射线技术在工业领域的应用

吴志芳，刘锡明，王立强，苗积臣

1.清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 100084；2.核检测技术北京市重点实验室，北京 100084

射线技术在工业中的应用，主要是利用射线与物质的相互作用，如吸收、散射、电离、激发、活化等效应，从而间接获取物质的相关信息，其具有非接触、无损伤、灵敏度高、响应速度快、性能稳定可靠等特点，可适用于高温、高压、高湿、强腐蚀等恶劣生产现场。

早在1922年，美国第一个工业用射线检测实验室在H.H.Lester博士领导下创建于水城兵工厂，用X射线检验军械零部件(铸件)，开创了射线工业应用的先河，但是，直到20世纪50年代，射线技术的工业应用一直发展缓慢，主要局限在基于X射线胶片照相的无损检测领域。1951年，美国开始将放射性同位素测厚仪应用于橡胶生产[1]，之后，射线技术在工业领域的应用得到了迅速的发展，中子照相、工业核测控仪表、辐照消毒、成分分析等技术纷纷发展起来，并在工业生产中发挥着越来越大的作用。20世纪80年代以后，特别是进入90年代以来，随着材料科学、计算机技术和电子技术的发展，促使射线技术向着精细化、综合化、信息化、智能化的方向发展，应用的广度和深度不断提高。据统计，美国和日本民用非动力核技术产业的产值占国民生产总值的3%～4%，我国民用非动力核技术的产值也达到每年数千亿人民币。本文简述射线技术在不同工业领域的应用与发展状况。

1 工业核仪器仪表

工业核仪器仪表是利用射线技术监测工业生产过程的一类仪器设备，在工业生产中得到了广泛应用。我国射线技术的工业应用就是从工业核测控仪表领域起步。尽管研制工作始于1958年，但大力推广、应用这类核仪器设备，则是从20世纪80年代开始。较大规模应用的核仪器仪表有核子料位计、密度计、测厚仪、中子水分仪、核子秤等。特别是改革开放以来，我国的工业核仪器设备逐渐缩小了与国外设备的差距，如国产料位计、密度计、核子秤、中子水分仪等能替代国外设备；国产测厚仪在低端市场上占据主导地位，在高端市场虽还存在一定差距，但也取得了长足的进步。工业核仪器仪表的应用主要体现在以下几方面。

1.1 料位测量

核子料位计利用射线透射物料或被物料反射，透射或反射射线的强度与是否有物料或物料的高度有关，通过测量这些射线的强度，能判断物料有无(即料位开关)或计算料位的高度(即连续料位计)，在很多工业场合得到应用，起到了不可替代的作用。

核子料位计多采用放射性同位素射线源，如137Cs或60Co。60Co源的射线穿透能力更强，适合于厚度大、密度高的被测对象，但60Co的半衰期为5.27年，而137Cs的半衰期为30.17年，60Co源因其半衰期短而导致射线源更换较为频繁，应用受到一定的限制。根据放射源登记情况统计，使用137Cs的料位计有11 000多台，使用60Co的料位计有2 300多台；使用137Cs的液位计有3 700多台，使用60Co的液位计有900多台。这些核子料位计的应用领域包括水泥厂、电厂煤粉仓、炼铁高炉、石油化工厂液位、氮肥厂、氧化铝厂、煤化工、多晶硅流化床反应器、玻璃原料仓、矿井提升系统、木业公司、粮油加工等[2-3]。

国内很多科研院校在20世纪80、90年代之前就开展了这方面的研究，目前从事这方面工作的主要有南京中纽科技有限公司、合肥海明科技股份有限公司、上海海能信息科技有限公司、北京通想高技术开发公司、北京华科拓普电子仪器有限公司、丹东东方测控技术股份公司等，国外厂家主要有Berthold、E+H、Thermo Fisher等。

在这方面，较新的进展是最近十年发展起来的无源核子料位计，利用物料中的天然放射性来判断物料的位置，在火电厂的灰斗、仓泵等场合得到了广泛应用[4]，如上海辉博自动化仪表有限公司2013年就销售无源核子料位计达2 000套。

1.2 密度测量

核子密度计是利用射线在物质中的指数衰减规律来测量物质密度的一种工业仪器，适合测量固体、液体、固液混合物、悬浮液等物料的密度[5]。测量过程中，必须保证被测物料的厚度是固定的，或者其厚度能够通过其他方法测量。

尤其是对于封闭管道中液体、矿浆的密度测量，虽然可以采用非核仪表(如压差式密度计或科氏力密度计等)，但由于核子密度计的非接触性和抗干扰性(温度、腐蚀、磨损、流速、压力等因素影响很小)，使其更显优势。通常管道中物料流向是从下往上，这样可以保证管道充满。若被测物料中包含气泡或空隙，将影响密度测量的精度。

核子密度计通常使用γ射线源，主要使用137Cs，也可采用60Co。国内采用137Cs的密度计约6 700台，使用企业主要有铝业公司(约1 500台)、煤炭企业(约944台)、钢铁企业(约400台)、化工(约470台)、金矿(约390台)、煤化工(约170台)等。

核子密度计的硬件系统与核子料位计基本一致，二者可以共享硬件平台，通过使用不同的软件来完成不同的功能。因此，制造核子料位计的厂家，通常也制造核子密度计。

1.3 厚度测量

利用射线衰减测量物体厚度属于非接触式厚度测量的一种，尤其适合在线厚度测量，在工业生产自动化和质量控制等方面有广泛的需求与应用。

厚度在线测量系统大致可分为以下几种。

① 同位素测厚仪。又分γ射线测厚仪和β射线测厚仪。γ射线可选较高能量，且强度稳定，适合测量较厚或密度较大的材料，广泛应用于钢铁行业各种金属板、管等生产过程中的厚度测量与自动控制。β射线穿透能力较弱，适合测量较薄或低密度的材料，可用于纸张、塑料薄膜、橡胶制品、锂电池电极片等生产过程。我国目前有采用241Am的测厚仪10 000多台，采用137Cs的测厚仪只有300多台，采用60Co的测厚仪则更少，只有几十台。

