γ射线工业物位计在线标定方法

　　0　引言

　　γ射线是一种电磁核辐射,它从原子核内放射出来。处于受激发状态的原子核常在极短时期内(10^-14 s)将自己多余的能量以电磁辐射形式放射出来,使自己回到基态。因此,它是原子核从激发态到基态时的光子。γ射线的波长较短,约为10^-11~10^-8 cm[1]。

　　γ射线核辐射有比较强的穿透能力,在气体中的射程为数百米,能穿过几十厘米厚的固体介质,具有放射源的衰变不受温度和压力等条件影响的特点。它特别适用于需要辐射穿透强的物位测量、测厚、金属探伤和密度测量等场合,尤其在高温、高压和密封容器的物位非接触等方面发挥了无可替代的作用。

　　1　γ射线物位计的结构

　　γ射线物位计是利用射线吸收原理。利用放射性同位素Co⁶⁰或Cs¹³⁷衰变时产生的γ射线穿透测量物质。γ射线与介质作用主要是光电效应、康普顿效应和电子对效应三种。γ射线穿透物质的同时产生能量的衰变,γ光子不断被吸收,强度也是按指数下降,而衰变的程度被安装在正对放射源,在被测物另一侧的核辐射接收器检测,转化为对应的电脉冲信号进行测量。穿透介质的辐射强度遵循式(1)所示的关系式[2]:

　　式中:I1、I2分别为衰变前后的辐射强度;μ为质量吸收系数(钴Co⁶⁰时μ=0. 004 4、铯Cs¹³⁷时μ=0.006 8);ρ为被穿透介质密度;d为被穿透介质厚度。

　　μ=τ+δ+κ(2)

　　式中:τ为光电吸收系数;δ为康普顿吸收系数;κ为电子对生成吸收系数。

　　2　γ射线物位计的测量原理

　　核辐射物位计主要由放射源、接收器、测量和补偿放大回路构成,γ射线物位计的原理如图1所示[3]。

　　2.1　放射源

　　考虑到Co⁶⁰放射源与接收器之间距离的非线性和被测物质对γ射线吸收的非线性,为了使接收器端的辐射强度与实际物位变化呈线性关系,达到简化电路的转换设计的目的。一般将Co⁶⁰按照非线性分布缠绕在不锈钢载体上,外加不锈钢管封装和无源延长钢管构成。棒状辐射源的长度根据工艺生产的情况而定。最后,放射源被装在坚实的屏蔽铅容器中,屏蔽铅容器上有一个可锁定的射线射出狭缝,射线穿过狭缝射向探头。屏蔽铅罐是根据源强设计的,保证操作人员丝毫不会受到超过法定的辐射照射。

　　2.2　接收器

　　接收器一般选闪烁计数器,如图1所示为闪烁晶体光电倍增管、脉冲电路、高压电路部分,由闪烁晶体、光电倍增管、电子电路(脉冲、高压电路)和冷却隔套层组成。测量γ射线使用NaI(Ti)晶体[5],具有对入射粒子的阻止能力强、发光效率高的特点。Co⁶⁰放射源的γ射线能量为1. 33MeV,探测效率达到20% ~30%。当辐射γ射线穿透测量物质进入闪烁晶体,使晶体中的原子激发产生荧光收集到光电倍增管的光阴极上,要使闪烁体发出的荧光尽可能地收集至光阴极,除了要求闪烁体本身对发射光谱是透明的和光学性质均匀外,还要求各个方向的光子通过有效的漫反射,把光子集中到光阴极上,NaI晶体除一面与光阴极接触外,周围全部用氧化镁粉敷上一层,以减少晶体和光阴极之间的全反射,常用折射率较大的透明介质(如高粘度硅油)作为晶体与光电倍增管的接触媒质,为了更有效地将光导入光阴极。当晶体与光阴极的接触面尺寸不匹配时,常在闪烁晶体和光阴极之间引入一定形状的光导材料(如有机玻璃)。倍增的电子束在阳极上产生不规则的微弱电压脉冲,最后经整形、前置放大的电信号远传送入测量和补偿放大回路。