銫-137在密度測量中的應用

劉維生，靳榮久

（1.唐山師范學院 物理系，河北 唐山 063000；2.唐山灤南一中，唐山 灤南 063500）

銫-137放射源通過發射γ射線對生產過程中的介質料位或密度等參數進行檢測，并通過自動控制回路實現工藝過程的自動控制。這項技術因其節能和環保優勢獲得迅速發展。近年來，干法選煤技術獲得迅速發展，而分選設備的自動化對我國干法選煤技術的進步與發展將起到積極的推動作用。在干法選煤控制中，煤層密度的測定成為整個閉環控制中一個關鍵技術。在大、中型水電站中，灌漿工程必須的水泥漿液的水灰比（即水和水泥灰的質量比）的檢測往往是人工稱量。通過應用以銫-137為放射源發射γ射線測量密度的原理，研制出高精度動態檢測水灰比的核密度計，這項技術大大提高了水灰比測定的精度及縮減了大量人工成本。

1 銫-137密度測量原理

1.1 銫-137性質及γ射線的吸收規律

銫 137為 β-衰變，發射兩種 β-粒子，最大能量分別為0.51163兆電子伏（94.0%）和1.176兆電子伏（6.0%），半衰期為30.17年。銫137發射0.51163兆電子伏的β-射線后，轉變為137Bam。137Bam作同質異能躍遷衰變，其γ能量為0.662兆電子伏，半衰期為2.55分鐘。

密度測量原理是根據被測物料對銫-137輻射源發出γ射線的吸收規律來檢測床層厚度，從而得出相應的被測物料密度值。

γ射線穿透物質后射線的強度會減弱，其中部分射線光子可直接穿透物質，其余射線光子在與物質作用時其能量被物質吸收，一部分產生各種電子和射線，一部分轉變為熱能。射線在物質中傳播時，由于射線光子的能量被物質吸收以及隨著距離的增加而使射線的強度不斷減弱而發生衰減。當放射源固定后，射線在傳播時的衰減就只取決于介質的密度和傳播的距離。

因此 γ射線透過介質后的強度與該介質的密度和厚度有關，符合Lambert-Beer定律，當初始活度的射線通過厚度為δ，密度為ρ的物質后，其活度減弱至I，即式中I為射線透過介質后的強度；I0為在給定距離處無干擾介質時的初始射線強度；μ為吸收系數，與所測介質有關，對固定物質是常數；ρ為介質（通常指吸收物質）的密度；δ為介質的厚度。

γ射線輻射技術正是利用了在射線源和檢測器之間物質對γ射線的吸收率的不同，而對被檢測對象進行“透視”和診斷的一種先進技術。利用這項技術在現實生產及工藝測量中測定介質的密度和料位等參數。

1.2 銫-137核密度計的結構

密度計由放射源和射線探測器組成，放射源為銫-137，一般強度為 1 .85× 108Bq，發射能量為662 keV的 γ射線。放射源放在一個雙層不銹鋼的容器里，呈玻璃球狀，容器壁由鉛制成堅實的防護層，使其僅按所要求的方向發射。

射線探測器由閃爍檢測器和前置放大器組成。其主要作用是接收和轉換（包括放大）輻射脈沖，每一個進入檢測器的γ射線光子產生一個輸出脈沖，它的電壓與入射光子的能量成正比。這些脈沖被放大后，經連接探測器和信號處理機的同軸屏蔽電纜傳輸。

2 銫-137密度測量在干法選煤的應用

如圖1所示，密度測控裝置包含兩個主要單元，測量單元和結果處理單元。測量單元包括：同位素放射源Cs137、同位素放射源支架、信號接收器和分選床信號窗等四個部分。信號接收器包括信號檢測和電子放大裝置。同位素放射源支架位于分選床溢流堰后端，在射線所經過的分選床床體上有信號窗。放射源和信號傳感器位于分選床兩側。結果處理單元主要有密度儀表、PLC系統以及排料調速裝置和排料輪組成。事前根據工藝試驗結果，設定相關參數。

圖1 密度測量裝置

由信號傳感應器接收到的信號送入密度儀表，經密度儀表處理后的電壓信號送給PLC系統，再經過PID處理后，確定物料的給、排料速度等工藝數據，系統自動調節排料輪，排料輪電機依據放射源信號變化自動調節運行頻率。變頻執行機構，實施對排料速度的動態調控，以使所設定密度的料層在分選床出料端處的水平高度始終保持動態穩定平衡，達到理想分選目的。

3 銫-137密度測量在動態檢測水灰比上的應用

3.1 漿液水灰比的檢測的原理

漿液水灰比的檢測是基于漿液對γ射線的吸收作用，即一束γ射線穿過流動的漿液時，一部分射線因和漿液中的原子發生相互作用而被吸收，吸收量和漿液的密度有關，而另一部分經探測器內的閃爍檢測組件和前置放大器把 γ射線光子轉換成一定幅度的電脈沖信號，再輸送到灌漿儀主機計算機系統進行數據處理并顯示和打印出來。透射射線的計數率和漿液密度之間存在如下指數關系