② X射线测厚仪。与同位素测厚仪原理相同，但采用X射线管作为射线源。二者具有很多相似之处，在不少场合可相互替换。相比同位素测厚仪，X射线测厚仪的射线能量与强度方便调节，可输出强度很高的X射线，大大降低探测器输出信号的统计涨落，同样测量时间下测量精度高；在测量精度相同的情况下，有更快的时间响应特性。随着X射线管技术的进步，特别是近20年来，其稳定性得到了很大提高，已经能够保证X射线测厚仪长期稳定工作，而同位素射线源的使用手续较为复杂，X射线测厚仪有取代同位素测厚仪的趋势。测厚仪国内厂家主要有清华大学核研院、洛阳瑞清科技有限公司和上海爱斯特电子有限公司等，国外厂家有IMS、Thermo Radiometric、Toshiba等公司。

③ X射线多功能板型仪(凸度仪)。上世纪90年代以来，随着探测技术的进步，测厚仪探测器从原来的单路(电离室或闪烁探测器)发展到多路阵列。采用阵列探测器，由原来的“单点”厚度测量，发展到实时的“板形”测量，从而出现了凸度仪、板形仪等高端测厚设备。利用阵列探测器还可实现“立体测量”、断面重建，并校正带钢扭曲倾斜所造成的测量误差。多功能热轧凸度仪(板形仪)是钢厂热轧生产线上的关键设备，能够连续实时测量热轧板带材的宽度、长度、厚度、凸度等板形数据，并反馈给轧机用于闭环控制。之前，该项技术被美国Thermo、德国IMS等少数几家国外公司垄断，国内单位已开始研究并取得了很大进展[6]。2011年，清华大学核研院研制出多功能热轧凸度仪工业样机，并通过多位院士参加的专家组的测试与验收，认为该技术“打破了国外垄断，填补了国内空白”。该样机在0.9～14 mm的厚度范围内，实现了0.1%的测量精度，达到或超过了进口设备水平。

1.4 水分测量

中子水分仪测量水分，本质上就是测量物料中的氢含量。用中子源发出的快中子照射物料，物料中氢元素的含量决定了快中子被慢化的程度。用热中子探测器测量出热中子的数量，即可推测出物料中的氢含量，进而得到水含量(即水分)。中子法测量水分具有反应迅速、不破坏被测物质结构、不影响水分分布等优点，适于连续测量水分的动态变化和较大体积物料的含水量平均值，并且不受物质导电性和颗粒度的影响。

中子水分仪的研制始于20世纪50年代，国外首先研究了利用中子测量土壤水分；到70年代时，中子水分仪已经在钢铁、铸造、建筑等生产领域得到应用，还出现了用于实验室的离线中子水分仪；到80年代时，在食品、肥料的生产中开始应用中子水分仪。

我国于1978年出现第一批工业用中子水分仪(插入型中子水分仪)，它是由南京大学研制，并由无锡无线电八厂生产。后来逐渐发展出固定式插入型、手提式插入型、固定式表层型、手提式表层型等中子水分计，也研制出用于实验室的热中子透射计。中子水分仪在我国的应用领域主要有土壤、高炉上料系统、陶料、焦炭、玻璃原料、混凝土、煤炭等水分测量，还被应用到农田水分管理、节水灌溉以及江河堤防安全监测等方面。

目前生产中子水分仪的国内厂家有北京华科拓普电子仪器有限公司、丹东东方测控技术股份公司等，国外厂家有美国Thermo Fisher等。

1.5 流量/输送量测量

利用皮带输送物料时，输送物料的计量是一个很重要的现实问题。核子秤就是利用辐射测量技术，专门对传送装置上任意形态的物料进行连续测量或计量的核仪器仪表。作为一种非接触式的动态计量装置，除用于皮带输送机外，核子称还可以用于传统电子皮带秤无法应用的地方，如管道、履带输送机、链斗输送机、刮板输送机、螺旋式输送机以及斗式提升机等，广泛应用于矿山、冶金、水泥、化肥、电力、轻工、港口等行业。

1968年波兰研制成功世界上第一台工业用核子秤，此后世界上相继报道了许多不同类型的核子秤及其应用。1973年英国原子能委员会和英国钢铁公司在国际原子能机构报告了用137Cs源和闪烁探测器制成的核子秤测量矿石重量的实验，精度为1%。1977年美国Ohmart公司用137Cs源和特制探测器测量传送带上干燥固体物料，精度达到±0.5%。美国Kay-Ray公司生产的核子秤产品，其应用遍及全世界，在20世纪80年代至90年代初销售量超过3万台。核子秤不仅可以作为单纯的计量仪表，还可参与生产过程控制。核子秤配料系统、计量与管理系统、自动装卸系统等的开发，把核子秤应用推上了一个新的台阶。

国内核子秤研究与开发起步较晚，1985年清华大学核研院开始研制基于充气电离室的核子秤，1988年通过技术鉴定，这种类型的核子秤也成为中国市场上的主流产品。1988年专业机构预测，国内核子秤市场非常大，需求量在几万台。但实际上，由于电子皮带秤的不断进步，再加上激光扫描测量等新的测量技术的出现，以及新实施的放射源辐射安全许可制度增加了核子秤的使用成本等，核子秤的推广应用受到了较大影响，使用量远低于预期。

总之，从20世纪80年代开始，我国工业核仪器设备的研究应用快速发展，但80～90年代从事这一领域研究的不少企业和研究机构陆续停止了这方面的工作，目前活跃在这一领域的企业创立时间大约在十年，企业持续时间较短，影响其知识、技术和经验的积累与沉淀，这是与国外企业存在差距的原因之一。国内产品与国外的差距主要体现在产品的稳定性、可靠性、测量精度、使用寿命等方面，越是复杂的设备，差距越大。国内厂家凭借对国内市场的了解，在价格和售后等方面的优势，在低端产品上占领了较大市场，但在高端产品上还鲜有国内厂家的身影。可喜的是，国内科研机构和厂家奋起直追，在高端设备的研发方面取得了一些突破，如2011年清华大学核研院研制成功多功能热轧凸度仪工业样机，可实现0.1%的测量精度，超越了进口设备，是我国近年来在此领域取得的较大进展。

2 核分析

射线技术用于材料的成分分析，称为核分析，对保障工业生产、提高产品质量意义重大。我国的核分析工作主要集中在X射线荧光分析、中子活化分析和双能γ射线法测煤灰分等方面。国内科研机构和厂商企业跟踪国外先进技术，并结合国内需求和工业水平，一直都在发展、进步和赶超，也形成了一些具有特色的成果，有些已取代国外设备成为主流。

