γ射线智能密度计电路设计

　　γ射线穿透物质时,其强度的衰减是由于γ射线与物质的3种相互作用(光电效应、康普顿效应和电子对效应)所造成的,对于窄束平行的γ射线(γ射线智能密度计的出射射线,经过放射源室和探测器两端的机械准直器,准直为窄束平行的射线)它遵从如下的指数衰减规律[1]

　　式(1)中I、I0分别为穿透物质前后γ射线的强度;μ为总的质量吸收系数,它是上述3种作用引起的质量吸收系数的总和;ρ为被测物质的密度[1].

　　μ=τ+σ+χ, (2)

　　式(2)中τ、σ、χ为光电子效应、康普顿效应和电子对效应引起的质量吸收系数,大小与γ射线的能量E有关.对于中等原子系数的材料,当0.3 MeV

　　本系统测量γ射线的强度,采用光电倍增管来进行测量,而光电倍增管输出脉冲的计数率和γ射线的强度成比例.用符号SG表示被测物体密度、Cr表示计数率,那么(3)式可以表示为(4)式.

　　设STD为标准物质密度,S1为γ射线穿透标准物料后,光电倍增管接收后输出的计数率.那么可得到(5)式.

　　由(4)、(5)可以得到(6)式,(6)就可以方便的解决了仪表的零点迁移和量程迁移的校正问题.只需在管道内注入标准液体,同时测量其计数率S1,就可完成零点迁移的调校.同样通过修改μ或d,就可完成量程迁移的调校.

　　式(6)中SG为被测物质的密度,STD为标准物质密度,μ为总的质量吸收系数,d为被测物质的厚度,Cr为γ射线穿透被测物质后,光电倍增管接收输出的计数率,S1为γ射线穿透被测标准物质后,光电倍增管接收输出的计数率.

　　1　系统方案

　　系统采用光电倍增管进行光子计数来测量物质密度.放射源发出的不可见光,穿透物质后,被光电倍增管接收,光电倍增管将其转换为脉冲电信号.脉冲信号经过射极跟随器、脉冲高度甄别器和单片机处理,送人机接口的液晶面显示出物质密度.同时有两种接口可以完成远程传输和控制.γ射线智能密度计示意图,如图1所示[2].

　　1.1　硬件设计

　　1.1.1　射极跟随器和脉冲高度甄别器电路　射极跟随器和脉冲高度甄别器电路,如图2所示.采用2N222高速开关管组成射极跟随器,使得光电倍增管输出的mV信号增益到V信号.通过隔离电容接到LM311构成的脉冲高度甄别器,去除光电倍增管暗电流形成的脉冲.整个全端电路处理的信号都是数字信号,具有较强的抗干扰性,能保证仪器在工业现场的强干扰环境中进行精确测量.

　　1.1.2　C8051F005单片机　采用Silicon Labora-tories公司的C8051F005混合信号单片机.信号经过脉冲高度甄别器电路、光电隔离电路,利用芯片的16位计数器T0进行计数.T0有4种工作方式,这里选取方式1∶16位计数器/定时器.计数器到0FFFFH后又从0开始计数,计数的同时计时器1开始计时,用计数和计时相除可得到计数率.再用公式(6)可以算出测量的物质密度[3].