核技术应用-西科大第四章 同位素仪器仪表

第四章　　同位素仪器仪表 凡带有放射性核素源或核辐射探测器的检测仪表统称为放射性核素仪表（也称核仪器仪表或同位素仪器仪表）。同位素仪器仪表一般由放射源、核辐射探测器、电转换器、二次仪表等几部分构成。 同位素仪器仪表的最大特点是能进行非接触式无损检测，特别适用于其它仪表难于或不能使用的高温、高压、易爆、有毒等具有腐蚀性的对象和环境的测量控制，因此在特定条件下就成了某些系统中的关键设备，是国民经济建设许多领域中不可缺少的新型检测手段。国际上一些发达国家已在工业等领域中使用了近百万台（套）同位素仪表。在我国，同位素仪表的应用主要集中在冶金、矿山、能源开发、石油化工、造纸等诸多行业。随着上述行业生产技术的发展以及环保的严格要求，作为“世界工厂”的中国制造业将面临严酷的挑战，而同位素仪器仪表的使用是解决这些问题的有效方法。由于传统产业的技术改造、产品升级换代和企业创新的需要，同位素仪表已受到各个行业的重视，因此同位素仪器仪表在我国具有相当大的潜在市场量和发展前景。 自20世纪50年代第一次国际原子能利用会议上推出“老三计”——γ射线密度计、厚度计和料位计后迅速增添了中子水份计和核子秤。五种强度型同位素仪表（密度计、厚度计、料位计、水份计和核子秤）在工业、农业和水利 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 中得到了广泛的应用。随后发展的还有图像型的工业CT和辐射成像仪表，以及能谱型的核分析仪器，如X射线荧光分析仪和活化分析仪器仪表，主要用于核测井和材料的活化分析等。以活化分析为例，自50年代以来活化分析就被用来解决原子能工业和超纯材料中的分析问题；进入70年代，活化分析更是大规模的应用于军事、环境学、生物学、医学、考古学等领域。 近年来，这类仪器仪表作为一种获取信息的先进手段与能进行高效处理信息的电子计算机相结合，大大提高了其性能水平，为促进世界传统产业的技术改造和技术进步，实现工业过程的现场实时控制与生产自动化做出了可贵贡献，取得了显著的社会、经济和环境效益，在同位素仪器仪表行业中占有重要地位。 本章主要介绍同位素仪器仪表的发展、基本组成、大致分类、几种主要同位素仪器仪表及其应用等。 第一节　　同位素仪器仪表概况 一、同位素仪器仪表的特点和应用 同位素仪表是利用核辐射与物质的相互作用及产生的吸收、散射或电离、激发等效应，获取有关物质的宏观、微观信息。同位素仪表具有以下特点： · 不直接接触被检测对象，是一种非破坏性的检测工具； · 可在各种苛刻条件如高温、高压、高粘度、高腐蚀性和高毒性等情况下对非密闭和密闭容器内的物料进行非电参数的控制； · 检测灵敏度高、性能稳定可靠、响应速度快、使用寿命长； · 可连续输出电信号，实现生产过程闭环自动控制； · 体积小、重量轻，便于携带和安装； · 射线在物质中的穿透深度视射线种类不同而有所区别，一般可在1mm~1m之间。 由于同位素仪表具有上述特点，所以拥有广泛的应用对象和环境，其具体应用情况见表4-1。 表4-1　同位素仪器仪表应用情况一览表 应用领域 应用情况 农业和林业 （1）测量植物叶子的面密度，用来研究植物的生长及植物中水分的变化；（2）测量饲料的密集度；（3）测量树杆、木材及植物制品的密度；（4）测量泥柱的渗水性；（5）测量干馏过程中木材的密度变化；（6）测量木材、谷物及活树的含水量；（7）测量土壤的密度和湿度，用来研究水土保持问题；（8）测量土壤和肥料的成份；（9）测量土壤的湿度分布，用来研究灌溉的作用，研究森林、草地、庄稼对土壤水分的蒸发、渗透作用，研究天然水的补充规律。 煤炭 在勘探方面：（1）测量煤层位置、厚度、灰分以及夹石和顶底板特性；（2）测定煤心中灰分及其它伴生元素的含量。 在开采方面：利用γ散射式密度计能分辩出煤炭和岩石，使采煤机自动绕开围岩。 在选洗方面：（1）自动拣矸；（2）在重介质选煤中、测定重介质的浓度；（3）测定浮选入料矿浆的浓度。 在矿井运输和提升方面：（1）控制矿车、煤仓、煤斗、皮带运输机的装载量；（2）利于γ投射式继电器实现通过矿车自动计数，自动扳道岔，使提升罐笼准确而自动地停靠。 在矿井安全方面：利用电离式气体分析仪测定瓦斯压力，测定井下空气含尘量及火警报警。 冶金 （1）测量热轧、冷轧板的厚度；（2）测量各种涂层和镀层的厚度；（3）测量各种拉丝的直径；（4）测量异形材料的各部分厚度；（5）测量各种管子的壁厚，测量壁炉、管壁的损耗；（6）测量各种坯料的密度，测量各种粉末、矿浆及烧结料的密度；（7）测量各种液体、固体、固液混合物、粉末材料的料位，测定灰尘捕集器中灰尘高度；测定各种矿车的载重量，控制冲天炉及粉末机料槽的料位；（8）炼焦炉出焦时三车自动定位；（9）测量烧结料或焦炭的水分；（10）用活化分析法测定钢中的含氧量、矿物中氧、硅、铁等的含量，利用X荧光分析仪测定各种矿石的成份，分析炉渣的含铁量及碱度。 石油、化工、造纸、橡胶 （1）在石油勘探方面，利用中子仪表确定岩性、空隙度，确定气层、油层、水层及其分界面；（2）测量塑料、橡胶、纸张的厚度及各种涂层的厚度；（3）测量各种塑料管、橡胶管的壁厚；（4）测量轮胎中纤维密度；（5）测量轮胎的磨损；（6）测量纸浆、橡浆、乳化剂、各种酸、碱、盐溶液的密度或温度，确定石油管道中两种产品的分界面；（7）测量贮槽、槽中的各种溶液、粉末的料位，控制各种半成品及产品的装载量；（8）测定各种浆液及产品的成份及湿度，如原油和石油产品中的硫、铅、氮、氧等的含量，石油产品中的碳氢比和硼化物中硼的含量，氯化物中的氯含量，肥料中的钾含量及纸浆、橡浆的成份；（9）测定各种浆液及粉末的流量。 玻璃、水泥及其它非金属矿物加工业 （1）测量各种砂纸、砂布、玻璃板、石棉板、水泥板、耐火砖的厚度；（2）测量各种砂石、水泥、黄土以及浆液的密度；（3）测量熔融玻璃的料位，测量料仓、料斗中的砂、粘土、水泥的料位；（4）分析水泥及混凝土中的钙、镁含量，玻璃中的硼、钾、铅、硅的含量。 食品 （1）测量面包、点心、香烟等的厚度、密度和水分；（2）测量用鱼、肉、蛋、牛奶等制成的糊状食品的密度；测量以上糊状食品、固态食品及酒、油、醋的料位及装载量；（4）测量以上固态食品的含水量，测量瘦肉含量，分析各种食品中的组成元素及其含量。 轻纺 （1）测量并控制毛毯、绒毯、油布、人造革、纱布等的厚度；（2）测量并控制棉纱及其它纤维的线密度和湿度；（3）测量各种反应锅、煮锅中的溶液液位。 土木、水文 （1）测量路面、地基的密度和湿度；（2）测量河水的含砂量；（3）测量水库、海港中淤泥密度；（4）测量海底沉积物的密度和成份；（5）测量吸泥船泥管中的泥浆密度；（6）测量海水中的悬浮质浓度；（7）检查坝基的灌溉效果；（8）测量河堤堤身渗水性；（9）测量混凝土的水分。 航空、航天 （1）测量飞船、飞机中燃油或燃料的贮量；（2）测量大气的密度、压强，并制成密度高度计、压力高度计、空速计、马赫表；（3）测量飞船蒙皮的磨损；（4）测量冰点并制成冰点报警器；（5）测量飞行器起飞或降落时的高度、速度及俯仰角；（6）直升飞机的编队飞行控制；（7）火箭的回收；（8）导弹对于靶机的不命中距离指示。 二、国外同位素仪表的发展历史 1951年美国率先将放射性核素厚度计用于橡胶生产。在此之后，西方国家用了大约15年的时间，使得同位素仪表的使用在60年代末到70年代初就已超过60万台（套），产值占国民经济总产值的万分之四到万分之五，产值利润比超过2，投资效益比达到1:9。其发展大致经历了以下三个阶段： （一）起始阶段（20世纪40年代末～20世纪60年代初） 这一阶段是工业同位素仪表的开创时期。以美国为首的一些发达的工业国家进行了大量的开发研制工作，成果主要反映在1955年和1958年召开的两次日内瓦和平利用原子能国际会议上。这个阶段总的特点是：同位素仪表的研制技术还未完全成熟，仪表质量还难于完全满足工业现场条件的需求，此外仪表的开发还带有一定的盲目性，从而导致仪表的发展比较缓慢，其推广面及其有限。 （二）发展成熟阶段（20世纪60年代末～20世纪70年代中期） 晶体管与大规模集成电路等电子技术的发展以及新型核辐射探测器件的出现将同位素仪表带入了一个新的阶段。这一时期西方国家正处于经济高速发展时期，各种高新技术不断应用于生产和技术改造，同位素仪表以其独有的技术优势得到了迅猛发展。同位素仪表技术在这一时期逐渐发展成熟，仪表的稳定性与可靠性都大大提高，性能得到了明显改善，使用对象逐渐明确，其应用领域也不断扩大，得到了显著的经济效益。 （三）高水平发展阶段（20世纪70年代中期～至今） 随着电子计算机技术和集成电路电子技术的迅速发展，同位素仪表在大量推广、应用的基础上进行更新换代，朝高水平、高技术方向发展。仪表的灵敏度和精度日益提高，可靠性和稳定性也越来越好，功能和应用领域也大大扩展。目前在一些工业发达国家，正出现一些智能化的大型多功能同位素仪表，以解决实际工作中遇到的高难度综合性问题。此外，另一些专用的小型同位素仪表也得到了长足的发展。 近30年来，世界同位素仪表的数量增长了40倍，平均年增长率为20%～25%。据国际原子能机构调查 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ，1980年世界各国应用同位素仪表总数达到62万台。例如美国在1960年使用量为4650台，到1980年增长到了21万台。2000年后同位素仪表的使用为社会带来了良好的效益，据美国1978年的统计，同位素仪表平均价格为1.2万美元，年维护费在250美元左右。企业购买这种仪表的全部费用一般在2～3个月就可以全部收回，个别的需要在5～6个月后收回。一种同位素仪表的新产品从研制到投产周期一般为1～3年，具有投资少、效益高、见效快等特点。工厂使用这类同位素仪表时，一般不需要对原来的设备和工艺作大的改动，一旦和控制设备相连便可连续生产。同位素仪表的应用，不仅可以提高产品的质量和产量，而且还能节约原材料和能耗，给工业界带来了很大的经济效益。据国际原子能委员会1981年的报道，各种同位素仪表的经济效益系数分别是：塑料薄膜厚度计为1:3，纸张厚度、湿度计1:9，锌镀层厚度1:30，脱硫车间硫分析仪1:10，高炉焦碳湿度仪1:20。 就国外同位素仪表的应用范围来看，几乎涉及到各个工业部门，现已广泛应用于烟草、食品、纺织、建材建筑、造纸、印刷、橡胶、采矿、选矿、煤炭、石油、化工、冶金、机械、运输、交通等工业领域。世界各国大量普及和使用同位素仪表，经济效益提高十分显著。据美国原子能委员会对美国各行业应用同位素仪表所做的综合经济效益调查表明，同位素仪表的使用给九个行业带来的效益每年超过四亿美元。当今各工业化国家的同位素仪表工业均处于高速成长期，其发展势头仍是“方兴未艾”。产品的技术指标能够满足产业界提出的最高要求，其技术进步主要表现在新型核辐射探测器和新技术的采用，结构的更新和功能的强化并向功能组装化方向发展 。 以美国为例，表4-2列出了美国同位素仪表的发展概况，可以看到，美国同位素仪表的发展是相当迅猛的。 表4-2 美国同位素仪表发展概况 年代 1960 1965 1970 1975 1980 1985 仪表台数 4650 11000 31500 103000 215000 350000 三、我国同位素仪表的发展历史 我国同位素仪表的研制始于1958年，大力推广、应用同位素仪表则是从20世纪80年代开始，到80年代初期我国共研制和生产了40多种2000余台仪表，研制和生产单位主要分布在科研、教育、工业部门及地方厂矿等领域，其中70%是料位计，此外就是密度计、厚度计和探伤仪、泥沙量计、X荧光分析仪、含硫量分析仪等。