻;■——上干下濕;□——上濕下干

圖12 透射加散射測(cè)量方式實(shí)驗(yàn)水分值◆——水分均勻;■——上干下濕;□——上濕下干

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于物料水分上下分層情況,透射加散射復(fù)合測(cè)量方式的測(cè)量誤差比透射和散射測(cè)量方式的均小。與蒙卡模擬計(jì)算結(jié)果相比,測(cè)量誤差的趨勢(shì)和規(guī)律是一致的,而實(shí)驗(yàn)的水分測(cè)量誤差偏高,主要是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)儀表的系統(tǒng)誤差和統(tǒng)計(jì)漲落等原因所致。

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),物料水分不均勻的情況比較復(fù)雜,這里只對(duì)最典型和簡(jiǎn)單的情況做了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。對(duì)于其它復(fù)雜的水分不均勻的情況,透射加散射測(cè)量方式的測(cè)量誤差如何,還需深入研究。

4 結(jié) 論

以上結(jié)果表明,采用透射加散射復(fù)合測(cè)量方式能夠抵消透射與散射模式因水分分布不均勻引起的不良效應(yīng),在很大程度上克服了物料中水分不均勻?qū)y(cè)量結(jié)果的影響。

但需要指出的是,本工作的研究?jī)H局限于中子透射和散射測(cè)量條件同時(shí)滿足的情況,要求物料不能過(guò)厚或水分不能過(guò)大。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中,物料水分分布不均勻的情況較為復(fù)雜,本工作的模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證僅針對(duì)幾種典型簡(jiǎn)單的情況。對(duì)于較為復(fù)雜的水分分布不均勻分布情況,“透射加散射”測(cè)量方式的測(cè)量誤差及其水分值的準(zhǔn)確定值尚需作進(jìn)一步分析和研究。

通常情況下,皮帶式的中子水分儀均可采用透射加散射測(cè)量方式來(lái)提高測(cè)量的適應(yīng)性和準(zhǔn)確度。

[1] 劉圣康.中子水分計(jì)[M].北京:原子能出版社,1992:1-9.

[2] Brian Sowerby,Cheryl Lim,James Tickner.Bulk material analyzer for on-conveyor belt analysis:US,6362477[P].2002-03-26.

[3] Briesmeister JF.MCNP4C:Monte Carlo N-particle transport code system[M].Los Alamos.New Mexico:Los Alamos National Laboratory,2000:97-104.

[4] 龔亞林,吳志強(qiáng),李巖峰.雙端水分測(cè)量方法:中國(guó),101074938A[P].2007-11-21.