銫-137在密度測(cè)量中的應(yīng)用

劉維生，靳榮久

（1.唐山師范學(xué)院 物理系，河北 唐山 063000；2.唐山灤南一中，唐山 灤南 063500）

銫-137放射源通過發(fā)射γ射線對(duì)生產(chǎn)過程中的介質(zhì)料位或密度等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并通過自動(dòng)控制回路實(shí)現(xiàn)工藝過程的自動(dòng)控制。這項(xiàng)技術(shù)因其節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢(shì)獲得迅速發(fā)展。近年來，干法選煤技術(shù)獲得迅速發(fā)展，而分選設(shè)備的自動(dòng)化對(duì)我國干法選煤技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展將起到積極的推動(dòng)作用。在干法選煤控制中，煤層密度的測(cè)定成為整個(gè)閉環(huán)控制中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。在大、中型水電站中，灌漿工程必須的水泥漿液的水灰比（即水和水泥灰的質(zhì)量比）的檢測(cè)往往是人工稱量。通過應(yīng)用以銫-137為放射源發(fā)射γ射線測(cè)量密度的原理，研制出高精度動(dòng)態(tài)檢測(cè)水灰比的核密度計(jì)，這項(xiàng)技術(shù)大大提高了水灰比測(cè)定的精度及縮減了大量人工成本。

1 銫-137密度測(cè)量原理

1.1 銫-137性質(zhì)及γ射線的吸收規(guī)律

銫 137為 β-衰變，發(fā)射兩種 β-粒子，最大能量分別為0.51163兆電子伏（94.0%）和1.176兆電子伏（6.0%），半衰期為30.17年。銫137發(fā)射0.51163兆電子伏的β-射線后，轉(zhuǎn)變?yōu)?37Bam。137Bam作同質(zhì)異能躍遷衰變，其γ能量為0.662兆電子伏，半衰期為2.55分鐘。

密度測(cè)量原理是根據(jù)被測(cè)物料對(duì)銫-137輻射源發(fā)出γ射線的吸收規(guī)律來檢測(cè)床層厚度，從而得出相應(yīng)的被測(cè)物料密度值。

γ射線穿透物質(zhì)后射線的強(qiáng)度會(huì)減弱，其中部分射線光子可直接穿透物質(zhì)，其余射線光子在與物質(zhì)作用時(shí)其能量被物質(zhì)吸收，一部分產(chǎn)生各種電子和射線，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。射線在物質(zhì)中傳播時(shí)，由于射線光子的能量被物質(zhì)吸收以及隨著距離的增加而使射線的強(qiáng)度不斷減弱而發(fā)生衰減。當(dāng)放射源固定后，射線在傳播時(shí)的衰減就只取決于介質(zhì)的密度和傳播的距離。

因此 γ射線透過介質(zhì)后的強(qiáng)度與該介質(zhì)的密度和厚度有關(guān)，符合Lambert-Beer定律，當(dāng)初始活度的射線通過厚度為δ，密度為ρ的物質(zhì)后，其活度減弱至I，即式中I為射線透過介質(zhì)后的強(qiáng)度；I0為在給定距離處無干擾介質(zhì)時(shí)的初始射線強(qiáng)度；μ為吸收系數(shù)，與所測(cè)介質(zhì)有關(guān)，對(duì)固定物質(zhì)是常數(shù)；ρ為介質(zhì)（通常指吸收物質(zhì)）的密度；δ為介質(zhì)的厚度。

γ射線輻射技術(shù)正是利用了在射線源和檢測(cè)器之間物質(zhì)對(duì)γ射線的吸收率的不同，而對(duì)被檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行“透視”和診斷的一種先進(jìn)技術(shù)。利用這項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)及工藝測(cè)量中測(cè)定介質(zhì)的密度和料位等參數(shù)。

1.2 銫-137核密度計(jì)的結(jié)構(gòu)

密度計(jì)由放射源和射線探測(cè)器組成，放射源為銫-137，一般強(qiáng)度為 1 .85× 108Bq，發(fā)射能量為662 keV的 γ射線。放射源放在一個(gè)雙層不銹鋼的容器里，呈玻璃球狀，容器壁由鉛制成堅(jiān)實(shí)的防護(hù)層，使其僅按所要求的方向發(fā)射。

射線探測(cè)器由閃爍檢測(cè)器和前置放大器組成。其主要作用是接收和轉(zhuǎn)換（包括放大）輻射脈沖，每一個(gè)進(jìn)入檢測(cè)器的γ射線光子產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖，它的電壓與入射光子的能量成正比。這些脈沖被放大后，經(jīng)連接探測(cè)器和信號(hào)處理機(jī)的同軸屏蔽電纜傳輸。