2.1 X射线荧光分析

1895年德国物理学家伦琴发现了X射线，揭开了X射线应用的序幕。次年，法国物理学家乔治就发现了X射线荧光效应。20世纪40年代末出现了第一台波长色散X射线荧光分析仪，其采用GM管作为X射线探测器。从此，X射线荧光分析因其优良特性得到了蓬勃发展，现已形成了包括波长色散、能量色散、全反射、同步辐射等多种类型的一个大家族。

测量X射线荧光光谱的方法主要有两种：一种是基于布拉格衍射测量光子波长，即波长色散法；另一种是基于具有一定能量分辨率的X/γ射线探测器直接测量能谱，即能量色散法。波长色散法精度高、性能优，但规模大、售价高；能量色散法性能稍差，但使用方便、成本低。特征X射线的激发方式有X光机激发、同位素放射源激发、同步辐射激发和离子激发。根据入射角度区分，有全反射、掠出射X射线荧光分析[7]等。

X射线荧光分析具有很多优点，得到了广泛应用。它可以直接分析块状、液体、粉末等样品，也能进行微区分析；对元素含量的检测范围很宽，从亚ppm量级到100%，而全反射X荧光分析的检测限已达到10-9～10-12g，能满足很多种物质的分析需求；能精确分析镀层和薄膜厚度；分析结果的准确度可与化学分析相媲美，分析成本较低，在很多领域被作为成分分析的标准手段；可进行非破坏分析，广泛用于古陶瓷、金属屑和首饰的组成分析等；除能进行元素分析外，甚至还能提供物质的化学态信息，如元素的价态、配位和键性能等。

20世纪80年代初期，市场上X射线荧光分析产品主要有波长色散X射线荧光分析仪、能量色散X射线荧光分析仪和以正比计数器为探测器的可携式X射线荧光分析仪。波长色散分析仪的光谱测量分辨率很高，加之算法完善，其准确度与化学分析结果相当。能量色散X射线荧光分析仪的应用受到探测器的限制，高分辨率的Si(Li)探测器需要在低温下工作和贮存，使用起来很不方便。而近30年来，X射线荧光分析得到了很大发展，产生了微束X射线荧光分析和全反射分析的仪器，利用电制冷技术与微电子技术结合，制造出了可以在常温下工作的高分辨率X射线探测器，从而促进了能量色散X射线荧光分析仪的发展与应用，也出现了基于能量色散的手持式谱仪等新产品。

我国于20世纪50年代末开始研究、应用X射线荧光分析技术，到20世纪80年代初还主要用于科研院所，用于地质和材料研究中的元素分析。改革开放后，国内日益增多的需求推动了X射线荧光分析技术的研究与应用，在自动化、智能化、小型化和专业化上不断更新换代，特别是能量色散分析仪的性能提升显著，在一些行业已成为首选的分析仪器，在冶金、建材、石油、化工、水泥、环保和制造业等工业领域广泛应用。近二十年来，我国在X射线荧光分析方面进展显著，涌现出多家仪器设备制造公司，主要有天瑞仪器股份有限公司、爱斯特电子有限公司等，国内厂商在整机研发上做出了特色，通过对各类应用场所的细分并提供解决方案，研制出了多种规格的能量色散型台式或手持式设备，也推出了低功率的波长色散X射线荧光分析仪产品。这些设备在RoHS检测、镀层测厚、黄金首饰分析、环境监测、土壤分析、水泥生产在线检测上发展良好，已占有较大的市场份额。存在的问题是：一些核心技术仍由国外公司掌握，在激发源、探测器等关键部件上，国内还有差距。

2.2 瞬发γ射线中子活化分析

瞬发γ射线中子活化分析(prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA)是利用同位素中子源或中子管产生的中子与物质发生俘获反应或非弹性散射而激发出的瞬发γ射线来确定物质中元素种类与含量的方法。

20世纪70年代开始，国外即在水泥和煤炭在线检测上，利用瞬发γ射线中子活化分析方法[8]来解决成分分析问题，并在水泥厂和火电厂开展了初步应用。起初是利用热中子与物质的俘获反应，但对某些元素的反应截面很小，测量不灵敏。80年代末至90年代初，人们开始利用快中子与物质的非弹散射来分析PGNAA不灵敏的元素。1987年TsahiGozani提出利用D-T中子发生器产生的14 MeV快中子的非弹散射进行元素分析，将其分析结果作为热中子俘获反应的互补。1988年Thorpe利用14 MeV快中子分析了煤的元素成分，实验表明利用快中子非弹性散射，仅对改进煤的C、O元素分析有利，其他很多元素分析还需利用热中子俘获反应来完成。由于中子管寿命较短，人们将镅-铍中子源作为另外一种选择进行了尝试，1996年清华大学工程物理系利用镅-铍中子源与高纯锗探测器，在实验室中进行了煤炭成分分析，结果表明利用中子非弹性散射，能分析煤中的Si、C、O元素。1998年Dep利用中子发生器进行了煤炭在线元素分析实验，并选用BGO探测器来提高对高能γ射线的探测效率，结果表明，对煤中C的分析精度约为1%，对S的分析精度可达到0.05%。1999年Michael Belbot等也研制了基于中子发生器的煤质分析仪，对煤中O、C及S三种元素的测量误差分别为0.6%、2.0%和0.2%。Philippe Letourneur等把快中子与热中子分析技术相结合，在线测量了铝钒土，该方案分析出的各种元素的百分比总和占原料的99%，结果表明这种技术可用于监测Bayer法制铝的工艺流程。2001年Lim等也利用快中子与热中子分析技术，研制了水泥生料在线元素分析仪，在系统测量时间为10 min的情况下，测量精度对CaO为0.49%、SiO2为0.52%、Al2O3为0.38%和Fe2O3为0.23%。为减小物料成分不均匀以及形状变化引起的测量误差，该系统采用双中子源、双探测器的结构。

我国南京大陆中电科技股份有限公司自2001开始在火电厂推出了若干套煤质在线分析仪(采用了进口中子发生器)。最近几年，丹东东方测控技术股份有限公司推出了中子活化水泥元素在线分析仪，2012年还承担了国家中子活化重大科学仪器设备开发专项。东北师范大学辐射技术研究所也长期从事中子元素分析工作，并具有制造中子发生器的能力。

