铯-137在密度测量中的应用

2011-10-25刘维生靳荣久

唐山师范学院学报 2011年2期

刘维生，靳荣久

（1.唐山师范学院物理系，河北唐山 063000；2.唐山滦南一中，唐山滦南 063500）

铯-137放射源通过发射γ射线对生产过程中的介质料位或密度等参数进行检测，并通过自动控制回路实现工艺过程的自动控制。这项技术因其节能和环保优势获得迅速发展。近年来，干法选煤技术获得迅速发展，而分选设备的自动化对我国干法选煤技术的进步与发展将起到积极的推动作用。在干法选煤控制中，煤层密度的测定成为整个闭环控制中一个关键技术。在大、中型水电站中，灌浆工程必须的水泥浆液的水灰比（即水和水泥灰的质量比）的检测往往是人工称量。通过应用以铯-137为放射源发射γ射线测量密度的原理，研制出高精度动态检测水灰比的核密度计，这项技术大大提高了水灰比测定的精度及缩减了大量人工成本。

1 铯-137密度测量原理

1.1 铯-137性质及γ射线的吸收规律

铯 137为 β-衰变，发射两种 β-粒子，最大能量分别为0.51163兆电子伏（94.0%）和1.176兆电子伏（6.0%），半衰期为30.17年。铯137发射0.51163兆电子伏的β-射线后，转变为137Bam。137Bam作同质异能跃迁衰变，其γ能量为0.662兆电子伏，半衰期为2.55分钟。

密度测量原理是根据被测物料对铯-137辐射源发出γ射线的吸收规律来检测床层厚度，从而得出相应的被测物料密度值。

γ射线穿透物质后射线的强度会减弱，其中部分射线光子可直接穿透物质，其余射线光子在与物质作用时其能量被物质吸收，一部分产生各种电子和射线，一部分转变为热能。射线在物质中传播时，由于射线光子的能量被物质吸收以及随着距离的增加而使射线的强度不断减弱而发生衰减。当放射源固定后，射线在传播时的衰减就只取决于介质的密度和传播的距离。

因此 γ射线透过介质后的强度与该介质的密度和厚度有关，符合Lambert-Beer定律，当初始活度的射线通过厚度为δ，密度为ρ的物质后，其活度减弱至I，即式中I为射线透过介质后的强度；I0为在给定距离处无干扰介质时的初始射线强度；μ为吸收系数，与所测介质有关，对固定物质是常数；ρ为介质（通常指吸收物质）的密度；δ为介质的厚度。

γ射线辐射技术正是利用了在射线源和检测器之间物质对γ射线的吸收率的不同，而对被检测对象进行“透视”和诊断的一种先进技术。利用这项技术在现实生产及工艺测量中测定介质的密度和料位等参数。

1.2 铯-137核密度计的结构

密度计由放射源和射线探测器组成，放射源为铯-137，一般强度为 1 .85× 108Bq，发射能量为662 keV的 γ射线。放射源放在一个双层不锈钢的容器里，呈玻璃球状，容器壁由铅制成坚实的防护层，使其仅按所要求的方向发射。

射线探测器由闪烁检测器和前置放大器组成。其主要作用是接收和转换（包括放大）辐射脉冲，每一个进入检测器的γ射线光子产生一个输出脉冲，它的电压与入射光子的能量成正比。这些脉冲被放大后，经连接探测器和信号处理机的同轴屏蔽电缆传输。

2 铯-137密度测量在干法选煤的应用

如图1所示，密度测控装置包含两个主要单元，测量单元和结果处理单元。测量单元包括：同位素放射源Cs137、同位素放射源支架、信号接收器和分选床信号窗等四个部分。信号接收器包括信号检测和电子放大装置。同位素放射源支架位于分选床溢流堰后端，在射线所经过的分选床床体上有信号窗。放射源和信号传感器位于分选床两侧。结果处理单元主要有密度仪表、PLC系统以及排料调速装置和排料轮组成。事前根据工艺试验结果，设定相关参数。

图1 密度测量装置

由信号传感应器接收到的信号送入密度仪表，经密度仪表处理后的电压信号送给PLC系统，再经过PID处理后，确定物料的给、排料速度等工艺数据，系统自动调节排料轮，排料轮电机依据放射源信号变化自动调节运行频率。变频执行机构，实施对排料速度的动态调控，以使所设定密度的料层在分选床出料端处的水平高度始终保持动态稳定平衡，达到理想分选目的。

3 铯-137密度测量在动态检测水灰比上的应用

3.1 浆液水灰比的检测的原理

浆液水灰比的检测是基于浆液对γ射线的吸收作用，即一束γ射线穿过流动的浆液时，一部分射线因和浆液中的原子发生相互作用而被吸收，吸收量和浆液的密度有关，而另一部分经探测器内的闪烁检测组件和前置放大器把 γ射线光子转换成一定幅度的电脉冲信号，再输送到灌浆仪主机计算机系统进行数据处理并显示和打印出来。透射射线的计数率和浆液密度之间存在如下指数关系

