22Na放射性檢測技術在先進制造過程控制中的應用

國思茗

（泉州職業技術大學智能制造學院 福建泉州 362200）

對于先進制造技術的發展趨勢眾說紛紜，但作為一種制造技術，必然會朝著越來越大，越來越快，越來越精的目標發展[1]。越來越大是指一次加工體積；越來越快是指加工速度；越來越精是指加工精度。目前先進制造技術正處于一個瓶頸階段，三個發展目標相互制約，不可兼得。這主要受限于加工過程控制中的定位技術，目前過程控制中的定位技術經過數十年的發展已經具備相對高度，精度最好的就是閉環反饋定位技術，而閉環反饋定位技術的核心是各種傳感器，簡單說就是現有的傳感器技術限制了定位技術的發展。近年來出現了多種新型的測量技術，如使用閉合磁路[2],運動學以及幾何誤差建模[3-5]，激光多普勒測振儀[6]。放射性檢測技術是一種利用放射源及相關檢測設備進行各種材料性，功能性檢測的先進技術。以137Cs和60Co為代表的放射性元素的工業利用日益廣泛，例如給各種各樣的癌細胞中的特定的氨基酸貼上放射性標簽，將其可視化[7]。60Co還被用于合成PE纖維[8]。利用放射性檢測技術進行定位可以實現遠超傳統定位方式的高精度和高靈敏度[9]，同時，由于放射性檢測技術具有極強的穿透性，在布置安裝上較傳統定位傳感器要求更低，尤其是在一些極端特種條件下，需要針對位移進行校正[10]。

但放射性檢測技術使用過程中存在對人體和環境有害的多種放射線，對先進制造設備的要求會有相對提高，我國相關法律也明確規定企業如需要使用含有危險放射源的設備，必需辦理環保審批和輻射安全許可證。我國目前應用于工業儀表行業的放射性同位素以137Cs和60Co放射源為主。137Cs是Cs元素的放射性同位素，可由235U裂變產生，是核試驗研究的產物，常被用做工業無損探測源[11]。自然環境中的137Cs主要通過食物鏈進入人體，被人體吸收后會對內部組織和臟腑，尤其是肌肉組織造成急、慢性損傷。隨著研究發展，后出現的60Co放射源逐漸開始取代137Cs放射源。放射性同位素60Co通常產生于重水反應堆[12]。60Co也具有極強的輻射性，能導致脫發，會引起血液系統疾病，如再生性障礙貧血癥，白血病等。但60Co放射源的應用更加廣泛,涉及到各個行業。60Co放射源在農業上可用于育種、防蟲和食品保鮮等；60Co放射源在工業上主要用于無損探傷、輻射消毒、輻射加工和檢測等。

近年來22Na放射源開始興起，逐漸取代137Cs和60Co放射源。22Na的半衰期為2.6019a，是正電子輻射體，放射正電子后，又立即放射一個能量為1.275MeV的γ射線。少量使用中豁免活度濃度僅為1E+01Bq/g，屬于基本對人體無害、對環境無污染的環保放射源，可以不受國家部門監控使用基于22Na放射源的儀器、儀表產品。本文主要研究如何利用22Na放射源解決密閉條件下先進制造過程控制中的定位問題。

一、控制原理及步驟

利用22Na放射源進行密閉空間內定位檢測，主要需要分為四個步驟進行：

第一步：通過22Na放射源發出γ射線；

第二步部分γ射線從放射源向接收檢測設備照射，并會隨著空間路經介質和厚度不同影響γ射線的輻射強度；

第三步：γ射線被接收檢測設備接收檢測；

第四步：接收檢測設備將輻射強度轉換成電信號輸出。

探測器系統的最小可探測劑量（MDD）受信噪比影響[13]。定位系統接收信號后，使用統計學以及敏感非線性迭代削峰（SNIP）算法[14]消除背景影響，再按一定方法確定信號所代表的位置信息，并用此信息對加工裝置當前位置數據進行驗證和修正。

由于22Na放射源發出的γ射線透射力不強，以鐵介質為例，可以透射100mm均質鐵板。所以在實際應用過程中需要采用不同安裝使用方式[15]，主要可以分為：垂直透照式點對點檢測，斜角直照式點對點檢測，不對稱強度場透照式點對面檢測和對稱場強透照式點對面趨勢檢測四種使用方式。