目前存在的主要问题是中子源，现有商业化仪器主要采用252Cf裂变中子源或中子发生器，252Cf的半衰期较短(2.65年)，中子发生器的寿命也普遍较短，即使进口中子管的寿命也只有8 000 h，仅相当于1年。仪器价格较高(约500万元RMB)，也影响其推广应用。另外，用户和管理部门对中子的防护和使用还存在认知障碍。

2.3 煤灰分测量

煤灰分是衡量煤质的重要指标，通过灰分与水分数据，可较准确地计算出发热量。煤炭自动化生产与高效利用，离不开煤灰分在线检测。早在20世纪60年代就开始了利用射线技术测量煤灰分的研究[9]，人们探索了各种煤灰分测量方法：低能γ反散射、低能β反散射、天然γ测量、中能γ反散射、高能γ电子对效应、双能γ射线透射、中子活化分析、X射线荧光分析、浮选尾矿的光反射法等。下面是几种比较典型的灰分在线检测方法。

① 低能γ射线反散射法。用低能γ射线照射煤，随着煤灰分增高，反散射的γ射线强度近似按线性减少，通过测量反散射γ射线的强度可以确定煤的灰分。应用此方法时，煤流表面需要整形，煤流的密实度应保持基本稳定，煤层与探测器表面之间的距离也保持不变，才能保证测量精度，因此，难以实现真正的在线测量。

② 天然γ射线测量法。煤中含有40K、铀(238U)系和钍(232Th)系的天然γ放射性，通过测量煤中天然放射性的强度(反映煤中矿物质含量)，从而确定煤的灰分。此方法自上世纪80年代开始就有人研究，如英国、澳大利亚等国的科研部门或公司，其优点是不用放射源，但由于煤灰的主要成分为Al、Si、Ca、Fe等元素的氧化物，而天然γ放射性元素含量与Al、Si、Ca、Fe等元素含量没有必然关联，这样其含量与形成灰分的矿物质含量无关，所以此方法存在局限性，受煤炭来源影响。并且，由于煤(特别是低灰分煤)中矿物质含量较少，其天然放射性含量就更少，很容易受周围环境本底影响。

③ 高能γ电子对效应法。高能γ射线与物质发生电子对效应的几率和物质原子序数的平方成正比。煤灰分越高，平均原子序数就越高。根据这个原理，通过测量电子对效应产生的511 keV的γ射线强度来确定煤的灰分。此方法主要是针对双能γ射线透射法测煤灰对铁含量变化敏感而设计，但它同样降低了对灰分中Si、Al等主要成分的测量灵敏度。

④ 双能γ射线透射法。原理是把煤看成是由两种不同原子序数的物质组成的二元混合物，即低Z元素(C、H、O、N)和高Z元素(Si、Al、Ca、Fe)，利用高、低两种能量的γ射线(通常是采用241Am和137Cs组合)透射煤层，通过测量其衰减，计算出低Z与高Z元素的比例，进而计算出煤灰分。这种方法可直接对输送带上的散煤进行在线测量，不需要分流、采样，破碎、制样等附加设备，没有垂直偏析现象，对煤的粒度要求较宽，性价比高，是目前应用最广泛的灰分测量技术。其主要缺点是：由于Ca、Fe对低能射线的质量吸收系数比Si、Al大，因此Ca、Fe与Si、Al的比例变化将引起较大的测量误差。通常情况下，同一矿井或同一开采层面，甚至同一地区产出的煤，其Ca、Fe含量变化有限，对测量结果的影响都在可接受的范围内，因此双能γ射线透射法得到了广泛应用。

1976年煤科总院唐山煤研分院推出我国第一台低能γ射线反散射灰分仪，并相继推出若干后续产品。之后国产灰分仪在煤炭行业取得了大规模应用[10-11]。2000年后中国煤炭行业得到迅猛发展，煤炭企业的技术装备水平飞跃式提升，对灰分仪的需求不断增加，目前我国已经成为使用灰分仪最多的国家，总拥有量上千台。1999年清华大学核研院研制了专门用于火电厂管道输煤的多道式灰分仪，测量速度与精度显著提高。2009年清华大学还研制了专门用于皮带输煤的灰分仪。2012年国内出现了基于阵列探测器的煤质煤量检测仪，既可以“全截面”测量煤的灰分，又可以非接触地、高精度地在线测量重量，不仅提高灰分测量精度，解决了混配煤的煤质不均匀问题，同时还实现了高精度核子秤的功能。

目前煤灰分仪的主要国内厂家有北京辰安测控科技有限公司等，国外厂家有澳大利亚Scantech公司和德国Berthold公司。由于国内产品的性能指标已达到甚至优于进口产品，并且国产设备还具有价格便宜和售后服务便捷及时等优势，使进口灰分仪处于弱势地位。

3 核测井

核测井是一种先进的地球物理探测手段，主要利用井孔内岩层本身的放射性或采用人为辐射与井孔物质相互作用的各种效应，来获取井下地层的物理性质。它能提供大量反映岩石不同物理特性的参数，深刻揭示岩石的本质，对测量地质条件有广泛的适应性，且具有不可替代性。核测井与非核测井技术——声学测井与电学测井，共同构成了地球物理三大支柱测井技术，在油田、煤田、金属资源与水资源的勘探与开发中发挥着不可替代的作用。

核测井[12-13]包括γ测井、中子测井、放射性核素示踪测井和核磁测井四大类。每类又细分若干种方法，有三十多种，能提供五十多种参数。γ测井包括自然γ和γ-γ测井(散射测井)，前者又分自然γ和自然γ能谱测井；后者又分地层密度和岩性密度测井。中子测井主要包括中子寿命测井、一般中子测井和中子诱生γ测井。中子寿命测井也称热中子衰减时间测井；一般中子测井包括热中子测井和超热中子测井，它们又分为单探测器中子测井和补偿中子测井；中子诱生γ能谱测井通常包括快中子非弹性散射γ能谱测井(即C/O比测井)、中子俘获γ能谱测井和中子活化γ能谱测井等。

20世纪30年代，自然γ测井技术开始得到开发应用；1941年以后，中子测井技术开始成为新的测井方法；1949年出现核磁测井的概念，1960年Brown和Gamson开发出实验用核磁测井仪器，1990年MUMAR公司研制出第一台核磁测井仪，1997年斯伦贝谢公司开发出CMR-200型测井仪器，利用核磁共振测算地层总孔隙度，核磁测井得到市场的普遍认可。目前，在国际测井市场上，三大测井公司(斯伦贝谢、哈里伯顿、阿特拉斯)占据了绝大部分的市场份额，其中斯伦贝谢公司综合实力最强。