式中，N0为射线的入射计数率；Ni为透射计数率；D为过浆管直径，m；ρ为浆液密度，g/cm3；μm为质量吸收系数，m2/Kg。

当过浆液管直径固定后，灌浆仪主机据测到的射线计数率可由机内计算机算出浆液的密度并转换成水灰比，计算公式为：

式中，ρ浆为被测浆液的密度；N水和ρ水分别为现场灌浆用水的透射计数率和密度；N浆为浆液的透射计数率；μ为吸收系数，μ=Dμm。

3.2 待测浆液厚度

待测浆液的测量结果的精度与其本身的厚度密切相关。被测量厚度的选取由射线能量和浆液密度范围而定。按照射线吸收规律，浆液厚度越大，对射线的吸收能力越强。即对于同样密度的浆液，厚度越大，引起透射计量的变化越大，从而测量灵敏度和精度也越高。但测量射线时，若浆液太厚，则透射太少，导致计数的统计涨落太大，反而增大了测量误差。综合上述二种现象，可导出浆液最佳厚度公式(3)：

式中，X最佳为浆液最佳厚度。对于铯-137，μm=0.0068m2/Kg。

灌浆常用的水灰比范围为0.5/1～5/1，水灰比为0.5/1的浆液密度ρ0.51：=1 870Kg/m3，水灰比为5/1的浆液密度ρ5：1=1 220Kg/m3，X最佳分别为0.15 m和0.24 m。考虑到灌浆中水灰比为 0.5/1～1/1时历时最长，且屏浆时要求水灰比精度高，安装时放射源和探测器不可能和过浆管道相吻合，因此，取直径为146 mm的套管作为过浆管道的直径。

4 射线防护

4.1 射线防护的重要性

γ射线应用技术作为一门蓬勃发展的检测技术，因其非接触测量的优越性而令人关注，它通常应用于要求高安全性及高可靠性场合或极端过程条件下其它测量方法无法实现的场合，例如：高压、高温、毒性、磨损性、带搅拌器等。但是由于γ射线具有杀伤生物细胞的作用，而它又不可见，因此对它的安全防护工作没有引起足够重视。

如果在设计中选用的射源和活度，能保证防护容器表面的照射率低于国家规定，则不会对人及测量物质产生影响，因此使用放射性仪表时射线的防护是一个关键问题。

4.2 铯-137核密度计使用中的辐射安全

自然界本身就存在着放射性，称之为“天然本底”。据报道，一般地区“天然本底”的照射量为0.6毫伦/24小时，由于其照射量远远低于人体所能接受的量值（2毫伦/日），所以我们接受了“天然本底”的照射而没有对我们产生影响，因此在接触射线时控制其量值是一个最关键的因素。

衡量射线对人体的危害程度，可以借用医学上的术语——剂量，在这里叫做剂量当量，它的法定单位是Sievert（Sv）；专用单位是雷姆（rem），两者的换算关系为：1Sv= 100rem。为了保护放射性工作者和公众免受过量的辐射危害，我国也颁布了与国际标准接轨的国家标准，给出了各种照射情况下的安全剂量限值，见表1。

表1 安全剂量当量

目前所使用的放射性料位计，其放射源都是密封在源装置内的。设计时所采用的标准是：当放射源装置安装到容器上后，无论源装置是处于开启状态还是关闭状态，距离其外表面12英寸（305mm）处辐射场的照射剂量不超过每小时5mrem（0.005rem），即非职业人员在距离放射源 12″（305mm）处每年不得超过100小时。在辐射场中某一处的射线强度I与它和放射源之间的距离R的平方成反比[3]：

即距离放射源越远，射线强度就越小。比如当距离放射源装置1m时，射线的剂量就小于每小时0.5mrem了。因此在正常情况下，操作维护人员每天在巡检过程中所吸收到的剂量是很少的，所以只要严格执行国家标准和安全操作规程，加强放射性检测，严格管理，那么，应用放射性仪表的安全性是有足够保障的。但是，适当的防护措施还是必需的。

（1）凡是安装有放射性仪表的场所，要有规定醒目的禁示牌，提醒人们非工作原因不要在附近逗留。

（2）凡属放射源装置部分的，必须由职业人员来完成安装、拆卸、移位、修理和维护的工作。工作人员必须经过培训，做到熟悉操作减少操作时间，从而减少所受到剂量。平时没有操作任务时，应尽量远离放射源。

（3）每隔三年必须对放射源装置的放射泄漏情况进行一次测定，由职业人员按照规定的程序操作。

（4）装置停工检修时，务必要将放射源装置关闭后才能进入安装有放射性仪表的容器内部作业，如连续作业时间较长可由职业人员将其拆卸，暂时保存起来，等容器内检修工作完成并封闭人孔后再装上。

（5）如有可能，对接触到放射性仪表的相关人员进行定期检查。