（一）垂直透照式點對點檢測。在垂直透照式點對點檢測中，可以使用一個或多個點照式22Na放射源和一個接收器，在承臺兩測垂直布置，接收器平行安設在加工裝置上。使用中22Na放射源發出的指向性γ射線透過承臺和加工件向上照射，接收器隨加工裝置移動，當接收器經過22Na放射源正上方時接收到γ射線，接收器發出信號，定位系統按經過的22Na放射源預設定位置進行修正。也可以使用一個點照式22Na放射源和一個或多個接收器，使用中22Na放射源隨加工裝置移動，22Na放射源發出的指向性γ射線透過加工件和承臺向下照射，接收器當22Na放射源經過接收器正上方時接收到γ射線，接收器發出信號，定位系統按經過的接收器預設定位置進行修正。

（二）斜角直照式點對點檢測。在斜角直照式點對點檢測中，使用一個或多個點照式22Na放射源和一個接收器，點照式22Na放射源在密閉空間四壁按一定角度布置向上照射，接收器安設在加工裝置上。使用中22Na放射源發出的指向性γ射線按固定角度向上照射，接收器隨加工裝置移動，當接收器經過γ射線路徑時接收到γ射線，接收器發出信號，定位系統按經過的22Na放射源對應的預設定位置進行修正。如果將22Na放射源安裝在加工裝置上，需要采用DPD算法對放射源進行定位[16]。

（三）不對稱強度場透照式點對面檢測。在不對稱強度場透照式點對面檢測中，使用多個散照式22Na放射源和多個接收器，散照式22Na放射源在密閉空間內頂面按一定位置布置透過非勻厚度擋板向下照射，接收器安設在加工裝置上及承臺下方。使用中22Na放射源發出的γ射線透過非勻厚度擋板在接收器平面形成不對稱強度場，接收器檢測接收到的γ射線強度并發送給定位系統，定位系統按平面強度地圖確定強度對應位置進行實時修正。平面強度地圖由安裝在承臺下方的接收器繪制，也可以在系統中預設，預設使用時不需在承臺下方安裝接收器。

（四）對稱場強透照式點對面趨勢檢測。在對稱場強透照式點對面趨勢檢測中，使用一個或多個散照式22Na放射源和一個接收器，散照式22Na放射源在密閉空間內頂面按一定位置布置向下照射，接收器安設在加工裝置上。使用中22Na放射源發出的γ射線在接收器平面形成對稱強度場，接收器檢測接收到的γ射線強度并發送給定位系統，定位系統按平面強度軸線地圖確定峰值強度對應的單軸位置進行單軸修正。平面強度軸線地圖需要在系統中預設。

四種使用方式的使用環境和性能特點不同。垂直透照式點對點檢測精度高，靈敏度高，檢測速度快且準確率高，但檢測存在間隔，設備成本高且不適合不能射透的被加工介質；斜角直照式點對點檢測相比而言成本稍低且能不直射被加工介質，但對安裝精度，計算測點的要求很高；不對稱強度場透照式點對面檢測成本低，可以實時檢測，但檢測精度較低，準確率較低，強度圖繪制復雜，需要強力算法支持；對稱場強透照式點對面趨勢檢測相比而言檢測精度更低，但檢測間隔短，強度圖繪制簡單且對算法要求也不高。對比結果如下圖表1所示：

表1 四種檢測方法對比表

二、實驗結果

使用伊科菲斯22Na放射源自制γ射線發射裝置和接收檢測裝置，在密閉模擬加工設備內分別對四種使用情況進行測試，測試結果如下圖1-8所示：

圖1 垂直透照式點對點檢測曲面圖

圖2 垂直透照式點對點檢測折線圖

圖3 斜角直照式點對點檢測曲面圖

圖4 斜角直照式點對點檢測折線圖

圖5 不對稱強度場透照式點對面檢測曲面圖

圖6 不對稱強度場透照式點對面檢測折線圖

圖7 對稱場強透照式點對面趨勢檢測曲面圖

圖8 對稱場強透照式點對面趨勢檢測折線圖

（一）垂直透照式點對點檢測結果。

在測試空間內底側放置了一個放射源，接收器在頂側進行一次遍歷式移動。經過放射源正上方時接收器接收到一個強烈信號，其他時刻僅收到微弱背景噪聲。由檢測結果可知，預定照射點識別顯著性好，可以完成預定檢測定位工作。在空間內只放置一個測試點效率很低，檢測間隔時間很長，在實際應用中需要在多個位置進行檢測以提高檢測效率，可以設置稀疏的測試點來改善定位的精度[17]。通過提高檢測效率可以確保在實際制造加工過程中可以實現對加工裝置的定位過程控制。

（二）斜角直照式點對點檢測結果。

在測試空間內左側放置了一個放射源，接收器在頂側進行一次遍歷式移動。經過預定位置時接收器接收到一個強烈信號，其他時刻僅收到微弱背景噪聲。由檢測結果可知，預定照射點識別顯著性好，通過進行多點測量可以完成預定檢測定位工作。22Na放射源安裝如預期比垂照式復雜，后經逆向思考，采用先安裝后定位的方法進行檢測，安裝過程大幅簡化，后定位過程稍復雜，但整體安裝難度降低。

