γ射線非接觸在線密度測量

郝建智

摘 要：該文介紹了一種γ射線非接觸在線密度測量儀器，由于物體對射線的吸收（遮擋）作用，引起透射計(jì)數(shù)率變化。該儀器通過測量γ射線計(jì)數(shù)率變化，并根據(jù)射線與物體的密度、厚度之間存在函數(shù)關(guān)系，測量出物體的密度。采用非接觸測量方式，適用于高溫﹑高壓﹑密封設(shè)備內(nèi)易然、易爆﹑強(qiáng)腐蝕﹑劇毒等惡劣條件下的密度在線檢測。儀器具有自動漂移補(bǔ)償及放射源衰減自動補(bǔ)償功能，增加了系統(tǒng)的精確度。

關(guān)鍵詞：γ射線 密度 閃爍探測器 光電倍增管

中圖分類號：TL82 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（c）-0120-02

1 測量原理

在工業(yè)生產(chǎn)中為正確地指導(dǎo)生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，一項(xiàng)必不可少的工作是準(zhǔn)確而及時地檢測出生產(chǎn)過程中各個有關(guān)參數(shù)。部分動態(tài)參數(shù)可通過測量密度這個最主要的參數(shù)計(jì)算和現(xiàn)場標(biāo)定得到。文章介紹一種γ射線吸收原理測量在線密度的一種儀器，通過變換軟件直接測量諸如料位、液面、兩相界面，物料的厚度、密度、濃度、各種物料的組分、含量、配比等參數(shù)。

放射性衰變規(guī)律（半衰期、活度等）不受任何外界條件的影響，如溫度、壓力、濕度等，核探測原理制成的測量儀表具有極好的長期穩(wěn)定性。環(huán)境因素以及放射性元素化學(xué)狀態(tài)、分子結(jié)構(gòu)和外形變化等均對衰變規(guī)律沒有任何影響。所以幾乎所有的在線檢測項(xiàng)目都可以由非接觸式的核探測技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

放射源發(fā)出γ射線，穿過待測物體后。由于物體對射線的吸收（遮擋）作用，透射計(jì)數(shù)率和物質(zhì)的密度、厚度之間存在著下述函數(shù)關(guān)系。

Ni=N0·exp（-μm·χ·d）

式中：N0為射線的入射計(jì)數(shù)率；

Ni為射線透射計(jì)數(shù)率；

χ為物質(zhì)厚度，m；

d為物質(zhì)密度，kg/m3；

μm為質(zhì)量吸收系數(shù)，m2/kg。

當(dāng)被測物體的厚度固定時，根據(jù)透射計(jì)數(shù)率的變化測出物質(zhì)密度變化。

di=[Ln（N1）-Ln（Ni）]/μ+d1

式中，Ni為被測物質(zhì)的透射計(jì)數(shù)率；

N1為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的透射計(jì)數(shù)率；

di為被測物質(zhì)密度；

d1為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)密度；

μ為吸收系數(shù)。

所以只要精確測量γ射線計(jì)數(shù)率變化就可以計(jì)算出被測物質(zhì)的密度。

2 探測器設(shè)計(jì)

密度測量的一次儀表采用閃爍探測器，該探測器具有探測效率高和靈敏體積大等優(yōu)點(diǎn)。其能量分辨率好，對環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，既能探測粒子的強(qiáng)度，又能探測粒子的能量，并且探測效率高，分辨時間短，是一種廣泛使用的輻射探測器。

探測器的閃爍體為NaI晶體，該探測器有如下特點(diǎn)。

（1）探測效率高，因?yàn)殚W爍體的密度高，特別是Nal閃爍體，和γ射線發(fā)生相互作用的幾率非常大，是對γ射線探測效率較高的探測器。

（2）分辨時間短，反應(yīng)快，有的可達(dá)到毫微秒數(shù)量級。

（3）發(fā)光效率高，輸出脈沖幅度高。對于銫-137的γ射線，從光電倍增管的陽極的輸出脈沖可達(dá)到幾伏。

（4）可用作能譜測量，能量正比關(guān)系好。

（5）探測器的穩(wěn)定性技術(shù)難度比較大。由于光電倍增管的倍增系數(shù)特別高，所以倍增系數(shù)的穩(wěn)定性難以保證，光電倍增管本身的穩(wěn)定性比較差。