中国核测井技术与仪器设备的发展经历了一个引进、吸收和自主创新的过程。20世纪80年代以来，随着国外成套测井仪器的引进，中国逐渐开发了自然γ测井仪、γ密度测井仪、中子孔隙度测井仪、γ能谱测井仪等，地层元素测井仪、核磁共振测井仪等也取得初步成果。中国石油集团测井有限公司(CPL)是国内较大的集研发、制造与服务为一体的专业化测井公司。我国核测井产品占据国内测井市场约30%的份额。据估算，中国核测井市场包括仪器设备和应用服务在内，每年有数十亿元的规模。

20世纪90年代以来，随着低孔、低渗等复杂油气藏的开发，以及计算机技术、通信技术和新材料的快速发展，核测井仪器趋向集成化、小型化，同时对耐高温高压性能的要求也不断提高。核测井技术从测量仪器逐步演化为集成化的测量系统，从早期的模拟信号发展到数字信号传输、采集和控制，从脉冲计数发展到能谱分析，从测井曲线发展到描述复杂地层的测井成像。

世界核测井技术的最新进展主要体现在以下几个方面：① 核磁成像测井，利用聚焦和谱分析方法，得到地层不同方位的测井信息，研究地层特性；② 随钻测井[14]，应用γ测井、补偿中子测井、脉冲中子和核磁共振方法，实现钻井过程中的实时测井，及时了解地层情况；③ 中子谱测井，利用中子非弹散射、活化、俘获、衰减等效应，测得相关γ能谱、时间谱，通过相关数据处理，获取岩性、油水饱和度、孔隙度等多种地质信息，提高地层评价准确性；④ 油井和油藏动态监测，利用(脉冲)中子测井实现套管内地层参数评价，利用氧活化测井实现井内流体动态测量，利用γ示踪剂实现吸水剖面测井和水力压裂效果评价。

中国核测井技术虽取得了长足的进步，但是与世界先进水平相比，差距主要体现在：目前广泛应用的核测井技术，大多由国外发明；核测井仪器的关键设备器件，很多也是从国外引进或是在国内组装；国内生产的一些测井仪器和电子器件，在质量和可靠性方面也有待提高；在基础方法研究和数据处理等软科学方面也存在差距。

4 射线无损检测

射线无损检测技术具有非接触、无损伤、无残留、高精度等优点，既可发现表层缺陷，又可探测内部缺陷，既可用于金属检查，也可用于非金属检查，是五大常规无损检测技术之一，广泛应用在特种设备、航空航天、船舶、兵器、铁路、汽车等行业[15]。

射线无损检测技术已有100多年的历史。20世纪70年代以前，胶片射线照相技术占据主导地位。随着材料科学、电子技术和计算机技术的发展，计算机射线照相(CR)、数字辐射成像(DR)、计算机断层成像(CT)、康普顿成像等新技术不断出现，并获得了快速的发展，推动射线无损检测技术进入新时代。

4.1 计算机射线照相

20世纪80年代初，日本的富士胶片公司率先推出CR检测系统。90年代中后期，日本柯尼卡、美国柯达、比利时Agfa等公司陆续推出各自的CR系统；荷兰Philips、德国Siemens、美国GE等各大影像设备厂家也贴牌推销OEM来的各种CR系统。欧洲在2005年颁布了世界上首项CR工业检测标准——EN 14784；美国也在2005年颁布了ASTM E2445和ASTM E2446两项标准，为CR技术的工业应用提供规范指导文件，保证CR检测的成像质量。欧美国家正在积极将CR技术应用于承压设备焊接接头检测、管道(包括海底管道)焊缝检测、铸件检测以及在用压力管道的腐蚀和剩余壁厚检测等。

CR技术采用成像板(image plate, IP)代替胶片，无需暗室操作，但需专用读出设备。IP成像板厚度小，可弯曲、裁剪、包裹在检测物上，与胶片照相法几乎具有相同的检测工艺，同时具有图像分辨率与胶片相当，但探测效率更高、动态范围更大、读出速度快、可重复使用、数字化图像易于保存和共享等优点，CR技术被视为最可能替代胶片照相的新技术。

国内还不能生产工业CR扫描设备及IP板，均需从国外进口，从而限制了CR技术在国内工业检测中的应用与推广。在标准制定方面，我国依据美国ASTM E2445和ASTM E2446标准，分别制定了GB/T 21386-2008《无损检测-计算机射线照相系统的长期稳定性与鉴定方法》和GB/T 21355-2008《无损检测-计算机射线照相系统的分类》[16]，促进了CR技术在我国的应用。国内CR技术主要应用在锅炉、压力管道等焊缝检测方面[17]。主要研究和应用单位有中国特种设备检测研究院、上海苏州美柯达探伤器材有限公司、江苏太湖锅炉股份有限公司和廊坊北检无损检测公司等。

4.2 数字辐射成像

DR技术采用核辐射探测器将射线强度转换为电信号，经A/D转换和数据采集，可实时获得数字图像，不需要成像板及专用读出系统，探测效率高、动态范围可达104以上。

DR技术是在20世纪90年代发展起来，最初采用CCD作为信号转换单元，随着平板探测器(flat panel detector，FPD)的出现和逐渐成熟，CCD已逐渐被淘汰。平板探测器分为两种：间接能量转换型和直接能量转换型。间接转换型平板探测器由碘化铯闪烁晶体或硫氧化钆荧光体涂层、非晶硅层与薄膜晶体管(thin film transistor, TFT)阵列构成，工作过程一般分为三步，首先闪烁晶体或涂层将X线的能量转换成可见光，随后非晶硅层把可见光转化为电信号，最后由TFT阵列读出。直接转换型平板探测器主要由非晶硒层(amorphous selenium, a-Se)和TFT阵列构成，入射的X射线直接在非晶硒层产生电子-空穴对，在外加偏压电场作用下，被收集在像素电极上(收集的电荷量与该处的X射线强度相关)，再由TFT阵列读出。这种方式没有从X射线到可见光(荧光)的中间过程，减少了信息损失，成像性能更好。