据1988年的数据统计，我国在各个工业领域使用的同位素仪表已达到8000多台，其中，应用较为广泛的仪表有料位计、密度计、湿度计、核子秤、成份分析仪等。 经过30多年的研制工作，到90年代初，我国科研人员对相当多类型和用途的同位素仪表都进行过研制。到2003年底，我国同位素仪表产值估算大约为35亿元，与1999年相比增长了190%；常规同位素仪表的使用量已超过2.5万台，核子秤的年产量接近3000台；近几年的研究成果主要包括同位素厚度计、密度计、物位计等的通用单元组合化，高精度核子秤，纸张灰份、厚度、定量、水份四个参数的检测系统，油、气、水三相流及多相流检测系统，集装箱辐射成像检测系统，热中子透射计的应用研究，X射线荧光多元素分析仪的应用研究，工业塔器伽玛射线扫描设备及应用研究等。料位计、水份计、厚度计和成份分析仪在可靠性、稳定性和智能化方面均有所突破。 中国国民经济的起飞带动同位素仪表进入了迅猛发展时期。目前我国同位素仪表的开发和研制开始逐步摆脱仿制国外样机的模式，基本上实现了独立设计，且各项指标接近国外，仪表生产向通用化、系列化方向过渡。然而从客观上来说，我国同位素仪表的发展水平同国外相比仍然存在相当大的差距。例如我国对技术难度较大的一类料位计（大量程料位指示系统、超大型料仓料位指示系统、多参数料位指示系统和高温环境下应用的料位计等）还没有完全研制成功；国产的厚度计水平仅相当于日本20世纪70年代末的水平，少数型号的产品水平接近80年代，造纸业中纸张水份测量与闭环控制系统刚刚投入使用；我国研制的中子水份计虽然在钢铁工业与冻土研究方面取得了一定成效，然而仪器的稳定性和可靠性较差，技术水平仅相当于国外80年代初的水平。但是经过我国科研人员的不懈努力，有的国产仪表技术水平接近或超过国外，如辐射集装箱辐射成像检测系统、高能加速器驱动的工业CT、工业塔器伽玛射线扫描设备等。其中加速器驱动的高能工业CT具有射线能量高、穿透能力强、剂量率大等优点，能够对高密度材料、大尺寸工件进行无损检测和评估，是发展国防、航空、航天及大型动力设备不可缺少的装置，如火箭、导弹、核武器中关键部件的无损检测，在军事、冶金、机械、石油、地质等部门也可发挥重要作用，然而却一直受到发达国家的禁运。由中国工程物理研究院自行研制的高能工业CT装置（如图4-1）能获得清晰的断层图像，空间分辨率达到2.5线对、密度分辨率达到0.5%。打破了西方国家长期以来对我国技术的封锁和禁运。 图4-1　我国第一台基于锥束扫描的高能工业CT系统（ICT6000MF） 图4-2　某叶片DR图像 图4-3　焊缝的MDR图像 虽然在新型同位素仪表的自行设计和研制方面我国同国外相比还存在一定的差距，但是在常规同位素仪表方面我国发展非常迅速。目前，我国用于检测与控制的国产常规同位素仪表约5万余台，替代了大部分进口，主要用于钢铁、矿山、石油、仪工、造纸、建材、资源勘探等领域，取得明显效益的单位和行业有：黄磷生产系统、化纤厂、化肥厂、碱厂、选矿厂、选煤厂、采矿充填、钢铁厂、焦化厂、水泥厂、湿法冶金行业等。 我国同位素仪表应用今后除了继续向上述行业扩大之外，还应逐步向橡胶、烟草、纺织、建材、食品、机械及印刷出版业等使用量较小的中小企业拓展。当然最需要迫切解决的问题是新型同位素仪表的自行研制。我国科研人员正努力开发，力争赶上国外的先进水平。 同位素仪表的一个重要组成部分就是放射源，图4-4给出了各个领域的放射源应用情况，可以看出放射源在同位素仪表（工业探伤、核子秤等）领域中的应用比例还不是很高，但是在工、农业的很多部门目前采用了多种核技术（如中子测井、中子测水、活化分析、X射线荧光分析、生产过程控制、辐射加工、无损检测等），这些核技术正在继续发展，它们对各类放射源的需求将稳步增长。 图4-4 放射源在不同应用领域的活度分布 此外，一些新的应用如环境污染检测、非传统安全威胁的检查（细菌、爆炸物和毒品等）、矿产品在线分析、特种用途核仪表的开发等都需要适用于不同场合使用的放射源。因此，从目前我国社会进步的要求及工业发展的水平来看，各类放射源在同位素仪表领域中的使用比例将进一步扩大。 四、强度型同位素仪表的技术水平 作为同位素仪表中的“生力军”，强度型同位素仪表在技术上已经成熟，仪表技术指标早已能满足工业生产所提出的要求，技术进步主要表现在新产品的开发、老产品的改型、结构简化、功能强化、新器件的采用等，使仪表由单元组合向功能组装式发展，并大量采用了计算机技术。具体表现为： 密度计——其最高运行精度为0.0005ｇ·cm-3，各国的产品基本都能达到这一技术指标。国外产品以西德HB公司、美国核子工业公司（该公司产品被美国国家标准局NBS用作国家辅助标准）及日本富士产品为最优。20世纪80年代以后国外先进的密度计是带有“自动稳峰”装置的闪烁密度计和恒温装置的电离室密度计，且普遍采用了微处理器，其测量精度可达到0.001ｇ·cm-3。 物位计——当代物位计绝大多数采用闪烁探测器，物位测量误差一般在1%左右，量程已达到3m～5m。国际上代表性的有西德的HB、Berthold、英国的Nuclear Enterprises corp（NE）等公司的产品，它们都有稳峰装置和线性化装置。 厚度计——国外产品除轧材厚度计有一部分采用闪烁探测器外，其它大部分采用电离室。金属轧材厚度计精度已达到1‰～5‰，薄膜厚度计测量精度0.2g·m-2～0.5g·m-2。国际市场上以西德的HB（Herbalife）、英国的NE公司产品最优。 水份计——中子测水，相对误差0.5%ｗt，日本和美国采用了252Cf（锎-252）放射源。 核子秤——国外大多采用高压电离室，一般都配备微计算机，测量精度可达到0.5%。据报道，采用塑料闪烁体的核子秤精度可达到0.4‰～4‰之间。国外具有代表性的产品是美国Kay-Ray公司的核子秤。 上述仪表应用领域最广、技术发展最成熟，其中尤以料位计、密度计和厚度计用量最多，在工业仪表中所占的比例为5%~10%。国外几乎每个工矿企业都使用这类仪表，少则几台，多则上百台；很多工业成套设备通常也配备这类仪表，作为工业过程检测的一种手段。这类仪表一般可以正常使用五到十年左右，年维护费用仅占仪表价格的2%左右。 目前，强度型同位素仪表正朝着如下几个方面改进和完善： · 提高可靠性，以适用恶劣工作环境的要求； · 提高响应速度和测量精度，以确保产品质量； · 仪表本身需能对各种因素的影响进行自动校正，以实现产品过程的最优化控制。 五、同位素仪表的技术优势和经济效益 近年来，同位素仪表的功能日趋完善，应用领域不断扩大，同位素仪表在工业生产中的独特作用日益显现，成为工业部门不可缺少的重要检测设备。同位素仪表在生产中的意义主要表现为： （1）满足生产发展与社会需求 以日本为例，20世纪60年代中期到70年代初期，随着经济的发展，工业同位素仪表（主要是放射性核素厚度计与料位计）的使用量也迅速增长，从而推动了相关科学研究进步和相关产业的迅速发展。 （2）解决工业生产中的某些重大技术难题 同位素仪表已被频繁用于解决诸如准确、快速、大面积的地质普查，材料或零件的无损检测，生产过程的闭环自动检测控制，高纯度物质的分析测定及环境、健康和营养评价等综合性问题。 （3）强化生产过程，加速工业技术进步 目前国外的大型成套设备，一般都配备同位素仪表对生产过程实现自动检测、调整、控制（乃至最优化控制），以确保产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件，降低能耗与原材料消耗，最终降低产品成本。例如前苏联在克里沃舍尔特钢厂建成的一座世界最大的高炉（～5000m3）上配备有100多台同位素仪表；在奇姆肯特磷肥厂安装了450多台同位素仪表。 （4）具有显著的经济效益 国际原子能机构与亚太地区 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 组织认为，同位素仪表对于发展中国家基础工业的改造与加速工业现代化进程具有重大意义。同位素仪表投资小、见效快、经济效益显著。这也是发达国家的工矿企业愿意广泛使用同位素仪表的动力和出发点。同位素仪表的优势主要表现在以下几个方面： a　节约原料 目前在金属板材、木屑板、塑料板（膜）和纸张的生产中采用透射式β或γ测厚仪。在镀锌、镀锡板以及其它加镀（涂）层制品的生产中，镀（涂）层制品厚度的控制是用β反散射仪或同位素X射线荧光分析仪。准确控制厚度可节约镀层材料，特别是贵重金属材料。在纺织工业中用放射性静电消除器消除生产过程中产生的静电，减少飞毛以节约原料。 b　提高产品质量 在生产纸张、塑料膜和各种板材时用β投射仪自动控制其厚度，减少次品的产生；用β密度仪控制卷烟的烟丝量，提高了卷烟的质量；在水泥生产中用中子活化分析或X射线荧光分析技术在线快速分析Si、Al含量，可提高水泥的标号；γ探伤仪用于焊缝检查，提高了焊接质量。 c　减少废品和次品 由于在造纸、木屑板、塑料膜生产时，利用β或γ投射式仪表，对整幅材料进行连续扫描检查，并把测得的信号及时反馈到投料控制仪上，如果产品薄了，扩大投料器出口或提高控制料位板以增加进料样，如果产品厚了，则自动控制减少进料，这种方法比常规监测方法快，而且准确，减少了次品和废品率。这种技术还可用在带材生产，控制幅宽，如透明材料的幅宽用普通透光度控制比较困难，但用同位素测厚仪却比较容易实现。 d　提高机器的运转速度和工作效率 在造纸机上安装测厚仪，可快速改变产品纸的规格；在纺织和印刷工业中使用放射性静电消除器可提高机器的运转速度；利用同位素料位计和厚度计可有效地控制连续铸轧机工作，减少热能损失，提高工作效率；利用核子秤可对运行中车箱内的物体实现快速现场测量；利用同位素密度仪可快速地测出物质密度，缩短工作时间。 第二节　　同位素仪器仪表核心部件——放射源和探测器 同位素仪表一般由放射源、核辐射探测器、电转换器和二次仪表等几部分组成，其中放射源和核辐射探测器共同组成参数变换器。属于同位素仪表的核心部件。下面分别对它们作一些介绍。 一、放射源 放射源所发射的α粒子、β粒子、γ光子及n与物质相互作用时会产生各种效应，在这个过程中，射线的能量传递给物质，物质则相应地发生物理、化学或生物变化。同位素仪表就是利用射线与物质的相互作用进行测量，进而确定被测物体的位置、厚度、密度、浓度、缺陷或组份等。 射线与物质相互作用可分为以下几类，下面将分别加以讨论。 （一）同位素仪表所用放射源的基本条件 放射性核素虽然有很多种，但能够用于同位素仪表的放射源却不多，这是因为对同位素仪表中使用的放射源有以下要求： （1）半衰期长 仪表的灵敏度、测量误差和响应时间与仪表中所用放射源的强度有极大的关系。当使用短半衰期的放射源时，放射源强度呈快速衰减，导致仪表的测量误差加大，灵敏度下降，响应时间变坏，需要频繁更换放射源和经常校准仪器。因此，要求所用的放射源具有长半衰期，一般需要半衰期超过一年。这样放射源在长时期内都有足够的强度，从而保证了仪表具有较好的稳定性和性能指标。 （2）能发射具有合适能量和能谱的射线 能量不同的射线与物质相互作用的几率是有所区别的，合适的能量和能谱可以使得我们所希望得到的效应发生的几率增大。另外，合适的射线能量和能谱可使仪表能以最小的源强而得到最小的测量误差和最高的灵敏度。 （3）放射性比活度高 单位质量的放射性物质中所含有的放射性核素的量（即放射性）称为放射性比活度。一般说来，放射性比活度低的强放射源的体积都比较大，因而自吸收效应就较体积小的放射源的自吸收效应严重。另外，当用这种体积大的放射源去测量某个量的空间分布时，几何分辨率也会相应降低。因此要想获得较好的测量效果，最好选用放射性比活度高的放射源。 （4）价格低廉，易得 如果所需的放射源来源不方便，制备困难，价格昂贵，就会导致它的使用成本升高，不利于推广，从而会制约它在相关同位素仪表上的使用。 由于需要能基本满足上述几点要求，就使得只有为数不多的一些放射性核素能适合使用。常用的几种放射源的使用比例如图4-6所示，可以看到，137Cs（铯-137）所占的份额最大，因为137Cs广泛用于核子秤、厚度计、密度计等常规同位素仪表。其次是用于探伤仪、料位计、探井设备的60Co（钴-60）。 图4-6 常见放射源数量比重图 （二）放射源的分类 同位素仪表采用的放射源通常分为五类即α放射源、β放射源、γ放射源、中子放射源、复合放射源。 1．α放射源 制备α源放射核素的有210Po、226Ra（镭-226）、228Th（钍-228）、239Pu（钚-239）、241Am、242Cm（钜-242），这类物质具有很强的毒性，所以制备这类放射源时，既要保证所制备的物质不泄露，又要保证α射线能有效的发射出来。最常用的α放射源主要是210Po和239Pu源。210Po归属于天然放射系中的铀镭系，在自然界中的含量极少，现在基本上是利用人工的方法获得。210Po具有自身的优点，那就是它可以被当着是纯的α放射体，放射出能量为5.3MeV的α粒子而衰变成稳定的206Po，几乎不放射γ射线。但遗憾的是它的半衰期较短，仅为138d；239Pu是反应堆中238U俘获一个中子而生成的，其反应式如下： 239Pu可发射三种不同能量（5156.59keV、5144.3keV、5105.8keV）的α粒子和两种能量（51.624keV、38.661keV）的γ射线。239Pu的优点是半衰期长，长达2.4×104a。 表4-3　α放射源在同位素仪表中的主要应用 原理 应用 特点及用途 电离 静电消除器 不需电源和辅助设施消除物体表面静电 负离子发生器 不需高频放电产生离子 放射性避雷针 扩大防雷范围 电子器件中的放电电离源 增加电子器件工作稳定性，延长使用寿命 离子感烟探头 火灾报警 电子捕获鉴定器 分析气体组分 激发 超低能X射线发生装置 产生超低电能（几个keV）量子化X射线和对低原子序数材料进行X射线荧光分析 吸收 α 透射式厚度计 测薄层材料厚度 露点测量仪 测露点 气体压力计，密度计 测气体压力、密度 2．β放射源 β放射性核素的种类相当多，但是纯的β放射体却不多。在绝大多数的情况下，它们还会同时放射出γ射线，即β-γ放射体。这为β射线的利用带来了一些不便。 制备β源放射核素的有3H（氚-3）、14C（碳-14）、32P（磷-32）、60Co、85Kr（氪-85）、90Sr（锶-90）、90Y（钇-90）、204TI（铊-204）、147Pm（钷-147）、63Ni（镍-63）、22Na（钠-22）等。 常用的纯β放射体主要有3H、14C、90Sr-90Y等。 3H的半衰期较长，达12.35a，放射的β粒子的最大能量为18.6keV，平均能量为5.7keV，常常被吸附在金属钛或锆上加以利用。具有能量低、不发射γ射线、放射性比活度高等优点，但遗憾的是价格比较昂贵。 14C的半衰期为5730a，所发射的β粒子的最大能量为156.467keV。由于在空气中的射程与239Pu的α粒子在空气中的射程差不多，所以有时会将14C和239Pu制成α和β的混合源使用。 在所有β源中，90Sr-90Y很容易获得也很便宜。它具有的优点是β粒子的平均能量高，能谱曲线上具有较宽的平坦部分。 有时候在实际工作中，为了解决某些问题，需要用到某种能谱的β放射源，而又没有刚好能发射这种能谱的β放射源。此时可以采用将几种β放射性核素按一定比例混合的方法得到满足需求的混合源。 表4-4 β放射源在同位素仪表中的主要应用 原理 应用 放射源 用途 电离 静电消除器 3H、147Pm、85Kr、90Sr 消除物体表面和粉尘中的静电 电子器件中的放电电离源 3H、14C、63Ni 增加电子器件工作的稳定性，延长使用期 离子感烟探头 63Ni 火灾报警 电子捕获鉴定器 3H、63Ni 分析气体组分 激发 轫致辐射源 3H、147Pm、85Kr、90Sr 产生次级X射线 辐射效应 医用敷贴器 90Sr 治疗皮肤病 辐照器 90Sr 化工涂料聚合，育种，刺激生长 吸收 同位素透射仪表 147Pm、85Kr、90Sr、106Ru、204Tl 测材料厚度、密度、料位 散射 同位素反散射仪表 147Pm、90Sr、106Ru、204Tl 测涂层厚度、管壁厚度 3．γ放射源 大部分同位素都是同时发射几组不同能量的γ射线，能发射单一能量γ射线的同位素是相当少的。对于这些发射多组不同能量的γ放射源，在使用过程中，它们既可用作高能γ放射源，又可以作为低能γ放射源使用。当只需要使用它的高能γ射线时，可以在源上面加一个吸收片，使低能量部分的射线被吸收而仅仅让高能量的射线通过；相反，当需要使用它的低能γ射线时，则可以通过使用单道脉冲高度分析器，剔除掉高能量γ射线的计数，在最后不显示出来。当然考虑到使用成本和操作的简便性，在需要使用低能γ射线时还是直接选用低能γ射线源较好。 常用于制备γ源放射核素的有60Co、137Cs、192Ir（铱-192）、170Tm（铥-170）、241Am、169Yb（镱-169）、238Pu、55Fe（铁-55）等。 表4-5 γ放射源在同位素仪表中的主要应用 原理 应用 放射源 特点 吸收 同位素仪表测厚度、密度、料位及称重 137Cs、60Co、170Tm、241Am 非接触测量，快速 辐射探伤 192Ir、137Cs、60Co、170Tm 简单，准确 散射 测井 137Cs、60Co 简单，快速 测管壁厚、涂层厚 137Cs、60Co、241Am 简单，非接触测量 辐射效应 辐射育种、辐射保鲜，灭菌、消毒，辐射加工，肿瘤治疗 137Cs、60Co 效果好，操作、维护简单 光电效应， 激发次级X效应 X射线荧光分析 低能光子源 非破坏性，快速 4．中子放射源 能产生中子的设备称之为中子源。大多数中子源是利用核反应来产生中子。根据轰击靶核的入射粒子进行区分，产生中子的反应主要有：（α，n）、（p，n）、（d，n）等反应。其中利用（α，n）反应所制得的中子源的强度较低，不能满足那些需要强源的情况。此时可以使用中子发生器。它是利用轻型的质子或氘核加速器所产生的质子或氘核，通过（p，n）反应或（d，n）反应来获得中子。中子发生器能提供高强度的单一能量的快中子束，其中子束的强度可以随意调节。此外，中子发生器的启动和关闭都很方便。 除了上述获得中子的方法外，人们还发现某些超钚元素具有自发裂变的性质，裂变时发出的中子也可以用于中子源的制备。其中以252Cf最为引人注目，如1g252Cf每秒钟能发射2.34×1012个中子，可以媲美于一个低通量（约1012cm-2∙s-1～1013cm-2∙s-1）的反应堆，而体积小于1cm3，比上述的（α，n）反应中子源的尺寸小，特别适合于做成点源。然而，目前这种自发裂变中子源很难生产，价格也比较昂贵。 表4-6 中子在同位素仪表中的主要应用 常用中子源 检测项目 用途 210Po-Be 238Pu-Be 239Pu-Be 241Am-Be 242Cm-Be 252Cf 厚度、材料的成份、液位、温度、流速等 测量含水量，材料中的元素分析，石油、固体矿勘探。 5．复合放射源 所谓复合放射源是指可以产生不止一种粒子的源。例如60Co，既是α源，同时也可以作为γ源；国外新开发出的252Cf是中子和γ射线的复合源，具有高产额等优点，中子比发射率极高，达到106μg-1·s-1），在这方面任何其它同位素中子源都无法于之相比。在美国、日本等国，252Cf已基本取代了（α，n）反应型的中子源，主要用于中子活化分析、中子照相及多参数联合测量的同位素工业仪表中（如中子水分仪、补偿中子测井仪等），但其仪表价格较为昂贵。 （三）放射源的制备 放射源的分类有许多种方法，可以按照放射性核素所发射的射线种类分为α源、β源、γ源、中子源等；可按其用途划分为仪器仪表源、医用源、标准源、刻度源等；还可按源的制备方法划分为粉末冶金源、搪瓷陶瓷源、电镀源、气体源等。但主要的分法是分为密封源和非密封源两类，通常情况下应用的放射源是密封源，非密封源只有极少数情况下才有意义，因此，一般涉及的放射源都是密封源。 在设计和制备放射源时要考虑源的辐射种类、能量和强度能否满足使用要求，源的有用辐射效率高及安全性能好，确定这些原则后，才能决定所采用的放射性核素，再根据放射性核素的物理化学性质和使用要求确定制备工艺。 1. 放射源设计的基本原则 放射源设计的基本原则是适用性强，保证安全与辐射发射率高。 放射源的安全性是其适用性的根本保证。国际标准化组织为此专门制定了ISO-2919推荐标准，对密封放射源质量要求以及安全使用作出了具体的规定，为放射源的安全性设计提供了客观的依据。 放射源的辐射发射率是源中放射性核素衰变时发射的有效辐射所占的比例。在设计时要求这一比例尽可能高，以提高放射源的使用效率，同时有利于降低生产成本，节约原料，并改善安全性。 2．放射源的基本参数 就放射源的使用者而言，下面这些基本参数具有极其重要的意义：（1）辐射类型；（2）辐射能量；（3）辐射强度；（4）放射性核素活度；（5）源外型结构的尺寸；（6）源的使用期限；（7）源的成本。 3. 放射源的制备 放射源的制备主要包括放射源芯活性块制备、源芯的密封以及产品源的质量检验等，但放射性核素发射的射线种类、放射性核素的物理化学性质等，都可决定放射源的制备方法。经过多年发展，放射源制备的主要技术有陶瓷搪瓷、玻璃法、粉末冶金、电化学法、直接活化法、吸附法等，其它不常用的如真空升华法、电溅射法等。 （1）陶瓷、搪瓷、玻璃法 将放射性核素的氧化物同陶瓷、搪瓷、玻璃料和其他辅料混合在一起，将共混好的物料置于模具内，压制成型，利用高温烧结，制成含放射性核素的陶瓷、搪瓷和玻璃体圆片、圆柱等形状，获得放射性活性块。137Cs源有多种制备方法，其一是用玻璃体制源法；90Sr-90Y仪表源采用陶瓷制源法。在制备γ放射源和高能β源时，多数情况是将放射性核素掺到面釉料中，而不是直接将放射性物质与陶瓷、搪瓷、玻璃料混合，将放射性物质烧制到陶瓷体表面，尽量减少辐射在活性区的吸收。 例如，137Cs做为厚度计、料位计、密度计及核子秤等用源，可采用玻璃制源法：将137Cs加入玻璃原料中，烧结成玻璃体，源芯用氩弧焊密封在双层不锈钢（CrNi18Ti9）源壳内，其结构示于图4-7。 图4-7 137Csγ源结构示意图 由于采用陶瓷、搪瓷、玻璃等材料，因此，所制备的放射源具有耐高温、耐辐射等优点。 （2）粉末冶金法 147Pm、241Am以稳定的氧化物或其它化合物形态制成粉末，如Pm制成147Pm2O3、Am制成241Am2O3，或者其它稳定化合物。粉末制备时，在含Pm或Am的酸性溶液中加入碱液控制溶液的pH、氢氧化物沉降速度，有利于制备粒径更小、更均匀的颗粒；将制成的颗粒与金粉或银粉混合烧结成坯，将毛坯夹封在金属材料中，轧制成箔源。一般源的厚度为0.1mm～0.2mm，长度＞1m。对轧制出的箔源带，根据实际需要进行剪切，切口处实施冷焊，有时还需加保护膜，箔源固定在源托中，图4-8是一个典型的147Pm源的结构示意图。 图4-8 147Pm放射源结构示意图 （3）电化学法 电化学法包括电镀（含分子镀）和共电沉积法，电镀法是将放射性物质配制成电镀液，电镀液中含有的放射性金属离子在适当电压下向阴极移动，在阴极表面还原为金属，或以某种化合物形式沉积在阴极（源托）表面，成为放射源。源托一般为不锈钢、铂等化学惰性和高强度的金属。放射源质量取决于电镀液的组成、性质、温度、电流密度和电镀电压等，采用电镀制源的放射性核素主要有235U、63Ni等。 