中子水分儀測量方式的改進研究

龔亞林,趙中華,吳志強,李巖峰,張 偉,宋青鋒,劉 輝,魏曉云

(1.丹東東方測控技術有限公司,遼寧丹東 118002;2.遼寧工程地質職業學院機電系,遼寧丹東 118008)

中子水分儀主要包括中子源和中子探測器[1]。從中子源放出的快中子照射到物料中,被氫原子慢化,變成慢中子。慢中子穿過物料后被探測器接收。慢中子的產額與物料中水的含量有關。利用檢測慢中子計數反映物料含水率的方法稱為中子測水技術。

中子水分儀目前普遍采用的測量方式有透射和散射兩種[2]。透射測量時,中子源與中子探測器位于物料的兩側,中子源發出快中子,被含水分的物料慢化,透射的慢中子被位于物料異側的中子探測器接收。透射式測量時,由于中子的穿透性強,中子與物料中的氫原子充分作用,測量結果的代表性較高。但當物料過厚或含水分過高時,中子無法穿透物料,因此也無法被探測器接收。

采用散射測量方式時,中子源與中子探測器位于物料的同一側,快中子被物料中的氫原子慢化后,經散射被中子探測器接收。在這種測量方式下,無論物料有多厚,散射中子總能夠反映水分含量。散射式中子水分儀的優勢在于不受物料厚度的限制,總能測量出物料中水分含量,因位于探測器遠端的物料產生的慢中子不易被探測器接收到,水分測量值的代表性差些。

如果物料中的水分均勻,透射測量方式與散射測量方式在滿足各自的測量條件下,測量的水分值均是準確的。若物料中水分分布不均勻,如有水分分層現象,局部水分過大或過小情況,物料內部的中子通量將發生變化,導致其慢中子產額有別于水分均勻情況,從而引起中子水分儀的測量誤差。

為了消除或減弱因物料中水分不均勻引起的水分測量誤差,本工作擬采用透射加散射復合測量方式進行測量。

1 透射加散射測量原理

透射加散射測量方式示意圖示于圖1。在此測量方式下,采用了兩個中子探測器。中子源發射出的中子被物料中的水分慢化后,形成慢中子,一部分被位于物料另一側的中子探測器接收,另一部分被位于放射源同一側的中子探測器接收。這兩個中子探測器的計數均被計入水分值中。大部分情況下,測量系統對靠近探測器的物料區域水分響應比較靈敏。在“透射加散射”復合測量方式下,探測器分別位于物料的上部和下部。這樣,當物料中水分不均勻時,透射探測器和散射探測器會出現相反的計數偏差效應。這種相反的偏差效應表現為:當透射探測器慢中子計數偏高時,散射探測器慢中子計數偏低;而當透射探測器慢中子計數偏低時,散射探測器慢中子計數偏高。利用這一特點,透射加散射復合測量方式能夠減小或消除水分不均勻所引起的水分測量誤差。

本工作擬從蒙特卡羅軟件模擬與實驗兩方面著手,分析和驗證“透射加散射”復合測量方式的可行性和可靠性,在物料水分分布不均勻情況下,對測量誤差予以改進。

圖1 透射加散射復合測量方式示意圖

2 蒙特卡羅模擬

利用蒙特卡羅軟件MCNP對中子水分儀的3種測量方式(透射、散射、透射加散射)進行模擬計算,分析物料中水分不均勻情況下水分的測量誤差。為了消除各種不確定因素對水分測量分析的影響,重點分析水分不均勻引起的水分測量誤差。本工作建立的裝置幾何模型簡單化、理想化,與實驗裝置相比,省略了源裝置的屏蔽結構和探測器的金屬外殼等幾何單元。

2.1 透射測量方式模擬

利用蒙特卡羅方法模擬透射式中子水分儀的測量系統。分兩種情況模擬,一種是物料中水分分布均勻,另一種是物料中水分分布不均勻。

2.1.1 水分分布均勻時的模擬

按照圖1的透射測量裝置,利用MCNP建立理想的幾何模型[3]。物料為20 cm厚含水鐵礦粉,中子源位于物料下方20 cm處,按241Am-Be源的能量譜分布,各向同性發射,平均能量為4.4 MeV。探測器為φ50 mm×200 mm的3He探測器。中子源發射的快中子與含不同水分的鐵礦粉發生相互作用后,在探測器區域采用 F1計數器記錄慢中子通量,將此通量乘以源強,得到慢中子相對計數。

當物料中水分分布均勻時,改變鐵礦粉的水分含量分別為6%、7%、8%、9%和10%,利用蒙特卡羅方法模擬得到相應的一組慢中子相對計數。能量在1 eV以下的慢中子相對計數與水分的關系曲線示于圖2。

圖2 慢中子相對計數與水分值的關系

對上述5個水分點及相應的慢中子相對計數進行多項式擬合,得到的擬合函數為:

(1)式中,W為物料中水分值;X為慢中子相對計數。

利用此函數關系,將水分儀探測到的慢中子計數代入(1)式中,即可算得待測物料所含水分值。(1)式的獲得即相當于中子水分儀的標定過程。

2.1.2 水分不均勻時的模擬

為簡單起見,對物料上下兩層水分值不同的情況進行模擬。上部和下部物料水分均勻,但兩部分水分值不同。上下兩層厚度之比為1∶1,忽略水分不同對物料密度的影響,則上下兩層物料的質量之比也為1∶1。上下兩層的水分含量分別為5%和7%,6%和8%,7%和9%,8%和10%,9%和11%。整個物料的折合水分值為6%、7%、8%、9%、10%。定義這種情況為“水分不均勻1”,經模擬軟件計算得到能量在1 eV以下的慢中子相對計數與水分的關系,結果示于圖3。

改變上下兩層物料的水分配比,得到另3種情況的慢中子計數。這三種情況定義為“水分不均勻 2”、“水分不均勻 3”和“水分不均勻 4”。“水分不均勻2”中的上下兩層的水分為4%和8%,5%和9%,6%和10%,7%和 11%,8%和12%;“水分不均勻3”中上下兩層的水分為7%和5%,8%和6%,9%和7%,10%和8%,11%和9%;“水分不均勻 4”中上下兩層的水分為8%和4%,9%和 5%,10%和 6%,11%和 7%,12%和8%。為了直觀地比較這幾種情況下的慢中子計數,將水分均勻的情況和四種水分不均勻情況的慢中子計數一并列入圖4中。從圖4可看出,與“水分均勻”情況測得的慢中子相對計數相比,“水分不均勻1”和“水分不均勻2”偏低,而“水分不均勻3”和“水分不均勻4”偏高。上下兩層物料的水分差異越大,即不均勻程度越高,與水分均勻情況的慢中子相對計數相比,偏離越多。

圖3 水分不均勻情況下慢中子相對計數與水分值的關系

圖4 透射測量方式慢中子模擬相對計數◆——水分均勻;■——水分不均勻1;▲——水分不均勻2;□——水分不均勻3;△——水分不均勻4

將水分不均勻情況的慢中子計數分別代入(1)式,可得到透射方式下4種水分不均勻情況的模擬水分值,結果示于圖5。由圖5可知,在透射測量模式下,水分不均勻的第一種情況的模擬水分值比真實值平均低0.24%,第二種情況的模擬水分值比真實值平均低0.35%,第三種情況的模擬水分值比真實值平均高0.26%,第四種情況的模擬水分值比真實值平均高0.54%。

圖5 透射測量方式模擬水分值◆——水分均勻;■——水分不均勻1;▲——水分不均勻2;□——水分不均勻3;△——水分不均勻4

2.2 散射測量方式模擬

與1.1節模擬過程相同,利用MCNP軟件建立散射測量方式的幾何模型。中子源發射快中子,與含水分的氧化鐵物料發生慢化作用,散射的慢中子被位于物料同一側的慢中子探測器接收,由計數器記錄在探測器區域的慢中子計數。

在物料水分均勻情況下,采用散射測量方式,水分值與慢中子相對計數的函數關系為:

(2)式中,W為物料中水分值;X為慢中子相對計數。

同樣地,模擬了中子水分儀散射測量方式下水分分布不均勻的4種情況的慢中子相對計數,結果示于圖6。為了比較,將水分均勻情況的慢中子相對計數也一并列入圖6中。將慢中子相對計數代入(2)式,得到各種情況下的模擬水分值,結果示于圖7。

圖6 散射測量方式慢中子模擬相對計數◆——水分均勻;■——水分不均勻1;▲——水分不均勻2;□——水分不均勻3;△——水分不均勻4

圖7 散射測量方式模擬水分值◆——水分均勻;■——水分不均勻1;▲——水分不均勻2;□——水分不均勻3;△——水分不均勻4

由圖7可知,散射測量方式下,水分不均勻的第一種情況的模擬水分值比真實值平均高0.53%,第二種情況的模擬水分值比真實值平均高1.11%,第三種情況的模擬水分值比真實值平均低0.48%,第四種情況的模擬水分值比真實值平均低0.88%。

2.3 透射加散射復合測量方式模擬

在物料水分均勻情況下,采用透射加散射復合測量方式,水分值與慢中子相對計數的函數關系為:

(3)式中,W為物料中水分值;X為透射與散射慢中子相對計數之和。

同樣地,通過蒙卡模擬軟件得到了中子水分儀在透射加散射復合測量方式下水分分布不均勻的4種情況的慢中子相對計數,結果示于圖8。為了比較,將水分均勻情況下的慢中子相對計數也一并列入圖8中,然后將慢中子相對計數代入(3)式,得到各種情況下的模擬水分值,結果示于圖9。