DR技术相比传统的胶片成像技术，具有更高的量子探测效率和更短的成像时间，清洁环保，存储成本低，可快速进行数据档案搜索、调取和远程传输等，但图像分辨率低于胶片或CR，并且平板探测器不能像胶片或IP成像板一样弯曲，导致在一些场合无法使用或检测工效不如胶片和CR技术，限制了它的应用。目前DR技术在医疗领域的应用更加普及。

以CR和DR为代表的射线数字成像检测技术近年来得到了较快的发展，根据美国Varian公司2015年度报告，在医用X射线透照成像领域，数字成像已经完全替代胶片成像；在工业常规X射线检测领域，低压容器生产检测的85%采用数字成像，高压容器生产检测的35%采用数字成像，10%的现场检测采用数字化成像。我国也制定了相应标准，如GB 17925-1999、GB/T 19293-2003、GJB5364-2005等，指导和规范数字辐射成像检测技术的推广应用。DR技术为产品数字化制造提供了条件，也带动了缺陷自动识别技术的发展。目前，DR技术正向材料成分区分、多能成像检测和大范围厚度变化的复杂构件成像检测的方向发展。

4.3 工业CT

CT技术是20世纪70年代发展起来的一项先进的射线无损检测技术，被公认为20世纪影响人类发展的十大技术之一，广泛应用于医学诊断和工业生产等领域。

工业CT技术可在非侵入、无损伤状态下获得物体的二维断层图像和三维立体图像，能探查物体内部的结构组成、装配情况、材质状况、有无缺陷以及缺陷的性质和大小等，配合三维图像显示技术，可直观观测物体内部信息，并实现精准三维定位。CT技术不受工件材料、形状结构等因素影响，具有很高的空间分辨率和密度分辨率，从而可检测出非常小的缺陷和极其细微的密度变化，是国际上无损检测界公认的最佳无损检测手段。除此之外，CT技术还可用于逆向工程(物体内部结构与尺寸度量)、海关货物查验(违禁品识别)、安全检查(爆炸物等危险品探测)以及科学研究(微纳结构分析)等领域。

CT技术在工业领域的应用始于20世纪70年代末[18]，美国SMS公司和IDM先后推出两个系列工业CT产品(CITA200系列和IRISTM系列)进入美国无损检测市场。1988年，美国ARACOR公司研制出2 MeV的ICT1500型高能X射线工业CT，并于1990年升级为9 MeV，可对1.5 m直径的固体火箭发动机进行CT扫描成像。之后，德国、加拿大、日本、苏联等均推出了各自的工业CT产品。本世纪以来，新型CT技术，如超大型超高能加速器工业CT、超高分辨率微焦CT、能谱CT、相衬CT等不断发展和完善，使得CT成像方式进一步多样化，适用范围更广，工业CT日益成为不可替代的无损检测和质量检验手段。

我国的工业CT技术研究起步较晚。1988年，清华大学采用137Cs源建成一台单探测器的CT台架，获得了玛瑙中水胆的断层图像，是国内研制较早的工业CT装置。1990年，清华大学和北京航空621所合作，研究了检测陶瓷零件的微焦点CT系统。1993年以后，重庆大学、中科院高能所和东北大学等先后推出了γ射线工业CT产品，采用60Co和137Cs射线源。“九五”期间，华北工学院开展了高能X射线CT及DR的研制。重庆大学、中国计量院等单位也相继开展普通X射线源CT研制工作，并有产品交付用户使用。2000年以来，国内多家单位开展了工业CT系统的研制工作，其中清华大学、北京固鸿科技、重庆大学和中国工程物理研究院研制的高能及大型工业CT系统引人注目，相继通过技术验收或鉴定，达到了国际先进水平。这些工业CT有基于平板探测器的三维锥束CT系统，也有基于线阵探测器的二维扇束CT系统，能量最高可达15 MeV，能检测直径2 m、高6 m、重达数十吨的物体。大型及高能工业CT系统的研制成功，标志着我国在尖端检测技术领域摆脱了受制于国外的局面，在我国无损检测发展史上具有重要的意义。目前我国已能完全自主研发生产2～15 MeV的高能工业DR/CT系统。

除高能X射线工业CT外，中低能X射线工业CT、微焦点工业CT和γ射线工业CT也获得了快速发展和应用。中低能X射线CT以160～450 kV的X光机作为射线源，靶点0.4～1.0 mm，功率750～1 500 W，一般采用平板探测器，以锥束扫描为主。因所用X射线的能量低，穿透能力较弱，适合检测小型工件，但能获得更高的图像分辨率，尤其对低密度物质具有很高的图像反差灵敏度。微焦点CT通常采用20～240 kV的X光机作为射线源，靶点0.8～15 μm，采用平板探测器，像素尺寸50～400 μm，利用几何放大或X射线显微技术，可获得微纳米量级的分辨率，实现精细结构分析。国产微焦点CT的空间分辨力可达250～500 nm，检测工件直径1～5 mm。

γ射线工业CT以放射性同位素(如60Co、137Cs，192Ir等)作为射线源，探测器采用平板型或线阵型。相比X射线，γ射线CT具有一些独特的优点，如不存在射束硬化现象，不需要进行复杂的硬化校正；射线能量较高，能检测较大的工件；不需要复杂的供电及辅助设备，非常适合工件固定而需要检测设备旋转的应用场合等。目前，研究和生产γ射线工业CT的单位主要有清华大学核研院，分别于2003年、2011年和2015年研制成功大型客体CT检测系统、高精度广谱DR/CT和多层螺旋CT，以100 Ci的60Co、450 kV的X光机或二者组合作为射线源，缺陷分辨能力可达40 μm，密度分辨率优于0.5%，既可检查航空集装箱、轿车等大型客体，也可以检测直径几十公分的零部件，还可用于高温气冷球床堆的堆芯燃料球运动规律研究[19]等。

目前CT技术研究热点和发展趋势主要有：① 能谱CT，可同时获取不同能段的X射线CT图像，进而获得物体电子密度、原子序数的分布信息，可进行物性判别或材质识别；② 不完备投影的图像重建技术，在一些无法获得足够投影数据的情况下，采用特殊手段弥补信息缺失的不足，提高重建图像质量；③ 基于面阵探测器的锥束CT，提高了射线利用率及检测速度；④ 相位衬度CT，根据X射线衍射和干涉原理，利用“分振幅”技术进行干涉成像，检测射线通过工件后的相位变化，对于弱吸收物质可显著提高检测灵敏度；⑤ 微纳CT技术，图像分辨率可达到μm甚至nm级，满足微纳结构分析的需求。