該閃爍探測器由NaI閃爍體、光電倍增管、前置放大器、高壓電源和不銹鋼防爆殼體等組成。探測器由主機(jī)供給15 V的直流電源，經(jīng)過電感濾去交流成分，供探測器的電路使用。高壓電源由自激振蕩電路組成，產(chǎn)生30 kHz的交流信號，經(jīng)變壓器升壓、倍壓整流、通過調(diào)制后形成600～1500 V的高壓供給光電倍增管使用。由光電倍增管輸出的射線脈沖信號，經(jīng)過前置放大電路送到單片機(jī)能譜分析，選出有用的脈沖信號，經(jīng)過整形，變成寬度為1 μs，幅度為7 V的等幅脈沖，疊加到15 V的直流信號上由電纜線輸出至控制器。

當(dāng)由于環(huán)境變化或其他因素引起脈沖幅度變低時，如由于光電倍增管的疲勞效應(yīng)或環(huán)境溫度降低引起光電倍增管的增益降低、由于溫度下降導(dǎo)至閃爍晶體的發(fā)光效率降低、前置放大器的增益降低等，均會使得總增益下降而使脈沖幅度降低。單片機(jī)通過計(jì)數(shù)率分析，調(diào)制高壓發(fā)生器，使高壓升高，從而使光電倍增管增益升高，達(dá)到脈沖幅度升高。當(dāng)脈沖幅度回升到原來高度后，電路回到穩(wěn)定狀態(tài)。反之，如果由于某種原因引起脈沖的幅度升高，單片機(jī)會向相反的方向調(diào)整，使高壓降低，最后，電路又回到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 控制器設(shè)計(jì)

控制器采用工控機(jī)系統(tǒng)，顯示方式為液晶顯示與數(shù)碼管顯示，輸入為抗干擾專用鍵盤，電路部分還包含信號輸入電路、串行通信電路、輸出控制電路等部分，硬件電路與常見二次儀表類似。

4 放射源屏蔽

放射源采用銫-137，其γ射線能量0.66 Mev，半衰期30年，活度為37～740 MBq（1～20 mCi）。由于儀表中采用了高靈敏、高效率的閃爍探測器，所以放射源的用量較少。放射性物質(zhì)被燒結(jié)在特殊的陶瓷芯體中，此芯體浸泡在水中時，放射性物質(zhì)也不會滲出。源包売外為大于8 cm的鉛屏蔽層，最外層為密封的鋼鐵容器。以上結(jié)構(gòu)確保了不會有放射性物質(zhì)泄漏到容器外面，容器外的放射性劑量率與環(huán)境本底水平相當(dāng)。鉛屏蔽體上設(shè)有準(zhǔn)直孔，工作時，射線被限制在狹小的范圍內(nèi)。需要移動或運(yùn)輸放射源時，可用特設(shè)的快門將準(zhǔn)直孔關(guān)閉，防止射線從孔中射出。距離放射源容器1 m處的劑量率小于1 μSv/h，工作人員在此處每天停留8 h，連續(xù)一年，受到的總照射劑量小于3 mSv，遠(yuǎn)低于國家規(guī)定的允許劑量限值。

5 結(jié)語

文章介紹的密度測量裝置利用γ射線，實(shí)現(xiàn)非接觸式測量。運(yùn)用硬件和軟件濾波相結(jié)合的方式有效地抑制外界干擾信號，提高系統(tǒng)的抗噪性，具有自動漂移補(bǔ)償及放射源衰減自動補(bǔ)償功能，系統(tǒng)長時間穩(wěn)定性極佳，射線脈沖計(jì)數(shù)率的穩(wěn)定性和重復(fù)性優(yōu)于0.1%。采用射線能譜分析技術(shù)，使計(jì)量的線性度大大提高，增加了系統(tǒng)的精確度?？蓮V泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場各種料液密度的在線檢測和控制，通過變換軟件直接測量諸如料位、液面、兩相界面，物料的厚度、密度、濃度、各種物料的組分、含量、配比等參數(shù)。

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