由圖9可知,在透射加散射測量方式下,水分不均勻的第一種情況的模擬水分值比真實值平均高0.14%,第二種情況的模擬水分值比真實值平均高0.34%,第三種情況的模擬水分值比真實值平均低0.10%,第四種情況的模擬水分值比真實值平均低0.13%。

與透射或散射測量方式相比,在4種水分不均勻情況下,透射加散射測量方式與真實值最接近,即測量誤差最小。蒙特卡羅模擬結果表明,在水分不均勻情況下,透射加散射測量方式的測量誤差小于前兩種測量方式。

圖8 透射加散射測量方式慢中子模擬相對計數◆——水分均勻;■——水分不均勻1;▲——水分不均勻2;□——水分不均勻3;△——水分不均勻4

圖9 透射加散射測量方式模擬水分值◆——水分均勻;■——水分不均勻1;▲——水分不均勻2;□——水分不均勻3;△——水分不均勻4

3 實驗驗證

取兩個容積相同的容器,尺寸為500 mm×500 mm×100 mm,在容器中加入等量鐵礦粉,視為兩層物料,分別在兩個容器中加入等量的水,并攪拌均勻,則兩個容器物料所含水分量相等,整個物料視為水分均勻分布;將不等量的水分別加入上下兩個容器中,水量多的容器置于水量少的容器上面,視為上濕下干分布,反之為上干下濕分布。水分分布情況列于表1[4]。

采用透射測量方式,放射源位于物料下方,探測器位于物料上方,測得的水分值示于圖10。由圖10可知,與水分均勻情況相比,“上干下濕”的水分測量值比真實值偏低,平均低0.70%;而“上濕下干”的水分測量值比真實值偏高,平均高0.54%。

表1 鐵礦粉水分分布情況

圖10 透射測量方式實驗水分值◆——水分均勻;■——上干下濕;□——上濕下干

采用散射測量方式,放射源與探測器均位于物料下方,測得的水分值示于圖11。由圖11可知,與水分均勻情況相比,“上干下濕”的水分測量值比真實值偏高,平均高0.96%;而“上濕下干”的水分測量值比真實值偏低,平均低0.85%。

采用透射加散射復合測量方式,放射源仍然在物料下方,但物料上方與物料下方均安裝中子探測器。這樣,透射慢中子與散射慢中子同時被測量系統采集,參與到水分值的計算中。測得的水分值示于圖12。對比圖10、圖11和圖12可明顯看出,采用透射加散射復合測量方式后,對于“上干下濕”和“上濕下干”的水分不均勻情況,所測水分值與水分均勻時非常接近,計算結果顯示,平均差值小于0.20%。

圖11 散射測量方式實驗水分值◆——水分均勻;■——上干下濕;□——上濕下干

圖12 透射加散射測量方式實驗水分值◆——水分均勻;■——上干下濕;□——上濕下干

上述實驗結果表明,對于物料水分上下分層情況,透射加散射復合測量方式的測量誤差比透射和散射測量方式的均小。與蒙卡模擬計算結果相比,測量誤差的趨勢和規律是一致的,而實驗的水分測量誤差偏高,主要是由于實驗時儀表的系統誤差和統計漲落等原因所致。

在工業現場,物料水分不均勻的情況比較復雜,這里只對最典型和簡單的情況做了實驗測量。對于其它復雜的水分不均勻的情況,透射加散射測量方式的測量誤差如何,還需深入研究。

4 結 論

以上結果表明,采用透射加散射復合測量方式能夠抵消透射與散射模式因水分分布不均勻引起的不良效應,在很大程度上克服了物料中水分不均勻對測量結果的影響。

但需要指出的是,本工作的研究僅局限于中子透射和散射測量條件同時滿足的情況,要求物料不能過厚或水分不能過大。在工業現場應用中,物料水分分布不均勻的情況較為復雜,本工作的模擬和實驗驗證僅針對幾種典型簡單的情況。對于較為復雜的水分分布不均勻分布情況,“透射加散射”測量方式的測量誤差及其水分值的準確定值尚需作進一步分析和研究。

通常情況下,皮帶式的中子水分儀均可采用透射加散射測量方式來提高測量的適應性和準確度。

[1] 劉圣康.中子水分計[M].北京:原子能出版社,1992:1-9.

[2] Brian Sowerby,Cheryl Lim,James Tickner.Bulk material analyzer for on-conveyor belt analysis:US,6362477[P].2002-03-26.

[3] Briesmeister JF.MCNP4C:Monte Carlo N-particle transport code system[M].Los Alamos.New Mexico:Los Alamos National Laboratory,2000:97-104.

[4] 龔亞林,吳志強,李巖峰.雙端水分測量方法:中國,101074938A[P].2007-11-21.