2 銫-137密度測(cè)量在干法選煤的應(yīng)用

如圖1所示，密度測(cè)控裝置包含兩個(gè)主要單元，測(cè)量單元和結(jié)果處理單元。測(cè)量單元包括：同位素放射源Cs137、同位素放射源支架、信號(hào)接收器和分選床信號(hào)窗等四個(gè)部分。信號(hào)接收器包括信號(hào)檢測(cè)和電子放大裝置。同位素放射源支架位于分選床溢流堰后端，在射線所經(jīng)過的分選床床體上有信號(hào)窗。放射源和信號(hào)傳感器位于分選床兩側(cè)。結(jié)果處理單元主要有密度儀表、PLC系統(tǒng)以及排料調(diào)速裝置和排料輪組成。事前根據(jù)工藝試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定相關(guān)參數(shù)。

圖1 密度測(cè)量裝置

由信號(hào)傳感應(yīng)器接收到的信號(hào)送入密度儀表，經(jīng)密度儀表處理后的電壓信號(hào)送給PLC系統(tǒng)，再經(jīng)過PID處理后，確定物料的給、排料速度等工藝數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)排料輪，排料輪電機(jī)依據(jù)放射源信號(hào)變化自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率。變頻執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)施對(duì)排料速度的動(dòng)態(tài)調(diào)控，以使所設(shè)定密度的料層在分選床出料端處的水平高度始終保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定平衡，達(dá)到理想分選目的。

3 銫-137密度測(cè)量在動(dòng)態(tài)檢測(cè)水灰比上的應(yīng)用

3.1 漿液水灰比的檢測(cè)的原理

漿液水灰比的檢測(cè)是基于漿液對(duì)γ射線的吸收作用，即一束γ射線穿過流動(dòng)的漿液時(shí)，一部分射線因和漿液中的原子發(fā)生相互作用而被吸收，吸收量和漿液的密度有關(guān)，而另一部分經(jīng)探測(cè)器內(nèi)的閃爍檢測(cè)組件和前置放大器把 γ射線光子轉(zhuǎn)換成一定幅度的電脈沖信號(hào)，再輸送到灌漿儀主機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示和打印出來。透射射線的計(jì)數(shù)率和漿液密度之間存在如下指數(shù)關(guān)系

式中，N0為射線的入射計(jì)數(shù)率；Ni為透射計(jì)數(shù)率；D為過漿管直徑，m；ρ為漿液密度，g/cm3；μm為質(zhì)量吸收系數(shù)，m2/Kg。

當(dāng)過漿液管直徑固定后，灌漿儀主機(jī)據(jù)測(cè)到的射線計(jì)數(shù)率可由機(jī)內(nèi)計(jì)算機(jī)算出漿液的密度并轉(zhuǎn)換成水灰比，計(jì)算公式為：

式中，ρ漿為被測(cè)漿液的密度；N水和ρ水分別為現(xiàn)場灌漿用水的透射計(jì)數(shù)率和密度；N漿為漿液的透射計(jì)數(shù)率；μ為吸收系數(shù)，μ=Dμm。

3.2 待測(cè)漿液厚度

待測(cè)漿液的測(cè)量結(jié)果的精度與其本身的厚度密切相關(guān)。被測(cè)量厚度的選取由射線能量和漿液密度范圍而定。按照射線吸收規(guī)律，漿液厚度越大，對(duì)射線的吸收能力越強(qiáng)。即對(duì)于同樣密度的漿液，厚度越大，引起透射計(jì)量的變化越大，從而測(cè)量靈敏度和精度也越高。但測(cè)量射線時(shí)，若漿液太厚，則透射太少，導(dǎo)致計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)漲落太大，反而增大了測(cè)量誤差。綜合上述二種現(xiàn)象，可導(dǎo)出漿液最佳厚度公式(3)：

式中，X最佳為漿液最佳厚度。對(duì)于銫-137，μm=0.0068m2/Kg。

灌漿常用的水灰比范圍為0.5/1～5/1，水灰比為0.5/1的漿液密度ρ0.51：=1 870Kg/m3，水灰比為5/1的漿液密度ρ5：1=1 220Kg/m3，X最佳分別為0.15 m和0.24 m。考慮到灌漿中水灰比為 0.5/1～1/1時(shí)歷時(shí)最長，且屏漿時(shí)要求水灰比精度高，安裝時(shí)放射源和探測(cè)器不可能和過漿管道相吻合，因此，取直徑為146 mm的套管作為過漿管道的直徑。

4 射線防護(hù)

