γ射线非接触在线密度测量

郝建智

摘 要：该文介绍了一种γ射线非接触在线密度测量仪器，由于物体对射线的吸收（遮挡）作用，引起透射计数率变化。该仪器通过测量γ射线计数率变化，并根据射线与物体的密度、厚度之间存在函数关系，测量出物体的密度。采用非接触测量方式，适用于高温﹑高压﹑密封设备内易然、易爆﹑强腐蚀﹑剧毒等恶劣条件下的密度在线检测。仪器具有自动漂移补偿及放射源衰减自动补偿功能，增加了系统的精确度。

关键词：γ射线 密度 闪烁探测器 光电倍增管

中图分类号：TL82 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（c）-0120-02

1 测量原理

在工业生产中为正确地指导生产，提高产品质量和实现工业生产自动化，一项必不可少的工作是准确而及时地检测出生产过程中各个有关参数。部分动态参数可通过测量密度这个最主要的参数计算和现场标定得到。文章介绍一种γ射线吸收原理测量在线密度的一种仪器，通过变换软件直接测量诸如料位、液面、两相界面，物料的厚度、密度、浓度、各种物料的组分、含量、配比等参数。

放射性衰变规律（半衰期、活度等）不受任何外界条件的影响，如温度、压力、湿度等，核探测原理制成的测量仪表具有极好的长期稳定性。环境因素以及放射性元素化学状态、分子结构和外形变化等均对衰变规律没有任何影响。所以几乎所有的在线检测项目都可以由非接触式的核探测技术来实现。

放射源发出γ射线，穿过待测物体后。由于物体对射线的吸收（遮挡）作用，透射计数率和物质的密度、厚度之间存在着下述函数关系。

Ni=N0·exp（-μm·χ·d）

式中：N0为射线的入射计数率；

Ni为射线透射计数率；

χ为物质厚度，m；

d为物质密度，kg/m3；

μm为质量吸收系数，m2/kg。

当被测物体的厚度固定时，根据透射计数率的变化测出物质密度变化。

di=[Ln（N1）-Ln（Ni）]/μ+d1

式中，Ni为被测物质的透射计数率；

N1为标准物质的透射计数率；

di为被测物质密度；

d1为标准物质密度；

μ为吸收系数。

所以只要精确测量γ射线计数率变化就可以计算出被测物质的密度。

2 探测器设计

密度测量的一次仪表采用闪烁探测器，该探测器具有探测效率高和灵敏体积大等优点。其能量分辨率好，对环境的适应性较强，既能探测粒子的强度，又能探测粒子的能量，并且探测效率高，分辨时间短，是一种广泛使用的辐射探测器。

探测器的闪烁体为NaI晶体，该探测器有如下特点。

（1）探测效率高，因为闪烁体的密度高，特别是Nal闪烁体，和γ射线发生相互作用的几率非常大，是对γ射线探测效率较高的探测器。

（2）分辨时间短，反应快，有的可达到毫微秒数量级。

（3）发光效率高，输出脉冲幅度高。对于铯-137的γ射线，从光电倍增管的阳极的输出脉冲可达到几伏。

（4）可用作能谱测量，能量正比关系好。

（5）探测器的稳定性技术难度比较大。由于光电倍增管的倍增系数特别高，所以倍增系数的稳定性难以保证，光电倍增管本身的稳定性比较差。

该闪烁探测器由NaI闪烁体、光电倍增管、前置放大器、高压电源和不锈钢防爆壳体等组成。探测器由主机供给15 V的直流电源，经过电感滤去交流成分，供探测器的电路使用。高压电源由自激振荡电路组成，产生30 kHz的交流信号，经变压器升压、倍压整流、通过调制后形成600～1500 V的高压供给光电倍增管使用。由光电倍增管输出的射线脉冲信号，经过前置放大电路送到单片机能谱分析，选出有用的脉冲信号，经过整形，变成宽度为1 μs，幅度为7 V的等幅脉冲，叠加到15 V的直流信号上由电缆线输出至控制器。

当由于环境变化或其他因素引起脉冲幅度变低时，如由于光电倍增管的疲劳效应或环境温度降低引起光电倍增管的增益降低、由于温度下降导至闪烁晶体的发光效率降低、前置放大器的增益降低等，均会使得总增益下降而使脉冲幅度降低。单片机通过计数率分析，调制高压发生器，使高压升高，从而使光电倍增管增益升高，达到脉冲幅度升高。当脉冲幅度回升到原来高度后，电路回到稳定状态。反之，如果由于某种原因引起脉冲的幅度升高，单片机会向相反的方向调整，使高压降低，最后，电路又回到稳定状态。

3 控制器设计

控制器采用工控机系统，显示方式为液晶显示与数码管显示，输入为抗干扰专用键盘，电路部分还包含信号输入电路、串行通信电路、输出控制电路等部分，硬件电路与常见二次仪表类似。

4 放射源屏蔽

放射源采用铯-137，其γ射线能量0.66 Mev，半衰期30年，活度为37～740 MBq（1～20 mCi）。由于仪表中采用了高灵敏、高效率的闪烁探测器，所以放射源的用量较少。放射性物质被烧结在特殊的陶瓷芯体中，此芯体浸泡在水中时，放射性物质也不会渗出。源包売外为大于8 cm的铅屏蔽层，最外层为密封的钢铁容器。以上结构确保了不会有放射性物质泄漏到容器外面，容器外的放射性剂量率与环境本底水平相当。铅屏蔽体上设有准直孔，工作时，射线被限制在狭小的范围内。需要移动或运输放射源时，可用特设的快门将准直孔关闭，防止射线从孔中射出。距离放射源容器1 m处的剂量率小于1 μSv/h，工作人员在此处每天停留8 h，连续一年，受到的总照射剂量小于3 mSv，远低于国家规定的允许剂量限值。

5 结语

文章介绍的密度测量装置利用γ射线，实现非接触式测量。运用硬件和软件滤波相结合的方式有效地抑制外界干擾信号，提高系统的抗噪性，具有自动漂移补偿及放射源衰减自动补偿功能，系统长时间稳定性极佳，射线脉冲计数率的稳定性和重复性优于0.1%。采用射线能谱分析技术，使计量的线性度大大提高，增加了系统的精确度。可广泛应用于工业现场各种料液密度的在线检测和控制，通过变换软件直接测量诸如料位、液面、两相界面，物料的厚度、密度、浓度、各种物料的组分、含量、配比等参数。

参考文献

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