共电沉积法是在含Am或Pu或U的水溶液中加入Au或Ag，使Am或Pu或U共沉积在阴极表面，制备成高比活度的标准源或刻度源。 （4）直接活化法 如60Co、192Ir等放射源，直接将金属Co、Ir加工成型后，入堆辐照，如钴、铱的棒或板用机械加工的方法，加工成源的最终形状，如针、板、圆片、圆柱等，清洗油污和氧化物后，干燥，装入铝桶内，焊接密封，检漏后，入堆。根据产品源的活度要求，按照理论计算和反应堆的具体参数确定照射时间，置于热中子通量较高的孔道进行照射，出堆冷却、切割、清洗、干燥、装配、焊接密封，检漏，质量检验等，就制成源。鉴于60Co、192Ir等放射源的射线能量高、放射性活度大等原因，一般质量检验项目，如机械强度、耐冲击、刺穿、振动、密封性等以大量冷实验结果为主，但源表面放射性污染必须按国家标准进行测试，其放射性活度应低于185Bq。 （5）化学吸附及交换置换法 此方法制备的放射源比较典型的是医用近距离治疗用 125I种籽源。它是将125I吸附在由银丝、铱丝、陶瓷珠等做成的源芯上，然后将源芯密封在钛管中。常见的银丝对125I的吸附方法有：银丝直接对125I进行吸附；将银丝经双氧水、盐酸体系氧化氯化后对125I进行吸附。以上吸附方法存在吸附时间较长，吸附容量有限等缺点。为克服这些缺点，可对银丝进行特殊处理，增强对125I的吸附。目前成熟的结构和几何尺寸为内置全杆标记碘（125I）的钯丝，外壳为高密度钛合金管组成，其结构示意图示于图4-9。 图4-9 一个标准的125I种子源结构示意图 （6）气体放射性核素源的制备 例如85Kr等以气体状态存在，制备放射源时需要特殊的工艺技术，标准的85Kr源结构及主要工艺标注示于图4-10。主要工艺为将有源窗的容器抽足够真空度后，充入85Kr气体，密封，焊接，检测有无放射性85Kr泄漏。还可以将85Kr吸附在活性炭上，制备高比活度、小体积的放射源。 图4-10 标准的85Kr源结构图及主要工艺标注 （7） 其它方法 放射源的制备还有其它方法，如有机合成法， 3H、14C、15N等通过有机合成的方法制成有机薄膜，然后制备成标准源和辐射源。真空蒸发升华法，将放射性核素在真空中加热蒸发，升华到温度较低的底片上，成为放射源等。 （四）几类同位素仪表中放射源的使用 1．透视式同位素仪表 “透视式同位素仪表”是将源室和探测器分别安放在被测物质两边，当入射射线穿透物质的时候射线强度减弱，此时探测器就可以测量出辐射的剂量率（或计数率），从而检测到被测物质的宏观非电参数，通过一个指数衰减公式（将在第三节中介绍）就可以得到射线所穿过物质的密度、厚度等。这类仪表主要有密度仪、厚度仪、料位计等。 透视式同位素仪表所用β源的活度通常在40MBq～40GBq范围内，而γ源活度通常在0.4GBq～40GBq范围内。 表4-7　透视式仪表中放射源的应用 放射源 射线类型 应用 147Pm β- 纸的密度 85Kr β- 纸的厚度 90Sr/90Y β- 金属薄板的厚度；香烟和香烟箱中的烟草含量 60Co γ 炼焦炉，砖窑等内容物 55Fe x 20mm以下的钢板，罐头中的液面 241Am γ 10mm以下的钢板，瓶中内容物 137Cs γ 100mm以下的钢板，管道和罐中的内容物 2．反散射式同位素仪表 所谓“反散射式同位素仪表”是将源室和探测器安放在被测物质同侧，常用的有湿度计、公路核子计、孔隙度核子计。在反散射成像中,放射源和探测器在工件的同侧,测量从物体中散射出来的康普顿散射线,得到物体内部物质的电子分布的图像。 所用β源活度通常在40MBq～200MBq范围内，γ源活度可达到100GBq。常用放射源列于表4-8。 表4-8　反散射式同位素仪表中放射源的应用 放射源 射线类型 应用 147Pm β- 纸的密度，薄的金属涂层 201Tl β- 薄橡胶和纺织品的厚度 90Sr/90Y β- 塑料，橡胶，玻璃及薄的轻合金厚度 241Am γ 10mm 以下的玻璃和30mm以下的塑料 137Cs γ 20mm以上的玻璃，岩石、煤炭的厚度 241Am-Be n 探测岩石中的碳氢化合物类 3．成分分析类同位素仪表 “成分分析类同位素仪表”所用放射源活度通常在200MBq～40GBq范围内。基于双伽玛射线透射测量原理，此类仪表可测量两到三种物料的密度、含量和流量（如煤灰分监测仪、石油三相流量计）。利用伽玛射线反散射，此类仪表可测定基体材料上的薄膜厚度。利用放射源激发的X射线荧光分析和中子活化分析，此类仪表可分析物料的成分（如煤质分析仪、C/O测井等）。 表4-9　成分分析类同位素仪表中的放射源及其应用 放射源 应用 55Fe 分析：低密度薄层，如：铝上0-25μm的塑料。 241Am 分析：高密度薄层，如：铁上0-100μm的锌层。 109Cd 分析：三相流，如：石油井下三相组分比。 X射线(<60kV) 分析：样品中的元素，如：黄金成色。 中子发生器 分析：大块物料中的元素，如：石油C/O测井、固体矿品位。 表4-10　检测仪表中放射源的主要应用 部门 仪表名称 用途 放射源（活度/ GBq） 化纤厂 料位计 反应釜上测液位高度 60Co（0.259） 密度计 混合釜上测密度 137Cs（11.1） 化肥厂 料位计 尿素车间合成塔测液位 60Co（2.59） 水泥厂 料位计 测机立窑料封管内料位 60Co（0.74） 化工厂 核子秤 计量锅炉用煤 137Cs（3.7） 锅炉厂 高压容器厂 γ探伤仪 检查金属部件和焊缝质量 192Ir（3.7） 金矿 密度计 控制填充矿浆浓度 137Cs（0.222） 炼铁厂 中子湿度仪 炼铁烧结部分的水分指示器 241Am-Be中子源（3.7） 煤气公司 料位计 检查液化石油气罐的液位高度 137Cs（0.37） 选矿（煤）厂 核子秤 选矿（煤） 137Cs（18.5） 灰分监测仪 检查煤的灰分含量 241Am（3.33） 煤炭地质队 γ测井仪 勘测地质情况 60Co（0.37） 建材混凝土预制件 中子湿度仪 测量混凝土拌和时的水分 241Am-Be中子源（1.85） 炼油厂 料位计 焦化塔内液位高度 137Cs（3.7） 石油勘测 γ测井仪 勘测地质情况 137Cs（74） 中子测井仪 241Am-Be中子源（740） 盐厂 核子秤 原盐计量 137Cs（3.7） 造纸厂 厚度计 测量纸张厚度 147Pm（11.1） 印刷厂 静电消除器 印刷静电消除 210Po（3.552） 发电厂 料位计 灰斗灰位指示器 60Co（0.296） 水利部门 核湿密度计 检查水库堤坝质量 137Cs（11.1） 气象局 中子土壤水分仪 测量土壤中的含水量 241Am-Be中子源（1.85） 工业探伤仪是利用X射线、γ射线对金属部件及其焊缝进行摄片检查，以判断部件的铸造或焊接的质量，又称无损探伤。主要用于锅炉、压力容器、管道、船只等工业生产行业：射线探伤按所用射线的不同，分为x射线探伤和γ射线探伤。表4-11列出了γ射线探伤常用放射源的核性质。 表4-11 γ射线探伤常用放射源性能 核素 半衰期 a γ射线能量 MeV 常用活度 GBq 60Co 5.27 1.25 7.4~370 137Cs 30.17 0.66 18.5~370 192Ir 74.2 0.30~0.61 1110~2220 二、探测器 探测器是同位素仪表的关键部件，它的作用是将射入其中的并与被测参数有函数关系的核辐射转变为一个电信号，这个电信号仍然与被测参量有着函数关系，并传输给下一级电路。用来衡量辐射探测器的主要性能指标通常有下面四个： ① 探测量子效率 探测量子效率是指光子和探测器在作用的初始过程中，产生的光子事件数和入射光子数之比。它描述的是探测器接收和 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 信息的能力。入射光子有可能穿透介质或者被介质反射。有时介质要吸收几个光子才能引起一次光子事件，有时候产生的光子事件未被检测，所以一般探测器的量子效率小于1。 ② 响应度 响应度也被称为灵敏度，等于探测器输出信号和入射辐射功率之比。辐射功率增加时，输出信号也相应地成正比增加，这样的探测器称为线性的，否则称之为非线性的探测器。 ③ 分光响应 分光响应又被称为分光灵敏度，是指单色辐射作用时探测器的灵敏度。它用来表征探测器对不同波长辐射的响应特性。分光响应随波长变化的探测器称为选择性的,反之则称为非选择性的。以探测器最敏感波长处的响应为单位的分光响应，称为相对分光响应。 ④ 探测率 探测率等于探测器能探测的最小辐射功率的倒数。任何探测器都有噪声，比噪声起伏平均值更小的信号实际上检测不出来。产生如噪声那样大的信号所需的辐射功率，称为探测器能探测的最小辐射功率，或称等效噪声功率。有时用探测率描述探测器的灵敏度。 习惯上将探测器分为气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器三类。 常用的探测器有： · 闪烁探测器：碘化钠单晶闪烁计数器、塑料闪烁计数器、液体闪烁计数器 · 气体探测器：电离室、正比计数器、盖革计数器等 · 半导体探测器：HPGe（高纯锗探测器）等 （一）闪烁探测器 射线与物质相互作用会使阻止介质原子被激发，当这些被激发的原子退激回到其基态时会发射光脉冲即称作为闪烁。基于这种现象来进行核辐射探测的器件称作闪烁探测器。早在20世纪初卢瑟福就利用这个探测方法完成了观察α粒子被不同元素组成箔片的散射实验，成功地建立了原子的核式结构模型。卢瑟福当时使用的古老的闪烁探测器只是一块ZnS粉末屏，只能确定有多少核辐射粒子打到ZnS屏上，而不能确定α粒子的能量，也不能确定入射粒子就是α粒子。尽管与古老的闪烁探测器具有相同的物理过程，但由于科学技术的长足进步，现代闪烁探测器在很多方面都发生了根本性的变化。它不仅能用于确定核辐射的存在及强弱，而且能测定入射粒子的能量或能量分布甚至可鉴别其粒子种类。目前，闪烁探测器已成为有效的且最具广泛适用性的核辐射探测器之一，几乎可以用于各种场合下的核辐射及对各种核辐射的探测。 闪烁探测器广泛应用于物位计、密度计、厚度计及X射线仪表中。20世纪70年代末西德的HB公司、LB（L B Bohle Maschinen + Verfahren GmbH）公司，美国的INC公司、海湾公司，日本的富士公司等先后解决了闪烁计数器的稳定性问题，使闪烁探测器型仪表在精度上实现了突破，达到了恒温电离室的技术水平。近年来，塑料闪烁计数器有了长足发展，经改进的塑料闪烁体，闪烁衰减时间可缩短到1ns，特别适用于高计数率测量（10-10s-1），已广泛用于工业轧材测厚和物位检测。 闪烁计数器由闪烁体和光电倍增管两部分构成。其中，闪烁体是一种能够将射线的能量转变为光能的物质，而光电倍增管起到两个作用：（1）接受闪烁体发射的光子并将它转变为电子；（2）将这些电子倍增放大成为可测量的脉冲。光电倍增管由三部分组成： · 光阴极 · 若干个联级 · 阳极 光阴极与第一个联级之间，各个联级之间以及最后一个联级与阳极之间借助子分压器都加有几十伏至一百多伏的电压。闪烁计数器的工作原理是：当射线射入闪烁体时，直接或间接地引起闪烁体的分子或原子激发，这些受激的分子或原子由激发态返回基态时，发射光子。闪烁体产生的这些光子，被光电倍增管的光阴极所收集，并从中打出光电子。这些光电子经过光电倍增管光阴极和第一个联级之间的电场而被加速，每个电子在第一个联级上打出几个电子，这些电子又经过第一个联级和第二个联级之间的电场加速，每个电子又在第二个联级上打出几个电子······，如此继续，一级一级地倍增下去，最后，被光电倍增管的阳极收集。阳极收集大量的电子，从而有一电流脉冲流过负载电阻，产生一个电压脉冲。