式中，N0為射線的入射計數率；Ni為透射計數率；D為過漿管直徑，m；ρ為漿液密度，g/cm3；μm為質量吸收系數，m2/Kg。

當過漿液管直徑固定后，灌漿儀主機據測到的射線計數率可由機內計算機算出漿液的密度并轉換成水灰比，計算公式為：

式中，ρ漿為被測漿液的密度；N水和ρ水分別為現場灌漿用水的透射計數率和密度；N漿為漿液的透射計數率；μ為吸收系數，μ=Dμm。

3.2 待測漿液厚度

待測漿液的測量結果的精度與其本身的厚度密切相關。被測量厚度的選取由射線能量和漿液密度范圍而定。按照射線吸收規律，漿液厚度越大，對射線的吸收能力越強。即對于同樣密度的漿液，厚度越大，引起透射計量的變化越大，從而測量靈敏度和精度也越高。但測量射線時，若漿液太厚，則透射太少，導致計數的統計漲落太大，反而增大了測量誤差。綜合上述二種現象，可導出漿液最佳厚度公式(3)：

式中，X最佳為漿液最佳厚度。對于銫-137，μm=0.0068m2/Kg。

灌漿常用的水灰比范圍為0.5/1～5/1，水灰比為0.5/1的漿液密度ρ0.51：=1 870Kg/m3，水灰比為5/1的漿液密度ρ5：1=1 220Kg/m3，X最佳分別為0.15 m和0.24 m。考慮到灌漿中水灰比為 0.5/1～1/1時歷時最長，且屏漿時要求水灰比精度高，安裝時放射源和探測器不可能和過漿管道相吻合，因此，取直徑為146 mm的套管作為過漿管道的直徑。

4 射線防護

4.1 射線防護的重要性

γ射線應用技術作為一門蓬勃發展的檢測技術，因其非接觸測量的優越性而令人關注，它通常應用于要求高安全性及高可靠性場合或極端過程條件下其它測量方法無法實現的場合，例如：高壓、高溫、毒性、磨損性、帶攪拌器等。但是由于γ射線具有殺傷生物細胞的作用，而它又不可見，因此對它的安全防護工作沒有引起足夠重視。

如果在設計中選用的射源和活度，能保證防護容器表面的照射率低于國家規定，則不會對人及測量物質產生影響，因此使用放射性儀表時射線的防護是一個關鍵問題。

4.2 銫-137核密度計使用中的輻射安全

自然界本身就存在著放射性，稱之為“天然本底”。據報道，一般地區“天然本底”的照射量為0.6毫倫/24小時，由于其照射量遠遠低于人體所能接受的量值（2毫倫/日），所以我們接受了“天然本底”的照射而沒有對我們產生影響，因此在接觸射線時控制其量值是一個最關鍵的因素。

衡量射線對人體的危害程度，可以借用醫學上的術語——劑量，在這里叫做劑量當量，它的法定單位是Sievert（Sv）；專用單位是雷姆（rem），兩者的換算關系為：1Sv= 100rem。為了保護放射性工作者和公眾免受過量的輻射危害，我國也頒布了與國際標準接軌的國家標準，給出了各種照射情況下的安全劑量限值，見表1。

表1 安全劑量當量

目前所使用的放射性料位計，其放射源都是密封在源裝置內的。設計時所采用的標準是：當放射源裝置安裝到容器上后，無論源裝置是處于開啟狀態還是關閉狀態，距離其外表面12英寸（305mm）處輻射場的照射劑量不超過每小時5mrem（0.005rem），即非職業人員在距離放射源 12″（305mm）處每年不得超過100小時。在輻射場中某一處的射線強度I與它和放射源之間的距離R的平方成反比[3]：

即距離放射源越遠，射線強度就越小。比如當距離放射源裝置1m時，射線的劑量就小于每小時0.5mrem了。因此在正常情況下，操作維護人員每天在巡檢過程中所吸收到的劑量是很少的，所以只要嚴格執行國家標準和安全操作規程，加強放射性檢測，嚴格管理，那么，應用放射性儀表的安全性是有足夠保障的。但是，適當的防護措施還是必需的。

（1）凡是安裝有放射性儀表的場所，要有規定醒目的禁示牌，提醒人們非工作原因不要在附近逗留。

（2）凡屬放射源裝置部分的，必須由職業人員來完成安裝、拆卸、移位、修理和維護的工作。工作人員必須經過培訓，做到熟悉操作減少操作時間，從而減少所受到劑量。平時沒有操作任務時，應盡量遠離放射源。

（3）每隔三年必須對放射源裝置的放射泄漏情況進行一次測定，由職業人員按照規定的程序操作。

（4）裝置停工檢修時，務必要將放射源裝置關閉后才能進入安裝有放射性儀表的容器內部作業，如連續作業時間較長可由職業人員將其拆卸，暫時保存起來，等容器內檢修工作完成并封閉人孔后再裝上。

（5）如有可能，對接觸到放射性儀表的相關人員進行定期檢查。

5 結論

銫-137輻射源γ射線密度測量方法具有靈敏度高、穩定、日常維護的工作量小等特點；而且只要采取可靠、必要的防護措施，操作人員的安全也有足夠的保障。