管道泥沙浓度分布的伽玛射线测量

姚磊

（辽宁省生态环境监测中心，辽宁 沈阳110000）

在工业和其他领域中应用放射性同位素检测物质分布规律或浓度和密度等物理量的方式已经较为常见。这种方式可有效应用于液体、悬浮物及散装物料等不同状态的目标检测物中。其广泛的适用性使其在工业领域得到了广泛的应用和普及。借助放射性物质实现浓度检测的方式不但检测精度高，稳定性理想，而且不需要直接接触被检测物，也不易受到其他流动介质的干扰，特别适合在现场环境复杂的工艺生产流程中用于过程的实时监控。除此之外，在港口航道，河湖水库等区域的疏浚检测工程中，应用这种方式实现管道输送泥沙检测的过程也能够从根本上优化常规的检测方式和流程。根据泥沙含量和密度的差异可以配置相应动力的挖泥船，从而保证了施工过程的效率和安全，也可大幅度降低能源消耗量。而管道中固液混合物流动规律的研究对于疏浚技术的发展和应用范围的扩大具有重要的现实意义。在研究泥沙传送阻力和浓度分布规律时，需要考虑到固液物质之间的相对滑移速度并按照管道截面的具体构型设定检测方案。这些因素都会直接影响到射线检测的准确性。

1 伽马射线测量的实现原理

伽马射线是放射性检测学中常用的射线种类之一。在铯137 等放射性同位素的衰变过程中都会释放出一定量的伽马射线，而当应用伽马射线向目标检测物质照射时便会与相应的物质发生相互作用，产生包括光电效应、散射效应等在内的一系列物理变化。伴随着伽马射线不断被吸收，其强度也会不断减弱。这时通过判别伽马射线的减弱程度便能够客观衡量出该物质对于伽马射线的吸收情况。按照放射线的吸收规律来看，与射线吸收强度相关联的物理量主要包括：原始射线，即穿过物质前射线的强度；穿过物质后射线强度；物质的质量吸收系数；物质的密度以及穿过物质的厚度等。这些物理量在不同的应用环境中所对应的实际物理参数也各不相同。例如在管道泥沙浓度检测过程中，物质厚度所对应的物理量即为管道的内径。而当计算出穿过物质的射线强度后，可通过闪烁计数器对其进行直观的表示。其中闪烁计数器的计数率与射线强度自身成正比关系。经过换算和物理量的转化后能够得到密度的计数率表达式。这时只需测得闪烁计数器的计数率即可计算得到目标检测物质的密度。

2 管道泥沙浓度分布的测量装置

考虑到需要测量的管道中泥沙颗粒大小和分布浓度在不同区域会存在较大的差别，为了避免由泥沙沿管道横截面分布不均匀造成的测量结果误差，需要在充分分析水砂固液物态流动规律的前提下，设定合理的测量方案。管道内部截面附近的混合物密度测量应以原始管道内部调节机构为基础，额外增加或配置能够容纳放射源和闪烁计数器的装置空间。在理想的测量环境中，闪烁计数器和放射源应能按照管道截面方向完成自由升降，从而通过距离的变化扩大测量的覆盖面积。除了使用固定支架和钢箍在钢管外部完成固定外，还可在可升降箱体的表面或两侧安装放射源和闪烁计数器，使其能够在测量过程中随着箱体同步完成升降。此外，还有一种包含螺杆的测量方案。在钢管外侧表面设置连续转动的螺杆，将放射源和闪烁计数器共同组成测量通道，在待测管道表面实现整个截面位置的横向扫描，从而探测到管道内部泥沙的分布状况。装置中还需要设置玻璃板用于标定放射源和计数器之间的伽马射线，玻璃板一般需要沿射线传播方向的垂直方向设置。若已知干泥沙的密度ρs，水的密度ρw，第i 个测得的水砂混合物的密度ρmi，那么就可以将第i 个通道上的泥沙体积浓度表示为：

3 密度计标定过程及注意事项

3.1 密度计两点标定

管道泥沙浓度测量过程的密度计标定主要目的是为了帮助确定物质密度与计数率之间关系公式中的未知常数。一般情况下的物质质量吸收系数与其伽马射线能量的变化规律有关。而要确定放射源和被测介质之间的数量关系只需要在测定物质密度的基础上，测得闪烁计数器的计数率，再经过公式代入即可求得。利用两点法标定能够便捷的获得标定介质的密度。一般的疏浚工程中泥沙的主要组成成分是二氧化硅，而玻璃的主要成分也为同一物质。因此选用玻璃板作为标定的介质能够最大限度的还原实际测量环境中的伽玛射线传播规律。再通过各类密度已知的被测介质就能够间接获得未知的常量参数。最终得出的是被测泥沙混合物的密度随计数率对数变化的线性函数，而这其中只有自变量计数率和因变量密度两个未知物理量。大量的实验也表明这种两点标定的方式不仅简单易行，而且测量准确度较为理想。

3.2 密度计与数据采集回路共同实现的多点标定

利用固定的计算公式推导得出管道中泥沙浓度密度的方式需要依靠多项物理量作为输入参数，在操作上存在一定的不便性。而利用密度计自身提供的标准电流信号输出也能够实现与计数率变化相关的物理指标采集和获取。同时这种电流信号的输出更加便于记录，在测量的精度和稳定性等方面也较传统的数值计算方式更具优势。如果将已经完成标定的密度计连同计算机数据采集回路共同组成一套多点标定和数据回归分析系统，则能够间接建立起输出电压和待测泥沙密度之间的关系。具体实现的方式与上文提到的标定方法类似，在测量通道上不同距离处插入玻璃板组成不同物质密度的采样区间，再经过计数率和密度计输出电压的统计和计算得到最终的标定曲线。在测量通道上，常规的由玻璃板和纯净水体所构成的混合物密度已能够基本涵盖管道中泥沙混合物的密度。而区间端点所对应的计数率对数又能与输出电压组成线性数学表达关系。至此即可借助电压和电流信号推导出密度与电压之间的回归直线方程，从而能够进一步提升密度计的测量精度。

4 结论

在现实应用环境中，对于管道泥沙密度分布的测量需要依据伽玛射线的测量原理实现。大量研究和数据分析表明，不同浓度和颗粒大小的泥沙在不同直径的输送管道内流动所呈现出的分布规律具有明显的差异。而利用本文描述的伽玛射线密度计测量通道能够灵活的调节相应测量机构，再匹配简单易行的标定方法即可将密度计和数据采集回路作为联合标定方案。既能保证测量过程的操作便捷性，也能充分满足管道泥沙浓度分布探测的实际需要，为研究各类倾斜管道的流动物质分布规律提供帮助。