这个电压脉冲被后面的电子线路记录下来，由测得的脉冲计数率即可得知射线的强度。 好的光电倍增管荧光应该具备以下几个指标： · 光阴极具有高的灵敏度 · 光阴极的光谱响应与闪烁体的光谱特性之间有好的配合度 · 光阴极的线性范围大 · 具有小的本底脉冲和暗电流 · 电子的飞行时间及其涨落小 · 光电倍增管各个参数的稳定性和重现性好 · 能够承受较大的光通量，其灵敏度不随负载而改变 · 对电磁场及强放射性辐射场的敏感性差 当然，要完全满足以上指标几乎是不可能的，有的指标之间是相互制约的，因此，应当根据实际需求选择出合适的光电倍增管。 （二）气体探测器 气体探测器属于一类很古老的探测器。它具有一些其它探测器所不能替代的突出优点：探测器的体积大小和形状几乎不受限制，没有核辐射损伤、极易恢复、运行经济可靠等。虽曾一度有过被闪烁探测器、半导体探测器取代的趋势，但在70年代以后又有了很大的发展，特别是广泛用于高能物理和中能重离子核物理研究。气体探测器通常包括三类处于不同工作状态的探测器：电离室、正比计数和盖革计数器。它们的共同特点是通过收集射线穿过工作气体时产生的电子－正离子对来获得核辐射的信息。 在三类气体探测器中电离室发展相对较快，高压电离室和真空电离室相继研制成功；用于密度计的多是恒温电离室，新型的钛合金恒温电离室具有轻便、无漂移、探测效率高等优点。盖革计数器早期曾用于料位开关等强度仪表中，目前正逐步被淘汰。 电离室实质上是在一个充气的容器内，安装一对相互绝缘的电极而成。电离室的工作状态可以分为两类：一类是一个一个地测量单个的入射粒子，这种电离室称为脉冲电离室；另一类是测量大量入射粒子的平均效应，这种称之为电流电离室。脉冲电离室的输出讯号通过脉冲放大器和相应的仪器来放大、记录和分析；而电流电离室的输出信号则通过直流放大器来测量。 目前脉冲电离室主要用来测量中子。测量中子的脉冲电离室的实例是裂变电离室，它的特点在于：将可裂变的物质涂抹于电极的内侧，当中子入射后，中子和可裂变物质的原子核发生裂变反应，所生成的裂变碎片将使其中的气体产生电离，由于裂变碎片存在很大的能量，可以产生大量的正负离子，因此可输出很大的脉冲。 脉冲电离室相比于电流电离室在产生输出讯号的机制上并无根本区别，但是，在可测量放射性强度的范围、输出回路参数的选择和电离室内部电极的支持结构等方面，二者存在明显的区别。也正是由于这些区别的存在，才使得电流电离室能够测量大量入射粒子的平均效应，而脉冲电离室只能测量单个入射粒子的效应。 电流电离室的用途很广。它可以测量各种核辐射的强度，并且测量的范围很广，稳定性极高，使用的寿命也很长。但是它也存在一定的缺点，那就是制造困难，必须依据具体的使用条件制造符合条件的电离室，并且联用的电子线路也比较复杂。 （三）半导体探测器 半导体探测器也是基于核辐射在阻止介质中产生的电离效应，工作原理十分类似于一个具有固体介质的电离室。自20世纪50年代末期以来，半导体探测器的应用使核辐射的测量发生了革命性的变化。无论对于带电粒子还是γ射线，相对于气体探测器和闪烁探测器，半导体探测器所能达到的能量分辨率都能改善1～2个量级。根本原因是像Si和Ge半导体材料中，核辐射产生一对电子－空穴的平均能量损失仅3eV～5eV，与之相比，在气体中相应物理量约30eV，而在闪烁探测器中，损失的平均能量约300eV。除此之外，半导体探测器具有很好的输出线性响应、体积小、响应快、使用非常方便灵活，而且外界电磁场对它的工作影响不大等。半导体探测器几乎在所有涉及核辐射测量的领域都有广泛的应用，多用于γ射线检测、X荧光分析等，可实现对物质成份的快速定性定量分析以及能谱测量。但是由于半导体探测器具有突出的缺点，所以它并不能完全替代气体探测器和闪烁探测器。半导体探测器的主要缺点是：灵敏体积不能太大（102cm3）限制了它在探测高能核辐射和需要大探测立体角场合的应用。此外它对辐射造成的损伤灵敏也在很大程度上限制了它的使用寿命。 第三节　　几类同位素仪表及应用 一、分类 同位素仪表种类繁多，应用领域十分广泛，其工作原理与作用方式不尽相同，因此很难全面地加以分类。根据不同的分类方式可分为不同的类型。 （一）按其基本原理和作用方式 按照其基本原理和作用方式，工业同位素仪表可以分为强度型测量仪表、能谱型分析仪表、数字图像型处理仪表、其它。 1. 强度型测量仪表 强度型测量仪表主要是利用物质对射线的吸收、散射与（中子）慢化等作用，使射线的强度发生变化，从而反映出被测物的某些有关的宏观物理参数。主要包括同位素料位计、密度计、厚度计、浓度计、泥沙量计、中子水份计和核子秤等。 2. 能谱型分析仪表 能谱型分析仪表通过测定射线与被测物质作用后产生的能谱，从而确定物质的成份、含量。能谱型分析仪表主要用于野外或现场分析，例如X射线荧光分析仪、核测井和在线活化分析等仪器仪表。 3. 数字图像型处理仪表 数字图像型处理仪表主要是利用胶片照相技术、二维或三维阵列探测技术、数字图像重建与处理技术等确定射线的空间或平面分布，反映被测对象的有关信息。数字图像型处理仪表主要用于无损检测（即射线探伤），常用设备有X射线探伤、γ射线探伤、中子照相以及工业CT等装置。 4. 其它 这类仪表多是利用放射性核素发出的辐射所产生的电离效应实现监测，如放射性同位素火灾报警装置、静电消除器，放射性同位素放电装置，放射性避雷针，放射性同位素电离真空计等。 （二）按射线入射到探测器前与物质发生相互作用的类型 同位素仪表按射线入射到探测器前与物质发生相互作用的类型可分为透射式同位素仪表、反散射式同位素仪表、电离式仪表、同位素x荧光式仪表。 放射源不断地放射出人们看不见的射线（α、β或γ射线），这种射线射到被测物上，一部分射线穿过被测物，一部分射线由于和被测物质中的原子碰撞而发生散射。射线和某些物质中的原子相遇时，还可能发生电离作用或激发作用。利用射线穿过被测物的多少与被测物某参数的关系而设计的仪表叫穿透式仪表，有穿透式厚度计、穿透式密度计和穿透式液位计等。利用射线的反散射与散射体某参数的关系而设计的仪表叫反散射式仪表，这种仪表有反散射式厚度计和散射式密度计等。利用射线对气体的电离作用而设计的仪表叫电离式仪表，这种仪表有气体压力计、气体流量计、气体成份分析仪等。利用射线对物质的激发作用会产生特征x射线的原理而设计的仪表叫同位素x荧光式仪表，这种仪表主要有同位素x荧光分析仪和同位素X荧光镀层厚度计。还有利用中子源射出的中于与物质相互作用产生核反应的原理而设计的仪表，这种仪表叫中子式仪表，用得较多的有中子湿度计。 1. 穿透式仪表 穿透式仪表是利用射线穿过物质后的强度与被测物的厚度或密度的关系而设计的。根据人们的研究，一束平行的射线未穿过被测物体后，在物质成份一定的情况下，穿过被测物体的射线强度与物体的厚度和密度都有关系。我们可以在保持物质密度不变的情况下测量其厚度，当密度一定时，穿过物质的射线强度随厚度的增大而减弱。同样，也可以在保持物质厚度不变的情况下测量其密度。这在很多生产过程中是会碰到的，例如，在生产塑料薄膜的过程中，塑料薄膜的密度可以保持不变，而其厚度在压延过程中却常常会有所波动；又例如，矿浆在管道中传送时，可以作到将管道充满，保持其厚度不变，而它的密度则随时间而变化。 射线穿过物质时会随厚度或密度的增加而减弱其强度源于β射线和γ射线穿过物质时发生的相互作用。β射线穿过物质时，主要有电离、反射和吸收作用。所谓吸收就是入射的β粒子被物质吸收了。β粒子在物质中没有明确的射程，就是同一能量的粒子在通过物质时，由于它们所走的路径不—样，因而有的β粒子在比较短的射程内就被反射或吸收了，而有的却没有被散射或吸收，没有被吸收的β粒子就继续前进。随着物质厚度或密度的增加，被吸收的粒子就增多，因而穿过的粒子就减少了。对γ射线来说，它和物质的作用主要有光电效应、康普顿效应和电子对生成。当γ光子穿进物质后，它和物质中的原子发生光电效应。随着入射γ光子能量的增加，能量损失主要表现为康普顿散射。当γ光子的能量大到一定值的时候，还能生成电子对，即形成了电子－正电子对，而γ光子就失去了它的全部能量。当γ光子能量比较大时，电子和正电子的运动方向差不多和光子的方向一致，只差一个小的角度，由于光电效应、康普顿效应和电子对生成。γ射线其强度就逐渐减弱。 2. 反散射式仪表 反散射式仪表是利用射线通过物质时发生的反散射现象而设计的。也就是说，射线射到被测物上时，由于和被测物中的原子进行碰撞，有一部分改变了其原来的方向。在散射的射线中，有些射线将被反散射回来。反散射回来的射线的多少与被测物某参数之间有一定的关系。在物质成份一定的情况下，它和物质的厚度和密度有关。当密度一定时，反散射射线的多少和物质厚度有关。利用这样的规律，就可以制成在一定厚度范围内的反散射式厚度计。物质厚度超过一定值就不能测出射线的数量变化，我们称这个厚度为饱和厚度。对于其厚度大于饱和厚度而密度在变化的物质，反散射射线的多少和物质厚度有关。利用这个关系，可以测量物质密度。 3. 电离式仪表 电离式仪表是利用射线对物质的电离作用而设计的。发生电离作用时，若束缚电子所获得的能量是从入射粒子处得来的，则叫直接电离；若是从入射粒子打出的较高能量电子处得来的，则叫间接电离。根据这种电离作用，可以制成气体压力计、气体成份分析仪和气体流量计等。利用电离作用的仪表有几种类型，它们的测量原理不相同。气体压力计是利用电离室内气体压力的大小与电离电流成正比的原理而设计的。气体成份分析仪是根据在气体压力一定的条件下，若气体成份发生变化，则电离电流也将发生变化的原理而设计的。气体流量计是根据被电离的气体离子随气体一起运动这一特点而设计的，探测离子运动一定距离所需的时间就可测出气体流量。 4. x荧光式仪表 利用射线对物质的激发作用，可以制出同位素x荧光式仪表。这种仪表主要有同位素x荧光分析仪。当用一个适当的初级射线源去照射样品时，样品的原子会处于激发状态。处于激发态的原子极不稳定，将发射特征x射线。所谓特征x射线是指这种x射线的能量能表征发射x射线的元素。测出样品发出的特征x射线的能量就知道样品中含有哪些元素。同时，样品中某元素的特征x射线强度与此样品中该元素的含量是多少。 下面我们按照第一种分类方式对相应的代表性仪器作一些具体的介绍。 图4-11 各种核探测器 图4-12 烟雾探测器 二、强度型同位素仪表 强度型同位素仪表主要是指采用γ射线进行测量的料位计、核子秤、厚度计、密度计、浓度计等。其原理是利用放射源产生的γ射线穿过被测容器时，射线被不同高度、厚度、密度、浓度等介质所吸收，故测得因被吸收而衰减的射线强度，物位越高、厚度越厚、密度越大、浓度越大，γ射线被衰减的程度越大，而穿过待测物体的γ射线被探测器接收，探头将接受到的射线转换成与物料高度、厚度、密度、浓度成正比的电脉冲信号送到主机。这样，通过测量电脉冲信号，就可以准确地得到容器内相应的物位、厚度、密度、浓度等信息。 强度型同位素仪表都服从下面这个指数衰减规律： （4-2） 式中 I—穿过物料后射线的强度； I0—穿过物料前射线的强度； ρ—物料的密度； d—射线穿过物料的厚度； μ—物料的质量吸收系数。 μ依赖于放射源的类型，对于给定的放射源，μ可以认为是常数。如果放射源及射线吸收的路径不变，那么测量值仅和单位物料内的密度、厚度有关，所有其它物理性质如压力、温度、粘度、颜色等均不影响测量值、因此辐射测量方法是十分可靠的。 （一）料位计 料位计是利用放射源产生的γ射线与物质相互作用的康普顿散射效应。在康普顿散射效应中，γ光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使其脱离原子成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化。