4.1 射線防護(hù)的重要性

γ射線應(yīng)用技術(shù)作為一門蓬勃發(fā)展的檢測(cè)技術(shù)，因其非接觸測(cè)量的優(yōu)越性而令人關(guān)注，它通常應(yīng)用于要求高安全性及高可靠性場合或極端過程條件下其它測(cè)量方法無法實(shí)現(xiàn)的場合，例如：高壓、高溫、毒性、磨損性、帶攪拌器等。但是由于γ射線具有殺傷生物細(xì)胞的作用，而它又不可見，因此對(duì)它的安全防護(hù)工作沒有引起足夠重視。

如果在設(shè)計(jì)中選用的射源和活度，能保證防護(hù)容器表面的照射率低于國家規(guī)定，則不會(huì)對(duì)人及測(cè)量物質(zhì)產(chǎn)生影響，因此使用放射性儀表時(shí)射線的防護(hù)是一個(gè)關(guān)鍵問題。

4.2 銫-137核密度計(jì)使用中的輻射安全

自然界本身就存在著放射性，稱之為“天然本底”。據(jù)報(bào)道，一般地區(qū)“天然本底”的照射量為0.6毫倫/24小時(shí)，由于其照射量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人體所能接受的量值（2毫倫/日），所以我們接受了“天然本底”的照射而沒有對(duì)我們產(chǎn)生影響，因此在接觸射線時(shí)控制其量值是一個(gè)最關(guān)鍵的因素。

衡量射線對(duì)人體的危害程度，可以借用醫(yī)學(xué)上的術(shù)語——?jiǎng)┝?，在這里叫做劑量當(dāng)量，它的法定單位是Sievert（Sv）；專用單位是雷姆（rem），兩者的換算關(guān)系為：1Sv= 100rem。為了保護(hù)放射性工作者和公眾免受過量的輻射危害，我國也頒布了與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌的國家標(biāo)準(zhǔn)，給出了各種照射情況下的安全劑量限值，見表1。

表1 安全劑量當(dāng)量

目前所使用的放射性料位計(jì)，其放射源都是密封在源裝置內(nèi)的。設(shè)計(jì)時(shí)所采用的標(biāo)準(zhǔn)是：當(dāng)放射源裝置安裝到容器上后，無論源裝置是處于開啟狀態(tài)還是關(guān)閉狀態(tài)，距離其外表面12英寸（305mm）處輻射場的照射劑量不超過每小時(shí)5mrem（0.005rem），即非職業(yè)人員在距離放射源 12″（305mm）處每年不得超過100小時(shí)。在輻射場中某一處的射線強(qiáng)度I與它和放射源之間的距離R的平方成反比[3]：

即距離放射源越遠(yuǎn)，射線強(qiáng)度就越小。比如當(dāng)距離放射源裝置1m時(shí)，射線的劑量就小于每小時(shí)0.5mrem了。因此在正常情況下，操作維護(hù)人員每天在巡檢過程中所吸收到的劑量是很少的，所以只要嚴(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)和安全操作規(guī)程，加強(qiáng)放射性檢測(cè)，嚴(yán)格管理，那么，應(yīng)用放射性儀表的安全性是有足夠保障的。但是，適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施還是必需的。

（1）凡是安裝有放射性儀表的場所，要有規(guī)定醒目的禁示牌，提醒人們非工作原因不要在附近逗留。

（2）凡屬放射源裝置部分的，必須由職業(yè)人員來完成安裝、拆卸、移位、修理和維護(hù)的工作。工作人員必須經(jīng)過培訓(xùn)，做到熟悉操作減少操作時(shí)間，從而減少所受到劑量。平時(shí)沒有操作任務(wù)時(shí)，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離放射源。

（3）每隔三年必須對(duì)放射源裝置的放射泄漏情況進(jìn)行一次測(cè)定，由職業(yè)人員按照規(guī)定的程序操作。

（4）裝置停工檢修時(shí)，務(wù)必要將放射源裝置關(guān)閉后才能進(jìn)入安裝有放射性儀表的容器內(nèi)部作業(yè)，如連續(xù)作業(yè)時(shí)間較長可由職業(yè)人員將其拆卸，暫時(shí)保存起來，等容器內(nèi)檢修工作完成并封閉人孔后再裝上。

（5）如有可能，對(duì)接觸到放射性儀表的相關(guān)人員進(jìn)行定期檢查。

5 結(jié)論

銫-137輻射源γ射線密度測(cè)量方法具有靈敏度高、穩(wěn)定、日常維護(hù)的工作量小等特點(diǎn)；而且只要采取可靠、必要的防護(hù)措施，操作人員的安全也有足夠的保障。