（三）不對稱強度場透照式點對面檢測結果。

在測試空間內三個特定位置各放置了一個放射源，接收器在頂側進行一次遍歷式移動。在經過三個特定位置時接收器接收到的信號最強，其他時刻接收到差異強度信號。由檢測結果可知，預定輻射強度曲面圖性能符合要求，準確率受設備影響稍低，對設備密封性和防輻性能要求較高，需要盡量減小外界本底輻射影響，鐵材料也可換成鉛，混凝土，橄欖泥炭[18]等等。使用本方式進行檢測雖然實時性極好，但受過高的設備要求和成本限制，不適用于在大范圍空間使用。

（四）對稱場強透照式點對面趨勢檢測結果。

在測試空間內底側放置了四個放射源，接收器在頂側進行一次遍歷式移動。經過預留縫隙上方時接收器接收到的信號最強，較近位置離縫隙越遠強度越低，較遠位置僅收到微弱背景噪聲。由檢測結果可知，預定輻射強度峰值線識別良好，可以完成預定檢測定位工作，收到的信號強度峰值前后強度降落良好，因此誤檢率極低。整體來看檢測頻率較垂照式有很大提高，但存在三個問題，一是加工范圍要以空間中心點為加工中心點，偏離空間中心點會降低檢測頻率；一是在空間中心點附近會產生一個微小范圍的強信號區，在這個區域內檢測誤差率較高；一是極值檢測不能平行與預留縫隙進行。

三、討論分析

通過四種檢測方法的實驗，可以發現在不考慮成本和應用環境的情況下，放射性檢測技術相較現有傳感器技術存在優勢：檢測精度不受空間大小限制；檢測精度跟加工設備無關；檢測精度不受被加工體影響。存在的劣勢是：檢測精度高導致檢測頻率低，需要程序附加主動檢測過程；放射性射線會對部分加工體材質造成影響，如蛋白質，改性塑料等，被加工體材料會受到一定限制；22Na放射源安全性高，但是實際探測效果較傳統137Cs和60Co放射源存在差距，需要更高程度的計算機輔助。

對四種檢測方法來說，各有各的優缺點和使用環境，但不對稱強度場透照式點對面檢測照其他三種存在明顯差距，這主要是由于放射源的不穩定和環境的不穩定造成的，不對稱強度場透照式點對面檢測主要依靠在不同點存在不同信號強度實現的，其中存在三個難點，一是點集對應信號強度數據庫數據龐大，依靠先進算法只能提高數據處理速度，但數據規模不會有太大變化；二是背景噪聲影響比其他三種更為嚴重，因為對于個點來說，強度是連續變化的，對于兩個極近點來說，噪聲強度必然會大于變化強度，對測量造成一定影響；三是加工過程受加工設備控制，實時監測意義并不大。所以不對稱強度場透照式點對面檢測在沒有特別高的檢測頻率要求的情況下一般不會采用。

對于對稱場強透照式點對面趨勢檢測方法來說，其存在的幾個問題存在簡單的改善方案，比如空間中心點附近產生的一個微小范圍的強信號區，可以通過在中心位置不預留縫隙，而是安設一個單點的垂直透照式點對點檢測。一方面不會再產生強信號區，另一方面提高了中心位置定位的精確度。又比如加工范圍要以空間中心點為加工中心點，偏離空間中心點會降低檢測頻率，如果改變縫隙的布置方式，例如使用一定的算法，規劃縫隙布局，實現空間平面的檢測頻率平均化等等。

總體來說使用放射性檢測技術可以彌補現有傳感器技術對加工裝置空間定位的不足，使先進制造領域的過程控制達到一個新的高度。而且放射性檢測技術還存在著其他的可能性，除了加工裝置的空間定位，過程控制還需要對溫度，濕度等其他物理要素進行控制，放射性檢測技術還有更多可以發揮的空間。

四、結論

通過本研究可以證實基于22Na放射源的放射性檢測技術可以在先進制造領域過程控制中進行應用。對各種極端或普通操作環境下的加工裝置定位都有很好的應用效果。文中所述四種檢測方法可以適應絕大多數應用場景并取得相當好的測量效果，基本可以替代目前使用的各類位移傳感器。在先進制造領域的過程控制之中，會面臨很多比較特殊的操作環境，比如密閉空間，無光環境，特殊氣體等會限制傳統傳感器的應用，而放射性檢測技術可以作為替代技術在這些場景下進行應用，從而進一步擴展了先進制造的加工范圍。