康普顿效应总是发生在束缚得最松的外层电子上，外层电子的结合能与入射γ能量相比完全可以忽略，所以可以把外层电子看作是“自由电子”，这样根据相对论的能量和动量守恒可以得出散射光子的能量为： （4-3） 式中 Eγ′—散射光子的能量； Eγ—入射光子的能量； θ—散射光子与入射光子方向间的夹角，称为散射角； Φ—反冲电子的反冲角； m0—电子的静止质量； c—光速。 当θ=0°时， 当θ=180°时， 如图4-13料位计测量原理。当液面下降到放射源和探测器组成的水平面那一刻时，探测器的计数会突然发生变化（一般情况下增大），表示液体下降到要求的高度。当然在实际应用中，可以使放射源和探测器组成的系统上下水平移动，也可以让容器上下水平移动达到测量料位的目的。 图4-13 料位计测量原理 该仪表可非接触在线测量密封罐、料仓、反应釜等容器内液位的高度，与容器内被测物料物理、化学性质无关。特别适用于高温、高压、强腐蚀、高粘度、结晶、高粉尘等环境。 实际使用的放射性料位测量系统如图4-10，该系统主要由放射源、探测器、容器及主机三部分组成。其中放射源是该系统的重要组成部分，放射源通常采用以下两种： （1）60Co源 60Co具有相对高的能量，主要用于设备壁较厚的情况。 （2）137Cs源 137Cs具有较低的能量（具有比60Co更好的测量效果，并且屏蔽容易），其主要的能量为0.660MeV，常用于设备壁厚较薄的情形。 另外探测器也是该系统不可缺少的组成部分。常用的探测器有电离室、闪烁探测器。 （1）电离室 电离室具有较高的牢固性和可靠性，测量范围较宽。 （2）闪烁探测器 闪烁探测器灵敏度较高，辐射源剂量较小。柔性探测器是闪烁探测器的一种，除具有闪烁探测器所具有的特点之外，还具有柔性、量程更长和安装方便的特点，尤其适用于不规则容器及测量范围较大的环境。 此外微处理机技术作为放射性料位计主机也是其重要特点。微处理机具有较强的计算功能、连续的自诊断功能、数据保护功能和高精度，操作简便等特点。 图4-14 料位计测量系统图 （二）厚度计 图4-15 厚度计原理示意图 图4-16 射线测厚仪 对物质厚度的检测主要有接触式以及非接触式两种方法。接触法易划伤被测物质表面；电容或红外线等非接触式检测方法又容易受到物质灰分、水分、密度等因素的影响，精度不高；放射性厚度计利用对射线的吸收或反射而测量物质厚度，可采用非接触方式在线测控木材、钢板、玻璃、布匹等介质的厚度变化，与被测物料物理、化学性质无关。被测物料可以是液体、粉末、颗粒、板料等，检测精度可达0.5%。 放射性厚度计根据原理差别可分为透射式厚度计、反射式厚度计。透射式厚度计原理如公式（4-1）所示。反射式厚度计的原理比较复杂：根据实验可得出反散射和被测厚度的关系曲线。总的趋势是：随被测厚度的增加反散射强度也增加，以后逐渐达到饱和，在饱和之前，只要测得反散射强度就可知道被测厚度。 放射性厚度计包括：α厚度计、β厚度计、γ厚度计、Χ射线荧光厚度计等。由于射线易被空气吸收与散射，干扰大，因此具有干扰少，量程宽，精度高等优点的X射线荧光方法较射线测厚法使用广泛。 X射线荧光方法测厚可以采用三种方法：1）发射法：放射源可以激发表层的X射线荧光，该X射线直接被探测器记录；2）吸收法：源激发底层的X射线荧光，该X射线荧光被表层吸收后再被探测器记录；3）反射法：直接记录放射源源初级射线的散射射线。下面介绍一下常用的吸收法和反射法的测量原理。 1．特征荧光吸收法 轻元素（C、H、O、Si、Al等）的特征X射线不易被激发和探测，同时它们不会对中高能X射线产生特征吸收作用，因而可利用X射线穿过薄层的吸收情况来测定轻物质薄层（如纸张）的厚度。 测量原理如图4-17所示，放射源的源初级射线被薄层吸收后，激发辐射体中元素，产生特征荧光。辐射体所产生的特征X荧光再穿过物质被探测器记录。测量纸张厚度时，辐射体可选择含Fe或Zn的合金。其基本公式为： （4-4） 式中 IA—探测器记录到的特征荧光计数率； K—比例常数； I0—源初级射线在薄层样品表面的计数率； CA—特征X荧光的目标元素含量； μ01—薄层对入射辐射的线吸收系数； μ02—辐射体对入射辐射的线吸收系数； μ21—薄层对辐射体中目标元素的特征荧光的线吸收系数； μ22—辐射体对辐射体中目标元素的特征荧光的线吸收系数； d—所测量物质的厚度； α—源初级射线的入射角； β—特征荧光出射角。 图4-17 特征荧光吸收法原理 2．反散射法 测量原理如图4-18所示，散射射线计数率的基本公式为： （4-5） 式中 Is—探测器记录到的散射射线计数率； Ks—比例常数； σ—源初级射线在被测样品产生散射射线的散射总截面（σ相干和σ非相干）； μ0—薄层对入射辐射的线吸收系数； μs—散射射线的线衰减系数； α—源初级射线的入射角； β—散射射线的出射角； 其它参数同式（4-4）。 图4-18 反散射法原理 （三）核子秤 核子秤用途十分广泛，特别使用于环境条件恶劣的各种工业现场，核子秤称量各物料的最大特点是“非接触性”，它是理想的非接触式连续称重计量控制设备，测控精度高，长期稳定性好，克服了其它称重设备因机械变异（皮带跑偏、磨损、张力变化、物料冲击）等因素引起的测量误差。 我国核子秤的应用始于20世纪80年代初，它是一种新型的散装物料在线计量装置，是现代核技术与计算机技术相结合而成的高新技术产品。核子秤相对电子秤而言有其独特的优点： （1）核子秤不受物料温度、腐蚀性等的影响，不受输送机振动、跑偏、张力变化、惯性力、大块物料冲击等因素的影响； （2）动态测量精度高，长期稳定性好； （3）结构简单，操作维修方便，安装与维修时可以不拆改原有的输送装置，也可不停产； （4）环境适应性强，可在高温、高粉尘、强振动的恶劣环境中工作； （5）适用范围广，除皮带传送机外，还可用于螺旋、链板、斗式及双管绞刀等多种输送机的在线计量。 （6）电子秤的精度虽然可以达到很高的水平，但其传感器比较娇气，机械结构复杂，对操作维护人员的技术水平要求高，此外，电子秤主要用于皮带输送机，在其它输送机上很难应用。因而，核子秤得以补其不足。 世界上技术领先的核子秤，应首推美国Kayray公司和德国的Berthold公司产品。Kayray公司采用点状射源发射，高压充气长电离室接收；Berthold公司采用线状射源发射，由闪烁探测器接收。 1．核子秤的基本原理 核子秤的工作原理是基于γ射线穿过被测介质时，其强度的衰减服从指数规律，即当γ射线能量一定时，其强度的衰减与介质的组分、密度和射线方向上的厚度呈指数关系。通过对载有物料时的射线强度进行连续测量，并与空皮带（或其它传送设备）时的射线强度测量比较，同时，对皮带的运行速度加以测量，然后通过计算机系统计算，直接在线显示单位载荷、瞬时流量、累积量等工艺参数。 2．核子秤的组成 核子秤一般由放射源（γ射线源及防护铅罐）、支架、电离型γ射线探测器、前置放大器、测速传感器、核子秤主机系统等组成（见图4-19）。 （1）放射源 一般采用137Cs，其特点是半衰期较长（30a），放射能量适中（0.661MeV）。射源强度一般在3.7×109Bq左右，射源封装在铅罐内，安装在支架上。 （2）支架 支架的作用主要是将γ放射源与秤体牢固地连在一起，以保证放射源与秤体不出现相对位移，支架一般采用A型架，其具体尺寸依据电离室的长短以及现场条件而定。 （3）电离室 电离室的作用是把γ射线强度转换成与之成正比的电信号。电离室是充满惰性气体的圆柱形容器，内有两个绝缘电极，两电极上有直流500V的电压。当有γ射线照射在电离室上，从其壁中和惰性气体上释放出高能量的二次电子，二次电子对气体产生电离作用，在电极上形成与射线强度成正比的电离电流。该电流非常弱，一般为l0-9A～10-11A数量级，经前置放大器变换成电压信号，电离室是核子秤的核心部件，其性能是否可靠直接影响整机的测量精度。 （4）速度传感器 速度传感器的作用是把皮带的速度转换成一个电压信号送入主机。常用的速度传感器有磁电感应脉冲式测速电机、光电速度传感器和恒速装置等。 （5）主机 早期的主机一般采用以CPU为核心的数据处理及操作控制装置，近年来，越来越多的生产厂商直接采用先进的工业计算机为主机，其特点是运算快，抗干扰性好，便于连网，集中控制，其功能不仅有采集来自电离室和速度传感器的信号进行运算处理，并显示、打印皮带负荷瞬时流量，流量数字显示，上限、下限、定值报警、自动空带识别、自动标定当前源强I0及有关参数，输出模拟，数字信号，还可带PID定值和比例控制功能、故障自诊，键盘操作、主机可一机一秤，也可一机多秤。 图4-19 核子秤的结构示意图 1—放射源及源室，2—秤架，3—皮带及物料流， 4—探测器，5—皮带速度传感器，6—微处理机 图4-20 核子秤的原理示意图 图4-21 SY-5500核子秤 3. 核子秤的应用举例 由于不同的物料对γ射线的吸收系数不同，因此理论上核子秤只适用于对同一种物料的计量，但在实际生产中，核子秤也有其特殊应用，比如可以用核子秤进行混合物料配比的自动控制。以水泥厂水泥磨配料，控制熟料、矿渣、石膏的比例为例。其原理如下图4-22所示，通过1#秤的为物料A，通过2#秤的为物料A和物料B，物料A和物料B是两种不同的物料，且两种物料的流量和比例是变化的。在这种情况下，通过l#秤和2#秤实现对两种物料的瞬时负荷分别进行计量。其计算过程如下： 图4-22 配料设备简图 对于FA(物料A的瞬时负荷)的计量由l#秤完成： （4-6） 式中 KAl—l#秤物料A的负载常数； UAl—加物料A后l#秤的信号电压； Uol—l#秤的空带电压。 对FB(物料B的瞬时负荷)的计量由l#秤和2#秤共同完成： （4-7） 式中 KB2—2#秤对物料B的负载常数； U2—加物料A和物料B后2#秤信号电压； Uo2—2#秤空带电压； KA2—2#秤物料A的负载常数； UA1△t—△t之前l#秤信号电压； △t—物料从l#秤到2#秤所用时间。如果物料流量比较均匀，也可用UA1代替UA1△t。 4. 核子秤其它用途 采矿和选矿：矿石总开采量、粉碎机给料量、精矿计量等。 化工：原料、干渣等的计量。 水泥：窑中各种原料的计量及配比控制。 造纸：木屑计量、连续、批量蒸煮器给料。 食品：粮食输送机给料计量。 煤炭：开采、选煤给料、码头港口输煤计量，发电配煤及原煤、精煤计量。 钢铁：输配煤、选矿给料、焦炭计量等。 适用输送机型：皮带输送机、刮板机、链式给料机、震动式给料机等。 （四）密（浓）度计 密（浓）度计采用γ射线透射原理，非接触在线测控密封罐、槽管道内液体的密度、浓度、介面变化等，由于是非接触测量，可广泛用于制药、采油、炼油、化工、煤炭、冶金、水利、食品等工业部门，尤其可用于高温、高压、有害气体、易然易爆、高粉尘等环境，比常规仪表有明显优势。 用于密度计时：可测定各种流体、半流体或混合物的比重，如：水泥浆、沙浆、矿浆、纸浆以及化工制品、药制品过程中的随机比重。 用于浓度计时：可测定溶液或混合物的百分浓度（或配比），如：各种溶液、矿浆、泥浆、砂浆、饮料浮选剂等浓度。配合流量计即可方便计算出干矿物质瞬时质量流量及累计量。 图4-23 仪表的框图 （五）单光子骨矿物质密度测定仪 单光子骨矿物质密度测定仪主要用于测量人体及动物活体的骨矿物质含量。可用于因肾功能不全、代谢性疾病、血液病、光照不足、缺乏运动、营养不良、药物应用等所引起的骨质疏松症的早期诊断、临床诊断及疗效观察、也可用于骨代谢的基础理论研究。 单光子骨矿物质密度测定仪的特点是：仪器直线扫描系统采用丝杠传动，误差小，噪音低，运行平稳可靠；采用241Am γ源，半衰期为432.6a，长期使用无需更换；扫描器设计有放射源自动屏幕装置，扫描完毕自动复位屏蔽射线发射窗口。