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，引起透射計數率變化。該儀器通過測量γ射線計數率變化，并根據射線與物體的密度、厚度之間存在函數關系，測量出物體的密度。采用非接觸測量方式，適用于高溫﹑高壓﹑密封設備內易然、易爆﹑強腐蝕﹑劇毒等惡劣條件下的密度在線檢測。儀器具有自動漂移補償及放射源衰減自動補償功能，增加了系統的精確度。

關鍵詞：γ射線 密度 閃爍探測器 光電倍增管

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

1 測量原理

在工業生產中為正確地指導生產，提高產品質量和實現工業生產自動化，一項必不可少的工作是準確而及時地檢測出生產過程中各個有關參數。部分動態參數可通過測量密度這個最主要的參數計算和現場標定得到。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。

放射性衰變規律（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定性。環境因素以及放射性元素化學狀態、分子結構和外形變化等均對衰變規律沒有任何影響。所以幾乎所有的在線檢測項目都可以由非接觸式的核探測技術來實現。

放射源發出γ射線，穿過待測物體后。由于物體對射線的吸收（遮擋）作用，透射計數率和物質的密度、厚度之間存在著下述函數關系。

Ni=N0·exp（-μm·χ·d）

式中：N0為射線的入射計數率；

Ni為射線透射計數率；

χ為物質厚度，m；

d為物質密度，kg/m3；

μm為質量吸收系數，m2/kg。

當被測物體的厚度固定時，根據透射計數率的變化測出物質密度變化。

di=[Ln（N1）-Ln（Ni）]/μ+d1

式中，Ni為被測物質的透射計數率；

N1為標準物質的透射計數率；

di為被測物質密度；

d1為標準物質密度；

μ為吸收系數。

所以只要精確測量γ射線計數率變化就可以計算出被測物質的密度。

2 探測器設計

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點。其能量分辨率好，對環境的適應性較強，既能探測粒子的強度，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。

（1）探測效率高，因為閃爍體的密度高，特別是Nal閃爍體，和γ射線發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，反應快，有的可達到毫微秒數量級。

（3）發光效率高，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到幾伏。

（4）可用作能譜測量，能量正比關系好。

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

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。探測器由主機供給15 V的直流電源，經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，產生30 kHz的交流信號，經變壓器升壓、倍壓整流、通過調制后形成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，經過前置放大電路送到單片機能譜分析，選出有用的脈沖信號，經過整形，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。

當由于環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或環境溫度降低引起光電倍增管的增益降低、由于溫度下降導至閃爍晶體的發光效率降低、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。單片機通過計數率分析，調制高壓發生器，使高壓升高，從而使光電倍增管增益升高，達到脈沖幅度升高。當脈沖幅度回升到原來高度后，電路回到穩定狀態。反之，如果由于某種原因引起脈沖的幅度升高，單片機會向相反的方向調整，使高壓降低，最后，電路又回到穩定狀態。

3 控制器設計

控制器采用工控機系統，顯示方式為液晶顯示與數碼管顯示，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。放射性物質被燒結在特殊的陶瓷芯體中，此芯體浸泡在水中時，放射性物質也不會滲出。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。以上結構確保了不會有放射性物質泄漏到容器外面，容器外的放射性劑量率與環境本底水平相當。鉛屏蔽體上設有準直孔，工作時，射線被限制在狹小的范圍內。需要移動或運輸放射源時，可用特設的快門將準直孔關閉，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，連續一年，受到的總照射劑量小于3 mSv，遠低于國家規定的允許劑量限值。

5 結語

文章介紹的密度測量裝置利用γ射線，實現非接觸式測量。運用硬件和軟件濾波相結合的方式有效地抑制外界干擾信號，提高系統的抗噪性，具有自動漂移補償及放射源衰減自動補償功能，系統長時間穩定性極佳，射線脈沖計數率的穩定性和重復性優于0.1%。采用射線能譜分析技術，使計量的線性度大大提高，增加了系統的精確度。可廣泛應用于工業現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。

參考文獻

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