4.4 中子成像

1932年英国物理学家Chadwike发现中子，随后中子照相研究就开展起来。最早的研究工作是1935年德国首次利用加速器中子源进行中子照相，后来由于世界大战的爆发，研究工作受到了影响，直到1947年才公布当时的研究成果。核反应堆的出现为中子照相提供了高质量的中子源，是中子照相技术迅速发展的一个关键因素。1956年在英国的Harwell反应堆上第一次获得了高质量的中子照相图像。60年代初期，由于对放射性材料结构检测的迫切需求，众多学者投入到中子照相研究工作中，比如，1963年Berger和Beck使用中子照相检测具有高放射性的反应堆核燃料，解决了带放射性材料无法检测的难题；1966年Rhoten和Carey用中子照相检测小型爆炸装置，确保其金属和非金属部分正确组装；1976年Edenborough使用中子照相检测航空发动机涡轮叶片残余型芯，解决了叶片残芯难以检测的难题。之后，中子照相技术的应用领域逐渐扩大，不但在工业上得到了广泛应用，在航空航天、生物学、医学、考古、建筑等领域也有一定的应用。

与X射线在物质中的衰减近似与物质原子序数成正比不同，中子的衰减与物质原子序数的关系比较复杂，对一些轻元素(如氢、氦等)和某些特定元素衰减系数比较大，而对铅、铁等重物质衰减系数反而很小，另外中子不带电，穿透能力强，因此中子照相与X射线检测具有很强的互补性。由于中子的这些特殊性质，中子照相技术在检测高质量厚度工件、带放射性工件、氢含量较高的物质及某些特殊工件方面得到了大量应用。此外，中子照相技术还可以甄别原子序数相近的元素或同位素，具有其他无损检测方法所不具备的独特优势。

中子照相技术的内涵也逐渐扩大。早期研究的是基于反应堆的热中子照相，应用也最广泛，因热中子反应截面大，且反应堆可提供优质的热中子束。目前快中子照相和冷中子照相也在发展之中。欧洲成立了中子照相合作组织COST524，实现了组织内部信息与装置的共享，1998年组建了中子CT与计算工作组，推动了中子照相技术发展；美国Los Alamos国家实验室利用中子CT装置进行了库存武器可靠性研究；美国航空航天局(NASA)、许多研究机构和大学都建有中子CT装置，将其用于火工品、重金属组件、复合材料等的无损检测与质量控制；全日本共有12个中子照相中心，其中大多拥有先进的中子CT装置，京都大学、名古屋大学和日本原子能研究所是日本主要的中子照相研究中心。中子成像如今已淘汰胶片成像，取而代之的是先进的CCD相机、NIP (neutron imaging plate)等数字成像系统，从静态中子照相已发展到动态实时中子照相、三维中子CT和中子全息成像，从传统的中子透射成像发展到利用中子波动性的中子相衬成像。

我国的中子照相技术研究工作始于20世纪60年代初[20]，由于起步较晚，目前技术相对落后，但很多科研人员通过长期的努力也取得了不少成果。国内首批建成并投入使用的中子照相系统是基于清华大学901反应堆(目前已退役)，曾用于土壤中植物根系的生长研究和航天导爆索检测。目前可用的有中国工程物理研究院的SPRR-300反应堆、中国原子能科学研究院的CARR反应堆和北京大学4.5 MV静电加速器中子照相系统等。2012年由中国工程物理研究院核物理与化学研究所牵头，承担科技部重大仪器专项“基于小型加速器中子源的可移动式中子成像检测仪”，目前已研制成功，并在航空发动机叶片及航天火工品等质量检测方面得到了应用[21]。从事中子加速器研制工作的还有兰州大学和清华大学等。

尽管反应堆中子源得到的检测图像质量优异，但其体积庞大、造价高昂以及专业性强，不适合现场检测和用户自主检测，严重地限制了中子照相技术的进一步推广。目前中子加速器的技术得到较大发展，在一定程度上实现了小型化，其外形尺寸可达到长2 m，宽0.5 m，高1.7 m以内，中子产额可以达到1011量级，是中子照相的一种较为理想的选择。随着中子物理和各项技术的发展, 小型密封中子管的性能也逐步完善，中子产额有所提高，靶的耐受温度可达150 ℃，使用寿命进一步延长，使得其应用更加广泛。由于中子管自身独有的优点，几十年来全世界范围内都在进行中子管的研究开发工作。美、俄、德、法、澳等国均有自己的系列产品推出，我国的东北师范大学、西安石油勘探总厂、中国原子能科学研究院等也在开展这方面的工作。最近几年的研究焦点是解决中子管的产额和寿命问题。

5 辐照加工

辐射加工是指利用放射性同位素产生的γ射线或加速器产生的X射线/β射线(电子束)辐照物体，使其品质或性能得以改善的过程。辐射加工技术的主要应用领域是辐射消毒、辐射改性、环保处理和半导体器件处理[22]。

辐射消毒的处理对象主要是医疗器械、食品与农副产品、进出口商品等。消毒灭菌装置主要是钴源辐照装置和大功率高、中、低能加速器，而高能大功率加速器有逐步取代钴源辐照装置的趋势。与传统消毒方法相比，辐射消毒具有许多优点：① 非接触，对包装没有要求；② 辐照后可立即使用，不需要冷却或静置；③ 无残留，不产生二次污染；④ 灭菌速度快，效果好，可连续作业，有利于工业化生产；⑤ 在常温下进行，尤其适合热敏材料和食品，能保持食品原有风味；对鲜活食品，辐照可促进早熟，抑制发芽，减少农产品腐烂损失。

辐射改性是利用高分子化合物在射线照射下会发生辐射化学反应，使化合物的化学键发生交联或断裂，进而改善化合物的性能。主要辐射化学反应有辐射交联、辐射固化、辐射接枝和辐射裂解。辐射改性一般使用60Co辐照装置和电子束加速器，典型应用是对电线电缆、热缩材料等高分子聚合物进行辐照。经辐照交联后，电线电缆的耐温性、耐老化性和化学稳定性显著提高，耐磨性、抗张强度、抗压性、抗撕裂、抗剪切等机械与力学性能大为改善，电学性能也有提高，可作为高压输电、航空航天、海上石油开采、核电等使用的特殊电缆。聚乙烯、聚氯乙烯和橡胶经过辐照后，阻热性、耐化学腐蚀性和力学强度等都得到明显改善。经交联处理的高分子绝缘材料广泛应用于汽车工业、航空航天、通讯和家电行业。

