伽玛射线在密度测量中的应用

高彦祥

摘 要：分析了常用密度计在密度测量中的优缺点，详细介绍了伽玛射线密度计的测量原理及铯-137放射源射线的安全防护。

关键词：γ射线；铯-137；密度测量

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.116

1 伽玛放射源

（1）伽玛射线简述。γ射线是一种高能电磁波，其波长小于0.001ns。由于它不带电，因此其与物质的相互作用机制不同于带电粒子。带电粒子与物质的相互作用机制是通过与介质原子核和核外电子的库仑相互作用，在沿其运动路径上经过多次碰撞而逐渐损失能量。γ光子则是通过与介质原子或核外电子的单次作用，损失很大一部分能量或完全被吸收。在原子核反应中，生成的子核往往处于激发态。处于激发态的原子核往往是不稳定的，其会通过发射γ射线从高激发态向低激发态或基态跃迁。

（2）铯-137伽玛放射源。常用于制备γ源的放射源有60Co、134，137Cs

、133Ba、152Eu、74Se、124Sb和192Ir等。60Co经β-衰变到60Ni的激发态，处于激发态的60Ni跃迁到低能态时，就会放出γ光子，对于60Co的衰变，两光子的能量分别为1.17MeV和1.33MeV。半衰期大约为5.27年。137Cs为β-衰变，发射两种β-粒子，其能量分别为0.51MeV（94%）和1.18MeV（6%），半衰期为30.17年。137Cs发射0.51MeV的射线后，轉变为137Bam。137Bam作同质异能跃迁衰变，其γ射线能量为0.66MeV，半衰期为2.55min。由上可知，137Cs其主要能量为0.66MeV。由于其具有较低的能量，因此具有比60Co更好的测量效果，而且其屏蔽容易，所以一般γ射线密度计使用的放射源均为137Cs。

2 伽玛射线密度计的优点

目前国内外常用的液体密度计有浮子式密度计、振动式密度计和差压式密度计和γ射线密度计。浮子式密度计是基于物体在流体内受到的浮力与流体密度有关，流体密度越大浮力越大这样的原理设计的。这种密度计容易受到介质扰动的影响，误差比较大。振动式密度计是利用机械振动原理制成的。密度变送器的检测元件是一对振动管，体积一定而质量不同的液体流过振动管时，就会改变振动管的谐振频率，当流体密度增大时，振动频率减小；反之当流体密度减小时，振动频率增大。在实际应用中，振动式密度计在测量一些有节垢或有颗粒的介质时其测量误差特别大。差压式密度计的设计原理非常简单，使用方便，相比其它密度计价格非常便宜。其测量原理依据于?P=ρgh此公式，当h一定时，差压变送器测出的?P值与重力加速度g和长度h乘积的比值即为所测介质的密度值。 差压式密度计虽然使用简单，但是实际工业生产中却不常使用差压式密度计，原因是其在测量过程中是不稳定的，因此会给测量结果带来很大的误差。γ射线密度计的原理是γ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变。当放射源的放置位置固定后，射线在传播时的衰减就仅取决于介质的密度和传播的距离。而传播的距离即为通道的宽度，其也是一定的。因此，衰减就仅取决于物质的密度。γ射线密度计的优点在于其可以在高温、高压、高腐蚀性的环境下正常工作。

3 伽玛射线密度计的结构

伽玛射线密度计主要由放射源及铝屏蔽罐、探测器、信号处理机构成的。

（1）放射源。核放射源137Cs放置在双层不锈钢容器中，其不会泄漏出来污染需测量的物质。（2）探测器。伽玛射线密度计所使用的是闪烁探测器。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辐射脉冲，每一个进入检测器的γ光子产生一个输出的脉冲，它的电压与入射光子的能量成正比。这些脉冲被放大后，经屏蔽电缆传输到信号处理机。（3）信号处理机。信号处理机主要包括：CPU，存储器，分频器，A/D和D/A转换输入输出接口等。

4 伽玛射线密度计的测量原理

γ射线是一种强电磁波。当γ射线与物质相互作用主要有三种机制，即光电效应、康普顿散射和电子对效应。（1）光电效应：当γ射线与介质原子发生相互作用，吸收一个γ光子并将光子的全部能量传递给一个束缚电子，这个电子脱离原子对它的束缚后发射出来，γ射线被吸收。释放出的电子称为光电子其具有确定的能量，这种效应称为光电效应。当入射γ射线能量大于2MeV时，光电效应可忽略不计。（2）散射效应：能量比较高的γ射线，能够忽略原子壳层电子的结合能而将它们视作自由电子，γ光子可与自由电子发生弹性碰撞，碰撞后，γ射线将部分能量交给被碰撞的电子，导致射线强度的减弱，这就是散射效应。（3）电子对效应：γ光子的能量大于电子静止能量的2倍时，会在介质原子核的库伦场中转换为一对正负电子。光子能量为正电子的静止能量，负电子的静止能量，和它们的动能之和。以放射性同位素137Cs为辐射源的核子密度计。在对介质进行密度测量时，主要考虑散射效应。γ射线透过介质后其强度与介质的密度和厚度有关。当γ射线穿过吸收介质时，其强度服从指数衰减规律：

式中：I：射线通过介质后的强度；Io：无干扰介质时的初始射线强度；u：介质的吸收系数仅与所测介质有关；d：吸收物质及介质的厚度；ρ：吸收物质及介质的密度。

对于特定的伽玛射线密度计，K，IO为常量，因此可通过测量I而求得密度ρ。采用闪烁探测器检验穿过介质后的剩余γ射线，将其转换为电量的变化，并通过电子电路的处理，就可得到所测物质的密度。

5 伽玛射线密度计的防护措施

伽玛射线有杀伤生物细胞的作用，其对人体的危害是客观存在的。因此伽马射线的安全防护工作应引起高度重视。核密度计中常用到的γ放射源为137Cs，在实际使用中有严格的防护措施，其安全性是有保障的。有关辐射安全的防护安全需要注意以下几点。

（1）在安装γ射线密度计的地方，要有明显的禁示牌，提醒人们不要在附近逗留。（2）γ射线密度计检修时，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。（3）定期对γ射线密度计放射源装置的放射泄漏情况进行测量。（4）核辐射指定专职人员应持证上岗，做到熟悉操作减少操作时间，从而减少所受到的剂量。并例行身体检查。（5）根据辐射防护规则，在剂量率>3000uSV/h的区域，严禁人员进入。

参考文献：

[1]中国人民解放军00二八三部队散射法实验小组，散射伽玛射线法测定岩矿密度的初步探讨[J].物探与化探，1981，5（01）：29-35.

[2]刘志林.辐射安全与环境保护工作[J].核物理动态，1995（04）：9-11.

[3]中国科学院原子能研究所.放射性同位素应用知识[M].科学出版社，1959.