用户不必担心因操作疏漏造成射线泄漏；仪器的数据处理和扫描控制采用微机控制，适时显示骨吸收曲线。微机自动确定软组织平均值及骨宽定界，排除了人为定界的主观不确定因素。 （六）原油水份分析仪 原油水份分析仪可广泛用于石油开采、炼油、化工等工业部门。由于是非接触式在线测量，因此特别适用于高温、高压、高粘度、剧毒、深冷、易燃、易爆的密闭系统中工艺参数的在线测量（如原油的混合密度、原油中纯油的含量、原油中水份的含量、瞬时质量流量以及原油中含蜡量的高低等），这是常规仪表无法比拟的。 图4-24 水分分析仪 三、图像型的工业CT和辐射成像仪表 辐射成像技术是采用平移扫描方式和图像处理技术相结合来获得被检测物体的辐射投影图像的。由于它能实时、直观地反映被测物体，对缺陷的判断与识别比较容易，因此在核技术、航空与航天、冶金和机械制造等工业中得到越来越广泛的应用和推广，并成为当前国内外无损检测研究的热点。 辐射成像技术有透射和反散射两种方式。透射方式采取放射源和探测器在工件两侧的布置方式，得到的是在射线行进路线上的物质密度的信息。在反散射成像中，放射源和探测器在工件的同侧，测量从物体中散射出来的康普顿散射线，得到物体内部物质的电子分布的图像。 透射和反散射在不同的应用条件下有各自的特点：通过测量康普顿散射线，可以获得物体中三维空间某一点的电子密度信息；而透射射线提供的是在投影方向的二维的密度信息；由于轻物质对康普顿散射的加强作用，使得反散射方式更加适合于检测重物质物体后的轻物质物体。同时由于散射射线能量较低，反散射成像只能获得物体表层的信息，而透射方式则可获得物体深层的信息。 数字图象处理型仪表主要是无损检验（射线探伤）装置，如X射线探伤仪、加速器探伤装置、中子照相、工业CT等。工业CT是工业计算机断层成像技术（Industrial computerized tomography）的简称，是一项集辐射、光学、电子、计算机等多种技术于一体综合性强的高新技术。工业CT和医用CT的基本原理相同，因应用领域不同而构成了CT技术中相对独立的另一重要分支，主要用于工业产品无损检测（DNT）和无损评价（NDE)，被测评产品小到几毫米，大到数米，是当代公认的最佳无损检测技术。工业CT技术由于其作用的重要性、技术的先进性以及具有较高的经济效益，因此工业CT机首先被应用于航天、航空、国防等重要部门。在火箭整体测试，航天飞机、武器和弹药的无损检测，各种管道和桩柱的定期检查，工业生产在线测试等方面得到广泛应用。 1979年美国创建了科学测量系统公司SMS专门从事工业CT的研制与技术服务。1987年又创建了专门从事IPIS研制生产的国际数字模式公司IDM公司。1988年美国投资240万美元研制出了“钢管全长检测系统”（IPIS）的工业CT。 近年来，随着商品生产的国际化，集装箱运输已成为国际货运的主要方式。然而，它在带来快捷、方便的同时，也被一些不法之徒用来走私货物、贩卖毒品、偷运武器和爆炸物、进行商品诈骗和恐怖主义活动，严重威胁着国家的经济秩序和社会安全，已成为国际社会一大公害，利用60Co集装箱检查系统可有效打击这些犯罪活动。 我国清华大学核能技术设计研究院研制出了世界上第一套60Co集装箱CT检测系统，该系统由射线源、探测器、图像处理系统、拖动系统、控制系统和辐射防护与安全系统六部分组成。当集装箱通过时，快门自动打开，60Co发出的γ射线被准直器约束成扇形片状窄束，穿过集装箱到达探测器。探测器将接收到的γ射线转换成电信号，送到计算机进行图像处理，可在屏幕上将集装箱内隐藏的走私品、毒品、武器和炸药等显示的一清二楚。过去人们要开箱检查，费时费力，现在不开箱只需4min即可将一个箱内物品查清，有效的打击了走私犯罪，创造了可观的经济效益。 射线检测按照不同特征（如使用的射线种类、记录的器材、工艺和技术特点等），可将射线检测分为许多种不同的方法。射线照相法是指用X射线或γ射线穿透试件，以胶片作为记录信息的器材的无损的检测方法。该方法是最基本的、应用最广泛的一种射线检测方法。 （一）X射线探伤仪 射线的种类很多，其中易于穿透物质的有X射线、γ射线、中子射线三种。这三种射线都被用于无损检测，其中X射线和γ射线广泛用于锅炉压力容器焊缝和其它工业产品、结构材料的缺陷检测，而中子射线仅用于一些特殊场合。射线照相设备可分为：X射线探伤仪，高能射线探伤设备（包括高能直线加速器、电子回旋加速器），γ射线探伤仪三大类。X射线探伤仪管电压在450kV以下。高能加速器的光子辐射能量一般在2MeV~24MeV，而γ射线探伤仪的射线能量取决于放射性核素。 1．射线照相法的原理 X射线是从X射线管中产生的，X射线管是一种两极电子管。将阴极灯丝通电使之白炽，电子就在真空中放出，如果两极之间加几十千伏以至几百千伏的电压（即管电压）时，电子就从阴极向阳极方向加速飞行，获得很大的动能，当这些高速电子撞击阳极时。与阳极金属原子的核外库仑场作用，放出X射线。电子的动能部分转变为X射线能，其中大部分都转变为热能。电子是从阴极移向阳极的，而电流则从阳极流向阴极，这个电流为管电流，要调节管电流，只需调节灯丝加热电流即可，管电压的调节是靠调整X射线装置主变压器的初级电压来实现的。 射线照相法是利用射线透过物体时会发生吸收和散射这一特性，通过测量材料中因缺陷存在而影响射线的吸收来探测缺陷。X射线和γ射线与物质相互作用时，其强度逐渐减弱。射线还有个重要性质，就是能使胶片感光，当X射线或γ射线照射胶片时，与普通光线一样，能使胶片乳剂层中的卤化银产生潜象中心，经过显影和定影后黑化，接收射线越多的部位黑化程度越高，这个作用叫做射线的照相作用。因为X射线或γ射线使卤化银感光作用比普通光线小得多，所以必须使用特殊的X射线胶片，这种胶片的两面都涂敷了较厚的乳胶，此外，还需使用一种能加强感光作用的增感屏，增感屏通常用铅箔做成。把这种曝过光的胶片在暗室中经过显影、定影、水洗和干燥，再将干燥的底片放在观片灯上观察，根据底片上有缺陷部位与无缺陷部位的黑度图像不一样，就可判断出缺陷的种类、数量、大小等，这就是射线照相探伤的原理。 2．X射线探伤仪的组成 X射线探伤仪主要由机头、高压发生装置、供电及控制系统、冷却防护设施四部分组成，可分为携带式、移动式两类。移动式X射线探伤仪用在透照室内的射线探伤，它具有较高的管电压和管电流，管电压可达450kV，管电流可达20mA，最大透射厚度约100mm。其高压发生装置、冷却装置与X射线探伤仪机头都分别独立安装，X射线探伤仪机头通过高压电缆与高压发生装置连接。机头可通过带有轮子的支架在小范围内移动，也可固定在支架上。便携式X射线探伤仪主要用于现场射线照相，管电压一般小于320kV，最大穿透厚度约50mm。其高压发生装置和射线管在一起组成机头，通过低压电缆与控制箱连接。 便携式超薄X射线检查仪采用恒流X射线管，能提供80keV、100keV、120keV等多种能量的X射线。由于毒品、炸药等低密度有机物对低能X光敏感，金属、陶瓷等高密度材料对高能X光敏感，因此利用多能X射线成像技术可以有效的区分有机物和金属等物质，常用于安检、排爆、反恐、缉毒、缉私等检查。 便携式超薄X射线探伤仪具有如下卓越性能： · 探测箱超薄便携，厚度不到8cm； · 成像面积大，可达30cm×40cm，只需X射线透视一次就可检测完一个较大箱包的每个角落； · 探测效率强，可以大大降低辐射剂量； · 穿透能力强，能进行人体透视； · 探测箱可根据被检测物的形状位置任意调整，正放、侧放、翻转、仰放、俯放都可以使用； · 配备大功率高性能锂离子电池，充电一次，可检测百余件嫌疑箱包或嫌疑人； · 采用高品质X光管，使用寿命长，能提供多种能量的X射线，有利于毒品、炸药等有机物检测； · 16位图像灰度级，图像对比度可达到65535:1，比普通X射线透视图像对比度高200倍。 图4-25 某种型号的便携式超薄X射线探伤仪 （二）γ射线探伤仪 1．γ射线探伤仪的原理 γ射线探伤就是利用γ射线极强的穿透性和直线性来探伤的方法，其工作原理也是基于射线穿过物质后的衰减效应。γ射线虽然不会像可见光那样凭肉眼就能直接察知，但它可使照相底片感光，也可用特殊的接收器来接收。当γ射线穿过（照射）物质时，该物质的密度越大，射线强度减弱得越多，即射线能穿透过该物质的强度就越小。此时，若用照相底片接收，则底片的感光量就小；若用仪器来接收，获得的信号就弱。因此，用γ射线来照射待探伤的零部件时，若其内部有气孔、夹渣等缺陷，射线穿过有缺陷的路径比没有缺陷的路径所透过的物质密度要小得多，其强度就减弱得少些，即透过的强度就大些，若用底片接收，则感光量就大些，就可以从底片上反映出缺陷垂直于射线方向的平面投影；若用其它接收器也同样可以用仪表来反映缺陷垂直于射线方向的平面投影和射线的透过量。一般情况下，γ射线探伤是不易发现裂纹的，或者说，γ射线探伤对裂纹是不敏感的。因此，γ射线探伤对气孔、夹渣、未焊透等体积型缺陷最敏感。即γ射线探伤适宜用于体积型缺陷探伤，而不适宜面积型缺陷探伤。 通过确定工件的射线强度来判定缺陷的方法有照相法、荧光屏直接观察法、电视观察法以及射线强度测量法等几种。 照相法的灵敏度较高，但需要暗室处理等工序，检验周期较长；荧光屏法成本较低，可连续检测并迅速得到结果但是灵敏度比较低，能检测的厚度有限，一般适用于检测50mm以下的轻金属（如铝、镁及其合金）或者20mm以下的钢铁工件；电视观察法是在荧光屏直接观察法的基础上发展起来的，可以满足自动化无损检测的快速、直接、连续等需求。同时，由于可以在远离辐射场的地方进行操作和观察，可以完全避免辐射损伤。其缺点与适用范围与荧光屏直接观察法相同；射线强度测量法的优点是可以对被测物进行快速、连续的检测，可用于自动生产线。 2．几种类型的γ射线探伤仪 · 192Ir　γ射线探伤仪 γX-3M型和γX-3M-1型γ射线探伤仪是一种应用192Ir放射源（半衰期为74.3d，能量为0.3 Mev～0.6Mev）的γ射线探伤仪，也可采用137Cs放射源，稍加改装后还可采用75Se（硒-75）放射源。 · 75Se　γ射线探伤仪 γX-3M-B型γ射线探伤仪，是一种应用75Se放射源的γ射线探伤仪，该机结构更为紧凑、体积小、安全可靠，由于75Se源的平均能量均为0.206MeＶ，低于192Ir，可以获得高质量的图像，75Se源的半衰期为118d，是在役管线及压力容器和长输管线探伤的最佳选择，目前小径管射线检测中通常使用75Se放射源代替传统的192Ir放射源。 表12 75Se、192Ir、X射线特性比较 射源种类 平均能量（kV） 半衰期（d） 照射剂量率（C·kg-1·s-1） 射线的质 75Se 206 120.4 0.20 较硬 192Ir 355 74 0.47 很硬 X射线 130～280 - 与方向有关 软 从表12可以看出，75Se射线源具有较低的能量范围，适合透照铁基材料厚度40mm以下的工件。75Se射线源的半衰期为120.4d，同样一颗活度为3.7×1012Bq的射源，衰变到活度为3.7×1011Bq的废源，75Se射源的衰变期约396d，而192Ir射源的衰变期只有245d。另外，75Se射线源在空气中1m处的照射剂量率系数约为0.20C·kg-1·s-1，192Ir射源在空气中1m处的照射剂量率系数为0.47C·kg-1·s-1。一方面减少了周围环境的散射线，另一方面减少了射线作业人员辐射吸收剂量。 图4-26 RDEES系统在威青输气管线工程现场测试 · 60Co　γ射线探伤仪 TK-100型γ射线探伤仪是一种应用60Co放射源的伽玛射线探伤仪，一般配备小车搬运，性能优良，安全可靠。 图4-27 几种类型的γ射线探伤仪 （三）中子照相 对于中子照相，参阅本书3.5节。 （四）集装箱CT检测系统 美国Los Alamos国家实验室造就了世界上第一套可移动式工业CT系统，是世界上最先进的三维CT系统。集装箱CT检测系统是我国“十·五”科技攻关计划重点组织实施的项目，是针对我国目前的工业无损检测、反恐形势和反走私的实际需求而提出的。我国清华大学核能技术设计研究院研究安继刚院士带领科技人员在发明60Co集装箱检测系统（相当于X射线检查）之后，于2002年研制出了世界上第一套60Co集装箱（大型客体）CT检测系统，创下了小型加速器体积与美国产品相同，辐射泄漏防护性能却高出一个数量级的奇迹。该CT检测系统具有优良的检测性能，如藏在集装箱里由黄油包裹的肥皂，匿藏在大米包中的汽油和水，混藏于香烟堆中的聚四氟乙烯（与炸药密度大致相同）都能被毫无遗漏地检测出来 60Co集装箱CT检测系统采用特殊结构设计，可使检测设备围绕集装箱做旋转运动，可在任一角度对箱内物品进行扫描，显著地提高了检测能力。它的研制成功，为查找毒品、炸药及易燃危险品等提供了切实有效的手段，解决了目前各国安检部门与海关迫切需要而尚未解决的难题。该系统对于军用及工业无损探伤也具有良好的应用前景。 图4-28 60Co集装箱CT检测装置的工作原理框图 1．集装箱CT检测系统简介 集装箱CT检测系统是采用断层扫描成像的方法对集装箱等大型被检客体进行无损检测的一种装置。60Co集装箱CT检测系统主要由放射源（60Co工业探伤仪）、阵列探测器、数据采集系统、机械系统、控制系统、数据传输系统、图像重建系统和图像显示分析系统等子系统组成。其中的控制子系统是60Co集装箱CT检测系统中的重要组成部分，对保证整个检测系统的稳定、可靠运行有着重要意义。 60Co集装箱CT检测系统的在线检测状态示意图如图4-29所示。 图4-29 60Co集装箱CT检测系统在线检测状态示意图 安装了放射源和阵列探测器的CT环形门架可以在竖直平面范围内以任意角度旋转，因此60Co集装箱CT检测系统不仅可以对被检物体的可疑区域作CT扫描，还可以对大型被检客体作任意角度的DR投影扫描。该检测系统通过计算机图像重建技术获取集装箱选定部位的断层数字图像，提高了对被检物体形状识别的能力；而且具有根据CT图像的灰度值（CT值）与物质密度相关这一特性来判别物性的功能，可以把食糖与食盐、水和油（或酒精）等按密度的差别区分开。 2．控制子系统功能 60Co集装箱CT检测系统的功能结构示意图如图4-30所示，其中控制子系统包括安全监控系统、扫描控制系统和主控系统。安全监控系统的主要功能是安全联锁，实现对射线源的管理和射线辐射的控制，保证60Co集装箱CT检测系统运行时的设备和人身安全。扫描控制系统的主要功能是控制机械系统的运动，实现CT环形门架的随机旋转、固定位置旋转和连续旋转功能以及平移机构的前进、后退和定位功能，保障对集装箱进行DR扫描和CT扫描的顺利完成。 图4-30 60Co集装箱CT检测系统功能结构示意图 60Co集装箱CT检测系统中控制子系统的主控系统是其控制枢纽。主控系统的主要功能包括：(a)完成对集装箱的DR扫描和CT扫描的流程控制。本检测系统的扫描模式有正视投影、俯视投影、双投影、CT扫描和常规扫描（双投影加CT扫描）；(b)与扫描控制系统和安全监控系统进行通讯，发送流程控制命令并接收检测系统反馈的状态信息；(c)与数据传输系统进行通讯，发送集装箱扫描模式命令和数据采集控制命令，接收数据采集系统获取的原始集装箱DR图像和CT图像，并实时显示和保存原始集装箱图像； (d)与图像重建系统进行通讯，把所获得的原始集装箱DR图像和CT图像分配给图像重建系统，分别进行刻度校正和图像重建；(e)与图像显示和分析系统进行通讯，把经过图像重建系统处理后的集装箱DR图像和CT图像分配给图像显示和分析系统，以对集装箱图像进行检查，确定所检测的集装箱中是否有可疑的违禁物品。 60Co集装箱CT检测系统的检测CT图像如图4-31所示。 图4-31 航空集装箱的检测CT图像 60Co集装箱CT检测装置样机已于2002年底研制成功。图4-32为装置对某款轿车做的正视和俯视DR透视图像。前轮和后轮部位图像灰度值较高，对这两个部分做了CT扫描。图4-33是前轮和后轮部分的截面CT扫描图像，从中可以清晰看出前轮部位减震器弹簧、轮胎等的结构截面，后轮部位的备胎、车厢等截面也很清晰。 图4-32 某款轿车透视图 a-前轮部位 b-后轮部位 图4-33 某款轿车CT截面扫描图 四、能谱型的核分析仪器 物质在射线的作用下产生的激发、电离、散射、核反应等物理效应，可诱发物质发射次级射线。根据物质次级射线的能谱强度可进行物质元素的鉴别并实现微量物质成份的分析。近年来由于出现了高分辨率的辐射探测器和多道脉冲幅度分析器等核电子学仪器，使分析测量的灵敏度与准确度大为提高。电子计算机的广泛应用进一步改善了数据处理的速度和规模，使开发出来的能谱分析型仪表结构更趋小型化、轻便化，特别是为仪表的现场应用和野外操作提供了方便。这类核仪表可以分为三种类型：荧光类仪表（如放射性核素X射线荧光分析仪）；活化类（主要指中子活化）仪表；核测井仪表（如石油、煤田、金属测井用核仪表）。 X射线荧光分析仪和中子活化分析仪在第三章已有介绍，此处仅介绍核测井仪表。 （一）核测井 核测井即是将核技术应用于井中测量，利用辐射与物质相互作用的各种效应或岩石本身的放射性，研究井的地质剖面，勘探石油、天然气、煤以及金属、非金属矿藏，研究石油地质、油井工程和油田开发的核地球物理方法，又称放射性测井。 核测井技术是随着当代核技术的发展和石油、煤炭、地质矿产等对核测井技术发展的需要而迅速发展起来的尖端测井技术之一。随着人工射线源技术、传感器技术、测量技术、信息处理技术与计算机技术的发展，核测井技术目前仍处在飞速发展之中。核测井仪器的应用越来越广泛。美国的石油核测井行业为仅次于核医学的第二大同位素应用领域。 1．射线源型核测井仪 核测井技术的大多数方法依赖于射线源性能，少部分方法利用井下地层的天然放射性进行测量。现有的测井用射线源主要是γ射线源和中子源。受井眼尺寸（偏小、弯曲、不规则等）、井下环境（高温、高压等）制约，地面实验用加速器γ源等技术尚难以应用于测井领域，测井常用的γ源多是放射性核素源,主要用于示踪测井。随着核技术发展，核反应堆、加速器的不断建造，核燃料循环体系的建立，为放射性核素应用提供了日益丰富的物质基础。放射性核素广泛应用研究为更好利用现有设备资源开辟了新途径。测井中的流体密度计、流体识别仪、γ射线探伤仪、厚度检测仪等均利用了放射性核素信息源技术。 2．传感器型核测井仪 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。它是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其它所需形式的输出，满足信息的传输、存储、显示、记录和控制要求。传感器属高新技术的瓶颈工业，它的地位非常重要。我国测井用的传感器技术较为先进，基本上与国际水平相近，但创新不够，大多是引进、模仿和仿制，这与我国测井需要不相适应。 测井用传感器的核心部件是探测器。不同的核辐射需要用不同的探测器测量。所有核探测器均基于射线与物质的相互作用原理，在物质中具有不同的空间分布、能量分布、时间分布和特征作用而制作。 核测井探测器要求高效率、高计数通过率、高能量分辨率、高耐温、耐压、高抗震、小体积、价格适中等。测井常用的γ和X 射线探测器为闪烁探测器，主要由闪烁体、光电倍增管和电子仪器组成。 第四节　　同位素仪器仪表发展趋势 目前同位素仪表正不断更新结构、完善功能、提高精度、改善仪表的稳定性、可靠性，实现仪表标准化、系列化、通用性、小型化、自动化与智能化，以适应现代化工业的连续化、高速化、精密化的要求。同位素仪表是实现生产自动化、产品无损检测及资源勘探的一类重要仪表，随着计算机和其它科学技术的进步和发展，同位素仪表的稳定性和可靠性大大提高，实现了数据的自动采集、处理与和生产过程的闭环控制，同位素仪表技术发展已达到了一个崭新的高度。同位素仪表将不断拓展在工业、农业、国防、资源开发、医学、环保及科学研究等领域的应用，并将取得显著的经济和社会效益，全面推动了社会生产力的发展。 同位素仪表属于一种应用技术，今后虽然在理论方面很难有所突破，但在技术上会随着放射源、核电子学和探测器的发展而发展。预计： （1）便携式中子发生器的产额、寿命和稳定性有所突破之后，可使中子测井和中子活化在线元素分析的应用更加快速发展。活化后的稳定性同位素示踪技术也将进一步在科研、测井学、医学、农学和水利等方面应用。尤其是自动控制产额、稳定性好和寿命长的中子发生器将比同位素中子源更有利于推广。 （2）X光机（X射线发生器）在很多方面将替代同位素γ（X）射线源，并且在微区分析方面优于同位素辐射源。 （3）小型高探测效率的常温半导体γ射线探测源的出现，将克服过去利用气体探测器和低温下工作的半导体探测器存在的缺点。利用这种常温半导体探测器可组成高灵敏度的成像系统，利用点源和点探测器构成的小型探头，可解决边界条件下小范围两相流参数的测量问题。 （4）成分分析类仪表，多参量、高精密度的检测与控制系统是机械、钢铁和有色金属工业质量检验的重要手段，随着生产的要求将进一步提高，向数字化和自动化发展。 （5）工业CT将进一步提高技术性能，并扩大应用。 今后工业同位素仪表可能朝以下几个方向发展： · 就整体结构而言，整个仪表从单元组合式向功能组装式发展。 · 就测量方法而言，从简易的检测手段向高效率、高分辨率的复杂测量装置过渡。 · 就仪表功能而言，正从单点、单参数检测向多点多参数自动检测方向发展。如放射性核素密度计与流量计配以微型计算机组成的双参数测量的质量流量计。又如纸张质量厚度、湿度、灰份等多参数测量。252Cf中子水份计可以同时测量物料的水份和密度。再如采用X射线厚度计，可以同时检测钢丝夹层橡胶制品中的钢丝和橡胶总厚度，钢丝层厚度以及上下橡胶层的厚度。此外，工业同位素仪表与其它非核技术综合应用，有助于扩大同位素仪表的应用范围，提高其应用功能。 · 就仪表的通用性和安全性而言，工业同位素仪表将进一步实现仪表的系列化、标准化。美国制定了放射性核素仪表的安全标准ANSI-N538。估计不久的将来，类似的同位素仪表的国际标准也将提到议事日程。 · 随着各种支持性技术的发展，特别是电子计算机技术的广泛使用，使同位素仪表的技术水平达到了一个新的高度；同位素仪表采用电子计算机后，结构紧凑，体积缩小；测量由模拟向数字化方向发展，实现输入信息的自动补偿，系统启动、调节和操作程序化，并对采集的数据进行运算、判断、分析与处理，从而扩大了仪表信息功能，提高了仪表检测精度，为多参数测量和生产过程闭环控制奠定了基础；仪表由硬件和软件相组合，体现出设计的合理性和操作的简便性。仪表具有故障自我诊断功能，大大减轻了设备维护的工作量，从而提高了仪表的可靠性；通过图像视频彩色显示，达到了更好的人机结合，以满足现代化工业生产连续化、自动化与高速化的要求，实现检测非接触化、非破坏性、超差传感，以保证产品100%的检验，并在出现超差之前加以校正。通过数字和图象信息显示，达到更好的人机结合，以满足现代核测井生产连续化、自动化、智能化、高速化与集成化的要求。 习题 1. 衡量辐射探测器的主要性能指标有那些？请具体描述。 2. 请描述能谱型同位素仪表的工作原理？ 3．强度型同位素仪表的工作原理是什么？ 4. 什么叫核测井？ 参考文献 [1] 庞巨丰，迟云鹏，钟振伟. 现代核测井技术与仪器[M]. 北京：石油工业出版社，1998. 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