在污染处理方面，辐射技术为难以处理的污染物提供了新的净化途径。用放射性同位素(如60Co和137Cs)或电子束加速器对废水、污泥进行处理，可杀死细菌和病原体，加速有机物的降解，将污水中可溶性的重金属化合物还原成不溶于水的化合物，从而将其沉淀分离。将辐射技术与其他废水处理技术联用，具有协同效应，能提高处理效果。辐射技术还可通过辐射交联、辐射裂解等反应，对固体废弃物中的天然高分子物质(如甲壳素、纤维素等)及合成高分子物质(如塑料、橡胶等)进行处理，改变其物理化学性质，从中提取有用物质，实现资源的循环利用。在大气污染处理方面，电子束烟气脱硫脱硝技术经过三十多年的发展已经达到工业化应用水平，其脱硫、脱硝率分别达90%、80%以上，且不产生废水废渣，无二次污染，副产品为硫铵和硝铵混合物，可作为化肥。该方法对于不同烟气量和SO2含量具有较好的适应性和负荷跟踪性，在消除污染的同时，还实现了硫氮资源的综合利用。

离子束注入技术能显著提高半导体器件的性能。例如，将氧离子注入到半导体硅片上，在很薄的单晶硅层下形成绝缘的SiO2层，这种材料称为SOI(silicon on insulator)，具有功耗小、响应快、体积小等优点，在军用和民用上都有很好的前景。电子束和离子束刻蚀是超大规模集成电路制造的重要手段，能够达到10 nm的分辨率。

近30年来，在改革开放的大环境影响下，我国辐射加工产业发展迅速，产业化进程较快，已形成一定的能力，产业规模有了较快增长，年均增速超过15%，成为世界公认的发展最快国家。到2010年底，我国辐射加工产业的规模已达到350亿元；有电子加速器辐照装置160台(套)，总功率9 000 kW；有γ辐照装置150座，总装源量达4 500万居里[22-23]。

6 建议与展望

射线技术在我国工业领域中的应用已经历半个多世纪的发展，学术研究与技术开发已基本跟上国际先进水平，在某些领域甚至处于世界引领地位，这有赖于国家的大力支持、广大科技工作者及企事业单位的努力奋斗。

以大型客体辐射成像为例，我国取得目前的国际领先地位，国家需要与大力支持是首要因素。从“八五”开始，国家一直在科研领域提供有力的支持，发展之初在推广应用上更是给予了强力扶持，培育出同方威视和华力兴等产业单位，并逐步成长为国际领先的设备与技术提供商。在整个产业化过程中，同方威视、华力兴等产业单位和清华大学等科研单位也把握住了时代的机遇，产学研结合，锐意创新，掌握了从射线源到探测器到算法的核心技术，保证了产业安全以及技术与成本优势，将机遇转换成市场占有率，目前占据国际市场70%以上份额，每年创造数十亿元的产值。

在国家的支持和科技工作者的努力下，一些基础的产业上游核心部件也有较大进展，比如工业CT用平板探测器，虽然几乎被美国PerkinElmer、Varian、法国Thales等公司垄断，但国内企业如上海奕瑞影像科技有限公司和江苏康众数字医疗设备有限公司均已推出了医用平板探测器产品，价格仅为国外的1/4～1/3，工业用产品已处于试用和推广阶段。还有国内大部分闪烁体探测器市场基本被日本滨松公司和芬兰DEETEE公司垄断，但国内一些单位如上海硅酸盐研究所等也已经可以生产多种闪烁体晶体，并占据一定市场份额。

近几十年来我国射线技术的应用取得巨大的进展，创造了巨大的社会与经济效益，但目前依然面临很大的挑战，主要表现在以下几个方面。

① 射线技术的民众接受度有待提高，核仪器特别是同位素设备应用的法律程序比较繁琐，这些因素阻碍了核仪器设备的推广应用。除非必不得已，一般不会首选核仪器设备，导致很多场合核技术被取代。从业人员素质良莠不齐，比如南京放射源丢失案，就是典型的人为责任事故，造成恶劣的社会影响。提高国民认知与从业人员素质是发展的基础。

② 一些高端核仪器仪表，在设备研制方面，技术已不是制约瓶颈，主要在推广应用方面。比如高端厚度测量设备(如高精度测厚仪、板型仪等)，一方面由于国外公司起步早，其产品早已占据市场；另一方面，进口的生产设备如轧机、涂布机等，其国外厂家一般会优先推荐国外成熟的测厚设备作为配套，这也增加了国产高端设备的推广难度。此外，国有大型企业采购人员不愿为了价格便宜而去承担采购国产设备所带来的风险，而民营企业虽对价格敏感度高，但采购高端设备的动力不足。在此方面，急需国家的政策扶持。

③ 产业链尚不完整，基础不牢。一些核心部件不能自主生产，在很多领域仍受制于人。在核技术产业中，我国处于整个产业链的中下游，如探测器制造所需要的闪烁晶体、半导体材料(高纯锗)、PD和SiPM，还有平板探测器、关键电子芯片等主要依赖进口；工业CT用高性能X射线机几乎完全依赖进口，由美国Varian、GE、瑞士Comet等少数几家公司垄断。在一些缺乏短期经济性的基础领域，需要国家给与一定力度的支持，建立起稳定的零部件研发与供应体系，保障整个核技术产业安全。

在技术方面，射线技术将呈现如下发展趋势：① 向自动化、专业化和智能化方向发展，大数据技术、AI人工智能将深度融合进来；② 测量精度和响应速度不断提升；③ 核与非核多种技术集成，具备多参数测量能力；④ 新型核测量技术与设备不断涌现；⑤ 中子技术因其独特优势将得到进一步发展。

总之，射线技术的应用已深入到工业生产的各个领域，是经济社会发展不可或缺的组成部分。随着国民经济的发展，各行各业将对射线技术提出更多、更高的要求，同时也会为其发展注入新的活力和动力、提供更雄厚的基础与资金支持，射线技术具有广阔的发展前景，在工业生产和社会生活方面的应用也将更上一个新的台阶。